CN112610257B - 一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置及方法，吸能装置包括：闭孔套筒、碟式缓冲环、多孔台型托盘、金属垫圈、锁具。所述闭孔套筒由刚性骨架和独立胞孔组成，碟式缓冲环嵌固在闭孔套筒内部，并与贯穿的锚杆组合成一体。锚杆尾部锁具与锚杆通过螺纹连接，并压住多孔台型托盘及金属垫圈。当巷道围岩发生变形时，闭孔套筒和多孔台型托盘具有优良的吸能抗冲击性；锚杆轴向受拉力增加，碟式缓冲环与锚杆相互作用，产生摩擦阻力，碟面角位置对闭孔套筒加以横向压力，使其发生微小膨胀变形，提高围岩与锚固装置间摩擦力。本发明充分发挥锚固装置对冲击巷道的层叠增阻加固作用，吸收并耗散冲击能量，达到安全支护目的。

Description

一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置及方法

【技术领域】

本发明涉及地质勘测设备技术领域，尤其涉及一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置及方法。

【背景技术】

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，巷道围岩力学环境日趋复杂，围岩产生大变形、大范围破坏的现象愈加普遍，当冲击荷载超过支护体所能承受的范围时，将导致锚杆破坏失效，造成严重的失稳破坏事故。

传统的锚杆支护尾部段最容易发生破断，一旦达到破断载荷,则会引起杆体断裂而失去支护作用，不能抗冲击；或者一旦位移过大,锚杆的锚固力将由最大值下降到很小甚至丧失锚固力，导致围岩失稳破坏。因此需要使杆体既始终保持满足设计要求的足够大的锚固力不发生断裂破坏,又要使锚杆适应较大的位移而保持其锚固力。

多孔钢作为一种新型结构和功能材料，具有良好的缓冲、吸能性能和良好的结构特征、力学性能。利用碟式缓冲环、锚杆及闭孔套筒相互作用协调，层叠增阻变形，提高锚固力，达到缓冲支护冲击巷道的作用。

因此，有必要研究多孔钢、冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置及方法，充分发挥锚固装置对冲击巷道的层叠增阻加固作用，吸收并耗散冲击能量，达到安全支护目的。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置，所述吸能装置包括：

锚杆，用于冲击巷道；

闭孔套筒，用于提供锚杆穿设空间和增阻压密吸能；

多孔台型托盘，由所述多孔钢制成，用于承载闭孔套筒和增阻压密吸能；

若干碟式缓冲环，所述若干碟式缓冲环设置在闭孔套筒内，用于阻碍锚杆在冲击巷道方向的轴向拉力。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述闭孔套筒和多孔台型托盘均由多孔钢制成，所述多孔钢包括钢体和若干独立球形胞孔，所述若干独立球形胞孔位于钢体内，独立球形胞孔之间由壁膜隔开，独立球形胞孔之间互不连通。。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述独立球形胞孔的直径为0.1mm～1mm之间，闭孔套筒和多孔台型托盘中胞孔体积占比约15％-20％，且任意两个球形胞孔之间独立分布。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钢体由碳素钢制成。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述若干碟式缓冲环垂直于锚杆设置在闭孔套筒内，所述碟式缓冲环在竖直方向上叠加平行设置，每个碟式缓冲环均包括碟底和碟边，所述碟边设置在碟底周侧，所述碟边与闭孔套筒通过浇筑固定连接，碟底与锚杆固定连接，所述碟底和碟边相交处形成碟面角α，该角度为30°-60°。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述闭孔套筒为具有一腔体的钢性骨架，所述钢性骨架周侧为封闭状态，所述钢性骨架上下两侧均设有通孔，所述通孔处设置有螺纹，所述锚杆与闭孔套筒在通孔处通过螺纹连接，所述若干碟式缓冲环设置在腔体内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钢性骨架的结构包括但不限于圆柱和直棱柱。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述吸能装置还包括金属垫圈和锁具，所述多孔台型托盘为台体，所述台体一端连接闭孔套筒，另一端通过金属垫圈连接锁具，所述锚杆依次穿过闭孔套筒、多孔台型托盘、金属垫圈和锁具，并同时通过螺纹连接闭孔套筒和锁具。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能方法，所述增阻变形吸能方法包括以下步骤：

