CN113374497B - 一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构及方法 - Google Patents

一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构及方法，属于煤矿安全支护领域，包括平行分布的多架矿工钢棚，每架矿工钢棚包括顶梁和柱腿，顶梁上均匀设置有五个孔眼，中央的三个孔眼为锚索孔，其余两个孔眼为锚杆孔，每个柱腿中部腹板上开设有一锚杆孔；顶梁与柱腿之间设置有防冲击连接构件；巷道底板上靠近两帮铺设有两排平行的棚间槽钢A，每架矿工钢棚的柱腿底部插入该棚间槽钢A内；相邻两架矿工钢棚之间通过纵向连接装置连接为一个整体。本发明能够缓冲让压，实现主、被动支护结构间的紧密、强力联系，协调受力与变形，大大提高了支护结构的整体性，在回采巷道中提高巷道的支护质量，同时在一定程度上可防止底鼓。

Description

一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构及方法
技术领域
本发明涉及一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构及方法，属于煤矿安全支护技术领域。
背景技术
随着煤炭开采进入深部之后，在工作面超前支承压力与原始应力共同作用下，回采巷道内易发生冲击地压等动力灾害事故。在冲击地压发生的瞬间，会以波的形式释放大量的弹性冲击能，既有拉伸冲击能，也有压缩冲击能。这些冲击能会使回采巷道围岩不断拉伸和压缩，如不及时支护，围岩将出现破碎、离层乃至失稳，甚至会拉断锚杆锚索等支护系统，造成煤岩体振动和破坏、支架与设备损坏、严重的人员伤亡和部分巷道坍塌，如何保证深部回采巷道围岩支护的稳定，成为亟待解决的重大难题。
回采巷道支护方式有锚杆支护、锚喷支护、锚网喷支护、锚索支护等。以上支护方式存在支护不稳定、承载能力小、拆卸不便以及回收率低等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构及方法，能够缓冲让压，实现主、被动支护结构间的紧密、强力联系，协调受力与变形，大大提高了支护结构的整体性，在回采巷道中提高巷道的支护质量，同时在一定程度上可防止底鼓。
本发明采用以下技术方案：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，包括平行分布的多架矿工钢棚，每架矿工钢棚包括半圆形的顶梁和位于顶梁底部的柱腿，所述顶梁和柱腿均采用矿工钢，所述顶梁上均匀设置有五个孔眼，中央的三个孔眼为锚索孔，用于与锚索配合将矿工钢棚与巷道连接，其余两个孔眼为锚杆孔，用于与锚杆配合将矿工钢棚与巷道连接；每个柱腿中部腹板上开设有一锚杆孔，用于与锚杆配合将柱腿与巷道连接，本发明中，锚杆上还配合有预紧螺母、托盘和垫板，预紧螺母、托盘和垫板安装在锚杆端头上，锚杆和锚索的安装方式均可参考现有技术；
所述顶梁与柱腿之间设置有防冲击连接构件，实现缓冲让压；
巷道底板上靠近两帮铺设有两排平行的棚间槽钢A，每架矿工钢棚的柱腿底部插入该棚间槽钢A内，棚间槽钢A的设置可在一定程度上防止巷道底鼓和两帮围岩位移的增大，同时提高了多架矿工钢棚之间的整体性；
相邻两架矿工钢棚之间通过纵向连接装置连接为一个整体。
本发明的单架矿工钢棚包括3根锚索和4根锚杆，锚索是需要施加预应力的，因此它是主动受力；锚杆则一般不施加预应力(有时也会施加很小的预应力)，因此它是被动受力，只有当被锚固岩土体发生一定变形时锚杆才发挥锚固力。此外，锚索长度一般在20-50米，锚杆则不到20米，锚索成本更高，劳动强度大，本发明的锚索、锚杆布置方式既可保证受力合理，又节约了成本。
本发明采用了纵向连接装置和棚间槽钢A将多架矿工钢棚连接起来，不仅大大提高了支架被动支护结构的整体性和稳定性，还大大提高了支架对巷道底板的支撑作用(底板两侧棚间槽钢A大大增加了柱腿与巷道底板的接触面积，矿工钢棚对底板的反作用力通过两侧棚间槽钢A强有力地作用于巷道底板(与巷道顶板的作用力大小相等)，从而能起到一定的减跨作用和防控底鼓作用。
优选的，所述纵向连接装置包括几字型钢和棚间槽钢B，所述几字型钢的几字型开口朝上形成限位凹槽，所述顶梁正中央嵌入该限位凹槽内，所述限位凹槽中央开设有一圆形孔，与顶梁正中央的锚索孔配合使用；
