CN116575945A - 用于矿山井下支护的高强让压支护结构及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于矿山井下支护的高强让压支护结构及其使用方法，涉及矿山井下支护技术领域，上述支护结构包括“U型”钢架和设置于“U型”钢架和巷道围岩之间的若干支护件，支护件包括外部约束体和填充在外部约束体内部的吸能水泥基，且外部约束体的内部嵌有具有孔洞的圆柱状加强体，加强体和外部约束体的中轴线重合。通过上述方式，可利用支护件的结构和组成特点赋予其吸能效果，以对“U型”钢架所受来自巷道围岩的挤压力进行让压和分散，有效提升了支护结构整体的支护强度，并提供了一种制作简单、高强度且适用于矿山支护的高强让压支护结构。
Description
技术领域
本发明涉及用于矿山井下支护技术领域，尤其涉及一种用于矿山井下支护的高强让压支护结构及其使用方法。
背景技术
金属非金属矿山深部巷道掘进过程中常常面临着需要经过断裂带、破碎带等不良地质体，该过程中对矿山支护提出了一系列问题。通常采用的支护方法为砖石砌碹支护和背木钢拱架支护，但砖石砌碹支护施工效率低，砌碹体施工后形成一定强度所需时间长，不能够及时随采掘工作面的推进及时快速地形成安全的支护体；背木钢拱架支护方法存在木材易燃易腐蚀，从而需定期更换或存在较大的火灾等安全隐患，影响企业的安全生产。在2020年新版《金属非金属矿山安全规程》中，明确规定了：不应用木材或者其他可燃材料作永久支护。因此，如何研发出一种新型的代替木材的阻燃、防火、耐腐、轻质、高强的支护材料及支护方法，是解决矿山在深部高应力条件下过不良地质体中安全快速支护问题的一剂良药。
现有技术中，申请号为CN202210356057.X，公开日期为2022年6月17日，名称为“大断面深埋软岩隧道联合支护体系及施工方法”的专利申请文件中，通过在格栅钢架单元之间采用带有让压耗能装置及钢拱架单元之间采用带有吸能缓冲装置的刚性支护，实现了对围岩内部长期荷载或地震荷载的冲击能的缓存和吸收，并实现二者的快速承载和共同承载，可有效利用围岩的承载能力，显著提高初期支护的承载能力、控制围岩产生大变形，更有效的应对深埋大断面软岩隧道出现的大变形，保障施工安全和施工效率。上述技术方案通过设置包括弹簧、阻尼器、吸能钢管等机械吸能装置的吸能装置，对支护结构的受力进行分散，以此提升支护结构的刚度及支护的稳定性。但是，上述过程涉及到的支护结构的整体结构复杂，工程造价高，因而不适合用于支护范围更大的矿山领域。
有鉴于此，有必要设计一种改进的用于矿山井下支护的高强让压支护结构及其使用方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于矿山井下支护的高强让压支护结构及其使用方法。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于矿山井下支护的高强让压支护结构，所述支护结构设置于巷道围岩的破碎带的下方，包括“U型”钢架和设置于所述“U型”钢架和所述巷道围岩之间的若干支护件；所述支护件包括外部约束体和填充在所述外部约束体内部的吸能水泥基，且所述外部约束体的内部嵌有具有孔洞的圆柱状加强体，所述加强体和所述外部约束体的中轴线重合。
优选的，所述外部约束体为由若干管件拼接而成的骨架和设置于所述骨架的外部的封口板组成。
优选的，所述管件的材质为轻钢龙骨、薄壁钢管或空心薄壁钢管；所述轻钢龙骨的壁厚为0.3-1mm，长度为0.5-2m，宽度为0.3-0.6m；所述空心薄壁钢管的壁厚为3-6mm，长度为0.5-2m。
优选的，所述“U型”钢架包括若干“U型”件，相邻两个所述“U型”件之间设有加固连接梁，且相邻两个所述“U型”件之间的间距小于1.2m。
优选的，所述加强体能够为金属网，所述金属网的网孔的边长为10-50mm，所述金属网所用钢丝的直径为1-5mm。
优选的，所述外部约束体和所述加强体的外壁之间的间距为10-20mm。
优选的，所述吸能水泥基由泡沫混凝土制作得到，所述泡沫混凝土的干重为500-1200kg/m³。
优选的，所述“U型”钢架与所述巷道围岩之间的距离为10-30cm。
优选的，所述封口板的壁厚为0.3-1mm，长度为0.3-0.6m，宽度为0.1-0.2m，且所述的封口板和所述外部约束体的材质相同。
