CN116753006B - 一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置及保护方法，涉及采矿安全技术领域，安全保护装置包括铰接机构、锚固组件及缓冲护板，铰接机构包括套筒和主轴，主轴设在套筒内侧。锚固组件包括锚杆及铆钉，每个铆钉均配置有一段钢丝绳，锚杆、铆钉及钢丝绳用于固定铰接机构。缓冲护板有多个，由下往上依次设置在套筒外侧，各缓冲护板均通过一组摆臂与套筒转动相连。任意相邻两个缓冲护板之间均设有弹性连接件，所有缓冲护板呈散射状分布。保护方法采用多个缓冲护板分层布置，矸石分别冲击不同的缓冲护板，避免冲击力集中，各级缓冲护板之间采用弹性连接，降低冲击强度，避免直接冲击煤柱和降低煤柱的承载力，保障采掘的安全性。

Description

一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置及保护方法

技术领域

本发明涉及采矿安全技术领域，具体涉及一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置及保护方法。

背景技术

煤层倾角较大时，急倾斜煤层开采沿倾斜方向呈非对称特征，造成工作面开采后，工作面上部冒落的矸石自溜到工作面下部，工作面下部形成充填开采效应。工作面上部相当于采高增加，造成工作面上部冒落带、裂隙带高度高于下覆岩层的高度。煤体被采出后采空区煤柱成为上覆岩层的主要承载体，当小范围开采（采空区数量较少）时采动裂隙不易与地表贯穿，承载煤岩体此时应力集中较小，压缩变形为小范围连续变形；随着开采工作面数量的增加，承载煤岩体不仅受到上区段采空区下部滑移矸石的作用力、上覆岩层的作用力和自身重力，还受到多工作面采动应力叠加影响，严重影响采掘和地表安全。因此，现有技术亟待进步提高，以保证煤柱的安全性不受影响。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提出一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，以解决煤柱因缺少保护措施，上方采空区掉落的矸石直接冲击煤柱并在煤柱上方累积，以及其他作用力的叠加造成煤柱的承载力过大，严重破坏煤柱的安全性，对于下层煤体采掘存在较大安全隐患的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，包括铰接机构、锚固组件及缓冲护板，所述铰接机构包括套筒和主轴，所述主轴设置在套筒内侧，与其同轴布置。

锚固组件包括锚杆及铆钉，每个铆钉均配置有一段钢丝绳，锚杆、铆钉及钢丝绳可用于将铰接机构固定于上盘围岩的下侧。

所述缓冲护板有多个，由下往上依次设置在套筒的同一侧，各缓冲护板与套筒的相邻侧均通过一组摆臂与套筒转动相连。

任意相邻两个缓冲护板之间均设有弹性连接件，弹性连接件的两端分别与上下两侧的缓冲护板相连，所有缓冲护板呈散射状分布。

进一步地，所述套筒和主轴均为圆形截面，主轴的两端均伸至套筒的外部。

所述套筒的两端内侧分别安装有轴承，所述主轴通过轴承与套筒转动配合。

进一步地，锚杆有多个，沿套筒的长度方向间隔设置在其外侧，各锚杆的一端可固定于上盘围岩底部，另一端与套筒固定相连。

进一步地，铆钉有两个，可固定于上盘围岩底部，两个铆钉均通过钢丝绳与主轴的端部固定相连。

进一步地，缓冲护板为钢制方形平板，各缓冲护板的长度均大于煤柱的长度，使用状态下，最下方缓冲护板远离铰接机构的一侧搭设在下盘围岩上。

进一步地，每组摆臂均包括沿主轴的轴向间隔布置的至少两个摆臂，摆臂的一端开设有卡槽，缓冲护板的侧边进入同组摆臂的卡槽与其固定相连。

所述摆臂的另一端具有与主轴相适配的轴孔，摆臂的另一端穿过套筒套设在主轴上，与主轴转动配合。

所有摆臂均沿主轴的轴向排布，套筒的圆周外壁上开设有与摆臂位置对应的槽口。

进一步地，所述弹性连接件是V形结构的钢板，所述弹性连接件的开口方向与其上下两侧缓冲护板的开口方向相反，其两端分别与相邻的两个缓冲护板固定焊接。

本发明的另一个目的在于提出一种多级释能急倾斜煤柱安全保护方法。

一种多级释能急倾斜煤柱安全保护方法，采用以上所述的一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，依次包括如下步骤：

