CN110578538A - 一种采场支护用预应力柔性抗震支柱及其架设方法 - Google Patents

Abstract

一种采场支护用预应力柔性抗震支柱及其架设方法，支柱包括顶板锚固组件、刚性支撑组件、预应力柔性支撑组件及底板锚固组件；顶板与底板之间依次布设顶板锚固组件、刚性支撑组件、预应力柔性支撑组件及底板锚固组件。架设方法为：在采场中选定的支护位置通过底板锚固组件将底座钢板固装到底板岩体上；先将弹簧和螺纹杆焊接到底座钢板上，再安装并焊接支撑钢板，最后旋紧预紧螺母以压缩弹簧；在支撑钢板正上方通过顶板锚固组件将接顶钢板固装到顶板岩体上；将插接好的钢管立柱垂直放置到支撑钢板上表面指定位置，完成底板侧支撑钢管与支撑钢板的焊接，并完成顶板侧支撑钢管与接顶钢板的焊接；缓速松开预紧螺母以释放弹簧力，由弹簧力提供支撑力。

Description

一种采场支护用预应力柔性抗震支柱及其架设方法

技术领域

本发明属于采矿工程技术领域，特别是涉及一种采场支护用预应力柔性抗震支柱及其架设方法。

背景技术

目前，空场采矿法已在非煤矿山得到广泛应用，而采场矿块通常被划分为矿房和矿柱，在矿房回采过程中，会利用顶底柱、间柱以及矿房中留设的规则或不规则点柱来限制顶板变形和控制采场地压，进而保证采场的稳定性；在矿房回采结束后，会对采场留设的原岩矿柱进行统一回收，而回采作业过程是直接处于暴露的顶板之下，不但安全条件差，而且矿石回收率低，进而会给矿山企业带来较大的经济损失。因此，针对上述问题，大多数矿山企业会采用更为廉价的人工矿柱来代替原岩矿柱，以增大高品位、高价值矿石的回采率。

但是，现阶段国内外研究和应用的人工矿柱仍然存在三个方面的问题。第一，人工矿柱无法有效接顶，致使支护体实际支护时机延后和采场顶板被动承载；第二，任何形式的人工矿柱的承载性能均无法与原岩矿柱相媲美，因此在利用人工矿柱置换原岩矿柱过程中，采场顶板变形势必进一步加大，并且现有的支护体大多属于脆性承载性能，可压缩变形能力小，在承载力达到极限强度后会迅速失稳破坏，进而无法为采场顶板提供长期有效的支护，最终会导致采场顶板冒顶失稳现象；第三，硬岩采场一般采用钻爆法进行矿体的回采，爆破应力波必定会对采场支护的人工矿柱进行一定程度的冲击作用，由于人工矿柱一般与采场顶底板直接接触，在围岩受到爆破扰动后，冲击波将由围岩传递至人工矿柱，而由于支护体本身过于刚性，从而造成人工矿柱的抗震效果差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种采场支护用预应力柔性抗震支柱及其架设方法，能够提供较大的预应力主动支撑顶板，具有一定的可压缩特性，可实现对采场顶板压力的应变硬化承载，能够有效提高抗震效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种采场支护用预应力柔性抗震支柱，包括顶板锚固组件、刚性支撑组件、预应力柔性支撑组件及底板锚固组件，所述刚性支撑组件顶端通过顶板锚固组件与顶板岩体相固连，刚性支撑组件底端与预应力柔性支撑组件顶端相固连，预应力柔性支撑组件底端通过底板锚固组件与底板岩体相固连。

所述顶板锚固组件包括接顶锚杆、垫片、托盘及固定螺母，所述接顶锚杆一端锚固在顶板岩体内，接顶锚杆另一端外露出顶板岩体，在接顶锚杆的外露端设置有外螺纹，所述垫片、托盘及固定螺母依次套装在接顶锚杆的外露端杆体上，通过固定螺母对接顶锚杆进行预紧。

