CN104121030B - 一种棚式支架预应力施加装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种棚式支架预应力施加装置，它包括基本框架结构和集成液压油泵两部分。基本框架结构具体包括上部框架结构和下部腿式支撑结构，上部框架结构由顶、底、左、右四面钢架及其对应的多级液压油缸组成；下部腿式支撑结构由四条钢管组成，通过改变钢管的伸缩长度可以改变腿式支撑结构的长度。基本框架结构中所有多级液压油缸的尾部均连接至集成液压油泵，可以对液压油缸进行伸缩控制，从而实现对不同尺寸棚式支架的预压支撑，以达到提高支架支护效果的目的。该装置可以阻止岩体内部裂隙扩展及围岩松动范围的进一步扩大，实现棚式支架主动支护的目的。同时该装置在支架架设过程中可以大大降低工人劳动强度。

Description

一种棚式支架预应力施加装置

技术领域

本发明属于隧道工程、地下工程支护技术领域，尤其涉及采矿工程支护结构预应力施加装置，具体涉及一种棚式支架预应力施加装置。

背景技术

煤炭作为我国的主体能源，在国民经济中占有重要的战略地位。未来几十年内，以煤炭为主的能源结构将难以改变。随着煤炭开采程度的加剧，浅部资源渐趋枯竭，煤炭开发加速向深部、复杂地质条件转移，出现了千米深井高地应力巷道、极破碎围岩巷道、特大断面巷道、强烈采动影响巷道及沿空留巷等复杂困难巷道。鉴于地质条件越来越复杂，提高巷道支护质量、有效保持围岩稳定就成为一个突出问题。

现有支护方式主要有锚杆（索）系列支护技术、U型钢等棚式支架系列支护技术，以及两者组合的系列支护技术。锚杆支护技术已得到大面积推广应用。锚杆支护作为主动支护方式，可以对围岩施加较高的预紧力，可以有效限制围岩变形，防止围岩松动范围进一步扩大，成为煤矿巷道首选的、安全高效的支护方式。但是，随着煤矿开采强度的大幅度增加，部分矿区锚杆支护巷道围岩变形强烈，支护效果差，巷道安全得不到保证，对巷道支护技术提出了更高、更苛刻的要求。

U型钢等棚式支架是一种巷道被动支护方式，它不同于锚杆支护，难以对围岩施加一定的预紧力，同时由于巷道表面不平整等原因，造成支架与围岩之间存在间隙、空洞，引起应力传递滞后和支架结构受力不均、局部应力集中而承载能力大幅度降低，此时常采用背板等方式来实现支架与围岩之间的应力传递。虽然增加背板等应力传递介质，但相当多的情况下仍是只有当围岩变形达到一定程度时棚式支架的支护作用才能发挥，在巷道开挖后至围岩变形的最初阶段，岩体内部裂隙仍然不断扩展及损伤破坏，促使棚式支护效果大打折扣，甚至出现支架整体失稳现象，在深部复杂巷道及松软煤层巷道支护中更加明显。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有棚式支架被动支护状态的缺陷，提供了一种棚式支架预应力施加装置，所述装置具有简单便捷、操作方便、预应力施加效果好、支护效果有效改善、大大降低工人劳动强度的优点。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种棚式支架预应力施加装置，所述装置包括基本框架结构和集成液压油泵；所述基本框架结构包括上部框架结构和下部腿式支撑结构，所述上部框架结构包括焊接成框架结构的顶面钢架、底面钢架、左侧钢架、右侧钢架；所述顶面钢架、底面钢架各连接两个多级液压油缸；所述左侧钢架、右侧钢架各连接一个多级液压油缸；所述下部腿式支撑结构由四条可伸缩钢管组成，所述可伸缩钢管由内侧钢管和外侧钢管组成，基本框架结构中所有多级液压油缸的尾部均连接至所述集成液压油泵。