S1：闭孔套筒与碟式缓冲环由碳素钢模具浇筑嵌固为组合体，并同时设有锚杆通孔，分别与锚杆螺纹连接为连接整体；

S2：锚杆整体锚固进入巷道围岩，尾部分别加设多孔台型托盘和金属垫圈，最后锁具与锚杆螺纹连接，压紧；

S3：巷道围岩发生冲击变形时，多孔钢主体内部独立球形胞孔之间有较厚的壁膜隔开，互不连通，有较高的比强度，闭合压密过程吸收冲击能量；

S4：锚杆所受拉力增加，当锚杆受力超过碟式缓冲环的极限荷载，缓冲面向锚杆尾部方向发生凸形变形，因碟面角α对闭孔套筒的钢性骨架施以横向压力，使其向外发生微小膨胀，形成层叠增阻结构；

S5：多孔台型托盘内部胞孔压密吸能，受力均匀，周边不翘起失效。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，，所述方法最多可承载180kN。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1、本发明所用多孔钢作为一种新型结构和功能材料，具有良好的缓冲、吸能性能和良好的结构特征、力学性能；

2、利用碟式缓冲环、锚杆及闭孔套筒相互作用协调，层叠增阻变形，提高锚固力，达到缓冲支护冲击巷道的作用；

3、多孔钢主体内胞孔独立分布，孔壁较厚，不容易出现局部应力集中而导致屈服变形，屈服强度高；变形后期胞孔压密闭合，密实程度增加，吸收并耗散冲击能；

4、多层碟式缓冲环与锚杆组合，并压成碟面角α，在轴向拉力作用下，具有一定摩擦阻力；对闭孔套筒施以一定横向压力，筒体产生微小膨胀变形，提高锚固装置与围岩间作用力。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的吸能装置的结构图；

图2是本发明一个实施例提供的碟式缓冲环的结构图；

图中：1-闭孔套筒、2-碟式缓冲环、3-多孔台型托盘、4-金属垫圈、5-锁具、6-锚杆、7-巷道壁、8-球形胞孔、2-1碟面角、21-碟边、22-碟底。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供了一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置及方法，涉及支护设备安全技术领域，包括：闭孔套筒、碟式缓冲环、多孔台型托盘、金属垫圈、锁具。闭孔套筒上设有锚杆通孔，所述套筒由刚性骨架和独立胞孔组成，碟式缓冲环嵌固在闭孔套筒内部，并与贯穿的锚杆组合成一体。锚杆尾部锁具与锚杆通过螺纹连接，并压住多孔台型托盘及金属垫圈。当巷道围岩发生变形时，闭孔套筒和多孔台型托盘因其独立胞孔结构和较好的比强度，具有优良的吸能抗冲击性；锚杆轴向受拉力增加，碟式缓冲环与锚杆相互作用，产生摩擦阻力，碟面角位置对闭孔套筒加以横向压力，使其发生微小膨胀变形，提高围岩与锚固装置间摩擦力。本发明充分发挥锚固装置对冲击巷道的层叠增阻加固作用，吸收并耗散冲击能量，达到安全支护目的。

图1所示，本发明所述一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置包括闭孔套筒1、碟式缓冲环2、多孔台型托盘3、金属垫圈4、锁具5、锚杆6、球形胞孔8；所述闭孔套筒1包含刚性骨架和球形胞孔8，两端分别设有锚杆6通孔，通过螺纹连接与锚杆6连接形成整体；所述碟式缓冲环2与闭孔套筒1浇筑嵌固为组合，与锚杆6螺纹连接；所述多孔台型托盘3、金属垫圈4、锁具5依次置于锚杆6尾部，锁具5与锚杆6螺纹连接。

闭孔套筒1采用碳素钢制成，内部含有独立球形胞孔8，胞孔之间有较厚的壁膜隔开，互不连通，且比强度高，具有较好的抗冲击性。

所述若干碟式缓冲环垂直于锚杆设置在闭孔套筒内，所述碟式缓冲环在竖直方向上叠加平行设置，每个碟式缓冲2环均包括碟底22和碟边21，所述碟边21设置在碟底22周侧，所述碟边21与闭孔套筒通过浇筑固定连接，碟底22与锚杆固定连接，所述碟底22和碟边21相交处形成碟面角α，该角度为30°-60°，碟式缓冲环2与贯穿的锚杆组合成一体，在相同轴向拉力的作用下，层层作用协调，使得装置与巷道产生较大的阻力。