所述刚性支撑组件包括接顶钢板及钢管立柱，所述钢管立柱包括顶板侧支撑钢管及底板侧支撑钢管；所述接顶钢板与顶板岩体顶靠接触，在接顶钢板上开设有锚杆穿装孔，所述接顶锚杆的外露端由锚杆穿装孔穿过接顶钢板；所述底板侧支撑钢管采用锥形管结构，底板侧支撑钢管的大径端朝上，且底板侧支撑钢管的大径端管口呈喇叭口形；所述顶板侧支撑钢管顶端焊接固连在接顶钢板下表面，顶板侧支撑钢管底端插接在底板侧支撑钢管的大径端管口内。

所述预应力柔性支撑组件包括支撑钢板、底座钢板、弹簧、螺纹杆及预紧螺母；所述底座钢板与底板岩体顶靠接触，在底座钢板上开设有锚杆穿装孔；所述弹簧底端焊接固连在底座钢板上，所述支撑钢板安装在弹簧顶端，弹簧顶端与支撑钢板焊接固连；在所述支撑钢板上开设有螺纹杆穿装孔，所述螺纹杆底端焊接固连在底座钢板上，螺纹杆顶端杆体由螺纹杆穿装孔穿过支撑钢板，所述预紧螺母套装在支撑钢板上方的螺纹杆杆体上，通过预紧螺母施加预紧力。

所述底板锚固组件包括底板锚杆、垫片、托盘及固定螺母，所述底板锚杆一端锚固在底板岩体内，底板锚杆另一端外露出底板岩体，底板锚杆的外露端由锚杆穿装孔穿过底座钢板，底板锚杆的外露端设置有外螺纹，所述垫片、托盘及固定螺母依次套装在底板锚杆的外露端杆体上，通过固定螺母对底板锚杆进行预紧。

所述的采场支护用预应力柔性抗震支柱的架设方法，包括如下步骤：

步骤一：先在采场中选定支护位置，然后在底板岩体上加工锚杆钻孔，且锚杆钻孔的位置与底座钢板上的锚杆穿装孔一一对应；当锚杆钻孔加工好后，再在每个锚杆钻孔中锚固安装一根底板锚杆，然后将底座钢板放置到支护位置，再在底板锚杆的外露端依次套装上垫片、托盘及固定螺母，最后旋紧固定螺母以对底板锚杆进行预紧，此时底座钢板被压紧在底板岩体上；

步骤二：在底座钢板的上表面按照指定位置焊接上弹簧和螺纹杆，然后将支撑钢板放置到弹簧上，同时保证螺纹杆的顶端杆体准确穿过支撑钢板的螺纹杆穿装孔，再将弹簧与支撑钢板焊接在一起，然后将预紧螺母套装在位于支撑钢板上方的螺纹杆杆体上，最后旋紧预紧螺母，使弹簧处于压缩状态；

步骤三：在支撑钢板正上方的顶板岩体上加工锚杆钻孔，且锚杆钻孔的位置与接顶钢板上的锚杆穿装孔一一对应；当锚杆钻孔加工好后，再在每个锚杆钻孔中锚固安装一根接顶锚杆，然后将接顶钢板放置到对应位置，再在接顶锚杆的外露端依次套装上垫片、托盘及固定螺母，最后旋紧固定螺母以对接顶锚杆进行预紧，此时接顶钢板被压紧在顶板岩体上；

步骤四：根据采场中支护位置的高度，确定钢管立柱的高度，先将钢管立柱的顶板侧支撑钢管底端插入底板侧支撑钢管的顶端管口，然后将钢管立柱整体垂直放置到支撑钢板上表面指定位置，再将底板侧支撑钢管底端与支撑钢板焊接在一起，然后将顶板侧支撑钢管顶端与接顶钢板焊接在一起；