所述棚间槽钢B位于相邻两架矿工钢棚之间，棚间槽钢B两端部各开设有一圆孔A，几字型钢的两端翼板各开设一圆孔B，圆孔A与圆孔B之间采用插销连接在一起。
优选的，所述限位凹槽的宽度略大于顶梁的腹板宽度，以使得顶梁嵌在该限位凹槽内，嵌入后，顶梁中央的锚索孔和限位凹槽中央内的圆形孔位置对应，安装锚索，几字型钢的两端翼板的宽度略小于棚间槽钢B腹板的宽度，几字型钢的翼板与棚间槽钢B的腹板紧贴，并且使圆孔A与圆孔B对准，通过插销将棚间槽钢B与几字型钢连接，进而实现相邻两架矿工钢棚之间的连接，成为一个整体。
优选的，所述防冲击连接构件包括缸体、上部连杆活塞和下部连杆活塞，所述上部连杆活塞的一端活动地穿设在所述缸体的上部，且与缸体的上部内壁之间形成空腔A，所述上部连杆活塞的另一端与顶梁底部相连接；
所述下部连杆活塞的一端活动地穿设在所述缸体的下部，且与缸体的下部内壁之间形成空腔C，所述下部连杆活塞的另一端与柱腿顶部相连接；
其中，位于缸体内的上部连杆活塞的外侧、下部连杆活塞的外部、缸体的内壁之间形成空腔B，所述空腔A、空腔B和空腔C内均填充有缓冲材料。
进一步的，所述缓冲材料为阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，所述上部连杆活塞和下部连杆活塞均为刚体，所述上部连杆活塞上在空腔A和空腔B之间均匀对称设置多个通孔A，所述下部连杆活塞上在空腔B和空腔C之间均匀对称设置多个通孔B，通孔A和通孔B数量相同且相同位置处的通孔A和通孔B位于同一直线上，便于缓冲材料流动。
阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，呈圆粒状，属于非牛顿流体，是以高抗冲聚苯乙烯树脂与定量阻燃剂及添加剂在混合器内相混加工而成，由于制造方便、成本低，在许多用具和工业上广泛使用，已发展为世界上重要的聚合物商品，它的拉伸强度随应变速率的增加而增加，具有良好的冲击韧性、尺寸稳定性、阻燃性和高流动性。
多个通孔A和通孔B的作用是能让阻燃高抗冲聚苯乙烯粒在各个空腔内流动，位于一条直线上的目的是为了不影响缸体内阻燃高抗冲聚苯乙烯粒的流动，若不在同一条直线上，会影响阻燃高抗冲聚苯乙烯粒的流动速度，无法达到瞬间让压的目的。
进一步的，所述上部连杆活塞与缸体的上表面之间、以及下部连杆活塞与缸体的下表面之间均设置有缓冲件，所述缓冲件为泡沫铝，泡沫铝的上下两侧分别设置有金属薄板，如此，缓冲件会形成“三明治”结构，其具有质轻，高刚度的特征，可作为优异的结构材料，如：用作汽车的结构件时，重量只有钢结构的一半，而刚度则提高10倍。需要说明的是，泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和气泡特征。它密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、导热率低、耐候性强、易加工、易安装，主要作用是减缓冲击力。
进一步的，所述上部连杆活塞的顶部，以及下部连杆活塞的底部均设置有工字型凹槽，分别方便顶梁和柱腿的插入，这样可以减小顶梁/柱腿与工字型凹槽之间的安装间隙，避免相互之间的窜动，从而能够提高其连接强度，所述上部连杆活塞和下部连杆活塞侧方均开有一圆孔，用于定位销的插入的固定；
所述上部连杆活塞和下部连杆活塞的周面与缸体壁接触处设置有密封胶圈。
当发生冲击地压时，首先，缓冲件先吸能让压，即上部连杆活塞与缸体之间的缓冲件实现恒阻式缓冲吸能，吸收一部分能量；当缓冲件让压达到极限，缸体内部的上部连杆活塞向下运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，当压力达到设定值时,空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒会通过多个通孔A流向空腔A，实现恒阻缓冲，对整个装置及巷道围岩起到良好的保护作用；当上部连杆活塞让压达到极限，会压缩缸体整体向下运动，同时，下部连杆活塞向上运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒流向空腔C，再次实现恒阻缓冲；若压力再次增大，则下部连杆活塞与缸体之间的缓冲件再次进行让压，又一次消耗和降低一部分冲击能量。
优选的，若顶板稳定性差，可将所有的顶梁均通过棚间槽钢连接为一个整体，即多架矿工钢棚连接为一个整体，为了兼顾成本和整体性，也可以每两架矿工钢棚为一个单元，即每两架矿工钢棚之间采用纵向连接装置连接起来。