多孔台型托盘3内部含有独立球形胞孔8，冲击作用下球形胞孔8逐渐压密吸能，且台形结构不易翘起失效。

本发明还提供一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能方法，步骤如下：

a.闭孔套筒1与碟式缓冲环2由碳素钢模具浇筑嵌固为组合体，设有锚杆通孔，分别与锚杆6螺纹连接为连接整体。

b.锚杆整体锚固进入巷道围岩，尾部分别加设多孔台型托盘3、金属垫圈4，最后锁具5与锚杆螺纹连接，压紧。

c.巷道围岩发生冲击变形时，多孔钢主体内部独立球形胞孔8之间有较厚的壁膜隔开，互不连通，有较高的比强度，闭合压密过程吸收冲击能量。

d.杆体所受拉力增加，当锚杆受力超过碟式缓冲环2的极限荷载，缓冲面向锚杆尾部方向发生凸形变形，因碟面角α对闭孔套筒1筒体施以一定横向压力，使其向外发生微小膨胀，形成层叠增阻结构。

e.多孔台型托盘3内部胞孔压密吸能，受力均匀，周边不易翘起失效。

以上对本申请实施例所提供的一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (6)

1.一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能装置，其特征在于，所述吸能装置包括：

锚杆，用于冲击巷道；

闭孔套筒，用于提供锚杆穿设空间和增阻压密吸能；

多孔台型托盘，由所述多孔钢制成，用于承载闭孔套筒和增阻压密吸能；

若干碟式缓冲环，所述若干碟式缓冲环设置在闭孔套筒内，用于阻碍锚杆在冲击巷道方向的轴向拉力，所述闭孔套筒和多孔台型托盘均由多孔钢制成，所述多孔钢包括钢体和若干独立球形胞孔，所述若干独立球形胞孔位于钢体内，独立球形胞孔之间由壁膜隔开，独立球形胞孔之间互不连通，所述独立球形胞孔的直径为0.1mm～1mm之间，闭孔套筒和多孔台型托盘中胞孔体积占比为15％-20％，且任意两个球形胞孔之间独立分布，所述钢体由碳素钢制成，所述若干碟式缓冲环垂直于锚杆设置在闭孔套筒内，所述碟式缓冲环在竖直方向上叠加平行设置，每个碟式缓冲环均包括碟底和碟边，所述碟边设置在碟底周侧，所述碟边与闭孔套筒通过浇筑固定连接，碟底与锚杆固定连接，所述碟底和碟边相交处形成碟面角α，该角度为30°-60°。

2.根据权利要求1所述的吸能装置，其特征在于，所述闭孔套筒为具有一腔体的钢性骨架，所述钢性骨架周侧为封闭状态，所述钢性骨架上下两侧均设有通孔，所述通孔处设置有螺纹，所述锚杆与闭孔套筒在通孔处通过螺纹连接，所述若干碟式缓冲环设置在腔体内。

3.根据权利要求2所述的吸能装置，其特征在于，所述钢性骨架的结构包括但不限于圆柱和直棱柱。

4.根据权利要求1所述的吸能装置，其特征在于，所述吸能装置还包括金属垫圈和锁具，所述多孔台型托盘为台体，所述台体一端连接闭孔套筒，另一端通过金属垫圈连接锁具，所述锚杆依次穿过闭孔套筒、多孔台型托盘、金属垫圈和锁具，并同时通过螺纹连接闭孔套筒和锁具。

5.一种冲击巷道多孔钢层叠增阻变形吸能方法，基于上述权利要求1-4之一所述的吸能装置，其特征在于，所述增阻变形吸能方法包括以下步骤：

S1：闭孔套筒与碟式缓冲环由碳素钢模具浇筑嵌固为组合体，并同时设有锚杆通孔，分别与锚杆螺纹连接为连接整体；

S2：锚杆整体锚固进入巷道围岩，尾部分别加设多孔台型托盘和金属垫圈，最后锁具与锚杆螺纹连接，压紧；

S3：巷道围岩发生冲击变形时，多孔钢主体内部独立球形胞孔之间有较厚的壁膜隔开，互不连通，有较高的比强度，闭合压密过程吸收冲击能量；

S4：锚杆所受拉力增加，当锚杆受力超过碟式缓冲环的极限荷载，缓冲面向锚杆尾部方向发生凸形变形，因碟面角α对闭孔套筒的钢性骨架施以横向压力，使其向外发生微小膨胀，形成层叠增阻结构；

S5：多孔台型托盘内部胞孔压密吸能，受力均匀，周边不翘起失效。

6.根据权利要求5所述的增阻变形吸能方法，其特征在于，所述方法最多可承载180kN。

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