CN113622973A

CN113622973A - 巷道支护棚架

Info

Publication number: CN113622973A
Application number: CN202111179300.7A
Authority: CN
Inventors: 王梁; 王海军; 王洪磊; 赵建; 刘少权; 曹云; 孟建新; 杨晓辉; 刘凡; 王振; 杜学飞; 赵嘉宇
Original assignee: China Coal Research Institute CCRI
Current assignee: China Coal Research Institute CCRI
Priority date: 2021-10-11
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2041-10-11
Also published as: CN113622973B

Abstract

本发明涉及巷道支护技术领域，公开了一种巷道支护棚架，包括顶梁、弹性垫和两个支撑柱；所述顶梁的两端分别与两个支撑柱的顶部铰接；所述弹性垫与所述顶梁固定，所述弹性垫的两端分别与所述顶梁的两端对齐；所述弹性垫固定在顶梁上时，弹性垫背离顶梁的一面为圆弧面，并且所述弹性垫背离顶梁的一面的曲率半径小于巷道顶板的曲率半径。本发明改善了支护棚架与巷道顶板的接触效果，减少了支护棚架对顶板局部凸尖的压溃损伤，实现了对巷道顶板的有效保护。

Description

巷道支护棚架

技术领域

本发明涉及巷道支护技术领域，具体涉及一种巷道支护棚架。

背景技术

现有巷道支护大多采用液压单体立柱或者普通横梁门形支护棚架支护，液压单体立柱支护效果差，拆装费时费力；普通横梁门形支护棚架与巷道顶板接触会发生弹性形变，使其支撑力向其立柱方向集中，并且由于顶板的不平整，会发生局部应力集中，所以在其接顶的同时，往往需要将顶板的局部凸起部位压碎后才能形成有效接触，这就对顶板造成了极大的损坏。同时由于其支撑支护效果差，不得不加大初撑力，进一步加剧了对顶板造成的损坏。以上原因也是普通门形支护棚架不可以对巷道进行反复支撑的原因。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：现有的支护棚架与巷道顶板接触会发生弹性形变，使其支撑力向其立柱方向集中，而且会发生局部应力集中，其在接顶时往往需要将顶板的局部凸起部位压碎后才能形成有效接触，对巷道的顶板造成了极大的损坏。此外由于其支撑支护效果差，不得不加大初撑力，进一步加剧了对巷道顶板造成的损坏。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种巷道支护棚架，包括顶梁、弹性垫和两个支撑柱；所述顶梁的两端分别与两个支撑柱的顶部铰接；所述弹性垫与所述顶梁固定，所述弹性垫的两端分别与所述顶梁的两端对齐；所述弹性垫固定在顶梁上时，弹性垫背离顶梁的一面为圆弧面，并且所述弹性垫背离顶梁的一面的曲率半径小于巷道顶板的曲率半径。

与现有的支护棚架相比，本发明的有益效果在于：

1、由于巷道的天然属性，巷道本身中间部位对支撑力需求最大，越靠近侧帮对支撑力的需求越小，本发明可以使支护棚架与巷道顶板的载荷呈现弓形分布，与巷道的需求对应，支撑效果更好。

2、本发明所提供的支护棚架实现支撑载荷弓形分布，避免了支撑载荷过多的集中于支撑柱位置，从而减少了支撑棚架对巷道顶板的破坏，在一定巷道条件下可以进行有限次数的反复支撑，从而可以降低巷道支撑工艺工序和难度。

3、本发明通过在顶梁的上方设置弹性垫，即在支护棚架与巷道顶板的接顶面设置柔性接顶介质，改善了支护棚架与巷道顶板的接触效果，减少了支护棚架对顶板局部凸尖的压溃损伤，实现了对巷道顶板的有效保护。

在一些实施例中，所述支撑柱包括上支腿和下支腿，所述上支腿为中空结构，所述下支腿的一端套设在上支腿内，所述上支腿与下支腿之间可相对滑动。

在一些实施例中，所述顶梁的截面为矩形。

在一些实施例中，所述顶梁的端部与支撑柱之间通过销轴铰接；每个所述支撑柱的上端均设置有两个相互平行的耳板，所述顶梁的两端以及所述耳板上均开设有用于销轴穿过的通孔，所述顶梁的端部卡设在支撑柱上端的耳板之间，所述销轴插入顶梁以及耳板上的通孔内。