步骤五：缓速松开预紧螺母，压缩状态下的弹簧逐渐伸展，最终通过弹簧的弹簧力为钢管立柱提供支撑力，同时为顶板岩体的主动支护提供动力源。

本发明的有益效果：

本发明与传统的人工支柱相比，在支护初期能够及时为顶板提供初撑力，有效限制顶板的初期变形；在顶板压力释放和变形后，预应力柔性抗震支柱也会受挤压而变形，由于弹簧和采用特殊组合结构钢管立柱的存在，有效提高了预应力柔性抗震支柱的变形能力，并且受载后能够应变硬化承载顶板压力，实质性实现对采场顶板的让压支护；由于橡胶垫片和弹簧的使用，使围岩与预应力柔性抗震支柱形成了一种刚-柔耦合体，在受到采动冲击波影响时，预应力柔性抗震支柱能够吸收部分冲击能，有效提高了抗震效果；另外，本发明的预应力柔性抗震支柱还具有施工工艺简单和成本低的特点，并且可以在数小时内完成井下构筑。

附图说明

图1为本发明的一种采场支护用预应力柔性抗震支柱的结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图1中B-B剖视图；

图4为图1中C-C剖视图；

图中，1—顶板岩体，2—底板岩体，3—接顶锚杆，4—垫片，5—托盘，6—固定螺母，7—接顶钢板，8—顶板侧支撑钢管，9—底板侧支撑钢管，10—支撑钢板，11—底座钢板，12—弹簧，13—螺纹杆，14—预紧螺母，15—底板锚杆。

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1～4所示，一种采场支护用预应力柔性抗震支柱，包括顶板锚固组件、刚性支撑组件、预应力柔性支撑组件及底板锚固组件，所述刚性支撑组件顶端通过顶板锚固组件与顶板岩体1相固连，刚性支撑组件底端与预应力柔性支撑组件顶端相固连，预应力柔性支撑组件底端通过底板锚固组件与底板岩体2相固连。

所述顶板锚固组件包括接顶锚杆3、垫片4、托盘5及固定螺母6，所述接顶锚杆3一端锚固在顶板岩体1内，接顶锚杆3另一端外露出顶板岩体1，在接顶锚杆3的外露端设置有外螺纹，所述垫片4、托盘5及固定螺母6依次套装在接顶锚杆3的外露端杆体上，通过固定螺母6对接顶锚杆3进行预紧。本实施例中，接顶锚杆3共设置有四根，且四根接顶锚杆3均布设置；垫片4采用橡胶垫片。

所述刚性支撑组件包括接顶钢板7及钢管立柱，所述钢管立柱包括顶板侧支撑钢管8及底板侧支撑钢管9；所述接顶钢板7与顶板岩体1顶靠接触，在接顶钢板7上开设有锚杆穿装孔，所述接顶锚杆3的外露端由锚杆穿装孔穿过接顶钢板7；所述底板侧支撑钢管9采用锥形管结构，底板侧支撑钢管9的大径端朝上，且底板侧支撑钢管9的大径端管口呈喇叭口形；所述顶板侧支撑钢管8顶端焊接固连在接顶钢板7下表面，顶板侧支撑钢管8底端插接在底板侧支撑钢管9的大径端管口内。本实施例中，钢管立柱共设置五根，且五根钢管立柱均布设置；接顶钢板7采用矩形结构，接顶钢板7上共开设有四个锚杆穿装孔，且四个锚杆穿装孔均布设置。

所述预应力柔性支撑组件包括支撑钢板10、底座钢板11、弹簧12、螺纹杆13及预紧螺母14；所述底座钢板11与底板岩体2顶靠接触，在底座钢板11上开设有锚杆穿装孔；所述弹簧12底端焊接固连在底座钢板11上，所述支撑钢板10安装在弹簧12顶端，弹簧12顶端与支撑钢板10焊接固连；在所述支撑钢板10上开设有螺纹杆穿装孔，所述螺纹杆13底端焊接固连在底座钢板11上，螺纹杆13顶端杆体由螺纹杆穿装孔穿过支撑钢板10，所述预紧螺母14套装在支撑钢板10上方的螺纹杆13杆体上，通过预紧螺母14施加预紧力。本实施例中，螺纹杆13共设置有四根，且四根螺纹杆13均布设置；弹簧12共设置九根，且九根弹簧12均布设置；支撑钢板10采用矩形结构，支撑钢板10上共开设有四个螺纹杆穿装孔，且四个螺纹杆穿装孔均布设置；底座钢板11采用矩形结构，底座钢板11上共开设有四个锚杆穿装孔，且四个锚杆穿装孔均布设置。