与现有棚式支架架设技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明所述装置可以有效克服传统棚式支架无法对围岩施加预紧力、处于纯粹被动支护状态，同时支架架设过程中由于巷道表面不平整等原因，造成的支架与围岩之间存在间隙、空洞，引起应力传递滞后和支架结构受力不均、局部应力集中而承载能力大幅度降低等缺陷；该装置可以在棚式支架架设完毕即可对围岩施加一定的预紧力，实现支架与围岩表面的紧密接触，从而阻止岩体内部裂隙扩展及围岩松动范围的进一步扩大，实现棚式支架主动支护的目的。同时该装置在支架架设过程中可以代替工人实现支架的搬运作用，大大降低工人劳动强度。该预应力棚式支架与锚杆（索）联合支护可提供较高的支护强度，将为复杂条件巷道支护提供新的思路和方法。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明所述棚式支架预应力施加装置的结构示意图。

图2为本发明所述棚式支架预应力施加装置的基本框架结构示意图。

图3为本发明所述棚式支架预应力施加装置的基本框架结构中上部框架结构的顶面钢架结构示意图。

图4为本发明所述棚式支架预应力施加装置的基本框架结构的顶面钢架结构与多级液压油缸连接位置结构示意图。其中a为齿形凹槽的结构图，b为U型组合结构的结构图。

图5为本发明所述棚式支架预应力施加装置的多级液压油缸与基本框架结构连接位置结构示意图。其中，a为齿状连接杆的结构图；b为柱状连接杆的结构图。

图6为本发明所述棚式支架预应力施加装置的基本框架结构中上部框架结构的左侧钢架结构示意图。

图7为本发明所述棚式支架预应力施加装置的基本框架结构中左侧钢架结构与多级液压油缸连接位置结构示意图。其中，a为齿形凹槽的结构图，b为U型组合结构的结构图。

图8为本发明所述棚式支架预应力施加装置的基本框架结构中上部框架结构的底面钢架结构示意图。

图9为本发明所述棚式支架预应力施加装置的基本框架结构中底面钢架结构与多级液压油缸连接位置结构示意图，其中a、b为齿形凹槽的结构图，c、d为U型组合结构的结构图。

图10为本发明所述棚式支架预应力施加装置的基本框架结构中下部腿式支撑结构示意图。

图11为本发明所述棚式支架预应力施加装置的下部腿式支撑结构长度伸缩变换结构示意图。

图12为本发明所述棚式支架预应力施加装置的下部腿式支撑结构360o旋转实现方式结构示意图。

图13为本发明所述棚式支架预应力施加装置的工作状态示意图。

图中，1、上部框架结构；2、下部腿式支撑结构；3、顶面多级液压油缸；4、侧面多级液压油缸；5、底面多级液压油缸；6、手型结构；7、顶面钢架；8、左侧钢架；9、底面钢架；10、右侧钢架；11、齿形凹槽；12、U型组合结构；13、齿状连接杆；14、柱状连接杆；15、U型凸块；16、底面钢架U型组合结构；17、方形凹槽；18、底面钢架腿式支撑结构连接孔；19、外侧钢管；20、内侧钢管；21、胶轮连接杆；22、内侧钢管连接孔；23、连接螺丝；24、胶轮；25、集成液压油泵；26、棚式支架；27、矩形槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明所述棚式支架预应力施加装置包括基本框架结构和集成液压油泵25两部分。

如图2所示，基本框架结构包括上部框架结构1和下部腿式支撑结构2。所述基本框架结构中的上部框架结构1具体包括位于结构顶端的顶面钢架7、位于结构底端的底面钢架9、两侧的左侧钢架8、右侧钢架10，所述顶面钢架、底面钢架、左侧钢架、右侧钢架依次焊接成矩形的框架结构，所述顶面钢架7连接两个顶面多级液压油缸3，所述左侧钢架8、右侧钢架10各连接一个侧面多级液压油缸4，所述底面钢架9连接两个底面多级液压油缸5。在所述多级液压油缸的端部连接有手型结构6，手型结构6增加了装置与棚式支架26的接触面积，实现有效施加预应力的目的。基本框架结构中所有多级液压油缸的尾部均连接至集成液压油泵25，可以对液压油缸进行伸缩控制，从而实现对不同尺寸棚式支架的预压支撑，以达到提高支架支护效果的目的。

