一种具有变形量测功能的深井马头门装置及使用方法与流程

本发明涉及一种深井支护装置及使用方法，具体是一种具有变形量测功能的深井马头门装置及使用方法。

背景技术：

深部矿井呈现出工程地质条件复杂、地压大、巷道维护困难等特点，因而深部巷道围岩稳定性控制成为目前采矿界的重大难题。其中，深立井马头门位处矿井咽喉部位，设计断面大，在施工过程中，围岩反复受到扰动，加之深部围岩流变性显著，因此，深立井马头门破坏失稳的现象时有发生，严重影响围岩稳定性和支护结构安全。

为了解决深井马头门围岩稳定性控制的难题，科研人员研发了包括加强支护结构、复合支护结构及联合支护结构等的各种支护结构及装置。但是，现有的支护装置仍然存在诸多局限性。其一，支护结构所提供的支护强度不足、刚度偏小、适应围岩变形的能力差；其二，围岩变形量测须配备复杂、价格昂贵的监测系统，支护结构本身无简单测量装置；其三，支护结构施工工艺复杂，需要进行一次支护、二次支护，甚至是三次及更多次支护，巷道维护效率低、造价高；其四，支护体、支护构件的可回收性低。由此可见，目前的深部矿井马头门支护结构在安全性、有效性、经济性等方面均存在较大的缺陷，严重影响了矿井运输提升作业，妨碍了本质安全型、高效绿色矿井的建设进程，也成为当前建设大型现代化矿井的制约因素之一。因此，在深部矿井马头门围岩支护的现场实施过程中急需一种既能保证巷道稳定、安全，又能高效、经济地维护巷道的支护装置。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种具有变形量测功能的深井马头门装置及使用方法，具有支护强度高、适应围岩变形的能力强，具有变形监测装置，使用完毕后可回收性较好，便于后续循环使用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有变形量测功能的深井马头门装置，包括多个马头门支架和铁丝，所述多个马头门支架并排设置，所述铁丝两端通过预埋钢钉水平固定在岩体上，所述马头门支架包括顶梁、底梁、左支柱和右支柱，左支柱和右支柱相互平行设置在顶梁和底梁之间，所述顶梁通过左支柱和右支柱与底梁固定连接；所述顶梁包括顶梁内层工字钢和顶梁外层工字钢，顶梁内层工字钢和顶梁外层工字钢之间通过多个顶梁腹杆固定连接，所述顶梁内层工字钢下部固定设有双向数显尺，所述双向数显尺包括尺盒、上尺带、下尺带和数显屏，上尺带、下尺带和数显屏均设置在尺盒上，上尺带的伸出端挂扣在顶梁外层工字钢上，下尺带的伸出端挂扣在铁丝上，所述底梁包括底梁内层工字钢和底梁外层工字钢，底梁内层工字钢和底梁外层工字钢之间通过多个底梁腹杆固定连接，所述左支柱包括左柱内层工字钢和左柱外层工字钢，左柱内层工字钢和左柱外层工字钢之间通过多个左柱腹杆固定连接，所述右支柱包括右柱内层工字钢和右柱外层工字钢，右柱内层工字钢和右柱外层工字钢之间通过多个右柱腹杆固定连接。

进一步，还包括多个复合缓冲垫块，多个复合缓冲垫块均匀固定在顶梁外层工字钢、底梁外层工字钢、左柱外层工字钢和右柱外层工字钢的外侧。

进一步，所述复合缓冲垫块包括大位移强阻尼块、嵌入式U型卡和垫片，大位移强阻尼块与嵌入式U型卡的一端固定连接，垫片通过螺母设置在嵌入式U型卡上。

进一步，还包括多个连接板，所述顶梁与左支柱和右支柱均通过连接板固定连接，底梁与左支柱和右支柱均通过连接板固定连接。

进一步，所述底梁内层工字钢由两个形状相同的内层钢件组成，底梁外层工字钢由两个形状相同的外层钢件组成，内层钢件之间和外层钢件之间均通过夹板连接件连接。

进一步，所述多个马头门支架之间通过架间连接板固定连接。

一种具有变形量测功能的深井马头门装置的使用方法，具体步骤为：

A、马头门断面开挖：按照马头门设计的断面，在保证反底拱开挖尺寸的前提下，在巷道底板进行挖掘；

B、加工马头门支架的组件：在地面将顶梁、底梁、左支柱和右支柱通过焊接及螺栓连接完成组装，完成后将上述组件运送至井底马头门工作面；

C、安装首个马头门支架：将多个复合缓冲垫块均匀固定在顶梁外层工字钢、底梁外层工字钢、左柱外层工字钢和右柱外层工字钢的外侧，然后将底梁安装在巷道底板处并分别将左支柱、右支柱对准底梁连接处通过连接板分别固定连接；完成后将顶梁对准左支柱、右支柱的连接处通过连接板分别固定连接；通过螺钉将双向数显尺的尺盒与顶梁内层工字钢下部固定连接，双向数显尺的上尺带挂扣在底梁外层工字钢上，将带有预埋钢钉的铁丝固定在岩体两侧肩窝，铁丝挂住双向数显尺的下尺带，最后打开双向数显尺的开关，将数显屏上的数字调零，完成马头门支架的安装；