特别地，本发明还提供了所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构的使用方法，按照如下方式进行：首先，采用管件拼接形成外部约束体的骨架后，将封口板固定在所述骨架的四周和一端，得到一面开口的半封闭容器和模具，然后将加强体内嵌至所述外部约束体内，并使所述加强体位于所述外部约束体的中部；然后，浇筑泡沫混凝土，并养护14-28天，使所述泡沫混凝土充分发生水化反应，固结成内部具有一定胞孔结构的吸能水泥基，并与所述外部约束体充分粘结，成为支护体；最后，将所述支护体排布于预先布置好的“U型”钢架和巷道围岩之间，即得到所述支护结构。
本发明的有益效果是：
本发明提供的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，包括“U型”钢架和设置于“U型”钢架和巷道围岩之间的若干支护件，支护件包括外部约束体和填充在外部约束体内部的吸能水泥基，且外部约束体的内部嵌有具有孔洞的圆柱状加强体，加强体和外部约束体的中轴线重合。通过上述方式，可利用支护件的结构和组成特点赋予其吸能效果，以对“U型”钢架所受来自巷道围岩的挤压力进行让压和分散，有效提升了支护结构整体的支护强度，并提供了一种制作简单、高强度且适用于矿山支护的高强让压支护结构。
本发明提供的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，通过在支护件的外部约束体内嵌设具有一定网度的加强体，可在形成吸能水泥基后，对吸能水泥基形成内部约束，增强轻质高强吸能水泥基的承载性、韧性和整体性，进而提升支护件的强度；通过在支护件中设置封口板，不仅可提升支护件的整体稳定性，还可利用封口板和外部约束体一起作为吸能水泥基的形成模具，提升了制作支护件的工作效率；通过采用泡沫混凝土形成吸能水泥基，可将泡沫混凝土的材料特征与外部约束体的结构特征，得到同时质轻、高强的具有性能特性的支护件，其与“U型”钢架一起构成高强让压支护结构。
附图说明
图1为本发明提供的用于矿山井下支护的高强让压支护结构的结构示意图；
图2为图1中的“U型”钢架的结构示意图；
图3为图1中的支护件的结构示意图；
图4为图3中的加强体的一种结构的示意图；
附图标记如下：
100、用于矿山井下支护的高强让压支护结构；10、巷道围岩；101、破碎带；20、“U型”钢架；21、“U型”件；22、加固连接梁；30、支护件；31、外部约束体；311、封口板；32、加强体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1至图4所示，本发明提供了一种用于矿山井下支护的高强让压支护结构100，上述支护结构设置于巷道围岩10的破碎带101的下方，包括“U型”钢架20和设置于“U型”钢架20和巷道围岩10之间的若干支护件30，支护件30的整体为柱体，其截面为圆形、矩形或其他多边形，支护件30均匀分布在“U型”钢架20外侧，用于对“U型”钢架20所受来自巷道围岩10的力进行让压缓冲，防止“U型”钢架20因受力过大而发生变形。
进一步地，请参阅图2并结合图1所示，“U型”钢架20包括若干“U型”件21，“U型”钢架20与巷道围岩10之间的距离为10-30cm，“U型”件21之间通过加固连接梁22连接，相邻两个“U型”件21之间的间距小于1.2m，以确保“U型”钢架20的整体强度足够高，设置“U型”钢架20时，应使“U型”钢架20的边缘与破碎带101之间的距离为1-2m，使破碎带101处于“U型”钢架20的顶部位置，确保稳定布置“U型”钢架20；如此设置，可利用“U型”钢架20为支护件30提供支撑作用，以使支护件30在巷道围岩10的挤压作用下和“U型”钢架20的支撑下稳定存在于巷道围岩10和“U型”钢架20之间。
更进一步地，请参阅图3至4并结合图1所示，支护件30包括外部约束体31和填充在外部约束体31内部的由泡沫混凝土形成的吸能水泥基，为得到高强质轻的吸能水泥基，选择干重为500-1200kg/m³的泡沫混凝土制作吸能水泥基，且外部约束体31的内部嵌有具有孔洞的圆柱状加强体32，外部约束体31和加强体32的外壁之间的间距为10-20mm，加强体32通过冲压成型的方式形成，其通过捆绑等方式设置于外部约束体31的中部，以使外部约束体31和加强体32的轴线重合；具体地，外部约束体31为由若干管件拼接而成的骨架和设置于骨架外部的封口板311组成，封口板311的设置可防止向外部约束体31内注入泡沫混凝土和养护过程中泡沫混凝土流出，管件可以为轻钢龙骨、薄壁钢管或空心薄壁钢管，轻钢龙骨的壁厚为0.3-1mm，长度为0.5-2m，宽度为0.3-0.6m，空心薄壁钢管的壁厚为3-6mm，长度为0.5-2m，需要说明的是，在另一些实施例中，外部约束体和加强体也可以根据支护强度的要求使用其他材质，此处不以此为限；骨架整体呈柱形，加强体32可以为金属网，金属网的网孔的边长为10-50mm，金属网所用钢丝的直径为1-5mm，封口板311通过铆钉固定在骨架外部，封口板311的材质与外部约束体31的材质相同，其壁厚为0.3-1mm，长度为0.3-0.6m，宽度为0.1-0.2m；制作支护体时先在骨架外部固定封口板311，为便于注入泡沫混凝土，先不固定朝上一侧的封口板311，以形成上方开口的容器，然后通过开口处向外部约束体31中注入泡沫混凝土，注入的混凝土顺着加强体32上的孔洞进入加强体32内部，待养护达到使用要求后即可投入使用。