一种矿压转移承载巷道支架及施工方法发明专利

专利名称：一种矿压转移承载巷道支架及施工方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111039266.3

专利申请（专利权）人：安徽理工大学,淮河能源西部煤电集团有限责任公司
权利人地址：安徽省淮南市泰丰大街168号

专利发明（设计）人：涂敏,卜庆为,刘结高,付宝杰,袁本庆,赵庆冲,党嘉鑫,赵高明,李佳文,金宁平,高兴

专利摘要：本发明涉及一种矿压转移承载巷道支架及施工方法，支架包括：金属直梁，其固定于巷道顶板及两侧巷帮内壁上，用于支承巷道变形来压；弧形梁用于双向矿压转移中的压力互抗互控，其两端一一对应铰接在巷道顶板对应的金属直梁及巷帮内壁对应的金属直梁上；铰接处均采用环形扭转连接件连接，相对的两个弧形梁的弧形均朝向巷道中心布置；底板拱形梁设置于巷道底部，且其拱形朝下，底板拱形梁两端固定在巷帮上的金属直梁底部，用于支撑巷帮底角来压。本发明解决高应力或软岩条件下巷道支护困难的技术问题，克服传统支架依靠自身强度来实现支护承载的低强度力学结构缺陷。结构简单、施工操作简单、制造成本相对低、承载能力大、能够组合拆解重复利用。

