CN112302697A - 一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置及其预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置及其预警方法，包括锚杆以及自上而下套接在锚杆外表面的平托盘、第一分级缓冲让压吸能组件、抗卷曲板、第二分级缓冲让压吸能组件和球壳托盘，所述锚杆的底端螺纹连接有预紧螺母，所述预紧螺母位于球壳托盘的底部，所述第一分级缓冲让压吸能组件包括第一主吸能管和第一次吸能管，所述第一次吸能管位于第一主吸能管内侧，所述第二分级缓冲让压吸能组件包括第二主吸能管和第二次吸能管，所述第二次吸能管位于第二主吸能管内侧。本发明具有能够在高地应力环境下分级吸能让压、提供恒定阻力、最大限度适应围岩变形、监测冲击能量预警一体化的效果。

Description

一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置及其预警方法

技术领域

本发明属于煤矿巷道支护设备技术领域，具体涉及一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置及其预警方法。

背景技术

锚杆、锚网索支护在煤矿井下巷道、隧道、边坡及大型地下硐室等应用广泛，而在锚杆支护中，托盘是施加高预紧力的有效媒介和增强护表作用的有效构件，对锚杆支护的质量有较大的影响，煤炭进入深部开采，巷道会受采动、地质构造等影响，会呈现出显著大变形的特点，特别是对于巷道处于高地应力环境下，在顶板危险突然发生的瞬间会释放大量的弹性能量，传统锚杆缓冲让压功能有限，往往会造成锚杆被拉断、锚头脱丝、锚杆托盘撕裂使锚杆穿过导致锚固失效，围岩迅速向巷道内鼓出，出现顶板灾害，造成现场人员和设备的伤害，因此，本发明提出一种能够在高地应力环境下分级吸能让压、提供恒定阻力、最大限度适应围岩变形、监测冲击能量预警一体化的预警顶板危险的大变形吸能托盘装置及其预警方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种能够在高地应力环境下分级吸能让压、提供恒定阻力、最大限度适应围岩变形、监测冲击能量预警一体化的预警顶板危险的大变形吸能托盘装置及其预警方法。

本发明采用的技术方案为：一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置，包括锚杆以及自上而下套接在锚杆外表面的平托盘、第一分级缓冲让压吸能组件、抗卷曲板、第二分级缓冲让压吸能组件和球壳托盘，所述锚杆的底端螺纹连接有预紧螺母，所述预紧螺母位于球壳托盘的底部；

所述第一分级缓冲让压吸能组件包括第一主吸能管和第一次吸能管，所述第一次吸能管位于第一主吸能管内侧，且所述第一次吸能管的下端与第一主吸能管的下端内表面焊接，所述第一主吸能管的顶端与平托盘的下表面焊接，所述第二分级缓冲让压吸能组件包括第二主吸能管和第二次吸能管，所述第二次吸能管位于第二主吸能管内侧，且所述第二次吸能管的上端与第二主吸能管的上端内表面焊接，所述第二主吸能管的底端与球壳托盘的上表面焊接，所述第一主吸能管和第一次吸能管的底端以及第二主吸能管和第二次吸能管的顶端均周向设置有预裂纹切口，所述第一主吸能管的底端通过预裂纹切口与抗卷曲板的上表面点焊固定，所述第二主吸能管的顶端通过预裂纹切口与抗卷曲板的下表面点焊固定，所述第一主吸能管、第一次吸能管、第二主吸能管和第二次吸能管均安装有无线压力传感器，所述无线压力传感器位于预裂纹切口对应的欲裂路径中。

优选的，所述第一主吸能管、第一次吸能管、第二主吸能管和第二次吸能管均为大端面开口、小端面中心通孔的圆台结构，所述第一主吸能管和第二主吸能管大小相同且开口端相对设置，所述第一次吸能管和第二次吸能管大小相同且开口端相对设置。

