一种矿用防冲主动接顶可缩式支柱结构、支护系统及施工方法

1.本发明属于煤矿巷道防冲支护领域，具体涉及一种矿用防冲主动接顶可缩式支柱结构、支护系统及施工方法。


背景技术：

2.冲击地压是深部开采过程中，临空岩体发生突发式破坏的现象，当冲击地压发生时，岩体中会释放大量的冲击能，随着煤矿开采的深度与强度不断增加，冲击地压的发生频率和破坏程度也愈加强烈，是目前深井矿山面临的主要安全隐患之一。在实际巷道中，常通过高强度支护形式来保证巷道的安全，例如锚杆(锚索)支护、u型钢支护以及体液压墩柱支护等，都是按照准静态矿压下进行设计的，其承受静载的能力比较强，但在冲击荷载的作用下，并不能承受突发冲击地压所携带能量对支护体系的巨大冲击作用，往往由于部分支护体的突发损伤导致整个支护系统的冲击性失稳破坏，而超前液压支架虽然具有较高的的防护能力，采用液压墩柱也有了一定的让位能力，但是自身重量大，让位速度慢，没有吸收冲击能量的能力，常导致液压支架受到严重弯曲变形、甚至被破坏。
3.对比已有专利cn106285738a，通过释放乳化液实现恒组变压，但面对冲击地压时，难以及时泄压，且乳化液释放时间远大于冲击地压作用时间，无法吸收冲击能量。对比cn107905825a，通过圆木实现让压，一方面圆木力学性能多变，无法保证墩柱正常使用时不被压缩变形，另一方面在突发荷载出现时，圆木在柱体外壳的约束下处于三向受力状态，随着被压缩，承载力提高，可缩空间小。因此提供一种结构简单、承受荷载大、反应迅速、吸能效率高的支护形式迫在眉睫。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种矿用防冲主动接顶可缩式支柱结构、支护系统及施工方法，本发明中防冲支柱作为主要的承载结构，结构简单，承载能力大，正常使用时，能提供较高的工作阻力(4000
‑
10000n/柱)；冲击地压发生时，能保持支柱承载力不降低，并可快速恒阻收缩，吸收冲击能量，保护巷道空间内的人员和设备安全。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.一种矿用防冲主动接顶可缩式支柱结构，包括下节柱、上节柱和让压装置；所述上节柱滑动设置于下节柱上；所述上节柱具有所述让压装置，所述让压装置内部竖向设置有让压小柱：所述让压装置的顶部与上节柱的顶盖接触，钢管的底部与下节柱的顶部接触；所述下节柱、上节柱和让压装置联合组成可缩式支柱结构，支护于巷道顶、底板之间。
7.上、下节柱可滑动地配合提供了一定的让压空间，同时让压装置的阻力作用下能够起到前期支护的作用，只有在冲击地压发生的时候可以快速可缩，既提供了有效地支护，又实现了空间上的让压，保证了巷道完整和人员安全。
8.本发明一种优选的实施方式，所述下节柱内部贯穿设置有抗弯钢条或抗弯钢筋。
9.抗弯钢条或抗弯钢筋，抗采空区垮落矸石的水平推力。
10.本发明一种优选的实施方式，所述上、下支撑柱为钢管结构，所述下节柱的钢管内部灌注浆液；所述上节柱套设在下节柱外壁上。
11.钢管等惯性矩、不宜扭曲、支撑力高，通过内部填充浆液可以满足支护的要求，同时成本可控。除此以外也可以采用frp管。
12.本发明一种优选的实施方式，所述上节柱钢管内设置有可滑动的第一圆形钢板，所述第一圆形钢板固定设置于让压小柱的顶部；所述下节柱的钢管内设置有可滑动的第二圆形钢板；所述第二圆形钢板固定设置于让压小柱的底部。
13.通过可滑动的钢板，在下节柱内部灌注浆液的可以顶升钢板，在钢板的作用下顶升让压装置从而带动上节柱支护于顶板上。
14.本发明一种优选的实施方式，还包括设置在上节柱腔体内的第二圆形钢板；所述第二圆形钢板穿设在所述让压小柱上，并位于所述第一圆形钢板和第三圆形钢板之间。
15.通过第三圆形钢板可以在第一圆形钢板和第二圆形钢板之间调节位置，从而一定程度地改变支护阻力。
16.本发明一种优选的实施方式，所述第三圆形钢板与下节柱的钢管内壁之间设置有第一密封圈，且第一密封圈固定于第三圆形钢板外周上；所述上节柱的钢管与下节柱的钢管之间设置有第二密封圈；所述第二密封圈固定于上节柱的钢管底部内壁上。
