CN113790070B - 一种用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架及实现方法，其包括：顶拱让压钢棚，设置在巷道的顶部；帮部让压钢棚，设置在巷道的两帮，所述帮部让压钢棚与所述顶拱让压钢棚之间通过第一连接套管相连接；底拱让压钢棚，设置在巷道的底部；所述底拱让压钢棚与所述帮部让压钢棚之间通过第二连接套管相连接；其中，所述顶拱让压钢棚、帮部让压钢棚和底拱让压钢棚均包括承压内架和U型钢基础，所述承压内架与所述U型钢基础固定连接，且所述承压内架与所述U型钢基础的内部形成一让压空腔。本发明具有结构简单、使用方便、让压效果好等优点。

Description

一种用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架及实现方法

技术领域

本发明涉及煤矿巷道支护技术领域，尤其涉及一种适用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架。

背景技术

冲击地压是指煤矿井巷或者工作面周围煤(岩)体由于弹性变形能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象。冲击地压发生时，围岩突然破坏、垮落或抛入巷道，同时伴有剧烈的震动和声响，常引起巷道底臌、片帮、冒顶，容易造成支护结构毁坏、采掘空间变形及人员伤亡等重大损失。

随着煤矿开采深度不断加大，我国冲击地压矿井数量呈增长趋势，鉴于冲击地压矿井分布的广泛性和冲击地压灾害的严重性，采取措施缓解冲击地压的发生强度、降低冲击地压破坏程度成为现阶段专家学者的关注重点。

针对冲击地压事故的防治措施，可分为事故前的预防措施和事故发生时的控制措施。事故前的预防措施主要有钻孔卸压措施、断顶断底卸压措施、改变工作面推进速度卸压措施等，这些措施改变了上覆岩层的蓄能条件，降低了能量蓄积强度，在预防冲击地压方面效果显著。针对事故发生时的控制措施方面，鉴于冲击事故主要发生在巷道内，提高巷道支护强度成为降低冲击危害的有效措施。在冲击地压矿井巷道支护中，支护结构体强度、刚度等参数对支护效果影响较大，若支护结构体强度较小，则其承载能力较低，难以抵抗冲击动载荷；若支护结构体刚度较大，则其容许形变量较小，在冲击作用下支护结构体较易损坏，进而引发严重的冲击显现。因此，采用高强度、可迅速让位吸能的低刚度支护结构体适应围岩瞬间变形成为冲击地压巷道支护领域的普遍共识。

国家煤矿安全监察局2018年发布的《防治煤矿冲击地压细则》指出，冲击地压巷道严禁采用刚性支护，可采用抗冲击的锚杆(索)、可缩支架等，提高巷道抗冲击能力。2019年，《山东省煤矿冲击地压防治办法》指出，具有强冲击地压危险的掘进巷道，除采用主动支护方式外，还应当采用可缩式U型钢棚等受冲击后仍有安全空间的加强支护方式。结合相关规程规范及普遍共识，专家学者提出冲击地压巷道三级支护方案：一级锚杆(索)让压支护，二级让压钢棚支护，三级回采工作面超前范围内液压支架支护。

在现有支护方式中，锚杆(索)让压支护技术已较成熟，典型的让压构件有让压管、让压托盘、大延伸率锚杆(索)等，现场应用较普遍。在让压钢棚支护中，典型的有U型钢可缩性支架，其利用约束位置的滑动变形实现让压目的，这种钢棚支架的强度较低，且让压效果取决于约束位置的滑动变形幅度，而其滑动变形幅度存在较大的随机性，目前，尚未有其他有效的让压钢棚支架。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种结构简单、使用方便、让压效果好的适用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架及实现方法。

一种适用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架，其包括：

顶拱让压钢棚，设置在巷道的顶部；

帮部让压钢棚，设置在巷道的两帮，所述帮部让压钢棚与所述顶拱让压钢棚之间通过第一连接套管相连接；

底拱让压钢棚，设置在巷道的底部；所述底拱让压钢棚与所述帮部让压钢棚之间通过第二连接套管相连接；

其中，所述顶拱让压钢棚、帮部让压钢棚和底拱让压钢棚均包括承压内架和U型钢基础，所述承压内架与所述U型钢基础固定连接，且所述承压内架与所述U型钢基础的内部形成一让压空腔。