主权利要求：
1.一种矿压转移承载巷道支架，其特征在于，包括：
金属直梁（1），所述金属直梁（1）固定于巷道顶板及两侧巷帮内壁上，用于支承巷道变形来压；
弧形梁（2），所述弧形梁（2）用于双向矿压转移中的压力互抗互控，其两端一一对应铰接在巷道顶板对应的所述金属直梁（1）及所述巷帮内壁对应的所述金属直梁（1）上；铰接处均采用环形扭转连接件（3）连接，相对的两个所述弧形梁（2）的弧形均朝向巷道中心布置；
以及
底板拱形梁（5），所述底板拱形梁（5）设置于巷道底部，且其拱形朝下，所述底板拱形梁（5）两端固定在巷帮上的所述金属直梁（1）底部，用于支撑巷帮底角来压；
所述环形扭转连接件（3）包括基座及连接翼（301），所述基座一端上具有两个半圆的所述连接翼（301），所述连接翼（301）上贯通有用于连接所述弧形梁（2）的第三固定孔（302）；
所述基座位于两个所述连接翼（301）之间设置有用于将其固定在所述金属直梁（1）上的第四固定孔（303）；
所述底板拱形梁（5）包括拱形梁体及端脚（6），所述拱形梁体为上部平整，底部具有拱形的槽钢制成，所述槽钢内部布置有支撑梁（503），所述槽钢两端具有连接所述端脚（6）的连接孔（501）；
所述端脚（6）为槽钢构件，其底部为与所述底板拱形梁（5）底部呈连续拱形过渡形状，顶部靠近巷帮侧边缘倾斜布置，其内部具有端脚支撑翼（603），所述端脚（6）靠近所述巷帮的一侧上开设有第五固定孔（602），靠近所述拱形梁体一侧开设有第六固定孔（601）；
还包括安全绳索（8），所述安全绳索（8）连接在所述弧形梁（2）和所述金属直梁（1）连接处。
2.根据权利要求1所述的一种矿压转移承载巷道支架，其特征在于，所述金属直梁（1）上错开设有第一固定孔（101）和第二固定孔（102）；所述第一固定孔（101）用于连接所述环形扭转连接件（3），所述第二固定孔（102）用于将所述金属直梁（1）固定在巷道顶板或巷帮上。
3.根据权利要求1所述的一种矿压转移承载巷道支架，其特征在于，所述弧形梁（2）为四分之一圆弧的中空钢管，内注混凝土浆，中空钢管半径为1‑1.5m。
4.根据权利要求1所述的一种矿压转移承载巷道支架，其特征在于，所述弧形梁（2）包括弧形管体及封头连接翼（204），所述弧形管体两端封堵后各连接一个所述封头连接翼（204），所述封头连接翼（204）上开设有用于连接所述环形扭转连接件（3）的铰接孔（203）；
所述弧形管体上开设有混凝土灌浆孔（201）和排气孔（202）。
5.一种基于权利要求1‑4任一项所述的矿压转移承载巷道支架的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据所掘进巷道的具体断面尺寸设计并确定巷道顶板及其两巷帮的金属直梁和巷道底板布置的底板拱形梁的尺寸；
S2、将金属直梁置于巷道顶板和巷帮的围岩壁面，通过锚杆索临时固定；
S3、通过螺栓将环形扭转连接件与金属直梁连接固定；
S4、弧形梁与环形扭转连接件连接固定；
S5、在位于巷帮的金属直梁下部安装底板拱形梁，底板拱形梁端脚与金属直梁通过螺栓连接固定；
S6、巷道底板布置底板拱形梁，并与底板拱形梁连接固定；
S7、支架安装完成后，对弧形梁进行加注混凝土；
其中，在金属直梁与弧形梁上安装防失稳的安全绳锁。 说明书 : 一种矿压转移承载巷道支架及施工方法技术领域[0001] 本发明涉及巷道支护技术领域，更具体的说是涉及一种矿压转移承载巷道支架及施工方法。背景技术[0002] 巷道金属支架是解决巷道(隧道)支护工程安全稳定问题的一种重要支护技术手段，在煤矿井下巷道支护、金属矿井下巷道支护、山体隧道支护、地下空间工程支护等领域广泛使用，并发挥着重要工程稳定支护安全作用。但随着地下资源开采深度的增加，加之复杂的地质条件影响，巷道矿压显现程度越来越剧烈，特别是高应力或软岩条件下，巷道显现大范围冒顶、持续底鼓、巷帮严重变形等矿压失稳的安全隐患愈发明显。[0003] 目前，传统的锚杆索支护、单体柱支护、金属支架支护等主被动支护方式主要是依靠支护结构的自身强度来实现支护承载，如锚杆索主动支护构件是依靠自身金属材料的拉拔强度来实现锚固承载作用；而单体柱支护、金属支架支护等被动支护构件是依靠自身金属材料的抗拉、和抗压强度来实现矿压承载作用，但金属材料的抗压能力相对较弱，而且单体柱支护、金属支架支护等被动支护构件的承载能力有限，并且大多数被动支护构件存在力矩不稳定缺陷，遇到高应力巷道情况时支护构件的承载稳定效果较差。正是由于主动、被动的支护存在明显承载强度有限和能力不足的缺陷，加之现场盲目使用并采取高密度的经验支护方法而造成了高昂的支护成本，传统的主被动支护方式已经明显不适合高地应力、高采动应力条件的巷道支护围岩控制。[0004] 基于以上原因，在分析现有的支护技术手段及支护控制原理的基础上，如何提出一种结构简单、施工操作简单、制造成本低、承载能力大、可组合拆解重复利用的被动转主动承载矿压的巷道全断面组合支架是本领域技术人员亟需解决的问题。发明内容[0005] 为此，本发明的一个目的在于提出一种矿压转移承载巷道支架，高应力或软岩条件下巷道支护困难的技术问题，同时克服传统支架依靠自身强度来实现支护承载的低强度力学结构缺陷。