17.通过密封圈的设置可以保证足够的顶升压力，防止漏浆，同时当下节柱注满后还没有接顶或者接顶压力不够，还可以继续注浆，浆液进入上节柱中，由于第三圆形钢板与上节柱的钢管内壁之间设置有第一密封圈，以及上节柱的钢管与下节柱的钢管之间设置有第二密封圈；可以使得浆体在第二空间内密封，并持续顶升或保持接顶压力。
18.本发明一种优选的实施方式，所述顶盖，第一圆形钢板，第三圆形钢板上开设有排气孔；
19.或者，所述让压装置中间贯通设置有排气管，所述排气管的上端穿过顶盖，下端穿过第三圆形钢管与下节柱的钢管内部连通。
20.排气孔，用以排出注浆时支柱腔体内的气体，保证灌浆更加充分。排气孔内可以是钢管结构。
21.本发明一种优选的实施方式，所述下节柱的底端固定在鞋板上，所述顶盖和鞋板的顶部固定有多个柱爪。
22.上节柱有顶盖与巷道接触，顶盖通过柱爪增大与巷道的摩擦，增加支柱承受侧向压力的能力。下节柱底部焊接连接鞋板，鞋板上布置四个柱爪，通过鞋板增加与地面的摩擦。
23.本发明还涉及一种矿用防冲主动接顶可缩式支护系统，包括沿巷道支护的多组可缩式支柱结构。
24.本发明还涉及一种矿用防冲主动接顶可缩式支护结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
25.1)在地面加工制作支撑体空钢管支柱柱身、让压小柱、圆形钢板、顶盖和鞋板，上节柱加工顶盖和排气孔，下节柱加工注浆孔和鞋板，再组装让压小柱和第一、二、三圆形钢板组成让压装置，将第二圆形钢板焊接到下节柱顶端，上节柱套入下节柱；
26.2)在组装后运输到巷道内部，平整支柱预设场地，根据设计确定支护位置，支柱一般靠侧帮放置，使用专用安装机或人工(2
‑
3人)安装；
27.3)固定支柱，将支柱与侧帮的锚杆连接，至少连接两根锚杆，形成上下两道固定措施，当立柱间距不大于3m时，也可考虑柱间钢带连接；
28.4)干料投入制浆桶，并将水、早强剂、减水剂及gfrp纤维等按一定配比加入到浆体的拌制中，使制备的浆体达到预设的强度；
29.5)连接注浆管路，依次为：小型泥浆泵
‑
输送管
‑
逆止阀
‑
注浆孔，逆止阀开通，第一次使用泥浆泵时应先泵送一罐水泥砂浆以润滑管路，然后正常灌注；
30.6)正式灌注时，每注50cm，用振动器在支柱外侧进行测振，以保证浆体的密实度，至浆体与下节柱顶部平齐后，上节柱在下部浆体的顶升压力下逐渐抬高，直至支柱达到预设的接顶压力后先停止泥浆泵，关闭逆止阀，再拆卸管路，封堵注浆孔，连接下一空支柱，继续灌注，直至预设的空支柱全部灌注完毕；
31.7)注浆完成后第二天进行饱满度检查，采用敲击进行初步检查，对于敲击声音存在差异的防冲支柱，通过超声波进行细致检测，检查发现浆体不密实的支柱，采用小型泵机通过排气孔注入水灰比比较低的高稠度浆体进行补浆，或重新架设新支柱；
32.8)在正常使用时，内部高强浆体和支柱柱壳结合形成高强支护体；冲击地压来临时，巨大压力超过支柱的额定承载值，上节柱内的让压小柱被压缩变形，支柱实现横阻变形，保证巷道稳定。
33.本发明至少具有以下有益效果：
34.1)上、下节柱可滑动地配合提供了一定的让压空间，同时让压装置的阻力作用下能够起到前期支护的作用，只有在冲击地压发生的时候可以快速可缩，既提供了有效地支护，又实现了空间上的让压，保证了巷道完整和人员安全。
35.2)抗弯钢条或抗弯钢筋，抗采空区垮落矸石的水平推力。
36.3)钢管等惯性矩、不宜扭曲、支撑力高，通过内部填充浆液可以满足支护的要求，同时成本可控。
37.4)通过可滑动的钢板，在下节柱内部灌注浆液的可以顶升钢板，在钢板的作用下顶升让压装置从而带动上节柱支护于顶板上。
38.5)通过第三圆形钢板可以在第一圆形钢板和第二圆形钢板之间调节位置，从而一定程度地改变支护阻力。
39.6)通过密封圈的设置可以保证足够的顶升压力，防止漏浆，同时当下节柱注满后还没有接顶或者接顶压力不够，还可以继续注浆，浆液进入上节柱中，由于第三圆形钢板与下节柱的钢管内壁之间设置有第一密封圈，以及上节柱的钢管与下节柱的钢管之间设置有第二密封圈；可以使得浆体在第二空间内密封，并持续顶升或保持接顶压力。