采用上述方式形成的支护件30可利用加强体32在支护件30内形成内部约束，增强轻质高强吸能水泥基的承载性、韧性和整体性；同时，选用抗压强度高、耐久性好、轻质高强的泡沫混凝土制作吸能水泥基，可充分利用泡沫混凝土本身的材料优势，对作为支护体支撑结构的“U型”钢架20所受来自巷道围岩10的挤压力进行分散和吸收，有效提高了支护结构的支护强度，其次，泡沫混凝土质轻和内部多孔的结构，降低了现场制作支护体的难度，极大缩短了支护体的制作周期，有效提高了制作支护结构的制作效率。
更进一步地，本发明还提供了上述用于矿山井下支护的高强让压支护结构的使用方法，具体使用方法如下：首先，采用管件拼接形成骨架后，将封口板311固定在骨架的四周和一端，得到一面开口的半封闭容器和模具，然后将圆柱状的加强体32内嵌至外部约束体31内，并使加强体32位于外部约束体31的中部；然后，向上述结构内浇筑泡沫混凝土，并养护14-28天，使泡沫混凝土充分发生水化反应，固结成内部具有一定胞孔结构的吸能水泥基，并与外部约束体31充分粘结，成为支护体；最后，将支护体排布在预先布置好的“U型”钢架20和巷道围岩10之间，排布支护体时，应尽量使支护体排布紧密，以对“U型”钢架20和巷道围岩10之间的区域填充，由于支护体本身的外形特征，使得支护体之间存在间隙，后期随着巷道围岩的运动，支护体在“U型”钢架20和巷道围岩10之间排布得更紧密，支护体之间的间隙逐渐减小。
下面结合具体的实施例对本发明的用于矿山井下支护的高强让压支护结构及其使用方法作进一步说明：
实施例1
本实施例提供了一种用于矿山井下支护的高强让压支护结构100，上述支护结构设置于巷道围岩10的破碎带101的下方，包括“U型”钢架20和设置于“U型”钢架20上靠近巷道围岩10一侧的若干支护件30，支护件30为截面呈矩形的柱体，其均匀分布在“U型”钢架20和巷道围岩10之间，用于对“U型”钢架20所受来自巷道围岩10的力进行让压缓冲，防止“U型”钢架20受力过大而发生变形。
进一步地，“U型”钢架20包括若干“U型”件21，“U型”钢架20与巷道围岩10之间的距离为20cm，“U型”件21之间通过加固连接梁22连接，相邻两个“U型”件21之间的间距为0.5m；设置“U型”钢架20时，应使“U型”钢架20的边缘与破碎带101之间的距离为1m，使破碎带101处于“U型”钢架20的顶部位置，确保稳定布置“U型”钢架20。
更进一步地，支护件30包括外部约束体31和填充在外部约束体31内部的由泡沫混凝土形成的吸能水泥基，为得到高强质轻的吸能水泥基，选择干重为600kg/m³的泡沫混凝土制作吸能水泥基，且外部约束体31内部内嵌有圆柱状的加强体32，外部约束体31和加强体32的外壁之间的间距为10mm，加强体32通过冲压成型的方式形成，其通过捆绑的方式设置于外部约束体31的中部，以使外部约束体31和加强体32的轴线重合；具体地，外部约束体31为由若干管件拼接而成的骨架和设置于骨架外部的封口板311组成，本实施例中以轻钢龙骨为管件的材质，轻钢龙骨的壁厚为0.3mm，长度为0.5m，宽度为0.3m，空心薄壁钢管的壁厚为3mm，长度为0.5m，骨架整体呈柱形，加强体32为金属网，金属网的网孔的边长为10mm，金属网所用钢丝直径为1mm，封口板311通过铆钉固定在骨架外部，封口板311的材质也为轻钢龙骨，其壁厚为0.3mm，长度为0.3m，宽度为0.1m；需要说明的是，在另一些实施例中外部约束体31、封口板311及加强体32的材质也可以为其他材质，只要根据需要进行选择即可，此处不以此为限；制作支护体时先在骨架外部固定封口板311，为便于注入泡沫混凝土，先不固定朝上一侧的封口板311，以形成上方开口的容器，然后通过开口处向外部约束体31中注入泡沫混凝土，注入的混凝土顺着加强体32上的孔洞进入加强体32内部，待养护达到使用要求后即可投入使用。