D、安装相邻马头门支架及其纵向连接：根据设定的马头门支架之间的间距，重复步骤B及步骤C完成相邻马头门支架的安装，然后通过架间连接板将马头门支架之间固定连接；

E、安装整个深井马头门装置：重复步骤D，继续沿掘进方向安装马头门支架，直至完成所有马头门支架的安装；

F、铺底：采用混凝土铺设地板至设定标高；

G、变形监测及浇注混凝土：定期记录双向数显尺上数显屏的变形数据，并绘制变形曲线，持续设定时间并待曲线平稳后，进行全断面浇筑混凝土，使马头门处各面平整。

与现有技术相比，本发明采用多个马头门支架并排设置，马头门支架由顶梁、底梁、左支柱和右支柱组成，具有以下优点：1、本发明的顶梁、底梁、左支柱和右支柱采用高强度工字钢、角钢等焊接而成，组装连接后形成一个全断面封闭、内外双层网状空间结构、带复合缓冲垫块的马头门支架结构。较普通的马头门支护结构强度更高、刚度更大，并具有较好的适应变形、吸收冲击能量的能力；

2、本发明通过在顶梁上配置双向数显尺，双向数显尺采用一个数显屏即可显示上尺带伸出距离和下尺带伸出距离的变化情况，双向数显尺的上尺带挂扣顶梁外层工字钢，当岩体对顶梁施加围压后顶梁会发生一定的变形，从而使上尺带的伸出距离发生变化，进而通过数显屏能够量测顶部岩体对顶梁施加围压后顶梁外层工字钢的垂向变形量，由于双向数显尺的下尺带挂扣在铁丝上，铁丝的两端通过预埋钢钉绷直固定在岩体的两侧肩窝，当岩体从两侧施加围压时，岩体两侧向马头门挤压，此时铁丝两端受到的固定力减小，从而导致受到下尺带的拉力会使铁丝发生变形，进而通过数显屏得出下尺带的伸出距离发生的变化情况，从而能为预测顶板灾害风险提供基础数据资料；

3、本发明为模块化结构装置，组装方法简单，施工效率较高，并且无需大型专门的变形测量系统，造价低、工程上更实用、经济；

4、本发明具有资源节约、材料回收重复利用的优点，一旦巷道破坏或废弃的时候，可以将原来施工好的支架依据模块的组装方式进行解体回收利用；对于破坏较大的模块或部件进行一定的维修、替换后仍能继续使用，节约了支护材料，节省了巷道维护成本，具有显著的经济效益。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明安装后的平面示意图；

图3是本发明中双向数显尺的结构示意图；

图4是本发明中复合缓冲垫块的结构示意图。

图中：1、顶梁，2、顶梁外层工字钢，3、顶梁内层工字钢，4、顶梁腹杆，5、复合缓冲垫块，6、连接板，7、双向数显尺，8、右支柱，9、右柱外层工字钢，10、右柱内层工字钢，11、右柱腹杆12、左支柱，13、左柱内层工字钢，14、左柱外层工字钢，15、架间连接板，16、左柱腹杆，17、铁丝，18、预埋钢钉，19、底梁，20、底梁外层工字钢，21、底梁内层工字钢，22、底梁腹杆，23、夹板连接件，24、岩体，51、大位移强阻尼块，52、嵌入式U型卡，53、垫片，71、尺盒，72、上尺带、73、下尺带，74、螺钉，75、数显屏。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，一种具有变形量测功能的深井马头门装置，包括多个马头门支架和铁丝17，所述多个马头门支架并排设置，所述铁丝17两端通过预埋钢钉18水平固定在岩体24上，所述马头门支架包括顶梁1、底梁19、左支柱12和右支柱8，左支柱12和右支柱8相互平行设置在顶梁1和底梁19之间，所述顶梁1通过左支柱12和右支柱8与底梁19固定连接；所述顶梁1包括顶梁内层工字钢3和顶梁外层工字钢2，顶梁内层工字钢3和顶梁外层工字钢2之间通过多个顶梁腹杆4固定连接，所述顶梁内层工字钢3下部固定设有双向数显尺7，所述双向数显尺7包括尺盒71、上尺带72、下尺带73和数显屏75，上尺带72、下尺带73和数显屏75均设置在尺盒71上，上尺带72的伸出端挂扣在顶梁外层工字钢2上，下尺带73的伸出端挂扣在铁丝17上，所述底梁19包括底梁内层工字钢21和底梁外层工字钢20，底梁内层工字钢21和底梁外层工字钢20之间通过多个底梁腹杆22固定连接，所述左支柱12包括左柱内层工字钢13和左柱外层工字钢14，左柱内层工字钢13和左柱外层工字钢14之间通过多个左柱腹杆16固定连接，所述右支柱8包括右柱内层工字钢10和右柱外层工字钢9，右柱内层工字钢10和右柱外层工字钢9之间通过多个右柱腹杆11固定连接。