S1、在上盘围岩底部靠近其下侧煤柱的位置使用钻机钻出多个锚孔，各锚孔沿煤柱额宽度方向呈线性排布，对各锚孔清理后在其内部放置锚杆，在锚孔内注浆后锚杆固定在上盘围岩内。

各锚杆固定后，各锚杆位于上盘围岩外侧的端部长度一致。

S2、组装铰接机构，首先将各摆臂带有轴孔的一端通过槽口穿入套筒内侧，主轴由套筒的一端插入其内部，依次调节各摆臂的位置，使主轴的端部穿过所有摆臂的轴孔，由套筒的另一端穿出其外部。

调节主轴的位置，使其均穿出套筒的外部且长度相等，在主轴的两端分别放置轴承，并将轴承固定在套筒端部。

S3、将组装完成的铰接机构放置在上盘围岩与煤柱的连接处，套筒位于煤柱上方且沿其宽度方向布置，将各锚杆的端部与套筒的外壁固定焊接在一起。

在主轴两端上方的上盘围岩的底部打入铆钉，将钢丝绳的一端与铆钉焊接，另一端在主轴上缠绕并与其焊接固定。

S4、在煤柱的上方放置最下层缓冲护板，最下层缓冲护板位于套筒的右侧，最下层缓冲护板的左侧边插入其对应摆臂的卡槽内，与摆臂固定焊接，最下层缓冲护板的右侧边搭设在下盘围岩的上表面。

S5、在最下层缓冲护板的上表面放置V形结构的弹性连接件，弹性连接件的开口侧朝向套筒，弹性连接件的一端与最下层缓冲护板固定焊接。

在弹性连接件的上方放置上一层缓冲护板，将上一层缓冲护板的左侧边插入其对应摆臂的卡槽内，与摆臂固定焊接，之后，弹性连接件的另一端与上一层缓冲护板固定焊接。

S6、重复S4和S5的操作，以主轴的轴线为中线按照逆时针的方向依次将剩余的缓冲护板安装在铰接机构上，直至所有缓冲护板充满采空区。

进一步地，在缓冲护板的宽度小于煤柱宽度的情况下，缓冲护板沿主轴的轴向交替错位布置。

通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明多级释能急倾斜煤柱安全保护装置采用多个缓冲护板分层布置，上方不同位置掉落的矸石分别冲击不同的缓冲护板，避免冲击力集中，各级缓冲护板之间采用弹性连接，受到矸石冲击时能够吸收能量，降低冲击强度，对掉落的矸石支撑，避免直接冲击煤柱和降低煤柱的承载力，保障采掘的安全性。

附图说明

图1是本发明一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置的结构示意图。

图2是图1中一部分的示意图，示出的是铰接机构。

图3是本发明一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置的主体结构示意图。

图4是图2中一部分的示意图，示出的是主轴、摆臂和缓冲护板的组合体。

图5是图4中一部分的示意图，示出的是摆臂。

图6是本发明一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置的结构分布图。

图7是本发明一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置的使用状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

实施例1，结合图1至图5，急倾斜煤层是呈倾斜分布在两层围岩之间，开采时需要按照由上往下的顺次分段开采，相邻两个采空区之间需要留有煤柱，上一作业区间开采完成后，在煤柱的下方进行下一作业区间的开采，采空区上方的围岩因受力会有冒落的矸石掉落在煤柱上，对煤柱造成冲击。