所述顶面钢架连接的两个顶面多级液压油缸3各由4~5节液压伸缩杆组成，所述左侧钢架、右侧钢架连接的侧面多级液压油缸4各由3~4节液压伸缩杆组成，底面钢架连接的两个底面多级液压油缸5各由2~3节液压伸缩杆组成。所述底面钢架9的长度大于顶面钢架7的长度，底面钢架9的宽度大于或等于顶面钢架7的宽度，所述上部框架结构1中底面钢架9的下侧四角位置对称布置四个底面钢架腿式支撑结构连接孔18。

如图3所示，所述基本框架结构的上部框架结构1中的顶面钢架7连接两个顶面多级液压油缸3，所述顶面钢架7由高强度钢板加工而成，钢板厚度为30mm~50mm，在钢架朝向钢架外侧的外侧面设有用于安装顶面多级液压油缸的矩形槽27，所述矩形槽27的一内侧壁上设有内凹的周边具有齿槽的齿形凹槽11，与所述内侧壁对应的另一内侧壁上设有U型凹槽，所述U型凹槽外还设有位于矩形槽内的U型凸块15，所述U型凹槽和U型凸块15组成U型组合结构12，所述U型组合结构12的开口方向朝向框架外侧。

顶面钢架7通过设于矩形槽27内一侧的齿形凹槽11和另一侧的U型组合结构12与顶面多级液压油缸3连接，齿形凹槽11和U型组合结构12具体结构如图4所示。对应的，顶面多级液压油缸3与齿形凹槽11连接的一侧设有齿状连接杆13，所述液压油缸在与U型组合结构12连接的一侧设有柱状连接杆14，齿状连接杆13的横截面直径为30~60mm，柱状连接杆14的横截面直径为30~50mm，以有效承载多级液压油缸预应力的施加。柱状连接杆14的长度两倍于齿状连接杆13，实现安装便捷的目的，齿状连接杆13和柱状连接杆14具体结构如图5所示。安装顶面多级液压油缸时，柱状连接杆14沿着顶面U型组合结构12进入顶面钢架，当柱状连接杆14到达U型组合结构12的底部，即齿状连接杆13和齿形凹槽11的圆心位于同一高度时，水平移动多级液压油缸，使齿状连接杆13对应装入齿形凹槽11，同时柱状连接杆14支撑于U型组合结构12，此时，即完成顶面多级液压油缸的安装。通过转动齿状连接杆13，可以实现多级液压油缸的固定角度转动，同时可以根据需要将多级液压油缸与上部框架结构1安装或拆卸，以便于现场搬运和施工。

所述基本框架结构的上部框架结构1中，左、右两侧钢架8、10各连接一个侧面多级液压油缸4，左右两侧钢架结构对称，其中，左侧钢架8如图6所示。所述左侧钢架8由高强度钢板加工而成，钢板厚度为30mm~50mm，在钢架外侧面设有用于安装侧面多级液压油缸的矩形槽27，所述矩形槽27的一内侧壁上设有内凹的周边具有齿槽的齿形凹槽11，与所述内侧壁对应的另一内侧壁上设有U型凹槽，所述U型凹槽外还设有U型凸块15，所述U型凹槽和U型凸块15组成U型组合结构12，所述U型组合结构12的开口方向朝向框架外侧，具体结构如图7所示。

左侧钢架8通过设于矩形槽27内一侧的齿形凹槽11和另一侧的U型组合结构12与侧面多级液压油缸4连接。对应的，侧面多级液压油缸4与齿形凹槽11连接的一侧设有齿状连接杆13，所述液压油缸在与U型组合结构12连接的一侧设有柱状连接杆14，齿状连接杆13的横截面直径为30~60mm，柱状连接杆14的横截面直径为30~50mm，柱状连接杆14的长度两倍于齿状连接杆13，齿状连接杆13和柱状连接杆14具体结构如图5所示。安装侧面多级液压油缸时，柱状连接杆14沿着侧面U型组合结构12进入侧面钢架，当柱状连接杆14到达U型组合结构12的底部，即齿状连接杆13和齿形凹槽11的圆心位于同一高度时，水平移动多级液压油缸，使齿状连接杆13对应装入齿形凹槽11，同时柱状连接杆14支撑于U型组合结构12，此时，即完成侧面多级液压油缸的安装。通过转动齿状连接杆13，可以实现多级液压油缸的固定角度转动。

