CN112855238B - 一种长行程复合吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长行程复合吸能装置，包括锚固在巷道岩层的预钻孔中的固定套筒，固定套筒内固定有薄壁扩径吸能器；固定套筒的内壁和薄壁扩径吸能器的外壁之间填充有疏松多孔的多胞结构材料吸能结构，在冲击发生时，其与薄壁扩径吸能器一起变形进行能量吸收；薄壁扩径吸能器的内部设有可沿固定套筒的轴向方向移动的球形压头，在球形压头压入过程中使薄壁扩径吸能器发生扩径塑性变形以吸收能量；球形压头与薄壁扩径吸能器之间设有乳化液；球形压头靠近固定套筒开口的一端通过连接头连接有锚索。本发明的长行程复合吸能装置在巷道大变形下提高了锚索防冲吸能支护效果，保证锚索在巷道发生大变形过程中不断裂失效，维持巷道在冲击过程中的完整性。

Description

一种长行程复合吸能装置

技术领域

本发明属于地下工程防冲支护的技术领域，尤其涉及一种长行程复合吸能装置。

背景技术

锚索支护是煤矿开采过程中的重要支护方式，广泛应用于巷道、井巷等围岩支护。随着煤矿开采深度的加大，冲击地压发生日趋频繁。冲击地压发生时，巷道围岩体发生瞬间冲击大变形，由于锚索锚固段岩体相对稳定，位移量和变形量相对较小，冲击波造成的岩体变形能向巷道表面传递，瞬间大变形造成锚索产生拉伸大变形，极易产生锚索拉伸断裂、托盘掉落等事故，造成支护失效，导致人员伤亡及设备损毁等事故。

为防止冲击危险、巷道冲击大变形导致的锚索拉断失效，国内外研究了多种吸能防冲支护构件。现有的防冲构件一般采用某种单一吸能结构，吸能行程较小；吸能过程产生的热量不易散失，若处理不当容易引起火灾等危害；有些吸能结构导致锚索外露长度过大，限制其使用范围。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种长行程复合吸能装置，该装置同锚索结合使用，能够使锚索的吸能变形行程显著增加，提高变形过程中吸收的能量，同时降低吸能过程中的发热现象，保证冲击大变形时锚索不断裂失效，维持巷道的完整性。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种长行程复合吸能装置，包括锚固在巷道岩层的预钻孔中的固定套筒，所述固定套筒内固定有与固定套筒同轴设置的薄壁扩径吸能器；所述固定套筒的内壁和薄壁扩径吸能器的外壁之间填充有疏松多孔的多胞结构材料吸能结构，在冲击发生时，其与薄壁扩径吸能器一起变形进行能量吸收；所述薄壁扩径吸能器的内部设有可沿固定套筒的轴向方向移动的球形压头，用于在球形压头压入过程中使薄壁扩径吸能器发生扩径塑性变形以吸收能量；所述球形压头与薄壁扩径吸能器之间设有乳化液，在球形压头压入过程中，所述乳化液通过球形压头上的通孔流至球形压头的上方，该挤出乳化液的过程可以吸收能量，又可以通过乳化液的流出进行润滑和冷却；所述球形压头靠近固定套筒开口的一端通过连接头连接有锚索。

进一步的，所述吸能结构为由疏松多孔的多胞结构材料构成的圆柱筒，用于固定所述薄壁扩径吸能器，并维持薄壁扩径吸能器在未发生冲击时的圆筒形状。

进一步的，所述球形压头分为上下两部分，其上半部分为扩径球头，该扩径球头的直径尺寸大于所述薄壁扩径吸能器的直径、小于所述固定套筒的内径；其下半部分为圆柱形杆，其直径小于所述扩径球头的直径。

可选的，所述固定套筒由锚固剂锚固在巷道岩层的预钻孔中。

进一步的，所述固定套筒靠近预钻孔底的顶部为锥形结构，并其上部布置若干刀刃，用于破坏装有锚固剂的塑料袋，使锚固剂流出。

可选的，所述薄壁扩径吸能器为薄壁类金属材质圆柱筒，所述固定套筒、疏松多孔的多胞结构材料吸能结构与薄壁扩径吸能器三者之间紧密贴合形成一个整体。

可选的，所述固定套筒与球形压头之间设有密封装置，用于密封所述球形压头与薄壁扩径吸能器之间的乳化液。

进一步的，所述连接头连接所述球形压头的一端的端面布置有若干与所述固定套筒底部的销孔配合的销钉，由锚杆钻机旋转锚索，锚索通过连接头的销钉带动固定套筒旋转以搅拌锚固剂。

由上，本发明的长行程复合吸能装置在巷道大变形下提高了锚索防冲吸能支护效果，保证锚索在巷道发生大变形过程中不断裂失效，维持巷道在冲击过程中的完整性。该装置同锚索结合使用，能够使锚索的吸能变形行程显著增加，提高变形过程中吸收的能量，同时降低吸能过程中的发热现象。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的长行程复合吸能装置的结构示意图；