优选的，所述第一主吸能管、第一次吸能管、第二主吸能管和第二次吸能管的周向设置的预裂纹切口均不少于四个，所述的预裂纹切口等间隔设置。

优选的，每个所述预裂纹切口均对应设置有两个无线压力传感器，两个所述无线压力传感器一前一后安装在欲裂路径中。

优选的，所述锚杆为树脂螺纹杆锚杆。

优选的，所述无线压力传感器安装在吸能管的内表面或外表面或采用内嵌安装的方式。

一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置的预警方法，包括如下步骤：

步骤1）：在围岩巷道受到来自顶板危险或冲击地压带来的大量的弹性应变能时，所述的第一主吸能管、第一次吸能管、第二主吸能管和第二次吸能管均沿着其表面的预裂纹切口进行撕裂；

步骤2）：在每条撕裂路径扩展至欲裂路径中的无线压力传感器时，无线压力传感器能够监测到该无线压力传感器所对应的吸能管产生撕裂对应的单个压力值；

步骤3）：无线压力传感器通过GPRS无线网络传输监测到的数据至信号基站后再传输至地面调度监测室，根据单次压力值、时间和频次来进行分析和预警。

本发明的有益效果：

1、本发明通过设置带有多个预裂纹切口的第一分级缓冲让压吸能组件和第二分级缓冲让压吸能组件，能够在顶板受到危害或冲击地压来临释放大量的弹性应变能时，通过其特有的锥形吸能特性和沿预裂纹切口产生撕裂路径进行扩展来适应突然的大变形，持续让压吸收释放的弹性能，在第一主吸能管和第二主吸能管在受压后撕裂挤压至第一次吸能管和第二次吸能管时，两个次吸能管与抗卷曲板接触，与主吸能管同时作用开始让压吸能，起到抗大变形、提供恒定阻力、分级持续让压吸能的作用，减小井下巷道顶板危险时对人员和设备造成的伤害。

2、本发明通过设置无线压力传感器，在预裂纹切口产生不同长度的撕裂路径并扩展至无线压力传感器时，无线压力传感器能够监测到使主吸能管、次吸能管产生撕裂对应的单个冲击能量值或单次冲击能量总和值，通过GPRS无线网络传输监测到的数据至信号基站后再传输至地面调度监测室，根据单次冲击能量总和值、时间、频次等进行分析来达到监测预警的目的，以减小顶板危险对人员和设备造成的伤害。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明所述的第一次吸能管和第二次吸能管的安装结构示意图；

图3为本发明所述的抗卷曲板的结构示意图；

图4为本发明所述的第一主吸能管的结构示意图；

图5为本发明所述的第一次吸能管的结构示意图。

图中：1、锚杆 2、平托盘 3、抗卷曲板 4、球壳托盘 5、预紧螺母 6、第一主吸能管 7、第一次吸能管 8、第二主吸能管 9、第二次吸能管 10、预裂纹切口 11、无线压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，以下结合实施例具体说明。

实施例1

如图1-5所示，一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置，包括锚杆1以及自上而下套接在锚杆1外表面的平托盘2、第一分级缓冲让压吸能组件、抗卷曲板3、第二分级缓冲让压吸能组件和球壳托盘4，上述结构均为中心套接在锚杆1外侧，即中心线重合，所述锚杆1的底端螺纹连接有预紧螺母5，所述预紧螺母5位于球壳托盘4的底部；

所述第一分级缓冲让压吸能组件包括第一主吸能管6和第一次吸能管7，所述第一次吸能管7位于第一主吸能管6内侧，且所述第一次吸能管7的下端与第一主吸能管6的下端内表面焊接，所述第一主吸能管6的顶端与平托盘2的下表面焊接，所述第二分级缓冲让压吸能组件包括第二主吸能管8和第二次吸能管9，所述第二次吸能管9位于第二主吸能管8内侧，且所述第二次吸能管9的上端与第二主吸能管8的上端内表面焊接，所述第二主吸能管8的底端与球壳托盘4的上表面焊接，所述第一主吸能管6和第一次吸能管7的底端以及第二主吸能管8和第二次吸能管9的顶端均周向设置有预裂纹切口10，所述第一主吸能管6的底端通过预裂纹切口10与抗卷曲板3的上表面点焊固定，所述第二主吸能管8的顶端通过预裂纹切口10与抗卷曲板3的下表面点焊固定，所述第一主吸能管6、第一次吸能管7、第二主吸能管8和第二次吸能管9均安装有无线压力传感器11，所述无线压力传感器11位于预裂纹切口10对应的欲裂路径中，无线压力传感器11可采用TP240型。