优选的，所述矿工钢棚与巷道围岩之间填充有背衬材料，目的是在于使矿工钢支架与围岩接触紧密，改善支架的受力状况，提高其承载能力并保持围岩的稳定性。
优选的，所述背衬材料为酚脲烷树脂自硬砂或聚甲醛(POM)。
酚脲烷树脂自硬砂综合了呋喃树脂与碱酚醛树脂的特点，进一步提高了工艺适应性，其具有优越的硬化特性和较好的高温退让性,硬化时间可以在0.5-15分钟内调整，生产效率高，工艺适应性较强，价格9000元/吨；
聚甲醛(POM)是一种坚韧有弹性、硬而致密的材料，即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳定性和抗冲击特性，可在-40～100℃温度范围内长期使用。聚甲醛的拉伸强度达70MPa，吸水性小，尺寸稳定，有光泽，这些性能都比尼龙好，聚甲醛为高度结晶的树脂，在热塑性树脂中是最坚韧的，熔点175℃，价格22.8元/kg，其密度为1.4-1.6g/cm3。
优选的，巷道底板采用挖槽的方式将棚间槽钢A固定住。
优选的，所述棚间槽钢A的凹槽朝向巷道顶板方向，棚间槽钢B的凹槽朝向巷道底板方向。
优选的，安装后矿工钢棚的腹板平行于巷道壁面，使矿工钢棚翼板与围岩接触，由于翼板厚度较小，随围岩变形翼板易逐渐嵌入围岩，最大侵入深度可达腹板位置，这也在一定程度上实现了变形让压。
优选的，一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构的安装方法，包括：
第一步：在巷道底板靠近两帮铺设有两排平行的棚间槽钢A，棚间槽钢A的腹板宽度大于柱腿的宽度，矿工钢棚的两柱腿分别插入两排棚间槽钢A内，柱腿插入棚间槽钢A内，无需固定，方便拆卸；
第二步：将防冲击连接构件中下部连杆活塞底部的工字型凹槽与柱腿对应插入，再通过定位销固定；
第三步：安设顶梁，将上述防冲击连接构件中上部连杆活塞的顶部的工字型凹槽与顶梁对应插入，再通过定位销固定，搭接吻合后，按中线将矿工钢棚找正，将锚索/锚杆与顶梁组成一体穿过顶梁的锚索孔/锚杆孔送入巷道钻孔内，再拧紧预紧螺母对其施加预紧力，顶梁正中央的锚索孔暂不使用；
将锚杆与柱腿组成一体穿过柱腿的锚杆孔送入巷道钻孔内，再拧紧预紧螺母对其施加预紧力，安装完成；
第四步：安装几字型钢，将顶梁嵌入几字型钢的限位凹槽内，将锚索与顶梁、几字型钢组成一体穿过锚索孔(此处是指顶梁正中央的锚索孔)送入巷道正中央的钻孔，依次安装垫板和托盘，再拧紧预紧螺母对其施加预紧力，安装完成；
第五步：按中线、棚距找好位置，重复第二～四步，安装完成多个矿工钢棚；
此步骤中，棚距可根据现场实际需要按设计进行。
第六步：相邻两矿工钢棚之间通过棚间槽钢B进行纵向连接，具体为：
将几字型钢端部插入棚间槽钢B端部，使圆孔A和圆孔B位置对应，并采用插销固定，依次重复安装多个棚间槽钢B，使得相邻两矿工钢棚为一个单元。
最后，用喷砂机或喷胶机将背衬材料喷入顶梁和柱腿与围岩之间的缝隙。
本发明安装完成后，若围岩坚固性好可不挂钢筋网，反之应挂钢筋网以免掉落碎石。
优选的，一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构的工作方法，包括：
锚杆/锚索使单架矿工钢棚和巷道围岩能够形成一个整体，纵向连接装置的设置使得多架矿工钢棚之间形成一个整体，巷道底板棚间槽钢A的设置，进一步加强了多架矿工钢之间的整体性，并起到减跨和防控底鼓的作用；
同时，位于顶梁与柱腿之间的防冲击连接构件能够吸能缓冲让压，锚杆/锚索主动支护与矿工钢棚被动支护实现了耦合协调、整体承载与加固作用；
优选的，防冲击连接构件的工作过程为：
当发生冲击地压时，首先，缓冲件先吸能让压，即上部连杆活塞与缸体之间的缓冲件实现恒阻式缓冲吸能，吸收一部分能量；当缓冲件让压达到极限，缸体内部的上部连杆活塞向下运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，当压力达到设定值时,空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒会通过多个通孔A流向空腔A，实现恒阻缓冲，对整个装置及巷道围岩起到良好的保护作用；当上部连杆活塞让压达到极限，会压缩缸体整体向下运动，同时，下部连杆活塞向上运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒流向空腔C，再次实现恒阻缓冲；若压力再次增大，则下部连杆活塞与缸体之间的缓冲件再次进行让压，又一次消耗和降低一部分冲击能量，从而起到多次减缓冲击荷载的作用。