所述底板锚固组件包括底板锚杆15、垫片4、托盘5及固定螺母6，所述底板锚杆15一端锚固在底板岩体2内，底板锚杆15另一端外露出底板岩体2，底板锚杆15的外露端由锚杆穿装孔穿过底座钢板11，底板锚杆15的外露端设置有外螺纹，所述垫片4、托盘5及固定螺母6依次套装在底板锚杆15的外露端杆体上，通过固定螺母6对底板锚杆15进行预紧。本实施例中，底板锚杆15共设置有四根，且四根底板锚杆15均布设置；垫片4采用橡胶垫片。

所述的采场支护用预应力柔性抗震支柱的架设方法，包括如下步骤：

步骤一：先在采场中选定支护位置，然后在底板岩体2上加工锚杆钻孔，且锚杆钻孔的位置与底座钢板11上的锚杆穿装孔一一对应；当锚杆钻孔加工好后，再在每个锚杆钻孔中锚固安装一根底板锚杆15，然后将底座钢板11放置到支护位置，再在底板锚杆15的外露端依次套装上垫片4、托盘5及固定螺母6，最后旋紧固定螺母6以对底板锚杆15进行预紧，此时底座钢板11被压紧在底板岩体2上；

步骤二：在底座钢板11的上表面按照指定位置焊接上弹簧12和螺纹杆13，然后将支撑钢板10放置到弹簧12上，同时保证螺纹杆13的顶端杆体准确穿过支撑钢板10的螺纹杆穿装孔，再将弹簧12与支撑钢板10焊接在一起，然后将预紧螺母14套装在位于支撑钢板10上方的螺纹杆13杆体上，最后旋紧预紧螺母14，使弹簧12处于压缩状态；

步骤三：在支撑钢板10正上方的顶板岩体1上加工锚杆钻孔，且锚杆钻孔的位置与接顶钢板7上的锚杆穿装孔一一对应；当锚杆钻孔加工好后，再在每个锚杆钻孔中锚固安装一根接顶锚杆3，然后将接顶钢板7放置到对应位置，再在接顶锚杆3的外露端依次套装上垫片4、托盘5及固定螺母6，最后旋紧固定螺母6以对接顶锚杆3进行预紧，此时接顶钢板7被压紧在顶板岩体1上；

步骤四：根据采场中支护位置的高度，确定钢管立柱的高度，先将钢管立柱的顶板侧支撑钢管8底端插入底板侧支撑钢管9的顶端管口，然后将钢管立柱整体垂直放置到支撑钢板10上表面指定位置，再将底板侧支撑钢管9底端与支撑钢板10焊接在一起，然后将顶板侧支撑钢管8顶端与接顶钢板7焊接在一起；

步骤五：缓速松开预紧螺母14，压缩状态下的弹簧12逐渐伸展，最终通过弹簧12的弹簧力为钢管立柱提供支撑力，同时为顶板岩体1的主动支护提供动力源。

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 (6)

1.一种采场支护用预应力柔性抗震支柱，其特征在于：包括顶板锚固组件、刚性支撑组件、预应力柔性支撑组件及底板锚固组件，所述刚性支撑组件顶端通过顶板锚固组件与顶板岩体相固连，刚性支撑组件底端与预应力柔性支撑组件顶端相固连，预应力柔性支撑组件底端通过底板锚固组件与底板岩体相固连。

2.根据权利要求1所述的一种采场支护用预应力柔性抗震支柱，其特征在于：所述顶板锚固组件包括接顶锚杆、垫片、托盘及固定螺母，所述接顶锚杆一端锚固在顶板岩体内，接顶锚杆另一端外露出顶板岩体，在接顶锚杆的外露端设置有外螺纹，所述垫片、托盘及固定螺母依次套装在接顶锚杆的外露端杆体上，通过固定螺母对接顶锚杆进行预紧。

