CN109944615A - 一种井下支护用人工矿柱及架设方法 - Google Patents
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Abstract
一种井下支护用人工矿柱及架设方法，包括接顶钢板、预应力施加机构及插接在两者之间的支撑立柱，支撑立柱由两根套接的支撑钢管组成，预应力施加机构包括预应力施加缸筒及焊接有导向缸筒的底座/支撑钢板，底座/支撑钢板通过导向缸筒包覆预应力施加缸筒，预应力施加缸筒内部用于填充膨胀材料。架设方法为：先将填充有膨胀材料的预应力施加机构放置到支护位置处的底板上，再将支撑立柱外管插入支撑钢板上，然后将接顶钢板插接到支撑立柱内管顶端；在支撑立柱外管上固装卡箍，内管上松套卡箍；向上抬升支撑立柱内管，使接顶钢板与顶板接触；紧固内管卡箍，在两卡箍间安放千斤顶并施加预紧支撑力，同时焊接内外管；预应力施加缸筒注水并输出膨胀力。
Description
技术领域
本发明属于采矿工程技术领域，特别是涉及一种井下支护用人工矿柱及架设方法。
背景技术
在开采地下矿山的水平和缓倾斜金属矿床时，为了保证人员的作业安全条件，通常留有较宽的连续采区矿柱和间断的圆形或矩形点柱，用以承载采区范围上部的覆岩载荷，以限制顶板的变形和破坏，保证采场的稳定性，控制矿房回采的允许跨度。
尽管原生矿柱提高了采场的安全性，然而，若在生产末期对留设的残留矿柱不进行回收，势必会降低经济效益。目前，最为常见的回收残留矿柱的方法是直接削弱爆破和利用人工矿柱来替换。与直接削弱爆破方式相比，人工矿柱的安装能够提高采场的安全性，因为在回收原生矿柱之前，顶板已经被人工矿柱支撑。
根据的承载和变形特性，人工矿柱可分为脆性矿柱、完美的弹塑性矿柱、应变软化矿柱和应变硬化矿柱。目前，三类人工矿柱已广泛应用于采矿行业，而作为“让压支护”系统之一的应变硬化矿柱仍处于研发阶段。
除了优化人工矿柱的载荷-位移曲线外，支护体的实际作用时机也是影响支护效果的一个关键因素。众所周知，在架设人工矿柱支护体之前，由于采场的采动影响，顶板会形成一定的早期变形量，与此同时，在人工矿柱的顶部和采场顶板之间通常存在一定的间隙，导致人工矿柱实际开始承受顶板载荷之前，顶板必然已有了进一步变形。为了解决这个问题并提供尽可能早地支护，人工矿柱的施工时间必须减少。然而，对于一种特定的支护结构，其施工周期是固定的，例如建造和维护一座传统的混凝土矿柱至少需要耗费7天时间。因此，迫切需要开发可以缩短施工周期的新支护技术。
较早地对采场顶板提供支护的另一种更有效的方法是将“被动支护”改为“主动支撑”，“主动支撑”可以快速提供预应力，以消除顶板和支护体之间的间隙，并较早地限制顶板变形。目前，市场上共有五种类型的预应力支撑系统，包括木楔、机械装置、充气橡胶气囊、灌浆填充袋和水膨胀钢隔膜，但上述五种类型的预应力支撑系统存在一个共同的缺点，即主动支撑力较低，其大约仅在20kN到800kN范围内。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种井下支护用人工矿柱及架设方法，可将人工矿柱的建造时间缩短到数小时以内，同时能够实现顶板的主动支撑和应变硬化承载。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种井下支护用人工矿柱，包括接顶钢板、支撑立柱及预应力施加机构；所述接顶钢板上表面与顶板相接触，支撑立柱顶端与接顶钢板下表面插接相连，支撑立柱底端与预应力施加机构顶端插接相连，预应力施加机构放置于底板上。