本发明的工作原理为：
本发明是先在巷道横断面方向上通过防冲击连接构件将顶梁1和柱腿2连接到一起，又通过锚杆/锚索使单架矿工钢棚和巷道围岩形成一个整体，再通过几字型钢和棚间槽钢B，以及棚间槽钢A在纵向上将单架矿工钢棚连接起来。当巷道地压达到某一限定值时，防冲击连接构件进行吸能缓冲让压，支架微量下缩，从而释放了顶板岩层对支架的压力实现让压，而在这一过程中，支架的锚杆/锚索主动支护与矿工钢棚被动支护实现了耦合协调、整体承载与加固作用。
本发明在底板两侧靠近两帮各铺设有一段棚间槽钢A，很大程度上能够抑制巷道底板因软弱岩层扩容、膨胀引起的裂隙张开及新裂隙的产生，阻止软弱岩层向上鼓起，一定程度上可防止底鼓。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
(1)本发明从整体性思想出发，把巷道围岩与承载结构看做一个有机整体，与巷道顶板保持紧贴，充分发挥围岩自承能力和支护体系支承能力，在受到采动影响时，保证巷道围岩不破碎，并能够起到很好的稳固作用；
(2)当巷道地压达到某一限定值时，本发明中的防冲击连接构件可进行多次吸能缓冲让压，缸体能够整体运动，并能够减缓冲击载荷，消减冲击能对围岩的破坏，且在冲击地压频繁发生时，能够在缓冲件处和缸体处起到多次缓冲作用；
(3)本发明中架设的矿工钢棚腹板平行于巷道壁面，使矿工钢棚翼板与围岩接触，由于翼板厚度较小，随围岩变形翼板易逐渐嵌入围岩，最大侵入深度可达腹板位置，这也在一定程度上实现了变形让压；
(4)本发明可广泛应用于软弱围岩，特别是稳定性较差的深部井巷，井下安装操作、运输、贮存也较为方便；
(5)本发明的柱腿、顶梁和棚间槽钢B均可拆卸，回收率高，可多次复用，节省大量经济成本；安装和拆卸简单，也可提高掘进作业效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为单棚安装示意图；
图3(a)为某一视角防冲击连接构件的示意图；
图3(b)为另一视角防冲击连接构件的示意图；
图3(c)为的工字型凹槽的俯视图；
图4(a)为几字型钢的结构示意图；
图4(b)为图4(a)的俯视图；
图5为图2中A处连接示意图；
图6(a)为图2中B处连接关系侧视图；
图6(b)为图2中B处连接关系正视图；
图6(c)为图6(a)的俯视图；
图7(a)为某一实施例中缸体结构示意图；
图7(b)为图7(a)的俯视图；
图7(c)为图7(a)的侧视图；
其中，1-顶梁，2-柱腿，3-棚间槽钢B，4-锚杆，5-锚索，6-防冲击连接构件，6.1-缸体，6.2-上部连杆活塞，6.3-下部连杆活塞，6.4-缓冲件，6.5-工字型凹槽，7-几字型钢，7.1-限位凹槽，7.2-圆孔B，8-插销，9-棚间槽钢A，10定位销，11-凸缘，12-螺栓孔。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如图1～7(c)所示，包括平行分布的多架矿工钢棚，每架矿工钢棚包括半圆形的顶梁1和位于顶梁1底部的柱腿2，顶梁1和柱腿2均采用矿工钢，顶梁1上均匀设置有五个孔眼，中央的三个孔眼为锚索孔，用于与锚索5配合将矿工钢棚与巷道连接，其余两个孔眼为锚杆孔，用于与锚杆4配合将矿工钢棚与巷道连接；每个柱腿2中部腹板上开设有一锚杆孔，用于与锚杆4配合将柱腿2与巷道连接，本发明中，锚杆上还配合有预紧螺母、托盘和垫板，预紧螺母、托盘和垫板安装在锚杆端头上，锚杆和锚索的安装方式均可参考现有技术；
顶梁1与柱腿2之间设置有防冲击连接构件6，实现缓冲让压；
巷道底板上靠近两帮铺设有两排平行的棚间槽钢A 9，每架矿工钢棚的柱腿2底部插入该棚间槽钢A 9内，棚间槽钢A 9的设置可在一定程度上防止巷道底鼓和两帮围岩位移的增大，同时提高了多架矿工钢棚之间的整体性；
相邻两架矿工钢棚之间通过纵向连接装置连接为一个整体。
本发明的单架矿工钢棚包括3根锚索和4根锚杆，锚索5是需要施加预应力的，因此它是主动受力；锚杆4则一般不施加预应力(有时也会施加很小的预应力)，因此它是被动受力，只有当被锚固岩土体发生一定变形时锚杆才发挥锚固力。此外，锚索长度一般在20-50米，锚杆则不到20米，锚索成本更高，劳动强度大，本发明的锚索、锚杆布置方式既可保证受力合理，又节约了成本。