在一些实施例中，所述弹性垫为橡胶垫或者气囊。

在一些实施例中，所述顶梁为直梁；所述弹性垫背离顶梁的一面为圆弧面，沿着所述弹性垫的长度方向，所述弹性垫的厚度从弹性垫的中段至弹性垫的两端逐渐减小。

在一些实施例中，所述顶梁为呈弧形的弯梁，所述弹性垫各个部位的厚度相等，所述弹性垫固定在顶梁的外弧面上。

在一些实施例中，所述顶梁对应的圆心角小于180度。

附图说明

图1是本发明中实施例1的结构示意图。

图2是本发明中实施例1对顶板支护载荷的分布示意图。

图3是本发明实施例1中弹性垫的结构及尺寸代号示意图。

图4是本发明实施例1中顶梁与支撑柱连接处的局部放大视图。

图5是本发明中实施例2的结构示意图。

图6是本发明中实施例2对顶板支护载荷的分布示意图。

图7是本发明中实施例2的预变形挠度曲线示意图。

图8是本发明实施例1和实施例2中支撑柱的结构示意图。

附图标记：1、顶梁；2、支撑柱；201、下支腿；202、上支腿；3、弹性垫；4、巷道壁；5、耳板；6、销轴。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

参见图1至图4所示，本实施例提供了一种巷道支护棚架，用于矩形巷道与巷道方向垂直截面支护，包括顶梁1、弹性垫3和两个支撑柱2；所述顶梁1的两端分别与两个支撑柱2的顶部铰接；所述弹性垫3与所述顶梁固定，所述弹性垫3的两端分别与顶梁1的两端对齐；所述弹性垫3固定在顶梁1上时，弹性垫3背离顶梁的一面为圆弧面，并且弹性垫3背离顶梁1的一面的曲率半径小于巷道顶板的曲率半径。

参见图8所示，在具体实施时所述支撑柱2包括上支腿202和下支腿201，所述上支腿为中空结构，所述下支腿的一端套设在上支腿内，所述上支腿与下支腿之间可相对滑动，通过上支腿和下支腿之间的相对滑动来实现对支撑柱长度的调节。该支撑柱2可提供20000kg初撑力，30000kg工作阻力。所述顶梁的截面为矩形，可以选用Q690矩形管。所述弹性垫可通过紧固件安装在顶梁的其中一个平面上，此外弹性垫也可通过工程较粘在顶梁的其中一个平面上，弹性垫的安装方式十分简便。参见图4所示，所述顶梁1的端部与支撑柱2之间通过销轴6铰接；每个支撑柱2的上端均设置有两个相互平行的耳板5，所述顶梁1的两端以及耳板上均开设有用于销轴穿过的通孔，所述顶梁的端部卡设在支撑柱上端的耳板之间，所述销轴6插入顶梁1以及耳板5上的通孔内。

在本实施例中，所述顶梁1为直梁；所述弹性垫3背离顶梁的一面为圆弧面，沿着所述弹性垫的长度方向，所述弹性垫的厚度从弹性垫的中段至弹性垫的两端逐渐减小（即弓形设计）。所述弹性垫可以使用普通橡胶垫，也可以是气囊，亦或者其他柔性、弹性材料。

本实施例中对弹性垫进行弓形设计，使其在使用时弓背朝上接顶，然后在支撑柱的推动下经过一定的弹性变形后整体接顶，这样就使弹性垫与顶板的接触载荷呈现弓形分布。本实施例中的弓形设计即是指弹性垫顶部的曲率半径小于巷道顶板曲率半径。在巷道为矩形时，可以认为其巷道顶板曲率半径为无限大，只要弹性垫曲率半径为有限值，便小于巷道顶板曲率半径；当巷道顶板为有限曲率半径时，其弹性垫曲率半径小于巷道顶板的曲率半径便是弓形设计。