40.7)排气孔，用以排出注浆时支柱腔体内的气体，保证灌浆更加充分。排气孔内可以是钢管结构。
41.8)上节柱有顶盖与巷道接触，顶盖通过柱爪增大与巷道的摩擦，增加支柱承受侧向压力的能力。下节柱底部焊接连接鞋板，鞋板上布置四个柱爪，通过鞋板增加与地面的摩擦。
42.9)在无冲击荷载作用时，浆体在柱壳的约束下处于三向受压状态增加了承载力，
柱壳在内部浆体约束下增加了管壁的稳定性，浆体和柱体的“共生现象”使支柱的承载力和稳定性大幅度提高；
43.10)将让压小柱置于上腔体内，让压小柱力学性能固定，通过调整让压小柱直径和让压小柱数量可以提供不同支柱抗冲击荷载能力，并且让压小柱可以是钢管、钢筋或其它可缩材料。
44.11)下腔体也可注入水、矿用液压支柱乳化油或其它材料，在保证承载力的前提下，节约成本。
45.12)施工工艺可以快速完成支柱的安装工作，支柱的承载能力高，抗冲击能力强，可以有效保护巷道的人员设备安全。
附图说明
46.图1为本发明未顶起状态的支柱结构示意图；
47.图2为本发明顶起状态的支柱结构示意图；
48.图3为本发明支柱稳定状态结构示意图；
49.图4本发明快速让压后支柱结构示意图；
50.图5为本发明施工结构示意图。
51.图中，1
‑
顶盖；2
‑
第一圆形钢板；3
‑
第二圆形钢板；4
‑
让压小柱；5
‑
第三圆形钢板；6
‑
上节柱；7
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注浆孔；8
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鞋板；9
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排气孔；10
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第一密封圈；11
‑
第二密封圈；12
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下节柱；13
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浆体；14
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被压溃的让压装置；15
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顶板；16
‑
未灌注支柱；17
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输送管；18
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已灌注支柱；19
‑
小型泥浆泵；20
‑
制浆桶；21
‑
逆止阀；22
‑
振动器。
具体实施方式
52.下面结合附图对本发明作进一步说明。
53.实施例一
54.图1
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5示出了本发明的料理组件的一种实施例示意图；
55.一种矿用防冲主动接顶可缩式支柱结构，包括下节柱12、上节柱6和让压小柱4；所述上节柱6滑动设置于下节柱12上；所述上节柱6具有腔体，所述腔体内部竖向设置有所述让压小柱4，所述让压小柱4的顶部与上节柱6的顶盖接触，让压小柱的底部与下节柱12的顶部接触；所述下节柱12、上节柱6和让压小柱4联合组成可缩式支柱结构，支护于巷道顶、底板之间。
56.上、下节柱可滑动地配合提供了一定的让压空间，同时让压装置的阻力作用下能够起到前期支护的作用，只有在冲击地压发生的时候可以快速可缩，既提供了有效地支护，又实现了空间上的让压，保证了巷道完整和人员安全。
57.具体而言，所述下节柱12内部贯穿设置有抗弯钢条或抗弯钢筋(图中未示出)。
58.抗弯钢条或抗弯钢筋，抗采空区垮落矸石的水平推力。
