CN113167112A - 矿井顶部支撑体 - Google Patents

Abstract

一种用于结构的矿井顶部支撑的系统和方法，包括顶部支撑装置，顶部支撑装置包括圆柱形的覆层和多个竹节，圆柱形的覆层限定空心内部，多个竹节设置在空心内部内并与圆柱体的轴线同轴延伸。另外，具有圆柱形的覆层的顶部支撑装置包括空心内部，多个竹节设置在空心内部内并与圆柱的轴心同轴，邻近的竹节之间具有空隙，空隙注入有填充材料例如聚氨酯泡沫以在承受负载时保持竹节的定位。支撑装置配置为能够负载并能够以预定方式屈服以控制矿井顶部突然失效。

Description

矿井顶部支撑体

技术背景

本申请总体上涉及一种承载支撑体。本申请更具体地涉及一种由具有外部覆层的竹芯构成的承载支撑体，该承载支撑体用作矿井顶部支撑体。

竹子是一种巨大的草植，其特征通常是圆柱形的空心壳体。竹子是生长最快的植物中的一种，使其成为一种可持续的、易于替代的商品。竹子的壳体在平行于纤维的方向上具有很高的强度。在某些情况下，它可以像木梁一样用于建筑，特别是在竹木最丰富的东南亚国家中。尽管未经处理的竹子因从混凝土中吸收水而膨胀和开裂，但竹子在丰富的地区也用于混凝土的增强。

现有技术中公开的各种装置被设计并用于向矿井顶部提供支撑。地下采矿导致从矿井内部清除物料，从而在矿井内留下各种尺寸的无支撑的通道。这种通道中缺乏支撑可能会导致矿井顶部失稳和/或塌陷。因此，期望为矿井顶部提供支撑以防止、延迟或控制矿井顶部塌陷。

在地下采矿和地震活动地区，必须设计支撑体以承受在大地中传播的巨大力。建筑和桥梁结构可包括改良的地基，目的在于地震期间将上层建筑与主要地面运动隔离。用于建筑结构的这种支撑体的目的为避免高地震力的传递。

位于地震带中的桥梁和建筑结构可能会被地震力损坏或破坏。通常，桥梁结构可以在桥梁的层面板或上部结构和桥梁支撑柱之间构造有轴承，以允许桥梁的层面板或上部结构和桥梁支撑柱之间的相对运动。还已知的是，为上部结构在这些轴承上相对于支撑柱的运动提供阻尼，但是所允许的相对运动并不大，此外，并不总是优先地尝试将上部结构相对于支撑柱保持在中性点附近的位置。

由于与柱桩的灾难性故障有关的问题，在本领域中已经开发了各种矿井支柱以用于支撑地下矿井的顶部。这类矿井支柱包括各种配置在金属外壳中的木梁结构，以及复杂的液压控制支柱装置。然而，在防止使用者手持的简单、轻便的支柱中发生侧向屈曲或塌下(kneeling)的同时，这样的支柱并不允许可控制的轴向屈服。

迄今为止，由于侧向强度的限制，在大型结构或大负载(例如地下矿井顶部支撑条件)中，尚未将竹子用作竖向承载支撑体。

所需要的是一种满足这些需求中的一个或多个或提供其他有利特征的系统和/或方法。根据本说明书，其他特征和优点将明白清楚。所公开的教导延伸到落入权利要求的范围内的那些实施例，而不管它们是否满足前述需求中的一个或多个。

发明内容

一个实施例涉及一种顶部支撑装置，该顶部支撑装置包括圆柱形覆层和多个竹节，圆柱形覆层限定有空心内部，多个竹节彼此相邻地设置在空心内部内并与圆柱体的轴线同轴布置。

另一个实施例涉及一种顶部支撑装置，该顶部支撑装置包括限定有空心内部的圆柱形覆层、设置在空心内部且与圆柱体的轴线同轴的多个竹节、以及相邻竹节之间的空隙，所述空隙注入有填充材料(例如聚氨酯泡沫)以在负载下保持竹节的轴向位置。支撑装置构造成以预定方式承载并屈服以控制矿井顶部免于突然的失效。

测试表明，将竹子集成到钢的容器或覆层和其他管状产品中具有巨大的成功。用聚氨酯泡沫填充竹片和覆层之间的空隙可提供更高的屈服强度，以确保矿井顶部支撑体的完整性。

本文描述的实施例的某些优点包括在不释放负载的情况下竹支撑体的可控制的屈服达到至少200吨且高达300吨。

另一个优点是能够使用廉价的材料和组装方法，将所公开的筒形支撑体应用在各种场合，包括地下采矿、桥梁的建造和维修、以及建筑物和其他结构的抗震支撑，以作为永久或临时的用于非常大负载的负载支撑体。