如图8所示，所述基本框架结构的上部框架结构1中的底面钢架9连接有两个底面多级液压油缸5，所述底面钢架9由高强度钢板加工而成，钢板厚度为30mm~50mm，在钢架外侧面设有用于安装底面多级液压油缸的矩形槽27，所述矩形槽27的一内侧壁上设有内凹的周边具有齿槽的齿形凹槽11，与所述内侧壁对应的另一内侧壁上设有水平U型凹槽，所述水平U型凹槽外还设有水平U型凸块15，所述水平U型凹槽和水平U型凸块15组成底面U型组合结构16，所述底面U型组合结构16的开口沿水平方向，底面U型组合结构16的开口位置与方形凹槽17连接，方形凹槽17的开口向下，具体结构如图9所示。

底面钢架9通过设于矩形槽27内一侧的齿形凹槽11和另一侧底面钢架U型组合结构16与底面多级液压油缸5连接。对应的，底面多级液压油缸5与齿形凹槽11连接的一侧设有齿状连接杆13，与底面U型组合结构16连接的一侧设有柱状连接杆14，齿状连接杆13的横截面直径为30~60mm，柱状连接杆14的横截面直径为30~50mm，柱状连接杆14的长度两倍于齿状连接杆13，齿状连接杆13和柱状连接杆14具体结构如图5所示。安装底面多级液压油缸时，柱状连接杆14沿着方形凹槽17进入底面U型组合结构16，当柱状连接杆14到达底面U型组合结构16的底部，即齿状连接杆13和齿形凹槽11的圆心位于同一高度时，水平移动多级液压油缸，使齿状连接杆13对应装入齿形凹槽11，同时柱状连接杆14支撑于底面U型组合结构16，此时，即完成底面多级液压油缸的安装。通过转动齿状连接杆13，可以实现多级液压油缸的固定角度转动。

如图10所示，所述基本框架结构的下部腿式支撑结构2由四条可伸缩钢管组成，所述可伸缩钢管由内侧钢管20和外侧钢管19组成，内侧钢管下方连接有胶轮24，在外侧钢管19的底端位置加工有螺孔，在内侧钢管20的全长范围内均匀分布有螺孔22，通过螺丝23实现内侧钢管和外侧钢管的连接，具体结构如图11所示，通过改变内侧钢管与外侧钢管的连接螺孔，可以实现改变腿式支撑结构长度的目的。腿式支撑结构下部的胶轮24通过胶轮连接杆21与内侧钢管20连接，在胶轮连接杆21与内侧钢管20上加工有内凹的凹槽和外凸的钢珠，具体结构如图12所示，实现胶轮360o自由旋转的目的。

本发明所述预应力施加装置的制作方法如下：将高强度钢材根据要求，制作成顶面钢架7、左右两侧面钢架8、10和底面钢架9，各钢架的对应位置加工有齿形凹槽11和U型组合结构，底面钢架底部加工有腿式支撑结构连接孔18，上部框架结构的四面钢架采用焊接或整体浇铸的方式进行连接。选取高强度内侧钢管20根据需要均匀布置螺孔22，并在其底端通过外凸和内凹结构与下方胶轮24连接，选取与其配套的高强度外侧钢管19，在外侧钢管底部加工螺孔，采用螺丝23实现内外侧钢管的连接。采用焊接的方法将外侧钢管固定于底面钢架连接孔18。根据现场巷道断面尺寸，选取合理长度的多级液压油缸3、4、5，并在多级液压油缸的距离底端150mm~200mm的两侧位置加工齿状连接杆13和柱状连接杆14，将对应多级液压油缸安装入对应位置钢架，即完成基本框架结构的制作工作。将各多级液压油缸的尾部输油管连接至集成液压油泵25，此时即完成整个预应力施加装置的制作工作。

