CN107060806A - 一种可主动稳固围岩的u型钢支架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可主动稳固围岩的U型钢支架，包括：拱顶U型钢，棚腿部异形U型钢，卡箍，U型弹性填充元件，锚杆膨胀构件；其特征在于：弧形拱顶U型钢的两端***或搭接在两帮棚腿部异形U型钢的弯曲部分上，二者用卡箍连接、固定，U型弹性填充元件安装在U型钢支架壁后，与U型钢支架、围岩紧密接触且将二者隔离开，两帮棚腿部异形U型钢边缘进行加宽处理，且棚腿部异形U型钢、拱顶U型钢及U型弹性填充元件均预留锚杆孔，锚杆膨胀构件穿过锚杆孔钻入围岩，与U型钢支架构成统一支护结构；本发明能主动对围岩施加初撑力，提高围岩的自承能力，能改善U型钢支架受力状态且增强了其局部及整体支护强度，保证可缩性的同时又提高了支护效率。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下或隧道支护技术领域，尤其是涉及一种可主动稳固围岩的U型钢支架，该可主动稳固围岩的U型钢支架用于矿井巷道支护，保持巷道畅通和围岩稳定。
背景技术
目前，金属支架支护技术已在国内外矿井巷道、铁路及各类地下工程的隧道支护中得到普遍应用，是施工工程实现安全、高产和高效必不可少的关键技术之一。随着巷道金属支架支护技术的日趋成熟，在矿井巷道或隧道支护中的应用也日渐重要。传统U型钢支架的种类有很多，通过不同类型的U型钢在工程中的应用发现，现有的U型钢在支护过程中存在稳定性差，受力不均匀，易在点荷载或局部荷载作用下造成破坏，作为被动支护方式，难以对围岩施加较大的初撑力，支护强度低等主要缺点。如发明专利(CN105649657A)公开了一种具有柔性稳结支撑装置的U型钢支架，能对巷道某一位置的小面积局部来压进行有效支撑，如发明专利(CN105422145A)公开了一种具有增阻吸能功效的U型钢可缩性支架，能够利用定力限位块实现预紧力的定力输出，如发明专利(CN103470279A)公开了一种可主动控制围岩变形的U型钢支架，提高了U型钢支护结构的稳定性和可靠性。传统U型钢金属支架在支护过程中是一种被动支护形式，巷道围岩变形对U型钢支架影响较大，造成支护结构不稳定，不易获得理想的支护效果；U型钢支架与围岩之间存在缝隙，不能充分密实接触，容易受到点荷载作用或局部受力过大，导致支架容易变形破坏，不能充分发挥其支护性能；现场使用经常必须在支架与围岩间进行充填，否则易使支架对围岩的初撑力下降，导致围岩的自承能力降低，造成巷道收敛变形过大。本发明的一个目的是克服或至少减少与现有技术的U型钢支架构造相关的一个或多个缺点。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术存在的问题而提供的一种可主动稳固围岩的U型钢支架，所述的可主动稳固围岩的U型钢支架主要用于矿井巷道或地下工程围岩的支护，属于主动支护方式，与U型弹性填充元件相互配合安装，共同主动给围岩施加初撑力，较大程度发挥围岩的自撑能力，锚杆膨胀构件穿过锚杆孔，配合U型钢支架安装，共同构成统一支护结构，更好地促进U型钢支架与围岩之间的相互作用，保证了U型钢支架的稳定性，同时又可以更好地加固围岩，有效减少围岩变形对U型钢支架的挤压破坏，各个部件之间共同作用，增强了U型钢支架局部及整体的支护强度，改善了U型钢支架的支护性能，降低巷道收敛变形，有利于巷道畅通和围岩稳定。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
提供一种可主动稳固围岩的U型钢支架，主要包括棚腿部异形U型钢1，U型弹性填充元件2，锚杆膨胀构件3，锚杆孔4，卡箍5，拱顶U型钢6。
所述的可主动稳固围岩的U型钢支架，拱顶U型钢6的两端***或搭接在两帮棚腿部异形U型钢1的弯曲部分上，二者的搭接处用卡箍5进行固定，组成U型钢支架的基本结构，其外侧连接有U型弹性填充元件2，锚杆膨胀构件3穿过预先加工留设的锚杆孔4进行安装，将拱顶U型钢6、棚腿部异形U型钢1与U型弹性填充元件2连接形成统一支护结构，各构件之间相互作用，共同稳固围岩。
