一种新型巷道O型棚与锚杆组合防冲支架

一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架
技术领域
1.本发明涉及煤矿安全支护技术领域，尤其是涉及一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架。


背景技术：

2.冲击地压是煤矿围岩由于弹性变形能瞬间释放而产生的突然的、猛烈的破坏动力现象，是煤矿生产中的重大动力灾害之一。目前常用的支护方法主要分为两种：第一种方法通过增强围岩自身的强度，从而提高巷道稳定性；第二种方法通过设置具备一定强度的支护系统，如u型钢支护等。
3.近年来，随着煤炭开采深度和范围的增大冲击地压发生的频率越来越高，现有的支护设备如u型钢存在一定的缺陷：(1)u型钢不具备隔振抑振的功能；(2)在面临较大的冲击时u型钢局部会产生严重变形从而失去支护作用；(3)u型钢不具备重复吸能的功能；(4)u型钢在巷道轴向的稳定性不足。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架，在工作时可通过周期结构带进行带隙抑振，在受动载或大位移冲击时可通过变刚度构件实现局部或整体的可重复让位吸能，同时吸能型锚杆增强了该组合支架的径、轴向稳定性，进而避免支护系统的失效，维护整个支护体系的安全。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架，包括三圈u型钢、连接器、壳体曲面负刚度吸能构件、带隙抑振周期结构、变刚度吸能结构和若干个吸能型锚杆，若干个所述吸能型锚杆均匀等距穿设在所述带隙抑振周期结构、所述变刚度吸能结构及所述三圈u型钢的圆周上，所述三圈u型钢设置为四段，相邻两段所述三圈u型钢之间均通过所述连接器和所述壳体曲面负刚度吸能构件相连，所述壳体曲面负刚度吸能构件设置在两个所述连接器之间，两个所述连接器的两端部均连接有让位引导器，所述三圈u型钢形成两条空隙带，在其内部充填有所述变刚度吸能结构和所述带隙抑振周期结构。
6.优选的，所述三圈u型钢包括内圈u型钢、设置在所述内圈u型钢外侧的中圈u型钢和设置在所述中圈u型钢外侧的外圈u型钢，所述外圈u型钢、所述中圈u型钢和所述内圈u型钢的末端处均设置有方形导槽，槽底处均匀等距设置有用于安装所述吸能型锚杆的第一通孔。
7.优选的，所述连接器包括连接器本体和与所述连接器本体连接的连接器挡板，所述连接器挡板和所述连接器本体的侧边均设置有与所述方形导槽相适应的长条形凸台，所述连接器本体的正面设置有阶梯孔和挡销，所述挡销与所述连接器本体为一体式结构，所述连接器本体的两端设置有两组对称的梯形凸台。
8.优选的，所述让位引导器包括引导器本体和引导器挡板，所述引导器挡板安装在所述引导器本体的端部，所述引导器本体的正面中心处设置有与所述梯形凸台相适应的梯
形导槽，所述梯形导槽的深度大于所述梯形凸台的长度。
9.优选的，所述壳体曲面负刚度吸能构件由单胞结构径向阵列组成，包括第一单胞、与所述第一单胞连接的第二单胞、与所述第二单胞连接的第三单胞和与所述第三单胞连接的第四单胞，所述第四单胞与所述第一单胞的结构相同，所述第二单胞和所述第三单胞的结构相同，所述第一单胞和所述第四单胞的中心设置有中心柱头，所述中心柱头上的内螺纹通孔与所述阶梯孔通过螺钉连接，所述第二单胞和所述第三单胞通过中心柱头上的内螺纹通孔采用双头螺柱相互连接。
10.优选的，所述吸能型锚杆包括插入到所述第一通孔内的外套管和套设于所述外套管内的杆体，所述杆体的上半部分插入到围岩体中进行注浆锚固，并通过半球形垫片和螺母固定在围岩体中，所述杆体的末端设置有圆台型撑头，所述圆台型撑头与所述外套管下半部分设置的细小开缝配合进行撑涨吸能，所述外套管的上半部分通过所述螺母与所述三圈u型钢固定。
11.优选的，所述带隙抑振周期结构放置在所述内圈u型钢的槽底处，由五个子周期结构堆叠组成，每一个子周期结构带由多个抑振结构单胞周期排列组成，所述抑振结构单胞为立方体，由散射体和基体组成，所述散射体在二维周期上按面心立方点阵周期性嵌入所述基体中排布，所述基体由基体板通过胶水粘合，且所述基体板按照面心立方点阵预留半球孔洞形成，所述基体板的材质为环氧树脂。
12.优选的，所述散射体由包裹层和芯体组成，所述芯体设置在所述包裹层的内部，所述芯体设置为球状结构。