本发明采用了纵向连接装置和棚间槽钢A 9将多架矿工钢棚连接起来，不仅大大提高了支架被动支护结构的整体性和稳定性，还大大提高了支架对巷道底板的支撑作用(底板两侧棚间槽钢A大大增加了柱腿与巷道底板的接触面积，矿工钢棚对底板的反作用力通过两侧棚间槽钢A强有力地作用于巷道底板(与巷道顶板的作用力大小相等)，从而能起到一定的减跨作用和防控底鼓作用。
实施例2：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如实施例1所示，所不同的是，纵向连接装置包括几字型钢7和棚间槽钢B 3，几字型钢7的几字型开口朝上形成限位凹槽7.1，顶梁1正中央嵌入该限位凹槽7.1内，限位凹槽7.1中央开设有一圆形孔，与顶梁1正中央的锚索孔配合使用；
棚间槽钢B 3位于相邻两架矿工钢棚之间，棚间槽钢B 3两端部各开设有一圆孔A，几字型钢的两端翼板各开设一圆孔B 7.2，圆孔A与圆孔B 7.2之间采用插销8连接在一起。
实施例3：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如实施例2所示，所不同的是，限位凹槽7.1的宽度略大于顶梁1的腹板宽度，以使得顶梁1嵌在该限位凹槽7.1内，嵌入后，顶梁1中央的锚索孔和限位凹槽7.1中央内的圆形孔位置对应，安装锚索，几字型钢7的两端翼板的宽度略小于棚间槽钢B 3腹板的宽度，几字型钢的翼板与棚间槽钢B的腹板紧贴，并且使圆孔A与圆孔B对准，通过插销8将棚间槽钢B与几字型钢连接，进而实现相邻两架矿工钢棚之间的连接，成为一个整体。
实施例4：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如实施例3所示，所不同的是，如图3(a)～3(c)、图5所示，防冲击连接构件6包括缸体6.1、上部连杆活塞6.2和下部连杆活塞6.3，上部连杆活塞6.2的一端活动地穿设在缸体6.1的上部，且与缸体6.1的上部内壁之间形成空腔A，上部连杆活塞6.2的另一端与顶梁1底部相连接；
下部连杆活塞6.3的一端活动地穿设在缸体6.1的下部，且与缸体6.1的下部内壁之间形成空腔C，下部连杆活塞6.3的另一端与柱腿2顶部相连接；
其中，位于缸体6.1内的上部连杆活塞6.2的外侧、下部连杆活塞6.3的外部、缸体6.1的内壁之间形成空腔B，空腔A、空腔B和空腔C内均填充有缓冲材料。
作为一种缸体结构的具体实施例，整个缸体1可以是带有凸缘11的两个半圆柱壳合二为一拼接而成，先把上部连杆活塞和下部连杆活塞分别对应放入一个半圆柱壳中，上部连杆活塞/下部连杆活塞中部较细部分嵌入半圆柱壳端部半圆处，再将两个半圆柱壳拼接，并使凸缘处的螺栓孔12对应，通过螺栓连接，拼接处做密封处理，如图7(a)～7(c)所示。
实施例5：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如实施例4所示，所不同的是，缓冲材料为阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，上部连杆活塞6.2和下部连杆活塞6.3均为刚体，上部连杆活塞6.2上在空腔A和空腔B之间均匀对称设置多个通孔A，下部连杆活塞6.3上在空腔B和空腔C之间均匀对称设置多个通孔B，通孔A和通孔B数量相同且相同位置处的通孔A和通孔B位于同一直线上，便于缓冲材料流动。
阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，呈圆粒状，属于非牛顿流体，是以高抗冲聚苯乙烯树脂与定量阻燃剂及添加剂在混合器内相混加工而成，由于制造方便、成本低，在许多用具和工业上广泛使用，已发展为世界上重要的聚合物商品，它的拉伸强度随应变速率的增加而增加，具有良好的冲击韧性、尺寸稳定性、阻燃性和高流动性。
多个通孔A和通孔B的作用是能让阻燃高抗冲聚苯乙烯粒在各个空腔内流动，位于一条直线上的目的是为了不影响缸体内阻燃高抗冲聚苯乙烯粒的流动，若不在同一条直线上，会影响阻燃高抗冲聚苯乙烯粒的流动速度，无法达到瞬间让压的目的。
实施例6：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如实施例5所示，所不同的是，上部连杆活塞6.2与缸体6.1的上表面之间、以及下部连杆活塞6.3与缸体6.1的下表面之间均设置有缓冲件6.4，缓冲件6.4为泡沫铝，泡沫铝的上下两侧分别设置有金属薄板，如此，缓冲件会形成“三明治”结构，其具有质轻，高刚度的特征，可作为优异的结构材料，如：用作汽车的结构件时，重量只有钢结构的一半，而刚度则提高10倍。需要说明的是，泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和气泡特征。它密度小、高吸收冲击能力强、耐高温、防火性能强、抗腐蚀、导热率低、耐候性强、易加工、易安装，主要作用是减缓冲击力。