所述支撑立柱的数量为5～7根，若干支撑立柱在接顶钢板与预应力施加机构之间均布设置。
在所述接顶钢板下表面焊接有顶板侧插接套管，在预应力施加机构上端固装有底板侧插接套管，所述支撑立柱顶端与顶板侧插接套管插接配合，支撑立柱底端与底板侧插接套管插接配合。
所述支撑立柱包括顶板侧支撑钢管和底板侧支撑钢管，底板侧支撑钢管套装在顶板侧支撑钢管外侧，底板侧支撑钢管的管体长度小于顶板侧支撑钢管的管体长度，顶板侧支撑钢管与底板侧支撑钢管之间采用间隙配合；所述顶板侧支撑钢管顶端插接在顶板侧插接套管内，底板侧支撑钢管底端插接在底板侧插接套管内。
所述预应力施加机构包括底座钢板、支撑钢板、底板侧导向钢筒、顶板侧导向钢筒及预应力施加钢筒；所述底座钢板下表面与底板相接触，底板侧导向钢筒焊接在底座钢板上表面；所述支撑钢板位于底座钢板正上方，顶板侧导向钢筒焊接在支撑钢板下表面，顶板侧导向钢筒与底板侧导向钢筒同心设置；所述预应力施加钢筒的下半部分位于底板侧导向钢筒内，预应力施加钢筒的上半部分位于顶板侧导向钢筒内；所述底板侧插接套管焊接在支撑钢板上表面。
所述预应力施加钢筒的轴向高度等于底板侧导向钢筒与顶板侧导向钢筒的轴向高度之和。
所述预应力施加钢筒内部通过隔板分隔成若干独立腔室，每个独立腔室内均用于放置膨胀材料，每个独立腔室上方的支撑钢板上均开设有注水口和排气孔，每个独立腔室侧方对应的底板侧导向钢筒的筒壁上均开设有排水孔；每个所述注水口处均焊接有注水接头，注水接头上配装有螺纹堵头。
所述的井下支护用人工矿柱的架设方法，包括如下步骤：
步骤一：确定支护位置，将焊接有底板侧导向钢筒的底座钢板放置到支护位置处的底板上；
步骤二：将预应力施加钢筒放入底板侧导向钢筒内，并在每个独立腔室内装填上膨胀材料；
步骤三：将焊接有顶板侧导向钢筒的支撑钢板放置到底板侧导向钢筒上方，并使顶板侧导向钢筒准确套在预应力施加钢筒上；
步骤四：在底板侧支撑钢管内插入顶板侧支撑钢管，以形成两级可伸缩式的支撑立柱，并依次完成全部支撑立柱的组装；
步骤五：将支撑立柱的底板侧支撑钢管底端插入底板侧插接套管内，并依次完成全部支撑立柱的插装；
步骤六：将接顶钢板放置到支撑立柱的顶端，并使所有支撑立柱的顶板侧支撑钢管顶端准确插入对应位置处的顶板侧插接套管内；
步骤七：在底板侧支撑钢管的顶端管口处安装上底板侧卡箍，并将底板侧卡箍锁紧固定到底板侧支撑钢管上；同时，在顶板侧支撑钢管上安装上顶板侧卡箍，顶板侧卡箍保持在松开状态，并使顶板侧卡箍自由落放在底板侧卡箍上；
步骤八：通过人力向上提升顶板侧支撑钢管，直到接顶钢板与顶板顶靠接触在一起；
步骤九：将顶板侧卡箍移动到底板侧支撑钢管的顶端管口上方，并将顶板侧卡箍锁紧固定到顶板侧支撑钢管上；
步骤十：在底板侧卡箍与顶板侧卡箍之间竖直放置一对千斤顶，通过千斤顶对支撑立柱施加轴向预紧支撑力；
步骤十一：在千斤顶提供轴向预紧支撑力的同时，在顶板侧支撑钢管与底板侧支撑钢管的接口处将两者焊接固连在一起，然后将千斤顶、底板侧卡箍和顶板侧卡箍从支撑立柱上移除；最后依次完成全部支撑立柱的预紧力施加；
步骤十二：卸下所有注水接头上的螺纹堵头，通过注水接头向独立腔室内的膨胀材料注水，膨胀材料遇水膨胀，膨胀力沿轴向输出，并最终转化为顶板和底板之间的支撑力。