当所述支护棚架使用时，其顶梁通过弹性垫与巷道顶板接触，弹性垫在支撑柱的推动下被压至平直，与巷道顶板完全接触，此时弹性垫对巷道的支撑载荷分布如图2所示，形成弓形载荷分布。弓形载荷分布与巷道支护需求载荷大致吻合，所以此载荷分布会对巷道产生更好的支护效果，并改变普通顶梁支撑力集中于支撑柱的状态，避免损伤巷道顶板；另外顶梁上部与巷道顶部接触面设置弹性垫可以使顶梁与巷道柔性接触，很大程度上避免将巷道顶板中的局部凸起压溃，起到巷道顶板保护效果。

本实施例不仅可以用于垂直与巷道方向截面的支撑，也可用于平行或者与巷道方向成任意角度截面方向的支撑，只要其弹性垫曲率半径小于其接触面曲率半径即可。

本实施例中弹性垫的各项参数可根据相关边界条件与要求可通过计算得出，其中主要公式如下：

F=Sq

式中，F—普通橡胶工作时的弹力kg；

S—普通橡胶横断面积cm²；

q—普通橡胶单位弹力kg/cm²；

另外，普通橡胶的压缩率p和单位弹力q的关系如表1：

表 1.普通橡胶的压缩率p和单位弹力q的关系

橡胶压缩率p（%）	单位弹力q（kg/cm2）
		10	2.6
15	5
		20	7.4
25	10.6
		30	15.2
35	21

橡胶材质的弹性垫结构及尺寸代号如图3所示，根据顶梁长度L，宽度B、初撑力F=20000kg以及工作阻力30000kg等相关条件，限定最大工作阻力时橡胶最大压缩量35%，以防止橡胶压坏；限定初撑力压紧状态下橡胶与顶部接触面积大于80%；忽略顶梁在支撑状态的挠度变化。根据表 1参数，假设抛物线型弹性垫处于初始支撑状态时最高点处（横梁中点）的压缩率为10%，以横梁一端为原点，衡量方向为x轴，假设弓形弹性垫的初始轮廓满足分布：

根据两端点处y=0,则

利用线性插值，单位弹力q的分布为：

令

要满足支护强度要求，则

将a和b带入，得：

令L=500cm，h=4cm，则B=28.57cm；

即长500 cm，宽28.57 cm的橡胶弹性垫在中点最大变形为10%的情况下即可满足支护要求，其对巷道支撑载荷分布如图2所示。

实施例2

参见图5至图7所示，本实施例提供了另一种巷道支护棚架，用于矩形巷道与巷道方向垂直截面支护，包括顶梁1、弹性垫3和两个支撑柱2；所述顶梁1的两端分别与两个支撑柱2的顶部铰接，两个支撑柱2可分别提供10000kN垂直向上的初始支撑力以及15000kN工作阻力；所述弹性垫3与所述顶梁1固定，所述弹性垫3的两端分别与顶梁1的两端对齐；所述弹性垫3固定在顶梁1上时，弹性垫3背离顶梁的一面为圆弧面，并且弹性垫3背离顶梁1的一面的曲率半径小于巷道顶板的曲率半径。

参见图8所示，在具体实施时所述支撑柱2包括上支腿202和下支腿201，所述上支腿为中空结构，所述下支腿201的一端套设在上支腿内，所述上支腿与下支腿之间可相对滑动，通过上支腿202和下支腿201之间的相对滑动来实现对支撑柱长度的调节。所述顶梁1的截面为矩形，可以选用牌号为65Mn的矩形管，尺寸为240×100mm，长度为5000mm。所述弹性垫3可通过紧固件安装在顶梁的其中一个平面上，此外弹性垫也可通过工程较粘在顶梁的其中一个平面上，弹性垫的安装方式十分简便。所述顶梁1的端部与支撑柱2之间通过销轴6铰接；每个支撑柱2的上端均设置有两个相互平行的耳板5，所述顶梁的两端以及所述耳板上均开设有用于销轴穿过的通孔，所述顶梁的端部卡设在支撑柱上端的耳板之间，所述销轴插入顶梁以及耳板上的通孔内。

在本实施例中，所述顶梁1为呈弧形（亦可称为弓形）的弯梁，其采用预弯曲的方式制造而成。所述弹性垫3各个部位的厚度相等，所述弹性垫固定在顶梁的外弧面上。所述顶梁对应的圆心角小于180度。所述弹性垫3可以使用普通橡胶垫，也可以是气囊，亦或者其他柔性、弹性材料。