一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置的预警方法，包括如下步骤：

步骤1）：在围岩巷道受到来自顶板危险或冲击地压带来的大量的弹性应变能时，所述的第一主吸能管6、第一次吸能管7、第二主吸能管8和第二次吸能管9均沿着其表面的预裂纹切口10进行撕裂；

步骤2）：在每条撕裂路径扩展至欲裂路径中的无线压力传感器11时，无线压力传感器11能够监测到该无线压力传感器11所对应的吸能管产生撕裂对应的单个压力值；

步骤3）：无线压力传感器11通过GPRS无线网络传输监测到的数据至信号基站后再传输至地面调度监测室，根据单次压力值、时间和频次来进行分析和预警。

在使用时，在煤岩巷道内钻打锚固孔，安装高强让压的锚杆1到设定深度后，在锚杆1尾端外露部分依次安装平托盘2、第一分级缓冲让压吸能组件、抗卷曲板3、第二分级缓冲让压吸能组件和球壳托盘4，并用预紧螺栓5拧紧，使用张拉预紧机具实现锚杆1在张拉状态下预紧以提供高预紧力与球壳顶压接触，平托盘2与巷道围岩顶压接触，在本实施例中，第一主吸能管6和第二主吸能管8均采用高度为100mm，圆面直径为160mm的圆钢通过拔模抽壳形成大端面完全开口、小端面中心通孔的圆台形结构，第一次吸能管7和第二次吸能管9均采用高度为80mm，圆面直径为140mm的圆钢通过拔模抽壳形成大端面完全开口、小端面中心通孔的圆台形结构，抗卷曲板3采用厚度为15mm，圆面直径为180mm的圆钢通过中心通孔形成，平托盘2由长度为160mm，宽度为160mm，厚度为20mm的钢板制成，球壳托盘4由长度为150mm，宽度为150mm，厚度为15mm的钢板制成，并在中心通过冲压向下形成凸出的球壳，在顶板受到危害或冲击地压来临释放大量的弹性应变能时，第一主吸能管6和第二主吸能管8通过其特有的锥形吸能特性和预裂纹切口产生撕裂路径扩展来适应突然的大变形，并提供恒定的阻力，持续让压吸收释放的弹性能，当第一主吸能管6和第二主吸能管8在受压后撕裂挤压至第一次吸能管7和第二次吸能管9时，两个次吸能管与抗卷曲板3接触，与主吸能管同时作用开始让压吸能，起到抗大变形、提供恒定阻力、分级持续让压吸能的作用，减小井下巷道顶板危险对人员和设备造成的伤害；且在预裂纹切口10产生不同长度的撕裂路径并扩展至无线压力传感器11时，根据撕裂位置与主、次吸能管钢材吸能特性的对应关系，无线压力传感器11能够监测到使主吸能管、次吸能管产生撕裂对应的单个冲击能量值或单次冲击能量总和值，通过GPRS无线网络传输监测到的数据至信号基站后传输至地面调度监测室，根据单次冲击能量总和值、时间、频次等进行分析来达到监测预警的目的，从而预防或减小顶板危险对人员和设备造成的伤害。

实施例2

如图1-5所示，一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置，包括锚杆1以及自上而下套接在锚杆1外表面的平托盘2、第一分级缓冲让压吸能组件、抗卷曲板3、第二分级缓冲让压吸能组件和球壳托盘4，上述结构均为中心套接在锚杆1外侧，即中心线重合，所述锚杆1的底端螺纹连接有预紧螺母5，所述预紧螺母5位于球壳托盘4的底部；