当选择在顶板侧插接套管与顶板侧支撑钢管插接处管壁上加工注浆孔时，通过注浆孔向支撑立柱内注入水泥砂浆，将支撑立柱由空心结构转换为钢管混凝土结构，用于提升支撑立柱的强度，并使人工矿柱的整体强度得到提高。
本发明的有益效果：
本发明的井下支护用人工矿柱及架设方法，可将人工矿柱的建造时间缩短到数小时以内，同时能够实现顶板的主动支撑和应变硬化承载，能够为顶板提供10MPa以上的主动预应力。本发明的人工矿柱可以看作是一种“刚-柔”耦合结构，在顶板变形和压力释放后，本发明的人工矿柱通过其具有的应变硬化承载特征，能够较好的实现对顶板的“让压支护”，从而有效限制顶板的变形和破坏，进而提高采场的安全作业条件，同时显著提高矿山的经济效益。
附图说明
图1为本发明的一种井下支护用人工矿柱的立体图；
图2为本发明的一种井下支护用人工矿柱的正体图；
图3为本发明的预应力施加机构的爆炸图；
图4为支撑立柱进行预紧力施加的示意图；
图5为支撑立柱在强度提升方案下的注浆孔开孔位置示意图；
图中，1—接顶钢板，2—支撑立柱，3—预应力施加机构，4—顶板侧插接套管，5—底板侧插接套管，6—顶板侧支撑钢管，7—底板侧支撑钢管，8—底座钢板，9—支撑钢板，10—底板侧导向钢筒，11—顶板侧导向钢筒，12—预应力施加钢筒，13—隔板，14—独立腔室，15—排气孔，16—排水孔，17—注水接头，18—螺纹堵头，19—底板侧卡箍，20—顶板侧卡箍，21—千斤顶，22—注浆孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～3所示，一种井下支护用人工矿柱，包括接顶钢板1、支撑立柱2及预应力施加机构3；所述接顶钢板1上表面与顶板相接触，支撑立柱2顶端与接顶钢板1下表面插接相连，支撑立柱2底端与预应力施加机构3顶端插接相连，预应力施加机构3放置于底板上。
所述支撑立柱2的数量为5～7根，若干支撑立柱2在接顶钢板1与预应力施加机构3之间均布设置。
在所述接顶钢板1下表面焊接有顶板侧插接套管4，在预应力施加机构3上端固装有底板侧插接套管5，所述支撑立柱2顶端与顶板侧插接套管4插接配合，支撑立柱2底端与底板侧插接套管5插接配合。
所述支撑立柱2包括顶板侧支撑钢管6和底板侧支撑钢管7，底板侧支撑钢管7套装在顶板侧支撑钢管6外侧，底板侧支撑钢管7的管体长度小于顶板侧支撑钢管6的管体长度，顶板侧支撑钢管6与底板侧支撑钢管7之间采用间隙配合；所述顶板侧支撑钢管6顶端插接在顶板侧插接套管4内，底板侧支撑钢管7底端插接在底板侧插接套管5内。
所述预应力施加机构3包括底座钢板8、支撑钢板9、底板侧导向钢筒10、顶板侧导向钢筒11及预应力施加钢筒12；所述底座钢板8下表面与底板相接触，底板侧导向钢筒10焊接在底座钢板8上表面；所述支撑钢板9位于底座钢板8正上方，顶板侧导向钢筒11焊接在支撑钢板9下表面，顶板侧导向钢筒11与底板侧导向钢筒10同心设置；所述预应力施加钢筒12的下半部分位于底板侧导向钢筒10内，预应力施加钢筒12的上半部分位于顶板侧导向钢筒11内；所述底板侧插接套管5焊接在支撑钢板9上表面。
所述预应力施加钢筒12的轴向高度等于底板侧导向钢筒10与顶板侧导向钢筒11的轴向高度之和。
所述预应力施加钢筒12内部通过隔板13分隔成若干独立腔室14，每个独立腔室14内均用于放置膨胀材料，每个独立腔室14上方的支撑钢板9上均开设有注水口和排气孔15，每个独立腔室14侧方对应的底板侧导向钢筒10的筒壁上均开设有排水孔16；每个所述注水口处均焊接有注水接头17，注水接头17上配装有螺纹堵头18。