59.具体而言，所述上、下支撑柱为钢管结构，所述下节柱的钢管内部灌注浆体13；所述上节柱6套设在下节柱12外壁上。
60.钢管等惯性矩、不宜扭曲、支撑力高，通过内部填充浆液可以满足支护的要求，同时成本可控。除此以外也可以采用frp管。
61.具体而言，所述上节柱6钢管内设置有可滑动的第一圆形钢板2，所述第一圆形钢板2固定设置于让压小柱4的顶部；所述下节柱12的钢管内设置有可滑动的第三圆形钢板3；所述第二圆形钢板3固定设置于让压小柱4的底部。
62.通过可滑动的钢板，在下节柱内部灌注浆液的可以顶升钢板，在钢板的作用下顶升让压装置从而带动上节柱支护于顶板上。
63.具体而言，还包括设置在上节柱6腔体内的第二圆形钢板3；所述第二圆形钢板3穿设在所述让压小柱4上，并位于所述第一圆形钢板2和第三圆形钢板5之间。
64.通过第三圆形钢板5可以在第一圆形钢板2和第二圆形钢板3之间调节位置，从而一定程度地改变支护阻力。
65.具体而言，所述第三圆形钢板5与下节柱的钢管内壁之间设置有第一密封圈10，且第一密封圈10固定于第三圆形钢板5外周上；所述上节柱6的钢管与下节柱12的钢管之间设置有第二密封圈11；所述第二密封圈11固定于上节柱6的钢管底部内壁上。
66.通过密封圈的设置可以保证足够的顶升压力，防止漏浆，同时当下节柱注满后还没有接顶或者接顶压力不够，还可以继续注浆，浆液进入上节柱中，由于第三圆形钢板与下节柱的钢管内壁之间设置有第一密封圈，以及上节柱的钢管与下节柱的钢管之间设置有第二密封圈；可以使得浆体在第二空间内密封，并持续顶升或保持接顶压力。
67.具体而言，所述顶盖1，第一圆形钢板2，第三圆形钢板5上开设有排气孔9；
68.或者，所述让压小柱4中间贯通设置有排气管，所述排气管的上端穿过顶盖1，下端穿过第三圆形钢管5与下节柱12的钢管内部连通。
69.排气孔，用以排出注浆时支柱腔体内的气体，保证灌浆更加充分。排气孔内可以是钢管结构。
70.本发明一种优选的实施方式，所述下节柱的底端固定在鞋板8上，所述顶盖1和鞋板8的顶部固定有多个柱爪。
71.上节柱有顶盖与巷道接触，顶盖通过柱爪增大与巷道的摩擦，增加支柱承受侧向压力的能力。下节柱底部焊接连接鞋板，鞋板上布置四个柱爪，通过鞋板增加与地面的摩擦。
72.简而言之，本发明提出的矿用防冲主动接顶支柱结构主要包括两个方面：支柱整体结构和细部结构。
73.1、支柱的整体结构
74.支柱主要包括上、下两节柱和让压结构，让压结构焊接在下节柱顶端，上节柱套在下节柱和让压系统上方，通过密封圈组合成整体，支柱主体采用钢管或frp管制作，根据在巷道传来力的形式，截面既可以是等惯性矩、不宜扭曲的圆形又可以是更适合承受不等弯矩的矩形。
75.上节柱包括顶盖和排气孔，让压结构包括排气孔、让压小柱、第一圆形钢板、第二圆形钢板、第三圆形钢板和第一密封圈，下节柱包括第一密封圈、注浆孔和鞋板。上下节柱各含有一个腔体，下腔体内注入浆体可以顶升支柱，浆体凝固后和支柱柱体结合形成高强支护体，上腔体内放置让压结构，当工作压力超过额定压力后，让压结构的让压小柱受力被压缩变形，支柱实现横阻变形。
76.2、支柱的细部结构
77.让压结构的第一圆形钢板尺寸略小于上节柱内径、第二圆形钢板为圆环形，外径尺寸介于上节柱内径和下节柱外径之间，内径尺寸大于让压小柱尺寸，第三圆形钢板外侧有第一密封圈，可以与下节柱紧密接触。安装时先焊接第一圆形钢板与让压小柱一头，进一步将让压小柱穿入第二圆形钢板，进一步将第三圆形钢板与让压小柱另一头焊接在一起，此时，第二圆形钢板位于第一、第三圆形钢板中间。
78.此外，第一圆形钢板与上节柱顶盖不做处理，只起传力作用。上节柱顶盖中心、第一圆形钢板和第三圆形钢板中心位置预留小孔，组装支柱结构时，在组装完成后，其可以共同组成上节柱的排气孔。上节柱顶端焊接有顶盖与巷道接触，顶盖通过柱爪增大与巷道的摩擦，增加支柱承受侧向压力的能力。
79.下节柱底部焊接连接鞋板，鞋板上布置四个柱爪，通过鞋板增加与地面的摩擦；中部设置注浆孔用以注浆；下节柱顶部外侧固定有第二密封圈，保证在下腔体注浆时的密封性。