一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，包括铰接机构1、锚固组件及缓冲护板2，所述铰接机构1包括套筒11和主轴12，所述套筒11和主轴12均为圆形截面，所述主轴12布置在套筒11内侧，与其同轴布置，主轴12的两端均伸至套筒11的外部。所述轴承13有两个，两个轴承13分别安装在套筒11的两端，所述主轴12通过轴承13与套筒11转动配合。具体地，套筒11和主轴12之间具有可放置轴承13的环形间隙，轴承13的内圈套设在主轴12的外壁上，轴承13的外圈卡在套筒11的内壁上，主轴12可相对于套筒11绕其轴线转动。

锚固组件包括锚杆51及铆钉52，每个铆钉均配置有一段钢丝绳53，锚杆51、铆钉52及钢丝绳53可用于将铰接机构1固定于上盘围岩71的下侧。

具体地，所述锚杆51有多个，所有锚杆51均沿套筒11的长度方向间隔设置在其外侧，各锚杆51的一端可固定于上盘围岩71的底部，另一端与套筒11的圆周外壁固定相连，实现套筒11在上盘围岩71下侧固定。所述铆钉52有两个，两个铆钉52可固定于上盘围岩71底部，两个铆钉均通过钢丝绳53与主轴12的端部固定相连，实现铰接机构1安装在煤柱6上方的上盘围岩71上。

所述缓冲护板2有三个，三个缓冲护板2由下往上依次设置在套筒11远离上盘围岩71的同一侧，各缓冲护板2与套筒11的相邻侧均通过一组摆臂4与套筒11转动相连。

具体地，缓冲护板2为钢制方形平板，可由激光切割制成的整张钢板，也可采用平面方形钢框和钢网的组合结构，其作用是阻挡掉落矸石的冲击并对其承载。各缓冲护板2的长度均大于煤柱6的长度，使用状态下，最下方缓冲护板2远离铰接机构1的一侧搭设在下盘围岩72上。通常情况下，优选最下方缓冲护板2的长度小于与其上方相邻缓冲护板2的长度，上方第二层缓冲护板2受力向下转动一定角度后，其端部也可搭设在下盘围岩72上，提高支撑防护效果。

每组摆臂4均包括沿主轴12的轴向间隔布置的三个摆臂4，摆臂4的一端开设有卡槽41，缓冲护板2的侧边进入同组摆臂4的卡槽与其固定相连。所述摆臂4的另一端具有与主轴12相适配的轴孔42，摆臂4的另一端穿过套筒11套设在主轴12上，与主轴12转动配合。所有摆臂4均沿主轴12的轴向依次排布，套筒11的圆周外壁上开设有与摆臂4位置对应的槽口14。

每个缓冲护板2均可绕套筒11的轴线转动，套筒11外壁的槽口14沿套筒11的圆周方向开设，为摆臂4绕套筒11转动提供活动空间。

任意相邻两个缓冲护板2之间均设有弹性连接件3，弹性连接件3的两端分别与上下两侧的缓冲护板2相连，所有缓冲护板2呈散射状分布，弹性连接件3可使相邻两个缓冲护板2呈一定角度保持张开，各缓冲护板2沿着套筒11截面的法线方向布置。

具体地，所述弹性连接件3是V形结构的钢板，可由下料后的方形钢板折弯制成，所述弹性连接件3的开口方向与其上下两侧缓冲护板2的开口方向相反，其两端分别与相邻的两个缓冲护板2固定焊接。弹性连接件3对缓冲护板2起弹性支撑的作用，当上方掉落的矸石向下冲击缓冲护板2时，弹性连接件3的变形可吸收掉一部分能量，矸石落至缓冲护板2上方并滚落至弹性连接件3与其下侧缓冲护板2的连接处，缓冲护板2阻挡矸石直接撞击煤柱6。

实施例2，结合图1至图7，一种多级释能急倾斜煤柱安全保护方法，采用实施例1的多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，依次包括如下步骤：

S1、在上盘围岩底部靠近其下侧煤柱的位置使用钻机钻出多个锚孔，各锚孔沿煤柱6额宽度方向呈线性排布，对各锚孔清理后在其内部放置锚杆51，在锚孔内注浆后锚杆51固定在上盘围岩内。