所述的可主动稳固围岩的U型钢支架，拱顶U型钢6用矿用U型钢加工制成，且预先加工有锚杆孔4，锚杆膨胀构件3穿过锚杆孔4安装，更有利于稳固围岩，拱顶U型钢6的两端部加工有弧形，以便***或搭接在两帮棚腿部异形U型钢1的弯曲部分上，其凹槽一侧与U型弹性填充元件2紧密贴合，主动对围岩施加初撑力，保证在支护围岩过程中各部件共同承载。
所述的可主动稳固围岩的U型钢支架，棚腿部异形U型钢1用矿用U型钢加工制成，其边缘1-2需进行加宽处理，柱腿下部焊接有铁板底座1-3，且预先加工有锚杆孔4，锚杆孔4分别错动布置在异形U型钢的凹槽及两侧加宽的边缘上，其上端部加工有弯曲段1-1，可方便拱顶U型钢6的两端***或搭接，其凹槽一侧与U型弹性填充元件2紧密贴合，保证共同稳固围岩。
所述的可主动稳固围岩的U型钢支架，U型弹性填充元件2采用高强度、高弹性的橡胶或其他弹性材料加工制成，加工预留有与拱顶U型钢6、棚腿部异形U型钢1相互对应的锚杆孔4，且与拱顶U型钢6的凹槽一侧、与棚腿部异形U型钢1加宽边缘及凹槽一侧贴合紧密接触，在支护过程中，可以保证支架与围岩间充填密实，有效简化U型钢壁后充填工序，且各相邻U型弹性填充元件2之间连接处加工有凹凸啮合结构2-1、2-2，二者相互啮合嵌入进行连接，可有效改善相邻U型钢支架之间的相互作用，对相邻棚腿之间的围岩也有支护作用，配合锚杆膨胀构件3的安装，可扩大锚杆膨胀构件3的支护范围，且改变U型钢支架被动受力状态，有效提高支架的初撑力，降低U型钢支架受力，改善其支护性能。
所述的可主动稳固围岩的U型钢支架，锚杆膨胀构件3主要包括锚固膨胀芯钉3-1、螺纹段3-2、加厚锁紧(左旋)螺母3-3、弹性密封圈3-4、膨胀管套3-5、膨胀管缝3-6、摩擦端部3-7、拱形托盘3-8、弹簧垫圈3-9、加厚紧固(右旋)螺母3-10，锚固膨胀芯钉3-1在外部荷载作用下***膨胀管套3-5，使得膨胀管缝3-6发生胀裂扩张，摩擦端部3-7对围岩7施加较大的挤紧力，弹性密封圈3-4可密封锚杆孔4，又可以将各构件隔离开，加厚紧固(右旋)螺母3-10与加厚锁紧(左旋)螺母3-3通过螺纹段3-2对锚杆膨胀构件3施加预紧力，利用拱形托盘3-8、弹簧垫圈3-9使锚杆膨胀构件3对U型钢支架和U型弹性填充元件2施加较大的预紧力，使得围岩更好地处于三向受力状态，相邻锚杆膨胀构件之间相互作用，稳固围岩，减少围岩变形压力对U型钢支架的作用，膨胀构件3穿过预先加工的锚杆孔4将拱顶U型钢6、棚腿部异形U型钢1与U型弹性填充元件2连接为整体，共同控制围岩变形，改善U型钢支架的支护性能，增强U型钢支架局部及整体的支护强度，同时可防止U型钢支架在围岩变形压力作用下发生倾倒，提高支护结构的稳定性。
所述的可主动稳固围岩的U型钢支架，卡箍5用于固定拱顶U型钢6和棚腿部异形U型钢1的搭接处，通过卡箍5的松紧程度来调节和控制支架的可缩性，利用卡箍5上的螺帽扭紧力矩来使得支架对围岩施加初撑力，有利于改善围岩的自承能力。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1.本发明的可主动稳固围岩的U型钢支架，通过U型弹性填充元件、锚杆膨胀构件、拱顶U型钢及棚腿部异形U型钢各部件之间相互作用，构成统一的支护结构，改变了U型钢支架的被动受力状态，可以主动对围岩施加较大的初撑力，有效提高了围岩的自承能力，降低了围岩收敛变形，有利于围岩稳定性控制。
2.本发明的可主动稳固围岩的U型钢支架，设计有锚杆膨胀构件，能使围岩处于三向受力状态，增强了围岩之间的相互作用力，使得围岩更加稳固，进而降低围岩变形对U型钢支架的受力，同时防止U型钢支架在支护过程中发生倾倒，提高了U型钢支架的稳定性。
3.本发明的可主动稳固围岩的U型钢支架，采用U型弹性填充元件可以保证U型钢支架可缩性的同时又简化了其壁后充填的工序，改善U型钢支架与围岩的相互作用关系，改善了U型钢支架的受力状态，降低了U型钢支架受力，增大了支护范围，改善了其支护性能。
4.本发明的可主动稳固围岩的U型钢支架，制造工艺简单，支护可靠，成本低廉。