80.使用时，采用顶升法，通过注浆孔向空支柱内部灌注高强浆体，每注50cm，用振捣棒在支柱外侧进行测振，以保证浆体的密实度，至浆体与下节柱顶部平齐后，上节柱在下部浆体的顶升压力下逐渐抬高，直至支柱达到预设的接顶压力后停止注浆，封堵注浆孔，注浆过程中，腔内气体从顶部排气孔排出。
81.实施例二：
82.本发明还涉及一种矿用防冲主动接顶可缩式支护系统，包括沿巷道支护的多组实施例一中所述的可缩式支柱结构。
83.实施例三：
84.本发明还涉及一种矿用防冲主动接顶可缩式支护结构的施工方法，包括如下步骤：
85.1)在地面加工制作支撑体空钢管支柱柱身、让压小柱、圆形钢板、顶盖和鞋板，上节柱加工顶盖和排气孔，下节柱加工注浆孔和鞋板，再组装让压小柱和第一、二、三圆形钢板组成让压结构，将第二圆形钢板焊接到下节柱顶端，上节柱套入下节柱；
86.2)在组装后运输到巷道内部，平整支柱预设场地，根据设计确定支护位置，支柱一般靠侧帮放置，使用专用安装机或人工(2
‑
3人)安装；
87.3)固定支柱，将支柱与侧帮的锚杆连接，至少连接两根锚杆，形成上下两道固定措施，当立柱间距不大于3m时，也可考虑柱间钢带连接；
88.4)干料投入制浆桶，并将水、早强剂、减水剂及gfrp纤维等按一定配比加入到浆体的拌制中，使制备的浆体达到预设的强度；
89.5)连接注浆管路，依次为：小型泥浆泵
‑
输送管
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逆止阀
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注浆孔，逆止阀开通，第一次使用泥浆泵时应先泵送一罐水泥砂浆以润滑管路，然后正常灌注；
90.6)正式灌注时，每注50cm，用振动器在支柱外侧进行测振，以保证浆体的密实度，至浆体与下节柱顶部平齐后，上节柱在下部浆体的顶升压力下逐渐抬高，直至支柱达到预设的接顶压力后先停止泥浆泵，关闭逆止阀，再拆卸管路，封堵注浆孔，连接下一空支柱，继续灌注，直至预设的空支柱全部灌注完毕；
91.7)注浆完成后第二天进行饱满度检查，采用敲击进行初步检查，对于敲击声音存在差异的防冲支柱，通过超声波进行细致检测，检查发现浆体不密实的支柱，采用小型泵机
通过排气孔注入水灰比比较低的高稠度浆体进行补浆，或重新架设新支柱；
92.8)在正常使用时，内部高强浆体和支柱柱壳结合形成高强支护体；冲击地压来临时，巨大压力超过支柱的额定承载值，上节柱内的让压小柱被压缩变形，支柱实现横阻变形，保证巷道稳定。
93.本发明的技术关键点：
94.1、本发明提出的一种矿用防冲主动接顶支柱结构，主要包括上下柱体和让压结构，上节柱包括顶盖、抗弯圆钢和排气孔，让压结构包括排气孔、让压小柱、第一圆形钢板、第二圆形钢板、第三圆形钢板和第一密封圈，下节柱包括第二密封圈、注浆孔、抗弯圆钢和鞋板。
95.2、上腔内放置让压装置，固定在下节柱顶端，上节柱套在下节柱外侧；下节柱通过鞋板抓紧地面，中部设置注浆孔，使用时，从下节柱注浆孔注入浆液，顶升上节柱带压力接顶。
96.3、本发明提出的支柱下节柱内焊接抗弯圆钢，圆钢侧向外，抗采空区垮落矸石的水平推力。
97.4、本发明提出的支柱柱体可采用钢管或gfrp管制成，根据在巷道传来力的形式，截面既可以是等惯性矩、不宜扭曲的圆形又可以是更适合承受不等弯矩的矩形。
98.5、本发明提出的灌注系统，每次完成20
‑
30支支柱的注浆，灌注系统主要由制浆桶、小型注浆泵、输送管和逆止阀组成。具体的：制浆桶搅拌浆体；小型注浆泵通过输送管连接注浆孔，用以泵送浆体；逆止阀可以实现浆体的单向流动；输送管作为浆体运输的媒介。
99.6、本发明提出的施工方法，具体的
①
在地面制作、组装支柱结构；
②
初步处理支护区域，支设支柱；
③
固定支柱，将其与侧帮的锚杆链接；
④
制备浆体；
⑤
连接注浆管路；
⑥
向支柱内注浆，使上节柱带压力接顶；
⑦
注浆完成后进行饱满度检查，并对不合格的进行补浆；
⑧
正常使用时，提供高承载力，冲击地压来临时，让压小柱被压缩变形，保证巷道稳定。
100.以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。