各锚杆51固定后，各锚杆51位于上盘围岩71外侧的端部长度一致，以保证在上盘围岩71与煤柱6连接处放置组装铰接机构1后，各锚杆51的端部均靠近套筒11的外壁，以便于锚杆51端部与套筒11通过焊接固定相连。

S2、组装铰接机构1，首先将各摆臂4带有轴孔42的一端通过槽口14穿入套筒11内侧，主轴12由套筒11的一端插入其内部，依次调节各摆臂4的位置，使主轴12的端部穿过所有摆臂4的轴孔42，由套筒11的另一端穿出其外部。

调节主轴12的位置，使其均穿出套筒11的外部且长度相等，在主轴12的两端分别放置轴承13，并将轴承13固定在套筒11端部。

S3、将组装完成的铰接机构1放置在上盘围岩71与煤柱6的连接处，套筒11位于煤柱6上方且沿其宽度方向布置，将各锚杆51的端部与套筒11的外壁固定焊接在一起。

在主轴12两端上方的上盘围岩71的底部打入铆钉52，将钢丝绳53的一端与铆钉52焊接，另一端在主轴12上缠绕并与其焊接固定。矸石掉落于缓冲护板2后，沿缓冲护板2上表面向铰接机构1的一侧滚落或滑落，缓冲护板2自身重力和矸石由位于最下层缓冲护板2和锚固组件承载其重量，铰接机构1的底部与煤柱6上表面不接触，降低煤柱6的承载力。

S4、在煤柱6的上方放置最下层缓冲护板2，最下层缓冲护板2位于套筒11的右侧，最下层缓冲护板2的左侧边插入其对应摆臂4的卡槽41内，与摆臂4固定焊接，最下层缓冲护板2的右侧边搭设在下盘围岩72的上表面。

S5、在最下层缓冲护板2的上表面放置V形结构的弹性连接件3，弹性连接件3的开口侧朝向套筒11，弹性连接件3的一端与最下层缓冲护板2固定焊接。

在弹性连接件3的上方放置上一层缓冲护板2，将上一层缓冲护板2的左侧边插入其对应摆臂4的卡槽内，与摆臂4固定焊接，之后，弹性连接件3的另一端与上一层缓冲护板2固定焊接。

S6、重复S4和S5的操作，以主轴12的轴线为中线按照逆时针的方向依次将剩余的缓冲护板2安装在铰接机构1上，直至所有缓冲护板2充满采空区。在缓冲护板2的宽度小于煤柱6宽度的情况下，缓冲护板2沿主轴12的轴向交替错位布置，使全部缓冲护板2在竖直方向的投影尽可能覆盖煤柱，最大程度避免上方掉落的矸石直接冲击煤柱6，以保持煤柱6的安全性。

本发明公开的多级释能急倾斜煤柱安全保护装置采用缓冲护板多级分层布置，上方不同位置掉落的矸石分别冲击不同的缓冲护板，避免冲击力集中，在各级缓冲护板2之间采用弹性连接，受到矸石冲击时能够吸收能量，降低冲击强度，对掉落的矸石支撑，避免直接冲击煤柱和降低煤柱的承载力，保障采掘的安全性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，其特征在于，包括铰接机构、锚固组件及缓冲护板，所述铰接机构包括套筒和主轴，所述主轴设置在套筒内侧，与其同轴布置；

锚固组件包括锚杆及铆钉，每个铆钉均配置有一段钢丝绳，锚杆、铆钉及钢丝绳可用于将铰接机构固定于上盘围岩的下侧；

所述缓冲护板有多个，由下往上依次设置在套筒的同一侧，各缓冲护板与套筒的相邻侧均通过一组摆臂与套筒转动相连；

任意相邻两个缓冲护板之间均设有弹性连接件，弹性连接件的两端分别与上下两侧的缓冲护板相连，所有缓冲护板呈散射状分布。

2.根据权利要求1所述一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，其特征在于，所述套筒和主轴均为圆形截面，主轴的两端均伸至套筒的外部；