实施例7：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如实施例6所示，所不同的是，上部连杆活塞6.2的顶部，以及下部连杆活塞6.3的底部均设置有工字型凹槽6.5，分别方便顶梁1和柱腿2的插入，这样可以减小顶梁/柱腿与工字型凹槽之间的安装间隙，避免相互之间的窜动，从而能够提高其连接强度，上部连杆活塞6.2和下部连杆活塞6.3侧方均开有一圆孔，用于定位销10的插入的固定；
上部连杆活塞6.2和下部连杆活塞6.3的周面与缸体壁接触处设置有密封胶圈。
当发生冲击地压时，首先，缓冲件先吸能让压，即上部连杆活塞与缸体之间的缓冲件实现恒阻式缓冲吸能，吸收一部分能量；当缓冲件让压达到极限，缸体内部的上部连杆活塞向下运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，当压力达到设定值时,空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒会通过多个通孔A流向空腔A，实现恒阻缓冲，对整个装置及巷道围岩起到良好的保护作用；当上部连杆活塞让压达到极限，会压缩缸体整体向下运动，同时，下部连杆活塞向上运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒流向空腔C，再次实现恒阻缓冲；若压力再次增大，则下部连杆活塞与缸体之间的缓冲件再次进行让压，又一次消耗和降低一部分冲击能量。
实施例8：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如实施例7所示，所不同的是，若顶板稳定性差，可将所有的顶梁均通过棚间槽钢连接为一个整体，即多架矿工钢棚连接为一个整体，为了兼顾成本和整体性，也可以每两架矿工钢棚为一个单元，即每两架矿工钢棚之间采用纵向连接装置连接起来。
实施例9：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如实施例8所示，所不同的是，矿工钢棚与巷道围岩之间填充有背衬材料，目的是在于使矿工钢支架与围岩接触紧密，改善支架的受力状况，提高其承载能力并保持围岩的稳定性。
背衬材料为聚甲醛(POM)。
实施例10：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，如实施例9所示，所不同的是，巷道底板采用挖槽的方式将棚间槽钢A 9固定住。
棚间槽钢A 9的凹槽朝向巷道顶板方向，棚间槽钢B 3的凹槽朝向巷道底板方向。
安装后矿工钢棚的腹板平行于巷道壁面，使矿工钢棚翼板与围岩接触，由于翼板厚度较小，随围岩变形翼板易逐渐嵌入围岩，最大侵入深度可达腹板位置，这也在一定程度上实现了变形让压。
实施例11：
一种实施例10的拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构的安装方法，包括：
第一步：在巷道底板靠近两帮铺设有两排平行的棚间槽钢A 9，棚间槽钢A9的腹板宽度大于柱腿2的宽度，矿工钢棚的两柱腿2分别插入两排棚间槽钢A 9内，柱腿插入棚间槽钢A内，无需固定，方便拆卸；
第二步：将防冲击连接构件6中下部连杆活塞6.3底部的工字型凹槽6.5与柱腿2对应插入，再通过定位销10固定；
第三步：安设顶梁1，将上述防冲击连接构件6中上部连杆活塞6.2的顶部的工字型凹槽与顶梁1对应插入，再通过定位销10固定，搭接吻合后，按中线将矿工钢棚找正，将锚索/锚杆与顶梁1组成一体穿过顶梁的锚索孔/锚杆孔送入巷道钻孔内，再拧紧预紧螺母对其施加预紧力，顶梁正中央的锚索孔暂不使用；
将锚杆与柱腿组成一体穿过柱腿的锚杆孔送入巷道钻孔内，再拧紧预紧螺母对其施加预紧力，安装完成；
第四步：安装几字型钢7，将顶梁嵌入几字型钢7的限位凹槽7.1内，将锚索5与顶梁1、几字型钢7组成一体穿过锚索孔(此处是指顶梁正中央的锚索孔)送入巷道正中央的钻孔，依次安装垫板和托盘，再拧紧预紧螺母对其施加预紧力，安装完成；
第五步：按中线、棚距找好位置，重复第二～四步，安装完成多个矿工钢棚；