如图13所示，本发明所述装置的使用方法如下：根据现场巷道具体尺寸，棚式支架26整体搭接完成，保留各个连接位置处于松弛状态。将预应力施加装置移至棚式支架26下方，将对应的多级液压油缸连接至集成液压油泵25，通过调节多级液压油缸的角度实现最佳的预应力施加位置；操作多级液压油缸，使各个方向的液压伸缩杆伸出至棚式支架，确保各个方向的手型结构6均与棚式支架26完全接触并存在较小的预应力时，同时操作各个液压油缸进行预应力的施加，待各个方向的棚式支架完全贴紧围岩壁面并有较高的预应力时，锁紧集成液压油泵25，进行棚式支架连接位置的拧紧工作，待拧紧工作完成之后，集成液压油泵缓慢卸压并逐渐收回伸缩杆，此时即完成棚式支架26的预应力施加工作。

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；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种棚式支架预应力施加装置，其特征在于，所述装置包括基本框架结构和集成液压油泵；所述基本框架结构包括上部框架结构和下部腿式支撑结构，所述上部框架结构包括焊接成框架结构的顶面钢架、底面钢架、左侧钢架、右侧钢架；所述顶面钢架、底面钢架各连接两个多级液压油缸；所述左侧钢架、右侧钢架各连接一个多级液压油缸；所述下部腿式支撑结构由四条可伸缩钢管组成，所述可伸缩钢管由内侧钢管和外侧钢管组成，基本框架结构中所有多级液压油缸的尾部均连接至所述集成液压油泵；

所述顶面钢架连接的两个多级液压油缸各由4~5节液压伸缩杆组成，所述左侧钢架、右侧钢架连接的多级液压油缸各由3~4节液压伸缩杆组成，底面钢架两个多级液压油缸各由2~3节液压伸缩杆组成。

2.根据权利要求1所述的棚式支架预应力施加装置，其特征在于，所述顶面钢架、左侧钢架、右侧钢架和底面钢架均由高强度钢板加工而成；在钢架朝向外侧的各侧面设有用于安装液压油缸的矩形槽，所述矩形槽的一内侧壁上设有内凹的周边具有齿槽的齿形凹槽，与所述设有齿形凹槽的内侧壁对应的另一内侧壁上设有U型凹槽，所述U型凹槽外还设有U型凸块，所述U型凹槽和U型凸块的开口方向均朝向框架外侧。

3.根据权利要求2所述的棚式支架预应力施加装置，其特征在于，所述液压油缸在与齿形凹槽连接的一侧设有齿状连接杆，所述液压油缸在与U型凹槽连接的一侧设有柱状连接杆，柱状连接杆的长度是齿状连接杆长度的两倍。

4.根据权利要求2所述的棚式支架预应力施加装置，其特征在于，所述高强度钢板的厚度为30mm~50mm。

5.根据权利要求3所述的棚式支架预应力施加装置，其特征在于，所述齿状连接杆的横截面直径为30~60mm，柱状连接杆的横截面直径为30~50mm。

6.根据权利要求1所述的棚式支架预应力施加装置，其特征在于，所述底面钢架长度大于顶面钢架长度，底面钢架宽度大于或等于顶面钢架宽度，所述上部框架结构的底面钢架的下侧四角位置对称布置四个用于连接可伸缩钢管的圆柱孔。

7.根据权利要求1所述的棚式支架预应力施加装置，其特征在于，所述可伸缩钢管的外侧钢管底端加工有螺孔，内侧钢管全长均匀布置一定数量的螺孔，内侧钢管下方连接有胶轮。

8.根据权利要求1所述的棚式支架预应力施加装置，其特征在于，所述多级液压油缸液压伸缩杆端部与手型结构相连。