另一个优点是使用廉价、可持续的竹复合构件来提供高强度的承重支撑。

另一个优点是减轻了竹填充的筒形支撑体的重量，可以将更多的支撑体运送到一辆车上，从而减少燃料消耗。此外，更轻的筒形支撑体对于操作人员来说更安全。

再一个优点是：与限制气流的常规矩形的矿井顶部支撑体相比，圆柱筒形式的竹筒支撑体由于改善空气动力学特性，从而降低了通风电机的风阻负荷，同时提高了通风系统的效率。

可选的示例性实施例涉及的其他特征和特征的组合通常在权利要求中叙述。

附图说明

通过结合附图进行的以下详细描述，将更加充分地理解本申请，其中，相同的附图标记指代相同的元件，其中：

图1是顶部支撑体的示例性实施例的局部剖视的正视图。

图2是顶部支撑体的示例性实施例。

图3是示例性的支撑体，其具有布置在覆层的内部空间内的各种直径的竹节。

图4是具有空隙的顶部支撑体的另一个示例性实施例，空隙填充有聚氨酯泡沫。

图5示出了顶部支撑体的端视图，该顶部支撑体具有布置在外部覆层内的相同直径的竹节。

图6示出了用于示例性的顶部支撑体的测试设备。

图7是顶部支撑体的一个实施例的载荷曲线图。

图8是顶部支撑体的第二实施例的载荷曲线图。

图9是顶部支撑体的第三实施例的另一个载荷曲线图。

图10是顶部支撑体的第四实施例的载荷曲线图。

图11是顶部支撑体的第五实施例的载荷曲线图。

图12示出了本发明的顶部支撑体的替代实施例，其包括散布在竹节中的木材段。

图13是顶部支撑体的第六实施例的载荷曲线图。

具体实施方式

在转向详细示出示例性的实施例的附图之前，应当理解，本申请不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的细节或方法。还应当理解，本文采用的措词和术语仅出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。

参考图1，示出了顶部支撑体10的示例性实施例的局部剖视的正视图。顶部支撑体10包括外部的覆层12，覆层12纵向延伸并限定有中空的内部空间，该内部空间内填充有多个竹节14，多个竹节14同轴布置在覆层12内。具有各种半径的竹节14提供散布在支撑体10内的空隙16。空隙16可以是空的，或者可以填充有聚氨酯泡沫或其他粘合剂以保持稳定性或增加顶部支撑体10的承载能力，这将在下面更详细地描述。

接下来参考图2，支撑体10具有顶端22和底端24，并且可以基本上敞开或被端盖覆盖。顶端22通常直接或通过屈服环被定位为邻接矿井顶部或其他负载，所述屈服环插入在支撑体和负载之间，并且底端24直接接触地面或其他结构。覆层12具有基本上在支撑体10的整个长度上延伸的竹节14。在图2的实施例中，覆层12可以由具有预定节距(例如5英寸，或12.7cm)的螺旋管形成，尽管螺旋管的节距可以变化以实现支撑体10的各种设计标准。

支撑体10可以用作单个支撑体，或者可以根据需要堆叠以获得所需的高度。在各种实施例中，可以在顶部支撑体10的顶部上插入屈服环、梁、立脚或楔形物，以弥补顶部支撑体10与矿井顶部或其他表面之间的任何间隙，从而可以将矿井顶部的重量转移到顶部支撑体10。其他垫片可包括可泵送的容纳结构(例如，袋)或可泵送的伸缩结构，例如在美国专利No.6,394,707中公开的，在此通过参考并入到本申请。

接下来参考图3，示出的支撑体10具有布置在覆层12的内部空间26内的各种直径的竹节14。在图3的实施例中，竹节14包括任意散布在空间26内的小、中、大直径部分，从而大部分内部空间被竹节14占据。这种布置在竹节14之间提供了空隙，但是在覆层12内保持了大致竖直或同轴的对准。

图4示出了顶部支撑体10的另一实施例，其中空隙16填充有聚氨酯(PUR)泡沫。竹节14的中空芯28是未填充的，也就是如图4所示的保持中空。但是在其他实施例中，如果需要的话，中空芯28也可以填充有聚氨酯(PUR)泡沫以增加强度。

图5示出了顶部支撑体10的端视图，该顶部支撑体10具有布置在覆层12内的更均匀直径的竹节14。在图5中，空隙26是空的，也就是填充有空气，但是如果需要，填充材料可插入在空隙26中。在图中所示的实施例中，聚氨酯(PUR)泡沫通常用作空隙26中的填充物，然而也可以使用其他材料代替，例如豆粒砾石、沙子或其他可流动的材料。

图6示出了用于示例性的顶部支撑体10的测试设备，其中液压施加载荷以在极端载荷下压缩支撑体。在图6中，示出了顶部30在所施加的载荷下变形而没有失效。这种构造模拟了矿井顶部环境32，其中变形被控制以防止矿井顶部突然坍塌。