特别地，本发明还提供了上述用于矿山井下支护的高强让压支护结构的使用方法，具体使用方法如下：首先，采用管件拼接形成骨架后，将封口板311固定在骨架的四周和一端，得到一面开口的半封闭容器和模具，然后将圆柱状的加强体32内嵌至外部约束体31内，并使加强体32位于外部约束体31的中部；然后，向上述结构内浇筑泡沫混凝土，并养护14天，使泡沫混凝土充分发生水化反应，固结成内部具有一定胞孔结构的吸能水泥基，并与外部约束体31充分粘结，成为支护体；最后，将支护体排布在预先布置好的“U型”钢架20和巷道围岩10之间，排布支护体时，应尽量使支护体排布紧密，以对“U型”钢架20和巷道围岩10之间的区域填充，得到用于矿山井下支护的高强让压支护结构100。
综上所述，本发明提出的用于矿山井下支护的高强让压支护结构100，通过将支护结构设置为“U型”钢架20和支护体，并将支护体的骨架设置为内部嵌有加强体32的外部约束体31，再向外部约束体31中注入泡沫混凝土固化形成吸能水泥基，以赋予支护体高强度和吸能性，利用支护体的吸能性对“U型”钢架20所受来自巷道围岩10的挤压力进行让压分散，从整体上提升了支护结构的强度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于矿山井下支护的高强让压支护结构，其特征在于，所述支护结构设置于巷道围岩的破碎带的下方，包括“U型”钢架和设置于所述“U型”钢架和所述巷道围岩之间的若干支护件；所述支护件包括外部约束体和填充在所述外部约束体内部的吸能水泥基，且所述外部约束体的内部嵌有具有孔洞的圆柱状加强体，所述加强体和所述外部约束体的中轴线重合。
2.根据权利要求1所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，其特征在于，所述外部约束体为由若干管件拼接而成的骨架和设置于所述骨架的外部的封口板组成。
3.根据权利要求2所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，其特征在于，所述管件的材质为轻钢龙骨、薄壁钢管或空心薄壁钢管；所述轻钢龙骨的壁厚为0.3-1mm，长度为0.5-2m，宽度为0.3-0.6m；所述空心薄壁钢管的壁厚为3-6mm，长度为0.5-2m。
4.根据权利要求1所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，其特征在于，所述“U型”钢架包括若干“U型”件，相邻两个所述“U型”件之间设有加固连接梁，且相邻两个所述“U型”件之间的间距小于1.2m。
5.根据权利要求1所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，其特征在于，所述加强体能够为金属网，所述金属网的网孔的边长为10-50mm，所述金属网所用钢丝的直径为1-5mm。
6.根据权利要求1所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，其特征在于，所述外部约束体和所述加强体的外壁之间的间距为10-20mm。
7.根据权利要求1所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，其特征在于，所述吸能水泥基由泡沫混凝土制作得到，所述泡沫混凝土的干重为500-1200kg/m³。
8.根据权利要求1所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，其特征在于，所述“U型”钢架与所述巷道围岩之间的距离为10-30cm。
9.根据权利要求2所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构，其特征在于，所述封口板的壁厚为0.3-1mm，长度为0.3-0.6m，宽度为0.1-0.2m，且所述的封口板和所述外部约束体的材质相同。
10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的用于矿山井下支护的高强让压支护结构的使用方法，其特征在于，按照如下方式进行：首先，采用管件拼接形成外部约束体的骨架后，将封口板固定在所述骨架的四周和一端，得到一面开口的半封闭容器和模具，然后将加强体内嵌至所述外部约束体内，并使所述加强体位于所述外部约束体的中部；然后，浇筑泡沫混凝土，并养护14-28天，使所述泡沫混凝土充分发生水化反应，固结成内部具有一定胞孔结构的吸能水泥基，并与所述外部约束体充分粘结，成为支护体；最后，将所述支护体排布于预先布置好的“U型”钢架和巷道围岩之间，即得到所述支护结构。
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