所述的井下支护用人工矿柱的架设方法，包括如下步骤：
步骤一：确定支护位置，将焊接有底板侧导向钢筒10的底座钢板8放置到支护位置处的底板上；
步骤二：将预应力施加钢筒12放入底板侧导向钢筒10内，并在每个独立腔室14内装填上膨胀材料；
步骤三：将焊接有顶板侧导向钢筒11的支撑钢板9放置到底板侧导向钢筒10上方，并使顶板侧导向钢筒11准确套在预应力施加钢筒12上；
步骤四：在底板侧支撑钢管7内插入顶板侧支撑钢管6，以形成两级可伸缩式的支撑立柱2，并依次完成全部支撑立柱2的组装；
步骤五：将支撑立柱2的底板侧支撑钢管7底端插入底板侧插接套管5内，并依次完成全部支撑立柱2的插装；
步骤六：将接顶钢板1放置到支撑立柱2的顶端，并使所有支撑立柱2的顶板侧支撑钢管6顶端准确插入对应位置处的顶板侧插接套管4内；
步骤七：在底板侧支撑钢管7的顶端管口处安装上底板侧卡箍19，并将底板侧卡箍19锁紧固定到底板侧支撑钢管7上；同时，在顶板侧支撑钢管6上安装上顶板侧卡箍20，顶板侧卡箍20保持在松开状态，并使顶板侧卡箍20自由落放在底板侧卡箍19上；
步骤八：通过人力向上提升顶板侧支撑钢管6，直到接顶钢板1与顶板顶靠接触在一起；
步骤九：将顶板侧卡箍20移动到底板侧支撑钢管7的顶端管口上方，并将顶板侧卡箍20锁紧固定到顶板侧支撑钢管6上；
步骤十：在底板侧卡箍19与顶板侧卡箍20之间竖直放置一对千斤顶21，通过千斤顶21对支撑立柱2施加轴向预紧支撑力，如图4所示；
步骤十一：在千斤顶21提供轴向预紧支撑力的同时，在顶板侧支撑钢管6与底板侧支撑钢管7的接口处将两者焊接固连在一起，然后将千斤顶21、底板侧卡箍19和顶板侧卡箍20从支撑立柱2上移除；最后依次完成全部支撑立柱2的预紧力施加；
步骤十二：卸下所有注水接头17上的螺纹堵头18，通过注水接头17向独立腔室14内的膨胀材料注水，膨胀材料遇水膨胀，膨胀力沿轴向输出，并最终转化为顶板和底板之间的支撑力。
如图5所示，当选择在顶板侧插接套管4与顶板侧支撑钢管6插接处管壁上加工注浆孔22时，通过注浆孔22向支撑立柱2内注入水泥砂浆，将支撑立柱2由空心结构转换为钢管混凝土结构，用于提升支撑立柱2的强度，并使人工矿柱的整体强度得到提高。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (9)
1.一种井下支护用人工矿柱，其特征在于：包括接顶钢板、支撑立柱及预应力施加机构；所述接顶钢板上表面与顶板相接触，支撑立柱顶端与接顶钢板下表面插接相连，支撑立柱底端与预应力施加机构顶端插接相连，预应力施加机构放置于底板上。
2.根据权利要求1所述的一种井下支护用人工矿柱，其特征在于：所述支撑立柱的数量为5～7根，若干支撑立柱在接顶钢板与预应力施加机构之间均布设置。
3.根据权利要求1所述的一种井下支护用人工矿柱，其特征在于：在所述接顶钢板下表面焊接有顶板侧插接套管，在预应力施加机构上端固装有底板侧插接套管，所述支撑立柱顶端与顶板侧插接套管插接配合，支撑立柱底端与底板侧插接套管插接配合。
4.根据权利要求3所述的一种井下支护用人工矿柱，其特征在于：所述支撑立柱包括顶板侧支撑钢管和底板侧支撑钢管，底板侧支撑钢管套装在顶板侧支撑钢管外侧，底板侧支撑钢管的管体长度小于顶板侧支撑钢管的管体长度，顶板侧支撑钢管与底板侧支撑钢管之间采用间隙配合；所述顶板侧支撑钢管顶端插接在顶板侧插接套管内，底板侧支撑钢管底端插接在底板侧插接套管内。