图2为本发明的固定套筒的顶部结构示意图；

图3为本发明的长行程复合吸能装置的吸能过程示意图；

图4为本发明的长行程复合吸能装置的各吸能结构件行程结束示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1至4所示，本发明的长行程复合吸能装置主要由固定套筒1、疏松多孔的多胞结构材料吸能结构2、薄壁扩径吸能器3、球形压头4、连接头5、乳化液8、密封装置9组成。其中，固定套筒1由锚固剂7锚固在巷道预先钻好的孔的坚固岩层中，锚索6通过连接头5与球形压头4连接。

固定套筒1为金属材质圆柱筒，其长度可根据实际需求确定，长度可达1-2米甚至更长。固定套筒1的外径略小于巷道岩层的预钻孔的直径，在固定套筒1的外径和岩层的预钻孔的内壁之间填充锚固剂7，将本发明的吸能装置锚固于孔内。固定套筒1的内部空间用于各复合吸能结构件(疏松多孔的多胞结构材料吸能结构2、薄壁扩径吸能器3、球形压头4)的安装。

固定套筒1的顶部(靠近预钻孔底的端部)为锥形结构，如图2所示，其上部布置若干刀刃，用于破坏装有锚固剂的塑料袋，使锚固剂7流出，及对锚固剂7的混合搅拌、填充作用。

固定套筒1的底部(靠近固定套筒1开口的端部)布置若干销孔，与连接头5上的销钉配合，在搅拌锚固剂7时起传递扭矩作用。

本发明的疏松多孔的多胞结构材料吸能结构2为多孔状疏松材料构成的圆柱筒，如泡沫水泥等材料，填充于固定套筒1的内壁和薄壁扩径吸能器3的外壁之间，其作用有三，一是对薄壁扩径吸能器3起固定作用，固定套筒1的内壁和薄壁扩径吸能器3的外壁表面要具有较大的粗糙度，便于和多孔疏松材料相粘结；二是在冲击发生时，与薄壁扩径吸能器3协调变形，进行能量吸收；三是维持薄壁扩径吸能器3在未发生冲击时的圆筒形状，不至于在承受较大拉力时屈曲变形。

本发明的薄壁扩径吸能器3为薄壁类金属材质圆柱筒，其材料应具有较好的延展性。固定套筒1、疏松多孔的多胞结构材料吸能结构2与薄壁扩径吸能器3三者之间紧密贴合，形成一个整体。

本发明的球形压头4为一种回转体类的零件，分为上下两部分，上半部分为扩径球头，球头的直径尺寸大于薄壁扩径吸能器3的直径，小于固定套筒1的内径，扩径球头内部加工有若干小通孔，其表面进行粹硬耐磨处理；下半部分为圆柱形杆，有足够的强度，其直径小于扩径球头的直径。球形压头4安装到固定套筒1、疏松多孔的多胞结构材料吸能结构2、薄壁扩径吸能器3三者构成的组合件内，在球形压头4和薄壁扩径吸能器3之间填充有乳化液8。

密封装置9位于固定套筒1与球形压头4之间，主要用于密封球形压头4与薄壁扩径吸能器3之间的乳化液8。密封装置9可由设置在固定套筒1靠近其开口的内圆周面上的密封圈构成。

连接头5的主要作用是连接球形压头4和锚索6，能够牢固连接二者，保证锚索6与球形压头4的连接强度，其连接方式及尺寸应当根据锚索的型号、尺寸不同进行相应调整。

另外，连接头5连接球形压头4一端的端面要布置若干与固定套筒1底部销孔配合的销钉，用于提供搅拌锚固剂7的扭矩。

本发明的长行程复合吸能装置的吸能变形启动阻力应当大于锚索预紧力，小于锚索破断力。

长行程薄壁件在扩径吸能过程中容易产生轴向堆积失稳，本发明由于固定套筒1、疏松多孔的多胞结构材料吸能结构2与薄壁扩径吸能器3三者之间紧密贴合形成一个整体，有效避免了长行程薄壁件扩径过程中的轴向堆积失稳。

本发明的长行程复合吸能装置布置在钻孔的顶部，不增加锚索在巷道内的外露长度。

如图1-4所示，本发明的长行程复合吸能装置的工作过程如下：

使用过程中，首先在巷道内壁打足够深度的孔，孔打好后，安装时，首先在孔顶端推送由塑料袋包装的锚固剂7，然后将长行程复合吸能装置送入孔顶，直至固定套筒1的锥形顶端接触锚固剂7，由锚杆钻机旋转锚索6，锚索6通过连接头5的销钉带动固定套筒1旋转，固定套筒1的锥形结构上布置的刀刃划开装有锚固剂7的塑料袋并对其进行搅拌，锚固剂7经充分搅拌混合后，流入固定套筒1的外壁和预钻孔之间的缝隙，待锚固剂7凝固后，固定套筒1被锚固在孔顶端的坚固岩层部分，与岩体锚固为一体，然后在锚索6的底端安装锁具(托盘10和固定螺母11)，施加预紧，锚固预紧完成后状态如图1所示。