进一步，还包括多个复合缓冲垫块5，多个复合缓冲垫块5均匀固定在顶梁外层工字钢2、底梁外层工字钢20、左柱外层工字钢14和右柱外层工字钢9的外侧。采用复合缓冲垫块5在本发明进行支护时，具有缓冲巷道围岩变形，同时可吸收围压冲击能量的作用，从而减少对本发明的冲击力，提高本发明的支护稳定性。

进一步，所述复合缓冲垫块5包括大位移强阻尼块51、嵌入式U型卡52和垫片53，大位移强阻尼块51与嵌入式U型卡52的一端固定连接，垫片53通过螺母设置在嵌入式U型卡52上。大位移强阻尼块51采用内含金属丝的橡胶制成，采用这种结构具有更好的缓冲作用，同时可更好的起到吸收围压冲击能量的作用。

进一步，还包括多个连接板6，所述顶梁1与左支柱12和右支柱8均通过连接板6固定连接，底梁19与左支柱12和右支柱8均通过连接板6固定连接。采用连接板6的连接方式，便于使用后的拆卸回收。

进一步，所述底梁内层工字钢21由两个形状相同的内层钢件组成，底梁外层工字钢20由两个形状相同的外层钢件组成，内层钢件之间和外层钢件之间均通过夹板连接件23连接。采用这种结构可使底梁19在支护时具有一定的变形能力，从而保证整个装置的稳定性。

进一步，所述多个马头门支架之间通过架间连接板15固定连接。采用架间连接板15便于支护完成后拆卸各个马头门支架。

一种具有变形量测功能的深井马头门装置的使用方法，具体步骤为：

A、马头门断面开挖：按照马头门设计的断面，底梁19的最底处至左支柱12、右支柱8与底梁19的连接板6的高度在巷道底板进行开挖，挖掘时要保证反底拱的开挖尺寸；

B、加工马头门支架的组件：将支架的各个部件准备完成后，在地面将顶梁1、底梁19、左支柱12和右支柱8通过焊接及螺栓连接完成组装，完成后将上述组件运送至井底马头门工作面；

C、安装首个马头门支架：将多个复合缓冲垫块5均匀固定在顶梁外层工字钢2、底梁外层工字钢20、左柱外层工字钢14和右柱外层工字钢9的外侧，然后将底梁19安装在巷道底板处并分别将左支柱12、右支柱8对准底梁19连接处通过连接板6分别固定连接；完成后将顶梁1对准左支柱12、右支柱8的连接处通过连接板6分别固定连接；通过螺钉74将双向数显尺7的尺盒71与顶梁内层工字钢3下部固定连接，双向数显尺7的上尺带72挂扣在底梁外层工字钢20上，将带有预埋钢钉18的铁丝17固定在岩体24两侧肩窝，铁丝17挂住双向数显尺7的下尺带73，最后打开双向数显尺7的开关，将数显屏75上的数字调零，完成马头门支架的安装；

D、安装相邻马头门支架及其纵向连接：根据设定的马头门支架之间的间距，重复步骤B及步骤C完成相邻马头门支架的安装，然后通过架间连接板15将马头门支架之间固定连接；

E、安装整个深井马头门装置：重复步骤D，继续沿掘进方向安装马头门支架，直至完成所有马头门支架的安装；

F、铺底：采用混凝土铺设地板至设定标高；

G、变形监测及浇注混凝土：定期记录双向数显尺7上数显屏75的变形数据，并绘制变形曲线，持续2～6个月并待曲线平稳后，说明此时岩体24对本装置施加的围压与本装置变形后的支护承压相对稳定，然后在稳定后进行全断面浇筑混凝土，使马头门处各面平整；从而可起到更好的支护稳定性，同时通过双向数显尺7可实时监测围压的变化情况。

以上实例对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。