在其中一个实施例中，所述承压内架包括承压内架本体，所述承压内架本体具有顶部和腿部，所述腿部对称设置在所述顶部的左右两侧，且所述腿部的底部具有腿脚；

所述U型钢基础包括U型钢基础本体，所述U型钢基础本体的两侧设有向外突出的耳板，所述承压内架本体扣合在所述U型钢基础本体上，所述腿脚与所述耳板焊接固定。

在其中一个实施例中，所述第一连接套管包括耳型框架、中间承载板和六棱立柱；

所述耳型框架套设在所述帮部让压钢棚与所述顶拱让压钢棚的接头处，所述中间承载板设置在所述耳型框架的内部，且位于所述帮部让压钢棚的端面与所述顶拱让压钢棚的端面之间，所述六棱立柱的两端分别穿设在所述帮部让压钢棚和所述顶拱让压钢棚的让压空腔中。

在其中一个实施例中，所述六棱立柱的高度小于所述耳型框架的高度。

在其中一个实施例中，所述第二连接套管包括V耳型外部框架、异型中间承载板和内部立柱；

所述V耳型外部框架套设在所述帮部让压钢棚与所述底拱让压钢棚的接头处，所述异型中间承载板设置在所述V耳型外部框架的中部，所述内部立柱设置在所述异型中间承载板的上下两端，且所述内部立柱分别穿设在所述帮部让压钢棚和所述底拱让压钢棚的让压空腔中。

在其中一个实施例中，V耳型外部框架的V型夹角为118-122°。

在其中一个实施例中，还包括底板连接横梁，所述底板连接横梁的两端分别连接在巷道两侧的所述第二连接套管上。

本发明的实现方法以及优点为：

当巷道掘进完成，在巷道底部安装底拱让压钢棚，然后，在底拱让压钢棚的两侧分别安装一个第二连接套管，然后，在两个第二连接套管的上方分别安装一个帮部让压钢棚，帮部让压钢棚的上方分别安装一个第一连接套管，然后，在两个第一连接套管上方安装一个顶拱让压钢棚，最后，在两个第二连接套管的位置焊接底板连接横梁，完成安装施工。在冲击力作用下，承压内架会先发生变形，实现让压吸能，当承压内架变形过大，会压入到让压空腔中，承压内架的强度和刚度可以与U型钢基础的强度和刚度进行叠加，从而使本发明的强度和刚度大幅提高，同时，在底板连接横梁作用下，让压钢棚的强度和刚度进一步提高；由于底拱让压钢棚、帮部让压钢棚和顶拱让压钢棚是一个整体，不管冲击力来自于哪个方向，三个让压钢棚协同分担冲击力，从而实现持久的让压。同时，本发明还具有结构简单、使用方便、让压效果好等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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他的附图。

图1是本发明的适用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架的结构示意图；

图2是本发明的顶拱让压钢棚、帮部让压钢棚或底拱让压钢棚的截面示意图；

图3是本发明的承压内架的结构示意图；

图4是本发明的第一连接套管的安装位置示意图；

图5是图4在A-A处的剖视图；

图6是本发明的第一连接套管的结构示意图；

图7是图6在B-B处的剖视图；

图8是本发明的第二连接套管的结构示意图；

图9是本发明的第二连接套管的内部结构示意图；

图10是图9在C-C处的剖视图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参阅图1-10所示，本发明一实施例提供一种适用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架，其包括顶拱让压钢棚1、帮部让压钢棚2、底拱让压钢棚3、第一连接套管4和第二连接套管5。

顶拱让压钢棚1设置在巷道的顶部；帮部让压钢棚2设置在巷道的两帮，所述帮部让压钢棚2与所述顶拱让压钢棚1之间通过第一连接套管4相连接；底拱让压钢棚3设置在巷道的底部；所述底拱让压钢棚3与所述帮部让压钢棚2之间通过第二连接套管5相连接；其中，所述顶拱让压钢棚1、帮部让压钢棚2和底拱让压钢棚3均包括承压内架11和U型钢基础12，所述承压内架11与所述U型钢基础12固定连接，且所述承压内架11与所述U型钢基础12的内部形成一让压空腔13。