13.优选的，所述变刚度吸能结构设置为四分之一圆环型结构，所述变刚度吸能结构包括放置在所述中圈u型钢的槽内部的u型外套、隔板、芯环和垫板，所述垫板的下表面与所述芯环连接，所述芯环与所述u型外套的底部中心之间设置有吸能盒，所述吸能盒设置为折棱结构，通过所述u型外套及所述芯环上的凹槽来固定，所述芯环与所述隔板之间、所述隔板与所述u型外套之间均设置有橡胶层。
14.优选的，所述垫板为环形钢板，宽度与所述u型外套外圈边缘两点的直线距离相同，所述芯环为倒梯形钢环。
15.因此，本发明采用上述结构的一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架，在工作时可通过周期结构带进行带隙抑振，在受动载或大位移冲击时可通过变刚度构件实现局部或整体的可重复让位吸能，同时吸能型锚杆增强了该组合支架的径、轴向稳定性，进而避免支护系统的失效，维护整个支护体系的安全。
16.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
17.图1为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的结构示意图；
18.图2为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的三圈u型钢的结构示意图；
19.图3为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的三圈u型钢的局部放大图；
20.图4为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的连接器的爆炸图；
21.图5为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的让位引导器的爆炸图；
22.图6为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的壳体曲面负刚度吸能构件的结构示意图；
23.图7为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的杆体的结构示意图；
24.图8为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的外套管的结构示意图；
25.图9为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的半球形垫片的结构示意图；
26.图10为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的吸能型锚杆装配示意图；
27.图11为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的带隙抑振周期结构爆炸图；
28.图12为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的任意四分之一圆的周期结构带展开图；
29.图13为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的带隙抑振周期结构的单胞示意图；
30.图14为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的变刚度吸能结构剖面图；
31.图15为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的变刚度吸能结构中吸能盒布置示意图；
32.图16为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的变刚度吸能结构三维结构示意图；
33.图17为本发明一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架实施例的带隙抑振周期结构的频散关系图。
具体实施方式
34.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
35.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