此步骤中，棚距可根据现场实际需要按设计进行。
第六步：相邻两矿工钢棚之间通过棚间槽钢B 3进行纵向连接，具体为：
将几字型钢端部插入棚间槽钢B 3端部，使圆孔A和圆孔B位置对应，并采用插销8固定，依次重复安装多个棚间槽钢B 3，使得相邻两矿工钢棚为一个单元。
最后，用喷砂机或喷胶机将背衬材料喷入顶梁和柱腿与围岩之间的缝隙。
实施例12：
一种实施例10的拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构的工作方法，包括：
锚杆/锚索使单架矿工钢棚和巷道围岩能够形成一个整体，纵向连接装置的设置使得多架矿工钢棚之间形成一个整体，巷道底板棚间槽钢A 9的设置，进一步加强了多架矿工钢之间的整体性，并起到减跨和防控底鼓的作用；
同时，位于顶梁与柱腿之间的防冲击连接构件6能够吸能缓冲让压，锚杆/锚索主动支护与矿工钢棚被动支护实现了耦合协调、整体承载与加固作用；
实施例13：
一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构的工作方法，如实施例13所述，所不同的是，防冲击连接构件的工作过程为：
当发生冲击地压时，首先，缓冲件6.4先吸能让压，即上部连杆活塞6.2与缸体6.1之间的缓冲件6.4实现恒阻式缓冲吸能，吸收一部分能量；当缓冲件6.4让压达到极限，缸体6.1内部的上部连杆活塞6.2向下运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，当压力达到设定值时,空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒会通过多个通孔A流向空腔A，实现恒阻缓冲，对整个装置及巷道围岩起到良好的保护作用；当上部连杆活塞6.2让压达到极限，会压缩缸体6.1整体向下运动，同时，下部连杆活塞向上运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒流向空腔C，再次实现恒阻缓冲；若压力再次增大，则下部连杆活塞6.3与缸体6.1之间的缓冲件再次进行让压，又一次消耗和降低一部分冲击能量，从而起到多次减缓冲击荷载的作用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，其特征在于，包括平行分布的多架矿工钢棚，每架矿工钢棚包括半圆形的顶梁和位于顶梁底部的柱腿，所述顶梁和柱腿均采用矿工钢，所述顶梁上均匀设置有五个孔眼，中央的三个孔眼为锚索孔，用于与锚索配合将矿工钢棚与巷道连接，其余两个孔眼为锚杆孔，用于与锚杆配合将矿工钢棚与巷道连接；每个柱腿中部腹板上开设有一锚杆孔，用于与锚杆配合将柱腿与巷道连接；
所述顶梁与柱腿之间设置有防冲击连接构件，实现缓冲让压；
巷道底板上靠近两帮铺设有两排平行的棚间槽钢A，每架矿工钢棚的柱腿底部插入该棚间槽钢A内；
相邻两架矿工钢棚之间通过纵向连接装置连接为一个整体；
所述防冲击连接构件包括缸体、上部连杆活塞和下部连杆活塞，所述上部连杆活塞的一端活动地穿设在所述缸体的上部，且与缸体的上部内壁之间形成空腔A，所述上部连杆活塞的另一端与顶梁底部相连接；
所述下部连杆活塞的一端活动地穿设在所述缸体的下部，且与缸体的下部内壁之间形成空腔C，所述下部连杆活塞的另一端与柱腿顶部相连接；
其中，位于缸体内的上部连杆活塞的外侧、下部连杆活塞的外部、缸体的内壁之间形成空腔B，所述空腔A、空腔B和空腔C内均填充有缓冲材料；
所述缓冲材料为阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，所述上部连杆活塞和下部连杆活塞均为刚体，所述上部连杆活塞上在空腔A和空腔B之间均匀对称设置多个通孔A，所述下部连杆活塞上在空腔B和空腔C之间均匀对称设置多个通孔B，通孔A和通孔B数量相同且相同位置处的通孔A和通孔B位于同一直线上，便于缓冲材料流动。
2.根据权利要求1所述的拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，其特征在于，所述纵向连接装置包括几字型钢和棚间槽钢B，所述几字型钢的几字型开口朝上形成限位凹槽，所述顶梁正中央嵌入该限位凹槽内，所述限位凹槽中央开设有一圆形孔，与顶梁正中央的锚索孔配合使用；
所述棚间槽钢B位于相邻两架矿工钢棚之间，棚间槽钢B两端部各开设有一圆孔A，几字型钢的两端翼板各开设一圆孔B，圆孔A与圆孔B之间采用插销连接在一起；