在本发明一实施例中，所述承压内架11包括承压内架本体，所述承压内架本体具有顶部111和腿部112，所述腿部112对称设置在所述顶部111的左右两侧，且所述腿部112的底部具有腿脚113；也即是说，本实施例中的承压内架本体类似一个倒扣的U型，如此，可以使承压内架11在保证强度和刚度的前提下，具有一定的让压吸能作用。

所述U型钢基础12包括U型钢基础本体，所述U型钢基础本体的两侧设有向外突出的耳板121，所述承压内架本体扣合在所述U型钢基础本体上，所述腿脚112与所述耳板121焊接固定。具体地，可以在所述腿脚112的外侧与所述耳板121的内侧进行焊接，固定焊点可以呈三角形，其焊接的牢固性好，可靠性强，固定焊点的高度可以为10-15mm。

本实施例中，承压内架11的壁厚可以为15-25mm，高度可以为70-80mm，其中，顶部111的宽度可以为40-50mm，腿脚112的宽度可以为85-95mm。所述腿部112的内缘与外缘间呈38-42°夹角，内缘长度较长，外缘长度较短。承压内架屈服强度为500MPa。U型钢基础12的断面形状为U型钢，屈服强度为500MPa。

在本发明一实施例中，所述第一连接套管4包括耳型框架41、中间承载板42和六棱立柱43；

所述耳型框架41套设在所述帮部让压钢棚2与所述顶拱让压钢棚1的接头处，所述中间承载板42设置在所述耳型框架41的内部，且位于所述帮部让压钢棚2的端面与所述顶拱让压钢棚1的端面之间，所述六棱立柱43的两端分别穿设在所述帮部让压钢棚2和所述顶拱让压钢棚1的让压空腔中。

可选地，为了避免对承压内架11的让压效果造成影响，所述六棱立柱43的高度小于所述耳型框架41的高度。如：六棱立柱43的高度比耳型框架41的高度少15-25mm。

本实施例中，耳型框架41的壁厚可以为8-12mm，高度350-450mm。耳型框架41近似椭圆形，在横向中心线上方0-65mm范围布置有两个耳状固定结构，以便于与顶拱让压钢棚1和帮部让压钢棚2的形状相匹配，其中，耳型框架屈服强度为500MPa。中间承载板42位于耳型框架41的中间高度位置，厚度可以为30-50mm，屈服强度为500MPa，中间承载板42可以对帮部让压钢棚2的端面与所述顶拱让压钢棚1的端面进行承载，提高连接的稳定性和安全性。六棱立柱43穿过中间承载板42的上下两侧，呈六棱体状，六棱立柱43边沿距离耳型框架41内缘18-22mm。

在本发明一实施例中，所述第二连接套管5包括V耳型外部框架51、异型中间承载板52和内部立柱53；

所述V耳型外部框架51套设在所述帮部让压钢棚2与所述底拱让压钢棚3的接头处，所述异型中间承载板52设置在所述V耳型外部框架51的中部，所述内部立柱53设置在所述异型中间承载板52的上下两端，且分别穿设在所述帮部让压钢棚2和所述底拱让压钢棚3的让压空腔中。可选地，V耳型外部框架51的V型夹角为118-122°。

本实施例中，V耳型外部框架51的壁厚可以为8-12mm，以第二连接套管5的转折线呈对称状态，在转折线上方，V耳型外部框架51的高度为200-300mm。V耳型外部框架51近似椭圆形，V耳型外部框架51在横向中心线上方0-65mm范围布置有两个耳状固定结构。V耳型外部框架51的屈服强度为500MPa。异型中间承载板52位V耳型外部框架51的转折位置，以V耳型外部框架51转折线呈对称状态，在转折线上方，异型中间承载板52呈梯形，其两边长度分别为20-25mm和110-120mm，其屈服强度为500MPa。内部立柱53呈六棱体状，其边沿距离V耳型外部框架51的内缘18-22mm。

为了进一步提高强度和刚度，本发明还包括底板连接横梁6，所述底板连接横梁6的两端分别连接在巷道两侧的所述第二连接套管5上。本实施例中，底板连接横梁6的断面形式为方钢，边长为80-100mm，屈服强度为500MPa。