36.实施例
37.本发明提供了一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架，包括三圈u型钢1、连接器
2、壳体曲面负刚度吸能构件3、带隙抑振周期结构4、变刚度吸能结构8和若干个吸能型锚杆5，若干个吸能型锚杆5均匀等距穿设在带隙抑振周期结构4、变刚度吸能结构8及三圈u型钢1的圆周上，三圈u型钢1设置为四段，相邻两段三圈u型钢1之间均通过连接器2和壳体曲面负刚度吸能构件3相连，壳体曲面负刚度吸能构件3设置在两个连接器2之间，两个连接器2的两端部均连接有让位引导器7，三圈u型钢1形成两条空隙带，在其内部充填有变刚度吸能结构8和带隙抑振周期结构4。
38.三圈u型钢1包括内圈u型钢9、设置在内圈u型钢9外侧的中圈u型钢10和设置在中圈u型钢10外侧的外圈u型钢11，外圈u型钢11、中圈u型钢10和内圈u型钢9的末端处均设置有方形导槽12，槽底处均匀等距设置有用于安装吸能型锚杆5的第一通孔13。
39.连接器2包括连接器本体14和与连接器本体14连接的连接器挡板15，连接器挡板15和连接器本体14的侧边均设置有与方形导槽12相适应的长条形凸台16，连接器本体14的正面设置有阶梯孔17和挡销18，阶梯孔可实现连接器与壳体曲面负刚度吸能构件之间螺钉连接，挡销起到限制中圈u型钢向下位移的作用，以保证带隙抑振周期结构不被压溃。挡销18与连接器本体14为一体式结构，连接器本体14的两端设置有两组对称的梯形凸台19，与梯形导槽22相配合，实现轨道滑动连接。连接器本体14左侧面设置若干螺纹盲孔，连接器挡板15设置有对应的螺纹通孔，与连接器本体14左侧面通过若干螺纹盲孔螺钉连接；连接器挡板15同连接器本体14右侧面结构相同。
40.让位引导器7包括引导器本体20和引导器挡板21，引导器挡板21安装在引导器本体20的端部，引导器本体20的正面中心处设置有与梯形凸台19相适应的梯形导槽22，梯形导槽22的深度大于梯形凸台19的长度，以留有足够的间隙保证让位功能的正常进行。
41.壳体曲面负刚度吸能构件3由单胞结构径向阵列组成，包括第一单胞23、与第一单胞23连接的第二单胞24、与第二单胞24连接的第三单胞25和与第三单胞25连接的第四单胞26，第四单胞26与第一单胞23的结构相同，第二单胞24和第三单胞25的结构相同，第一单胞23和第四单胞26的中心设置有中心柱头，中心柱头上的内螺纹通孔与阶梯孔17通过螺钉连接，第二单胞24和第三单胞25通过中心柱头上的内螺纹通孔采用双头螺柱相互连接，可根据情况取舍多胞的个数。
42.吸能型锚杆5包括插入到第一通孔13内的外套管27和套设于外套管27内的杆体28，杆体28的上半部分插入到围岩体中进行注浆锚固，并通过半球形垫片29和螺母30固定在围岩体中，杆体28的末端设置有圆台型撑头31，圆台型撑头31与外套管27下半部分设置的细小开缝32配合进行撑涨吸能，外套管27的上半部分通过螺母30与三圈u型钢1固定。
43.带隙抑振周期结构4放置在内圈u型钢9的槽底处，由五个子周期结构带33堆叠组成，每一个子周期结构带33由多个抑振结构单胞34周期排列组成，抑振结构单胞34为立方体，由散射体35和基体36组成，散射体35在二维周期上按面心立方点阵周期性嵌入基体36中排布，基体36由基体板37通过胶水粘合，且基体板37按照面心立方点阵预留半球孔洞形成，基体板37的材质为环氧树脂。散射体35由包裹层38和芯体39组成，芯体39设置在包裹层38的内部，芯体39设置为球状结构，其材料可以采用钨、铅、铜、钢等密度较大的金属，包裹层材料为橡胶。不同种类的散射体通过改变抑振结构单胞的物理参数和几何参数实现多重带隙抑振作用，如芯体的密度越大，包裹层厚度越小，带隙抑振周期结构的抑振性能越好；周期结构带设置有通孔，通过吸能型锚杆将五个子周期结构带连接并固定。
44.变刚度吸能结构8设置为四分之一圆环型结构，变刚度吸能结构8包括放置在中圈u型钢10的槽内部的u型外套40、隔板41、芯环42和垫板43，垫板43的下表面与芯环42连接，芯环42与u型外套40的底部中心之间设置有吸能盒44，吸能盒44设置为折棱结构，通过u型外套40及芯环42上的凹槽来固定，芯环42与隔板41之间、隔板41与u型外套40之间均设置有橡胶层45。垫板43为环形钢板，宽度与u型外套40外圈边缘两点的直线距离相同，芯环42为倒梯形钢环。吸能盒44被压扁时垫板43与u型外套40正好形成一个封闭空间。芯环42、u型外套40、垫板43设置若干个从上到下贯通的通孔来安装吸能型锚杆5。隔板41是根据u型外套40的内圈u型的尺寸进行加工的钢板。橡胶层是橡胶通过硫化处理后形成预制的橡胶层。u型外套40、芯环42和隔板41通过胶水与橡胶层连接。