3.根据权利要求2所述的一种采场支护用预应力柔性抗震支柱，其特征在于：所述刚性支撑组件包括接顶钢板及钢管立柱，所述钢管立柱包括顶板侧支撑钢管及底板侧支撑钢管；所述接顶钢板与顶板岩体顶靠接触，在接顶钢板上开设有锚杆穿装孔，所述接顶锚杆的外露端由锚杆穿装孔穿过接顶钢板；所述底板侧支撑钢管采用锥形管结构，底板侧支撑钢管的大径端朝上，且底板侧支撑钢管的大径端管口呈喇叭口形；所述顶板侧支撑钢管顶端焊接固连在接顶钢板下表面，顶板侧支撑钢管底端插接在底板侧支撑钢管的大径端管口内。

4.根据权利要求3所述的一种采场支护用预应力柔性抗震支柱，其特征在于：所述预应力柔性支撑组件包括支撑钢板、底座钢板、弹簧、螺纹杆及预紧螺母；所述底座钢板与底板岩体顶靠接触，在底座钢板上开设有锚杆穿装孔；所述弹簧底端焊接固连在底座钢板上，所述支撑钢板安装在弹簧顶端，弹簧顶端与支撑钢板焊接固连；在所述支撑钢板上开设有螺纹杆穿装孔，所述螺纹杆底端焊接固连在底座钢板上，螺纹杆顶端杆体由螺纹杆穿装孔穿过支撑钢板，所述预紧螺母套装在支撑钢板上方的螺纹杆杆体上，通过预紧螺母施加预紧力。

5.根据权利要求4所述的一种采场支护用预应力柔性抗震支柱，其特征在于：所述底板锚固组件包括底板锚杆、垫片、托盘及固定螺母，所述底板锚杆一端锚固在底板岩体内，底板锚杆另一端外露出底板岩体，底板锚杆的外露端由锚杆穿装孔穿过底座钢板，底板锚杆的外露端设置有外螺纹，所述垫片、托盘及固定螺母依次套装在底板锚杆的外露端杆体上，通过固定螺母对底板锚杆进行预紧。

6.权利要求1所述的采场支护用预应力柔性抗震支柱的架设方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：先在采场中选定支护位置，然后在底板岩体上加工锚杆钻孔，且锚杆钻孔的位置与底座钢板上的锚杆穿装孔一一对应；当锚杆钻孔加工好后，再在每个锚杆钻孔中锚固安装一根底板锚杆，然后将底座钢板放置到支护位置，再在底板锚杆的外露端依次套装上垫片、托盘及固定螺母，最后旋紧固定螺母以对底板锚杆进行预紧，此时底座钢板被压紧在底板岩体上；

步骤二：在底座钢板的上表面按照指定位置焊接上弹簧和螺纹杆，然后将支撑钢板放置到弹簧上，同时保证螺纹杆的顶端杆体准确穿过支撑钢板的螺纹杆穿装孔，再将弹簧与支撑钢板焊接在一起，然后将预紧螺母套装在位于支撑钢板上方的螺纹杆杆体上，最后旋紧预紧螺母，使弹簧处于压缩状态；

步骤三：在支撑钢板正上方的顶板岩体上加工锚杆钻孔，且锚杆钻孔的位置与接顶钢板上的锚杆穿装孔一一对应；当锚杆钻孔加工好后，再在每个锚杆钻孔中锚固安装一根接顶锚杆，然后将接顶钢板放置到对应位置，再在接顶锚杆的外露端依次套装上垫片、托盘及固定螺母，最后旋紧固定螺母以对接顶锚杆进行预紧，此时接顶钢板被压紧在顶板岩体上；

步骤四：根据采场中支护位置的高度，确定钢管立柱的高度，先将钢管立柱的顶板侧支撑钢管底端插入底板侧支撑钢管的顶端管口，然后将钢管立柱整体垂直放置到支撑钢板上表面指定位置，再将底板侧支撑钢管底端与支撑钢板焊接在一起，然后将顶板侧支撑钢管顶端与接顶钢板焊接在一起；

步骤五：缓速松开预紧螺母，压缩状态下的弹簧逐渐伸展，最终通过弹簧的弹簧力为钢管立柱提供支撑力，同时为顶板岩体的主动支护提供动力源。