本发明的实现方法为：

巷道掘进完成，在巷道底部安装底拱让压钢棚3，然后，在底拱让压钢棚3的两侧分别安装一个第二连接套管5，然后，在两个第二连接套管5的上方分别安装一个帮部让压钢棚2，帮部让压钢棚2的上方分别安装一个第一连接套管4，然后，在两个第一连接套管4上方安装一个顶拱让压钢棚1，最后，在两个第二连接套管5的位置焊接底板连接横梁6，完成安装施工。在冲击力作用下，承压内架11会先发生变形，实现让压吸能，当承压内架11变形过大，会压入到让压空腔13中，承压内架11的强度和刚度可以与U型钢基础12的强度和刚度进行叠加，从而使本发明的强度和刚度大幅提高，同时，在底板连接横梁6作用下，让压钢棚的强度和刚度进一步提高；由于底拱让压钢棚3、帮部让压钢棚2和顶拱让压钢棚1是一个整体，不管冲击力来自于哪个方向，三个让压钢棚协同分担冲击力，从而实现持久让压。本发明还具有结构简单、使用方便、让压效果好等优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架，其特征在于，包括：

顶拱让压钢棚，设置在巷道的顶部；

帮部让压钢棚，设置在巷道的两帮，所述帮部让压钢棚与所述顶拱让压钢棚之间通过第一连接套管相连接；所述第一连接套管包括耳型框架、中间承载板和六棱立柱；所述耳型框架套设在所述帮部让压钢棚与所述顶拱让压钢棚的接头处，所述中间承载板设置在所述耳型框架的内部，且位于所述帮部让压钢棚的端面与所述顶拱让压钢棚的端面之间，所述六棱立柱的两端分别穿设在所述帮部让压钢棚和所述顶拱让压钢棚的让压空腔中；

底拱让压钢棚，设置在巷道的底部；所述底拱让压钢棚与所述帮部让压钢棚之间通过第二连接套管相连接；所述第二连接套管包括V耳型外部框架、异型中间承载板和内部立柱，所述V耳型外部框架套设在所述帮部让压钢棚与所述底拱让压钢棚的接头处，所述异型中间承载板设置在所述V耳型外部框架的中部，所述内部立柱设置在所述异型中间承载板的上下两端，且所述内部立柱分别穿设在所述帮部让压钢棚和所述底拱让压钢棚的让压空腔中；

底板连接横梁，底板连接横梁的两端分别连接在巷道两侧的所述第二连接套管上；

其中，所述顶拱让压钢棚、帮部让压钢棚和底拱让压钢棚均包括承压内架和U型钢基础，所述承压内架与所述U型钢基础固定连接，且所述承压内架与所述U型钢基础的内部形成一让压空腔。

2.如权利要求1所述的用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架，其特征在于，所述承压内架包括承压内架本体，所述承压内架本体具有顶部和腿部，所述腿部对称设置在所述顶部的左右两侧，且所述腿部的底部具有腿脚；

所述U型钢基础包括U型钢基础本体，所述U型钢基础本体的两侧设有向外突出的耳板，所述承压内架本体扣合在所述U型钢基础本体上，所述腿脚与所述耳板焊接固定。

3.如权利要求1所述的用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架，其特征在于，所述六棱立柱的高度小于所述耳型框架的高度。

4.如权利要求1所述的用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架，其特征在于，V耳型外部框架的V型夹角为118-122º。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的用于冲击地压矿井的变刚度让压钢棚支架的实现方法，其特征在于，当巷道掘进完成，在巷道底部安装底拱让压钢棚，然后，在底拱让压钢棚的两侧分别安装一个第二连接套管，然后，在两个第二连接套管的上方分别安装一个帮部让压钢棚，帮部让压钢棚的上方分别安装一个第一连接套管，然后，在两个第一连接套管上方安装一个顶拱让压钢棚，最后，在两个第二连接套管的位置焊接底板连接横梁，完成安装施工；当矿山来压时，在冲击力作用下，承压内架会先发生变形，实现让压吸能，当承压内架变形过大，会压入到让压空腔中，承压内架的强度和刚度与U型钢基础的强度和刚度进行叠加，从而使强度和刚度大幅提高，同时，在底板连接横梁作用下，让压钢棚的强度和刚度进一步提高；由于底拱让压钢棚、帮部让压钢棚和顶拱让压钢棚是一个整体，不管冲击力来自于哪个方向，三个让压钢棚协同分担冲击力，从而实现持久的让压。