[0006] 本发明提供了一种矿压转移承载巷道支架，包括：[0007] 金属直梁，所述金属直梁固定于巷道顶板及两侧巷帮内壁上，用于支承巷道变形来压；[0008] 弧形梁，所述弧形梁用于双向矿压转移中的压力互抗互控，其两端一一对应铰接在巷道顶板对应的所述金属直梁及所述巷帮内壁对应的所述金属直梁上；铰接处均采用环形扭转连接件连接，相对的两个所述弧形梁的弧形均朝向巷道中心布置；以及[0009] 底板拱形梁，所述底板拱形梁设置于巷道底部，且其拱形朝下，所述底板拱形梁两端固定在巷帮上的所述金属直梁底部，用于支撑巷帮底角来压。[0010] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供的一种矿压转移承载巷道支架，金属直梁直接作用于巷道顶板及其两帮以承载巷道围岩的变形来压，弧形梁通过其弧形结构设计实现侧向与垂向来压的相互传递并作用于金属直梁上，将金属直梁与弧形梁通过环形扭转连接机构进行连接和固定；底部布置底板拱形梁作用于底板并用于底板和巷帮底角来压支承，进而将实现底板来压与巷帮底角来压的的相互传递与承载作用。本发明结构简单、施工操作简单、制造成本相对低、承载能力大、能够组合拆解重复利用。[0011] 进一步地，所述金属直梁上错开设有第一固定孔和第二固定孔；所述第一固定孔用于连接所述环形扭转连接件，所述第二固定孔用于将所述金属直梁固定在巷道顶板或巷帮上。[0012] 进一步地，所述环形扭转连接件包括基座及连接翼，所述基座一端上具有两个半圆的所述连接翼，所述连接翼上贯通有用于连接所述弧形梁的第三固定孔；所述基座位于两个所述连接翼之间设置有用于将其固定在所述金属直梁上的第四固定孔。[0013] 进一步地，所述弧形梁为四分之一圆弧的中空钢管，内注混凝土浆，中空钢管半径为1‑1.5m。弧形梁再安装完成后进行内部灌注混凝土，其固结后具有很好的抗压抗弯承载效能，进而实现组合支架对巷道矿压的二向来压相互转移与相互抵抗的承载作用效果。[0014] 进一步地，所述弧形梁包括弧形管体及封头连接翼，所述弧形管体两端封堵后各连接一个所述封头连接翼，所述封头连接翼上开设有用于连接所述环形扭转连接件的铰接孔；所述弧形管体上开设有混凝土灌浆孔和排气孔。[0015] 进一步地，所述底板拱形梁包括拱形梁体及端脚，所述拱形梁体为上部平整，底部具有拱形的槽钢制成，所述槽钢内部布置有支撑梁，其两端具有连接所述端脚的连接孔。[0016] 进一步地，所述端脚为槽钢构件，其底部为与所述底板拱形梁底部呈连续拱形过渡形状，顶部靠近巷帮侧边缘倾斜布置，其内部具有端脚支撑翼，所述端脚靠近所述巷帮的一侧上开设有第五固定孔，靠近所述拱形梁体一侧开设有第六固定孔。[0017] 进一步地，还包括安全绳索，所述安全绳索连接在所述弧形梁和所述金属直梁连接处。[0018] 本发明另一个目的还提供了一种矿压转移承载巷道支架施工方法，包括以下步骤：[0019] S1、根据所掘进巷道的具体断面尺寸设计并确定巷道顶板及其两巷帮的金属直梁和巷道底板布置的底板拱形梁的尺寸；[0020] S2、将金属直梁置于巷道顶板和巷帮的围岩壁面，通过锚杆索临时固定；[0021] S3、通过螺栓将环形扭转连接件与金属直梁连接固定；[0022] S4、弧形梁与环形扭转连接件连接固定；[0023] S5、在位于巷帮的金属直梁下部安装底板拱形梁及端脚，底板拱形梁端脚与金属直梁通过螺栓连接固定；[0024] S6、巷道底板布置底板拱形梁，并与底板拱形梁连接固定；[0025] S7、支架安装完成后，对弧形梁进行加注混凝土。[0026] 进一步地，在金属直梁与弧形梁上安装防失稳的安全绳锁。附图说明[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。[0028] 图1附图为本发明提供的一种矿压转移承载巷道支架结构示意图；[0029] 图2和图3附图示出了金属直梁和环形扭转连接件安装示意图；[0030] 图4和图5附图示出了环形扭转连接件结构示意图；[0031] 图6附图示出了弧形梁的结构示意图；[0032] 图7和图8附图示出了拱形梁体的结构示意图；[0033] 图9和图10附图示出了端脚的结构示意图；[0034] 图中：[0035] 1—金属直梁；101—第一固定孔；102—第二固定孔；2—弧形梁；201—混凝土灌浆孔；202—排气孔；203—铰接孔；204—封头连接翼；3—环形扭转连接件；301—连接翼；302—第三固定孔；303—第四固定孔；4—巷道；5—底板拱形梁；501(502)—连接孔；503—支撑梁；6—端脚；603—端脚支撑翼；7—环形扭转连接件转动示意箭头；8—安全绳锁；9—巷道顶板矿压示意箭头；10—巷道两帮矿压示意箭头。具体实施方式[0036] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。[0037] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0038] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。[0039] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0040] 参见附图1，本发明实施例公开了一种矿压转移承载巷道支架，包括：金属直梁1，所述金属直梁1为2‑4m，其固定于巷道顶板及两侧巷帮内壁上，用于支承巷道变形来压；弧形梁2，所述弧形梁2用于双向矿压转移中的压力互抗互控，其两端一一对应铰接在巷道顶板对应的所述金属直梁1及所述巷帮内壁对应的所述金属直梁1上；铰接处均采用环形扭转连接件3连接，相对的两个所述弧形梁2的弧形均朝向巷道中心布置；以及底板拱形梁5，所述底板拱形梁5设置于巷道底部，且其拱形朝下，所述底板拱形梁5两端固定在巷帮上的所述金属直梁1底部，用于支撑巷帮底角来压。