本实施例中对顶梁进行弓形设计，使其在使用时弓背朝上接顶，然后在支撑柱的推动下经过一定的弹性变形后整体接顶，这样就使顶梁与顶板的接触载荷呈现弓形分布。所述弓形设计即是指棚架接顶的顶梁曲率半径小于巷道顶板曲率半径。在巷道为矩形时，可以认为其巷道顶板曲率半径为无限大，只要其顶梁曲率半径为有限值，便小于巷道顶板曲率半径；当巷道顶板为有限曲率半径时，其顶梁曲率半径小于巷道顶板的曲率半径便是弓形设计。

本实施例在使用时，其顶梁1通过弹性垫3与巷道顶板接触，顶梁1在两个支撑柱2的推动下被压至平直，与巷道顶板完全接触，此时其对巷道的支撑载荷分布如图6所示，形成弓形载荷分布。弓形载荷分布与巷道支护载荷需求大致吻合，所以此载荷分布会对巷道产生更好的支护效果，并且改变普通顶梁由于形变，使支撑力集中于支撑柱附近的状态，减少顶梁对巷道顶板的损伤；另外顶梁上部与巷道顶部接触面设置弹性垫可以使顶梁与巷道柔性接触，很大程度上避免将巷道顶板中的局部凸起压溃，起到巷道顶板保护效果。

本实施例不仅可以用于垂直于巷道方向的支撑，也可用于平行或者与巷道方向任意角度的截面的支撑，只要顶梁曲率半径小于其接触面曲率半径即可。

在本实施例中，根据巷道条件和支护棚架参数，以顶梁的左端为原点，左右两端连线为x轴，图5所示弓形载荷分布方程为：

则任意位置x处梁的截面上的弯矩M如下：

其中

，则

对此弯矩进行反挠度计算，反挠度

可以根据挠曲线近似微分方程：

其中EI为材料抗弯刚度，则

根据边界条件

，

及

，

，

则

顶梁1的材料选用65Mn钢，截面为B=240mm，高H=100mm的矩形，

则

，并将其它参数值带入，可以得到：

带入数值即得反挠度曲线方程：

则顶梁的反挠度曲线即预变形曲线如图7所示。将该方程输入数控机床或者其他自动化加工设备便可加工出符合要求的顶梁的预变形形状。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种巷道支护棚架，其特征在于，包括：

两个支撑柱；

顶梁，所述顶梁的两端分别与两个支撑柱的顶部铰接；

弹性垫，所述弹性垫与所述顶梁固定，所述弹性垫的两端分别与所述顶梁的两端对齐；

所述弹性垫固定在顶梁上时，弹性垫背离顶梁的一面为圆弧面，并且所述弹性垫背离顶梁的一面的曲率半径小于巷道顶板的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的巷道支护棚架，其特征在于，所述支撑柱包括上支腿和下支腿，所述上支腿为中空结构，所述下支腿的一端套设在上支腿内，所述上支腿与下支腿之间可相对滑动。

3.根据权利要求1所述的巷道支护棚架，其特征在于，所述顶梁的截面为矩形。

4.根据权利要求3所述的巷道支护棚架，其特征在于，所述顶梁的端部与支撑柱之间通过销轴铰接；每个所述支撑柱的上端均设置有两个相互平行的耳板，所述顶梁的两端以及所述耳板上均开设有用于销轴穿过的通孔，所述顶梁的端部卡设在支撑柱上端的耳板之间，所述销轴插入顶梁以及耳板上的通孔内。

5.根据权利要求1所述的巷道支护棚架，其特征在于，所述弹性垫为橡胶垫或者气囊。

6.根据权利要求1至5任一项所述的巷道支护棚架，其特征在于，所述顶梁为直梁；所述弹性垫背离顶梁的一面为圆弧面，沿着所述弹性垫的长度方向，所述弹性垫的厚度从弹性垫的中段至弹性垫的两端逐渐减小。

7.根据权利要求1至5任一项所述的巷道支护棚架，其特征在于，所述顶梁为呈弧形的弯梁，所述弹性垫各个部位的厚度相等，所述弹性垫固定在顶梁的外弧面上。

8.根据权利要求7所述的巷道支护棚架，其特征在于，所述顶梁对应的圆心角小于180度。