所述套筒的两端内侧分别安装有轴承，所述主轴通过轴承与套筒转动配合。

3.根据权利要求1所述一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，其特征在于，锚杆有多个，沿套筒的长度方向间隔设置在其外侧，各锚杆的一端可固定于上盘围岩底部，另一端与套筒固定相连。

4.根据权利要求2所述一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，其特征在于，铆钉有两个，可固定于上盘围岩底部，两个铆钉均通过钢丝绳与主轴的端部固定相连。

5.根据权利要求1所述一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，其特征在于，缓冲护板为钢制方形平板，各缓冲护板的长度均大于煤柱的长度，使用状态下，最下方缓冲护板远离铰接机构的一侧搭设在下盘围岩上。

6.根据权利要求1所述一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，其特征在于，每组摆臂均包括沿主轴的轴向间隔布置的至少两个摆臂，摆臂的一端开设有卡槽，缓冲护板的侧边进入同组摆臂的卡槽与其固定相连；

所述摆臂的另一端具有与主轴相适配的轴孔，摆臂的另一端穿过套筒套设在主轴上，与主轴转动配合；

所有摆臂均沿主轴的轴向排布，套筒的圆周外壁上开设有与摆臂位置对应的槽口。

7.根据权利要求1所述一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，其特征在于，所述弹性连接件是V形结构的钢板，所述弹性连接件的开口方向与其上下两侧缓冲护板的开口方向相反，其两端分别与相邻的两个缓冲护板固定焊接。

8.一种多级释能急倾斜煤柱安全保护方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任意一项所述的一种多级释能急倾斜煤柱安全保护装置，保护方法包括如下步骤：

S1、在上盘围岩底部靠近其下侧煤柱的位置使用钻机钻出多个锚孔，各锚孔沿煤柱额宽度方向呈线性排布，对各锚孔清理后在其内部放置锚杆，在锚孔内注浆后锚杆固定在上盘围岩内；

各锚杆固定后，各锚杆位于上盘围岩外侧的端部长度一致；

S2、组装铰接机构，首先将各摆臂带有轴孔的一端通过槽口穿入套筒内侧，主轴由套筒的一端插入其内部，依次调节各摆臂的位置，使主轴的端部穿过所有摆臂的轴孔，由套筒的另一端穿出其外部；

调节主轴的位置，使其均穿出套筒的外部且长度相等，在主轴的两端分别放置轴承，并将轴承固定在套筒端部；

S3、将组装完成的铰接机构放置在上盘围岩与煤柱的连接处，套筒位于煤柱上方且沿其宽度方向布置，将各锚杆的端部与套筒的外壁固定焊接在一起；

在主轴两端上方的上盘围岩的底部打入铆钉，将钢丝绳的一端与铆钉焊接，另一端在主轴上缠绕并与其焊接固定；

S4、在煤柱的上方放置最下层缓冲护板，最下层缓冲护板位于套筒的右侧，最下层缓冲护板的左侧边插入其对应摆臂的卡槽内，与摆臂固定焊接，最下层缓冲护板的右侧边搭设在下盘围岩的上表面；

S5、在最下层缓冲护板的上表面放置V形结构的弹性连接件，弹性连接件的开口侧朝向套筒，弹性连接件的一端与最下层缓冲护板固定焊接；

在弹性连接件的上方放置上一层缓冲护板，将上一层缓冲护板的左侧边插入其对应摆臂的卡槽内，与摆臂固定焊接，之后，弹性连接件的另一端与上一层缓冲护板固定焊接；

S6、重复S4和S5的操作，以主轴的轴线为中线按照逆时针的方向依次将剩余的缓冲护板安装在铰接机构上，直至所有缓冲护板充满采空区。

9.根据权利要求8所述的一种多级释能急倾斜煤柱安全保护方法，其特征在于，在缓冲护板的宽度小于煤柱宽度的情况下，缓冲护板沿主轴的轴向交替错位布置。