所述第一分级缓冲让压吸能组件包括第一主吸能管6和第一次吸能管7，所述第一次吸能管7位于第一主吸能管6内侧，且所述第一次吸能管7的下端与第一主吸能管6的下端内表面焊接，所述第一主吸能管6的顶端与平托盘2的下表面焊接，所述第二分级缓冲让压吸能组件包括第二主吸能管8和第二次吸能管9，所述第二次吸能管9位于第二主吸能管8内侧，且所述第二次吸能管9的上端与第二主吸能管8的上端内表面焊接，所述第二主吸能管8的底端与球壳托盘4的上表面焊接，所述第一主吸能管6和第一次吸能管7的底端以及第二主吸能管8和第二次吸能管9的顶端均周向设置有预裂纹切口10，所述第一主吸能管6的底端通过预裂纹切口10与抗卷曲板3的上表面点焊固定，所述第二主吸能管8的顶端通过预裂纹切口10与抗卷曲板3的下表面点焊固定，所述第一主吸能管6、第一次吸能管7、第二主吸能管8和第二次吸能管9均安装有无线压力传感器11，所述无线压力传感器11位于预裂纹切口10对应的欲裂路径中，无线压力传感器11可采用TP240型。

为了更好的效果，所述第一主吸能管6、第一次吸能管7、第二主吸能管8和第二次吸能管9均为大端面开口、小端面中心通孔的圆台结构，通孔用于穿过锚杆1，所述第一主吸能管6和第二主吸能管8大小相同且开口端相对设置，所述第一次吸能管7和第二次吸能管9大小相同且开口端相对设置。

为了更好的效果，所述第一主吸能管6、第一次吸能管7、第二主吸能管8和第二次吸能管9的周向设置的预裂纹切口10均不少于四个，所述的预裂纹切口10等间隔设置，在受压时能够根据多个预裂纹切口10产生多个撕裂路径，来缓冲所受到的冲击地压。

为了更好的效果，每个所述预裂纹切口10均对应设置有两个无线压力传感器11，两个所述无线压力传感器11一前一后安装在欲裂路径中，能够检测两次路径撕裂时传来的压力，便于工作人员更好的判断预警。

为了更好的效果，所述锚杆1为树脂螺纹杆锚杆，具有高强让压的效果。

为了更好的效果，所述无线压力传感器11安装在吸能管的内表面或外表面或采用内嵌安装的方式。

一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置的预警方法，包括如下步骤：

步骤1）：在围岩巷道受到来自顶板危险或冲击地压带来的大量的弹性应变能时，所述的第一主吸能管6、第一次吸能管7、第二主吸能管8和第二次吸能管9均沿着其表面的预裂纹切口10进行撕裂；

步骤2）：在每条撕裂路径扩展至欲裂路径中的无线压力传感器11时，无线压力传感器11能够监测到该无线压力传感器11所对应的吸能管产生撕裂对应的单个压力值；

步骤3）：无线压力传感器11通过GPRS无线网络传输监测到的数据至信号基站后再传输至地面调度监测室，根据单次压力值、时间和频次来进行分析和预警。

在使用时，在煤岩巷道内钻打锚固孔，安装高强让压的树脂螺纹钢锚杆1到设定深度后，在锚杆1尾端外露部分依次安装平托盘2、第一分级缓冲让压吸能组件、抗卷曲板3、第二分级缓冲让压吸能组件和球壳托盘4，并用预紧螺栓5拧紧，使用张拉预紧机具实现锚杆1在张拉状态下预紧以提供高预紧力与球壳顶压接触，平托盘2与巷道围岩顶压接触，在本实施例中，第一主吸能管6和第二主吸能管8均采用高度为100mm，圆面直径为160mm的圆钢通过拔模抽壳形成大端面完全开口、小端面中心通孔的圆台形结构，第一次吸能管7和第二次吸能管9均采用高度为80mm，圆面直径为140mm的圆钢通过拔模抽壳形成大端面完全开口、小端面中心通孔的圆台形结构，抗卷曲板3采用厚度为15mm，圆面直径为180mm的圆钢通过中心通孔形成，平托盘2由长度为160mm，宽度为160mm，厚度为20mm的钢板制成，球壳托盘4由长度为150mm，宽度为150mm，厚度为15mm的钢板制成，并在中心通过冲压向下形成凸出的球壳，在顶板受到危害或冲击地压来临释放大量的弹性应变能时，第一主吸能管6和第二主吸能管8通过其特有的锥形吸能特性和预裂纹切口产生撕裂路径扩展来适应突然的大变形，并提供恒定的阻力，持续让压吸收释放的弹性能，当第一主吸能管6和第二主吸能管8在受压后撕裂挤压至第一次吸能管7和第二次吸能管9时，两个次吸能管与抗卷曲板3接触，与主吸能管同时作用开始让压吸能，起到抗大变形、提供恒定阻力、分级持续让压吸能的作用，减小井下巷道顶板危险对人员和设备造成的伤害；且在预裂纹切口10产生不同长度的撕裂路径并扩展至无线压力传感器11时，根据撕裂位置与主、次吸能管钢材吸能特性的对应关系，无线压力传感器11能够监测到使主吸能管、次吸能管产生撕裂对应的单个冲击能量值或单次冲击能量总和值，通过GPRS无线网络传输监测到的数据至信号基站后传输至地面调度监测室，根据单次冲击能量总和值、时间、频次等进行分析来达到监测预警的目的，从而预防或减小顶板危险对人员和设备造成的伤害。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种预警顶板危险的大变形吸能托盘装置，其特征在于：包括锚杆以及自上而下套接在锚杆外表面的平托盘、第一分级缓冲让压吸能组件、抗卷曲板、第二分级缓冲让压吸能组件和球壳托盘，所述锚杆的底端螺纹连接有预紧螺母，所述预紧螺母位于球壳托盘的底部；