[0041] 参见附图2和3，所述金属直梁1上错开设有第一固定孔101和第二固定孔102；所述第一固定孔101用于连接所述环形扭转连接件3，所述第二固定孔102用于将所述金属直梁1固定在巷道顶板或巷帮上。[0042] 参见附图4和5，所述环形扭转连接件3包括基座及连接翼301，所述基座一端上具有两个半圆的所述连接翼301，所述连接翼301上贯通有用于连接所述弧形梁2的第三固定孔302；所述基座位于两个所述连接翼301之间设置有用于将其固定在所述金属直梁1上的第四固定孔303。[0043] 参见附图6，所述弧形梁2为四分之一圆弧的中空钢管，内注混凝土浆，中空钢管半径为1‑1.5m。[0044] 有利的是，所述弧形梁2包括弧形管体及封头连接翼204，所述弧形管体两端封堵后各连接一个所述封头连接翼204，所述封头连接翼204上开设有用于连接所述环形扭转连接件3的铰接孔203；所述弧形管体上开设有混凝土灌浆孔201和排气孔202。[0045] 弧形梁再安装完成后进行内部灌注混凝土，其固结后具有很好的抗压抗弯承载效能，进而实现组合支架对巷道矿压的二向来压相互转移与相互抵抗的承载作用效果。[0046] 参见附图7和8，所述底板拱形梁5包括拱形梁体及端脚6，所述拱形梁体为上部平整，底部具有拱形的槽钢制成，所述槽钢内部布置有支撑梁503，其两端具有连接所述端脚6的连接孔501、502。底板拱形梁由槽钢构件根据巷道宽度进行设计制作，且下边界拱形设计，上边界平整设计以便于运输与通行，内部布置的支撑梁503以提高底板拱形梁的承载力学效能。[0047] 参见附图9和10，所述端脚6为槽钢构件，其底部为与所述底板拱形梁5底部呈连续拱形过渡形状，顶部靠近巷帮侧边缘倾斜布置，其内部具有端脚支撑翼603，所述端脚6靠近所述巷帮的一侧上开设有第五固定孔602，靠近所述拱形梁体一侧开设有第六固定孔601。端脚由槽钢构件制作，且下边界拱形设计，上边界倾斜设计以提高端脚构件的承载效能，端脚支承翼以提高端脚的承载力学效能。[0048] 更有利的是，还包括安全绳索8，所述安全绳索8连接在所述弧形梁2和所述金属直梁1连接处；以防支架结构错动失稳。[0049] 本发明中，2‑4m的金属直梁直接作用于巷道顶底板及其两帮以承载巷道围岩的变形来压，角度π/4且半径1.0～1.5m的钢管混凝土弧形梁通过其弧形结构设计实现侧向与垂向来压的相互传递并作用于金属直梁上，实现二向来压相互转移与相互抵抗承载的力学作用效果，再由金属直梁与钢管混凝土弧形梁通过环形扭转连接件进行连接和固定，底部布置底板拱形梁作用于底板并用于底板和巷帮底角来压支承，底部布置底板拱形梁通过端脚与巷帮金属直梁连接固定，进而将实现底板来压与巷帮底角来压的的相互传递与承载作用，布置安全绳锁用于防范金属直梁与钢管混凝土弧形梁彼此间发生错动失稳隐患，确保二向来压相互转移与相互抵抗承载的力学作用效果和力学结构稳定，从而实现更大的支护承载效果，更有效地抑制或消除高应力或软岩条件下巷道出现的大范围冒顶、持续底鼓、巷帮严重变形等矿压失稳隐患。参见附图1，其中，7代表环形扭转连接件转动示意箭头，9代表巷道顶板矿压示意箭头，10代表巷道两帮矿压示意箭头。[0050] 本发明还提供了一种矿压转移承载巷道支架施工方法，包括以下步骤：[0051] S1、根据所掘进巷道的具体断面尺寸设计并确定巷道顶板及其两巷帮的金属直梁和巷道底板布置的底板拱形梁的尺寸；[0052] S2、将金属直梁置于巷道顶板和巷帮的围岩壁面，通过锚杆索临时固定；并确保金属直梁与巷道围岩壁共同变形和承载矿压；[0053] S3、通过螺栓将环形扭转连接件与金属直梁连接固定；钢管混凝土弧形梁的端头要求与金属直梁垂直，减小构件间的错动受力；[0054] S4、弧形梁与环形扭转连接件连接固定；[0055] S5、在位于巷帮的金属直梁下部安装底板拱形梁及端脚，底板拱形梁端脚与金属直梁通过螺栓连接固定；不仅实现了巷帮金属直梁的力矩平衡，而且实现底板来压与巷帮底角来压的的相互传递与承载作用，通过与金属直梁和钢管混凝土弧形梁配合，实现巷道全断面矿压承载稳定作用；[0056] S6、巷道底板布置底板拱形梁，并与底板拱形梁连接固定；[0057] S7、支架安装完成后，对弧形梁进行加注混凝土。[0058] 有利的是，在金属直梁与弧形梁上安装防失稳的安全绳锁；防止金属直梁与钢管混凝土弧形梁发生错动失稳隐患。[0059] 本发明的制作材料可由废弃的矿用钢梁、钢管等材料加工制成，提高矿用废弃材料的利用率且降低矿建成本支出，同时本发明具有设计合理、结构简单、施工操作简单、制造成本低、承载能力大、可组合拆解重复利用等优点。[0060] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。[0061] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

专利地区：安徽

专利申请日期：2021-09-06

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN113803085B