45.下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
46.首先进行壳体曲面负刚度吸能构件的组装，第二单胞与第三单胞通过中心柱头螺纹通孔通过双头螺柱连接，第二单胞、第三单胞分别与第一单胞、第四单胞四周的阶梯螺纹通孔进行螺钉连接固定，接着通过第一单胞、第四单胞中心柱头处的螺纹通孔与连接器本体中心处的阶梯孔进行连接固定，将引导器本体的梯形导槽卡入连接器本体的梯形凸台上，并通过引导器挡板进行固定，至此完成壳体曲面负刚度吸能构件与连接器、让位引导器的组装。
47.然后对变刚度吸能结构进行组装，把吸能盒填入u型外套设置的凸起之内，接着使用胶水把预制的橡胶层、隔板及芯环粘结在一起，注意芯环底部设置凹槽应该正好卡住吸能盒，至此完成变刚度吸能结构的安装；对带隙抑振周期结构进行组装，两个空心半球状的包裹层贴合芯体形成散射体，将散射体涂上胶水并置入上下两块基体板之间的半球形孔洞内，两块基体板之间通过胶水完全贴合，重复以上操作，形成四块基体板作为一个子周期结构带。
48.接下来将内圈u型钢的端面卡入连接器本体的长条状凸台中，在内圈u型钢的槽内填入带隙抑振周期结构，将中圈u型钢卡入连接器本体的长条状凸台中，填入变刚度吸能结构，将外圈u型钢卡入连接器本体的长条状凸台中，最后通过连接器挡板采用螺钉连接进行固定，至此完成三圈u型钢、带隙抑振周期结构、变刚度吸能结构与连接器的固定。
49.最后将外套管插入三圈u型钢的通孔中，期间穿过变刚度吸能结构与带隙抑振周期结构的对应通孔，通过若干螺栓将外套管固定在三圈u型钢中，将杆体插入外套管中，同时穿过螺母与半球形垫片，插入围岩中进行注浆锚固，通过螺母与半球形垫片固定于围岩中，至此完成全部组装。
50.本实例实施中，对任意周期结构带进行带隙计算，立方体单胞的边长取10mm，基体材料采用环氧树脂，其密度为1180kg
·
m-3
，弹性模量为4.35gpa，泊松比为0.37；散射体中芯体半径取2.5mm，采用金属铅材料，其密度为为11600kg
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m-3
，弹性模量为40.8gpa，泊松比为0.37；包裹层采用橡胶材料，厚度取0.5mm，其密度为为1300kg
·
m-3
，弹性模量为1.18gpa，泊松比为0.47。对本发明的周期结构进行分析计算，其计算的周期结构的禁带范围如下图所示，禁带范围是73.73～134.19khz，在禁带范围内的弹性波能进行有效的抑制；所述其他周期结构带的计算同上。
51.本发明在正常工作时通过吸能性锚杆、吸能盒与壳体曲面负刚度吸能构件提供初撑力，并通过带隙抑振周期结构进行滤波抑振，而当巷道动载大冲击发生时，本发明可自主
让位吸能，若发生的冲击点位于局部，则可通过外圈u型钢的收缩，即变刚度吸能结构的变形进行局部吸能防冲，在变刚度吸能结构发生变形时由于橡胶受到压缩和剪切的作用使得橡胶层产生不规则变形以及橡胶层的预留位置逐渐被填充直到无法变形，实现刚度随着结构变形逐渐增大的变刚度效果。若发生的冲击点位于整个围岩四周，则可通过外圈u型钢的收缩以及壳体曲面负刚度吸能构件的让位实现支架的整体收缩，达到让位吸能的效果，此外，壳体曲面负刚度吸能构件与变刚度吸能结构具备一定的可重复使用功能使得本发明可重复吸能。本发明中吸能性锚杆的加入，在径向上增强了组合支架的初撑力以及收缩时的吸能能力，在轴向增强了组合支架的抗拉能力，从而增强了组合支架的稳定性。
52.因此，本发明采用上述结构的一种新型巷道o型棚与锚杆组合防冲支架，在工作时可通过周期结构带进行带隙抑振，在受动载或大位移冲击时可通过变刚度构件实现局部或整体的可重复让位吸能，同时吸能型锚杆增强了该组合支架的径、轴向稳定性，进而避免支护系统的失效，维护整个支护体系的安全。
53.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。