所述限位凹槽的宽度大于顶梁的腹板宽度，几字型钢的两端翼板的宽度小于棚间槽钢B腹板的宽度。
3.根据权利要求2所述的拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，其特征在于，所述上部连杆活塞与缸体的上表面之间、以及下部连杆活塞与缸体的下表面之间均设置有缓冲件，所述缓冲件为泡沫铝，泡沫铝的上下两侧分别设置有金属薄板。
4.根据权利要求3所述的拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，其特征在于，所述上部连杆活塞的顶部，以及下部连杆活塞的底部均设置有工字型凹槽，分别方便顶梁和柱腿的插入，所述上部连杆活塞和下部连杆活塞侧方均开有一圆孔，用于定位销的插入的固定；
所述上部连杆活塞和下部连杆活塞的周面与缸体壁接触处设置有密封胶圈。
5.根据权利要求4所述的拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，其特征在于，每两架矿工钢棚为一个单元，即每两架矿工钢棚之间采用纵向连接装置连接起来；
所述矿工钢棚与巷道围岩之间填充有背衬材料，背衬材料为酚脲烷树脂自硬砂或聚甲醛。
6.根据权利要求5所述的拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构，其特征在于，巷道底板采用挖槽的方式将棚间槽钢A固定住；
所述棚间槽钢A的凹槽朝向巷道顶板方向，棚间槽钢B的凹槽朝向巷道底板方向；
安装后矿工钢棚的腹板平行于巷道壁面。
7.一种权利要求6所述的拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构的安装方法，其特征在于，包括：
第一步：在巷道底板靠近两帮铺设有两排平行的棚间槽钢A，棚间槽钢A的腹板宽度大于柱腿的宽度，矿工钢棚的两柱腿分别插入两排棚间槽钢A内；
第二步：将防冲击连接构件中下部连杆活塞底部的工字型凹槽与柱腿对应插入，再通过定位销固定；
第三步：安设顶梁，将上述防冲击连接构件中上部连杆活塞的顶部的工字型凹槽与顶梁对应插入，再通过定位销固定，搭接吻合后，按中线将矿工钢棚找正，将锚索/锚杆与顶梁组成一体穿过顶梁的锚索孔/锚杆孔送入巷道钻孔内，再拧紧预紧螺母对其施加预紧力，顶梁正中央的锚索孔暂不使用；
将锚杆与柱腿组成一体穿过柱腿的锚杆孔送入巷道钻孔内，再拧紧预紧螺母对其施加预紧力，安装完成；
第四步：安装几字型钢，将顶梁嵌入几字型钢的限位凹槽内，将锚索与顶梁、几字型钢组成一体穿过锚索孔送入巷道正中央的钻孔，依次安装垫板和托盘，再拧紧预紧螺母对其施加预紧力，安装完成；
第五步：按中线、棚距找好位置，重复第二～四步，安装完成多个矿工钢棚；
第六步：相邻两矿工钢棚之间通过棚间槽钢B进行纵向连接，具体为：
将几字型钢端部插入棚间槽钢B端部，使圆孔A和圆孔B位置对应，并采用插销固定，依次重复安装多个棚间槽钢B，使得相邻两矿工钢棚为一个单元。
8.一种权利要求6所述的拱形巷道主动与被动支护耦合整体协调承载结构的工作方法，其特征在于，包括：
锚杆/锚索使单架矿工钢棚和巷道围岩能够形成一个整体，纵向连接装置的设置使得多架矿工钢棚之间形成一个整体，巷道底板棚间槽钢A的设置，进一步加强了多架矿工钢之间的整体性，并起到减跨和防控底鼓的作用；
同时，位于顶梁与柱腿之间的防冲击连接构件能够吸能缓冲让压，锚杆/锚索主动支护与矿工钢棚被动支护实现了耦合协调、整体承载与加固作用；
防冲击连接构件的工作过程为：
当发生冲击地压时，首先，缓冲件先吸能让压，即上部连杆活塞与缸体之间的缓冲件实现恒阻式缓冲吸能，吸收一部分能量；当缓冲件让压达到极限，缸体内部的上部连杆活塞向下运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒，当压力达到设定值时,空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒会通过多个通孔A流向空腔A，实现恒阻缓冲；当上部连杆活塞让压达到极限，会压缩缸体整体向下运动，同时，下部连杆活塞向上运动，压缩空腔B内的阻燃高抗冲聚苯乙烯粒流向空腔C，再次实现恒阻缓冲；若压力再次增大，则下部连杆活塞与缸体之间的缓冲件再次进行让压，又一次消耗和降低一部分冲击能量。
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