当巷道发生冲击地压时，巷道围岩产生变形，若锚索的托盘10上的作用力大于长行程复合吸能装置的吸能启动阻力时，锚索6带动球形压头4压入薄壁扩径吸能器3的内径，球形压头4压入过程中固定套筒1、疏松多孔的多胞结构材料吸能结构2及薄壁扩径吸能器3组成的结合件在锚固剂7的锚固下轴向不产生位移，由于球形压头4的直径大于薄壁扩径吸能器3的直径，所以薄壁扩径吸能器3在球形压头4压入过程中发生扩径塑性变形，该变形的同时作用于疏松多孔的多胞结构材料吸能结构2，使其也受压变形，该过程薄壁扩径吸能器3同疏松多孔的多胞结构材料吸能结构2协同变形吸收能量。球形压头4压入过程中，还会压缩球形压头4与薄壁扩径吸能器3之间的环形腔内的乳化液8，乳化液8通过球形压头4上加工的阻尼小的通孔流至球形压头4的上方，该挤出乳化液的8过程既可以吸收能量，又可以通过乳化液8的流出进行润滑和冷却，冷却作用主要是对扩径过程中由于摩擦和变形产生的热量进行冷却。上述吸能过程共同作用，延长锚索吸能变形长度，保证巷道大变形过程中吸能锚索与其协调变形吸能而不破坏，吸能过程如图3所示。

当长行程复合吸能装置的球形压头4达到固定套筒1的底部，即吸能结构件行程结束，此时巷道再发生变形，则由锚索6自身的弹塑性变形控制围岩状态，如图4所示。该结构有效增加锚索等效吸能变形长度，显著提高锚索抗冲击能力，扩大行程范围可达1-2米，甚至更大。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种长行程复合吸能装置，其特征在于，包括锚固在巷道岩层的预钻孔中的固定套筒，所述固定套筒内固定有与固定套筒同轴设置的薄壁扩径吸能器；

所述固定套筒的内壁和薄壁扩径吸能器的外壁之间填充有吸能结构，在冲击发生时，其与薄壁扩径吸能器一起变形进行能量吸收；

所述薄壁扩径吸能器的内部设有可沿固定套筒的轴向方向移动的球形压头，用于在球形压头压入过程中使薄壁扩径吸能器发生扩径塑性变形以吸收能量；

所述球形压头与薄壁扩径吸能器之间设有乳化液，在球形压头压入过程中，所述乳化液通过球形压头上的通孔流至球形压头的上方，该挤出乳化液的过程可以吸收能量，又可以通过乳化液的流出进行润滑和冷却；

所述球形压头靠近固定套筒开口的一端通过连接头连接有锚索；

所述吸能结构为由疏松多孔的多胞结构材料构成的圆柱筒，用于固定所述薄壁扩径吸能器，并维持薄壁扩径吸能器在未发生冲击时的圆筒形状。

2.如权利要求1所述的长行程复合吸能装置，其特征在于，所述球形压头分为上下两部分，其上半部分为扩径球头，该扩径球头的直径尺寸大于所述薄壁扩径吸能器的直径、小于所述固定套筒的内径；其下半部分为圆柱形杆，其直径小于所述扩径球头的直径。

3.如权利要求1所述的长行程复合吸能装置，其特征在于，所述固定套筒由锚固剂锚固在巷道岩层的预钻孔中。

4.如权利要求3所述的长行程复合吸能装置，其特征在于，所述固定套筒靠近预钻孔底的顶部为锥形结构，并其上部布置若干刀刃，用于破坏装有锚固剂的塑料袋，使锚固剂流出。

5.如权利要求1所述的长行程复合吸能装置，其特征在于，所述薄壁扩径吸能器为薄壁类金属材质圆柱筒，所述固定套筒、吸能结构与薄壁扩径吸能器三者之间紧密贴合形成一个整体。

6.如权利要求1所述的长行程复合吸能装置，其特征在于，所述固定套筒与球形压头之间设有密封装置，用于密封所述球形压头与薄壁扩径吸能器之间的乳化液。

7.如权利要求4所述的长行程复合吸能装置，其特征在于，所述连接头连接所述球形压头的一端的端面布置有若干与所述固定套筒底部的销孔配合的销钉，由锚杆钻机旋转锚索，锚索通过连接头的销钉带动固定套筒旋转以搅拌锚固剂。

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