图7示出了第一示例性测试的图形曲线，显示了顶部支撑体的压缩力与位移的关系。在该测试中的支撑体10为12英寸的直径乘以，60英寸的长度。覆层中的空隙在竹子周围填充有聚氨酯。以下的表1示出了与图7相关的参数。请注意，峰值吨位显示为106吨或212088磅。[公制单位96161千克]。

表1

图8示出了竹支撑体的实施例的第二示例性测试的图形曲线，其中，螺旋形的覆层由22号规格的钢板和南美竹子的块制成，南美竹子的块的范围为1英寸至4英寸(2.54至10.16cm)。覆层中的空隙在竹子周围填充有聚氨酯(PUR)。在测试实施例中，一些竹节在支撑体的长度上不是连续的，而是沿轴向长度成多块布置。

以下的表2示出了与图8有关的测试参数。请注意，测试参数的峰值负荷大约为120吨。

表2

图9示出了竹支撑体的实施例的第三示例性测试的图形曲线，其中，螺旋形的覆层由22号规格的钢板制成并设有9个直径为3英寸(7.6cm)和9个直径为2英寸(5.1cm)，并且全长为6英尺长的中国竹子。覆层中的空隙在竹子周围填充有聚氨酯。在测试的实施例中，一些竹节在支撑体的长度上不是连续的，而是沿轴向长度成多块布置。

以下的表3示出了与图9有关的测试参数。请注意，测试参数的峰值负荷大约为97.5吨。

实验室：

技术员：

报告日期：

表3

图10示出了竹支撑体的实施例的第四示例性测试的图形曲线，其中，螺旋覆层由22号规格的钢板和9块直径为3英寸(7.6cm)的南美竹子和9块直径为2英寸(5.1cm)的南美竹子制成，并且南美竹子的块为全长为6英尺的长度节，没有聚氨酯(PUR)或其他填充物。在所测试的实施例中，一些竹节在支撑体的长度上不是连续的，而是沿轴向长度成多块布置。

以下的表4示出了与图10有关的测试参数。请注意，测试参数的峰值负荷大约为100吨。

表4

图11示出了竹支撑体的实施例的第五示例性测试的图形曲线，其中，螺旋覆层由22号规格的钢板和南美竹子制成，并且空隙填充有密度为10Ibs./ft³的聚氨酯(PUR)泡沫。以上的测试1至3使用了更高密度(20Ibs./ft³)的聚氨酯(PUR)泡沫填充材料。

以下的表5示出了与图11相关的测试参数。请注意，测试参数的峰值负载约为120吨。

表5

如图6至图11中的测试结果，以及表1至5所示，使用组装和运输便宜的轻质结构部件，即竹子和聚氨酯(PUR)泡沫，可以获得高强度的圆柱形支撑体或支柱。这在难以到达的区域例如地下矿井中特别有利。在示例性实施例中公开的覆层材料由具有大约5英寸的节距的螺旋构造的钢板制成。本发明不限于钢覆层，因为可以使用各种材料，例如塑料、管钢、铜、铝或能够成形或制造为管状构件的任何材料。通过改变覆层的弹性特性，可以以预定的曲线来控制变形和载荷，如在图7-图11中所示的各种曲线。

可以通过将多个支撑体粘合在一起来提升支撑体的构造和负载能力，例如，可以使用三个支撑体10代替常规的木材井框支架。可替代地，覆层可以具有更大的直径，以实现与多个支撑结构相同的容量。

图13示出了竹支撑体的实施例的第五示例性测试的另一个图形曲线。图13中的支撑体的直径为18英寸，高度为72英寸，具有5英寸的头部和脚部。位移为3英寸时，峰值垂直载荷大约为270kips，而位移为22英寸时，残余载荷逐渐减小至大约为145kips的垂直载荷。在相同尺寸的支撑体上进行的其他测试得出的屈服测试结果从4.5英寸位移时的最大峰值垂直载荷约360kips，到17英寸位移时的最小峰值垂直载荷约125kips。位移为22英寸时的残留测量值在150kips至170kips之间。

接下来参考图12，在本发明的顶部支撑体的替代实施例中，木材段13和竹节14一起散布。在壳体中放置便宜的二乘四木材段15进一步降低了材料成本，同时基本上保持了顶部支撑体的负载能力。当然，混合物的尺寸和量可以调整以提供混合体以调节性能。作为示例而非限制，尺寸可以包括二乘六、二乘八、二乘十以及类似构造的木材段。可选配的盖15可以插装在支撑体10的任一端或支撑体的两端，以保护覆层12内的竹节14和聚氨酯内容物，并在支撑体10上横向均匀分配载荷。