5.根据权利要求3所述的一种井下支护用人工矿柱，其特征在于：所述预应力施加机构包括底座钢板、支撑钢板、底板侧导向钢筒、顶板侧导向钢筒及预应力施加钢筒；所述底座钢板下表面与底板相接触，底板侧导向钢筒焊接在底座钢板上表面；所述支撑钢板位于底座钢板正上方，顶板侧导向钢筒焊接在支撑钢板下表面，顶板侧导向钢筒与底板侧导向钢筒同心设置；所述预应力施加钢筒的下半部分位于底板侧导向钢筒内，预应力施加钢筒的上半部分位于顶板侧导向钢筒内；所述底板侧插接套管焊接在支撑钢板上表面。
6.根据权利要求5所述的一种井下支护用人工矿柱，其特征在于：所述预应力施加钢筒的轴向高度等于底板侧导向钢筒与顶板侧导向钢筒的轴向高度之和。
7.根据权利要求5所述的一种井下支护用人工矿柱，其特征在于：所述预应力施加钢筒内部通过隔板分隔成若干独立腔室，每个独立腔室内均用于放置膨胀材料，每个独立腔室上方的支撑钢板上均开设有注水口和排气孔，每个独立腔室侧方对应的底板侧导向钢筒的筒壁上均开设有排水孔；每个所述注水口处均焊接有注水接头，注水接头上配装有螺纹堵头。
8.权利要求1所述的井下支护用人工矿柱的架设方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：确定支护位置，将焊接有底板侧导向钢筒的底座钢板放置到支护位置处的底板上；
步骤二：将预应力施加钢筒放入底板侧导向钢筒内，并在每个独立腔室内装填上膨胀材料；
步骤三：将焊接有顶板侧导向钢筒的支撑钢板放置到底板侧导向钢筒上方，并使顶板侧导向钢筒准确套在预应力施加钢筒上；
步骤四：在底板侧支撑钢管内插入顶板侧支撑钢管，以形成两级可伸缩式的支撑立柱，并依次完成全部支撑立柱的组装；
步骤五：将支撑立柱的底板侧支撑钢管底端插入底板侧插接套管内，并依次完成全部支撑立柱的插装；
步骤六：将接顶钢板放置到支撑立柱的顶端，并使所有支撑立柱的顶板侧支撑钢管顶端准确插入对应位置处的顶板侧插接套管内；
步骤七：在底板侧支撑钢管的顶端管口处安装上底板侧卡箍，并将底板侧卡箍锁紧固定到底板侧支撑钢管上；同时，在顶板侧支撑钢管上安装上顶板侧卡箍，顶板侧卡箍保持在松开状态，并使顶板侧卡箍自由落放在底板侧卡箍上；
步骤八：通过人力向上提升顶板侧支撑钢管，直到接顶钢板与顶板顶靠接触在一起；
步骤九：将顶板侧卡箍移动到底板侧支撑钢管的顶端管口上方，并将顶板侧卡箍锁紧固定到顶板侧支撑钢管上；
步骤十：在底板侧卡箍与顶板侧卡箍之间竖直放置一对千斤顶，通过千斤顶对支撑立柱施加轴向预紧支撑力；
步骤十一：在千斤顶提供轴向预紧支撑力的同时，在顶板侧支撑钢管与底板侧支撑钢管的接口处将两者焊接固连在一起，然后将千斤顶、底板侧卡箍和顶板侧卡箍从支撑立柱上移除；最后依次完成全部支撑立柱的预紧力施加；
步骤十二：卸下所有注水接头上的螺纹堵头，通过注水接头向独立腔室内的膨胀材料注水，膨胀材料遇水膨胀，膨胀力沿轴向输出，并最终转化为顶板和底板之间的支撑力。
9.根据权利要求8所述的井下支护用人工矿柱的架设方法，其特征在于：当选择在顶板侧插接套管与顶板侧支撑钢管插接处管壁上加工注浆孔时，通过注浆孔向支撑立柱内注入水泥砂浆，将支撑立柱由空心结构转换为钢管混凝土结构，用于提升支撑立柱的强度，并使人工矿柱的整体强度得到提高。
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