所述第一分级缓冲让压吸能组件包括第一主吸能管和第一次吸能管，所述第一次吸能管位于第一主吸能管内侧，且所述第一次吸能管的下端与第一主吸能管的下端内表面焊接，所述第一主吸能管的顶端与平托盘的下表面焊接，所述第二分级缓冲让压吸能组件包括第二主吸能管和第二次吸能管，所述第二次吸能管位于第二主吸能管内侧，且所述第二次吸能管的上端与第二主吸能管的上端内表面焊接，所述第二主吸能管的底端与球壳托盘的上表面焊接，所述第一主吸能管和第一次吸能管的底端以及第二主吸能管和第二次吸能管的顶端均周向设置有预裂纹切口，所述第一主吸能管的底端通过预裂纹切口与抗卷曲板的上表面点焊固定，所述第二主吸能管的顶端通过预裂纹切口与抗卷曲板的下表面点焊固定，所述第一主吸能管、第一次吸能管、第二主吸能管和第二次吸能管均安装有无线压力传感器，所述无线压力传感器位于预裂纹切口对应的欲裂路径中。

2.根据权利要求1所述的预警顶板危险的大变形吸能托盘装置，其特征在于：所述第一主吸能管、第一次吸能管、第二主吸能管和第二次吸能管均为大端面开口、小端面中心通孔的圆台结构，所述第一主吸能管和第二主吸能管大小相同且开口端相对设置，所述第一次吸能管和第二次吸能管大小相同且开口端相对设置。

3.根据权利要求1所述的预警顶板危险的大变形吸能托盘装置，其特征在于：所述第一主吸能管、第一次吸能管、第二主吸能管和第二次吸能管的周向设置的预裂纹切口均不少于四个，所述的预裂纹切口等间隔设置。

4.根据权利要求3所述的预警顶板危险的大变形吸能托盘装置，其特征在于：每个所述预裂纹切口均对应设置有两个无线压力传感器，两个所述无线压力传感器一前一后安装在欲裂路径中。

5.根据权利要求1所述的预警顶板危险的大变形吸能托盘装置，其特征在于：所述锚杆为树脂螺纹杆锚杆。

6.根据权利要求1所述的预警顶板危险的大变形吸能托盘装置，其特征在于：所述无线压力传感器安装在吸能管的内表面或外表面或采用内嵌安装的方式。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的预警顶板危险的大变形吸能托盘装置的预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1）：在围岩巷道受到来自顶板危险或冲击地压带来的大量的弹性应变能时，所述的第一主吸能管、第一次吸能管、第二主吸能管和第二次吸能管均沿着其表面的预裂纹切口进行撕裂；

步骤2）：在每条撕裂路径扩展至欲裂路径中的无线压力传感器时，无线压力传感器能够监测到该无线压力传感器所对应的吸能管产生撕裂对应的单个压力值；

步骤3）：无线压力传感器通过GPRS无线网络传输监测到的数据至信号基站后再传输至地面调度监测室，根据单次压力值、时间和频次来进行分析和预警。

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