虽然在附图中示出并且在此描述的示例性实施例是目前首选的，但是应当理解，这些实施例仅作为示例提供。因此，本申请不限于特定的实施例，而是可以扩展到各种修改，不过这些修改都落入所附权利要求的范围内。根据替代实施例，任何过程或方法步骤的顺序或次序可以改变或重新排序。

重要的是要注意，各种示例性实施例中所示的矿井顶部/结构支撑体的构造和布置仅是说明性的。尽管在本申请中仅详细描述了几个实施例，但是审阅本申请的本领域技术人员将容易理解，许多修改是可能的(例如，各种元件的尺寸、体积、结构、形状和比例的变化，参数值，安装布置，材料的使用，颜色，方向等的)，并实质上不脱离权利要求记载的主题的新颖的教导和优点。例如，显示为整体形成的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其他方式改变，并且不连续的元件的性质或数量或位置可以改变或不同。因此，所有这样的修改旨在包括在本申请的范围内。根据替代实施例，任何过程或方法步骤的顺序或次序可以改变或重新排序。在权利要求中，任何手段加功能的描述旨在覆盖本文描述的能够执行所列举的功能的结构，不仅覆盖结构上的等同物，而且还覆盖等同的结构。在不脱离本申请的范围的情况下，可以对示例性实施例的设计，操作条件和布置进行其他替换、修改、改变和省略。

应当注意，尽管本文的附图可以示出方法步骤的特定顺序，但是应当理解，这些步骤的顺序可以与所描绘的顺序不同。同样，两个或多个步骤可以同时执行或部分同时执行。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。应当理解，所有这些变化都在本申请的范围内。同样，软件实施可以通过使用具有规则基础逻辑和其他逻辑的标准编程技术来完成，以完成各种连接步骤，处理步骤，比较步骤和决定步骤。

Claims (20)

1.一种顶部支撑装置，包括圆柱形的覆层和多个竹节，所述圆柱形的覆层限定空心内部，所述多个竹节设置在所述空心内部内，所述竹节与该圆柱形的轴线同轴延伸。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述圆柱形的覆层从所述顶部支撑装置的底端纵向延伸到所述顶部支撑装置的顶端。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括设置于相邻的竹节之间的至少一个空隙。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述至少一个空隙包括注入到该空隙内的填充材料。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述填充材料包括聚氨酯泡沫。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述填充材料被注入到所述空隙内，所述填充材料配置为在所述顶部支撑装置被放置在负载下时保持所述竹节的轴向定位。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述顶部支撑装置配置为在负载下屈服以控制矿井顶部防止突然坍塌。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述顶部支撑覆层包括通过钢板和所述多个竹节制得的螺旋覆层，所述多个竹节具有从2.54cm到10.16cm的不同直径；并且其中所述覆层中的所述空隙填充有围绕所述竹节的聚氨酯。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，至少两个竹节在支撑装置的轴向长度上不连续，该不连续的节沿着所述轴向长度以多块布置。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述顶部支撑装置的直径大约为30.48cm(12英寸)，长度为152.4cm(60英寸)，并且所述覆层内的所述空隙包括围绕所述竹节的聚氨酯；并且其中峰值吨位为96161千克。

11.一种顶部支撑装置，包括圆柱形的覆层和多个竹节，所述圆柱形的覆层限定空心内部，所述多个竹节设置在所述空心内部内并在所述覆层内与所述覆层的轴线基本上同轴定位，其中，相邻的所述竹节在相互之间限定多个空隙。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括注入到所述空隙内的填充材料。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述填充材料包括聚氨酯泡沫。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述填充材料配置为在所述装置被放置在负载下时保持所述竹节的轴向定位。

15.根据权利要求11所述的装置，其中，还包括多个木材段，多个所述木材段设置在所述顶部支撑的所述圆柱形壳体内并邻近所述多个竹节中的一个或多个。

16.根据权利要求11所述的装置，其中，多个所述竹节具有不同的尺寸。

17.根据权利要求11所述的装置，其中，所述支撑装置进一步包括具有第一端和第二端，所述第一端和所述第二端中的每个基本上敞开或被端盖覆盖；所述第一端被定位为直接邻接矿井顶部。

18.根据权利要求11所述的装置，其中，所述支撑装置进一步包括具有第一端和第二端，所述第一端和所述第二端中的每个基本上敞开或被端盖覆盖；所述第一端被定位为邻接矿井顶部，并包括屈服环，所述屈服环能够插装在所述第一端和所述矿井顶部之间；所述第二端能够直接接触矿井地面或其他结构。

19.根据权利要求11所述的装置，其中，所述覆层包括具有预定节距的螺旋管。

20.根据权利要求11所述的装置，其中，所述多个竹节中的每个包括中空芯；并且其中，所述中空芯内具有聚氨酯泡沫填充体以提供额外的强度。

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