附图说明
图1本发明的可主动稳固围岩的U型钢支架整体装配示意图
图2本发明的棚腿部异形U型钢锚杆孔布置示意图
图3本发明的锚杆膨胀构件装配示意图
图4本发明U型钢支架稳固围岩原理图
图5本发明的锚杆膨胀构件预紧力施加原理图
图6本发明U型钢支架各组成部件安装原理图
图7本发明相邻新型U型钢支架之间的安装原理图
图8本发明的U型弹性填充元件端部凹凸啮合结构示意图
图9本发明的相邻U型弹性填充元件啮合结构连接示意图
在图中，1－棚腿部异形U型钢2－U型弹性填充元件3－锚杆膨胀构件4－锚杆孔5－卡箍6－拱顶U型钢7－围岩1-1－棚腿部异形U型钢的弯曲段1-2－棚腿部异形U型钢的加宽边缘1-3－铁板底座2-1－U型弹性填充元件端部凹形啮合结构2-2－U型弹性填充元件端部凸形啮合结构3-1－锚固膨胀芯钉3-2－螺纹段3-3－加厚锁紧(左旋)螺母3-4－弹性密封圈3-5－膨胀管套3-6－膨胀管缝3-7－摩擦端部3-8－拱形托盘3-9－弹簧垫圈3-10－加厚紧固(右旋)螺母
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
工作原理：拱顶U型钢6的两端***或搭接在两帮棚腿部异形U型钢1的弯曲段1-1上，二者的搭接处用卡箍5进行固定，组成U型钢支架的基本结构；U型弹性填充元件2与拱顶U型钢6的凹槽一侧、与棚腿部异形U型钢1加宽边缘及凹槽一侧贴合紧密接触，在支护过程中，可以保证支架与围岩间充填密实，有效简化U型钢壁后充填工序，且各相邻U型弹性填充元件2之间连接处加工有凹凸啮合结构2-1、2-2，二者相互啮合嵌入进行连接，可有效改善相邻U型钢支架之间的相互作用，对相邻棚腿之间的围岩也可进行支护；锚杆膨胀构件3主要包括锚固膨胀芯钉3-1、螺纹段3-2、加厚锁紧(左旋)螺母3-3、弹性密封圈3-4、膨胀管套3-5、膨胀管缝3-6、摩擦端部3-7、拱形托盘3-8、弹簧垫圈3-9、加厚紧固(右旋)螺母3-10，锚固膨胀芯钉3-1在外部荷载作用下***膨胀管套3-5，使得膨胀管缝3-6发生胀裂扩张，摩擦端部3-7对围岩7施加较大的挤紧力，弹性密封圈3-4可密封锚杆孔4，又可以将各构件隔离开，加厚紧固(右旋)螺母3-10与加厚锁紧(左旋)螺母3-3通过螺纹段3-2对锚杆膨胀构件3施加预紧力，利用拱形托盘3-8、弹簧垫圈3-9使锚杆膨胀构件3对棚腿部异形U型钢1和U型弹性填充元件2施加较大的预紧力，使得围岩更好地处于三向受力状态，相邻锚杆膨胀构件之间相互作用，稳固围岩，减少围岩变形压力对U型钢支架的作用，锚杆膨胀构件3穿过预先加工的锚杆孔4将拱顶U型钢6、棚腿部异形U型钢1与U型弹性填充元件2连接为整体，共同控制围岩变形，提高U型钢支架的支护强度，同时可防止U型钢支架在围岩变形压力作用下发生倾倒，提高支护结构的稳定性，各部件之间相互作用，构成统一的支护结构，改变了U型钢支架的被动受力状态，改善其支护性能，更好地稳固围岩。
组成部件：
一种可主动稳固围岩的U型钢支架：1－棚腿部异形U型钢，2－U型弹性填充元件，3－膨胀构件，4－锚杆孔，5－卡箍，6－拱顶U型钢。
工作过程：如图1所示，U型钢支架在围岩支护安装过程中，拱顶U型钢6的两端***或搭接在两帮棚腿部异形U型钢1的弯曲段1-1上，二者的搭接处用卡箍5进行固定，组成U型钢支架的基本结构；如图6、图7所示，U型弹性填充元件2与拱顶U型钢6的凹槽一侧、与棚腿部异形U型钢1加宽边缘及凹槽一侧贴合紧密接触，在支护过程中，可以保证支架与围岩间充填密实，有效简化U型钢壁后充填工序，如图8、图9所示，各相邻U型弹性填充元件2之间连接处加工有凹凸啮合结构2-1、2-2，二者相互啮合嵌入进行连接，可有效改善相邻U型钢支架之间的相互作用，对相邻棚腿之间的围岩也可进行支护；如图3、图4所示，锚杆膨胀构件3主要包括锚固膨胀芯钉3-1、螺纹段3-2、加厚锁紧(左旋)螺母3-3、弹性密封圈3-4、膨胀管套3-5、膨胀管缝3-6、摩擦端部3-7、拱形托盘3-8、弹簧垫圈3-9、加厚紧固(右旋)螺母3-10，锚固膨胀芯钉3-1在外部荷载作用下***膨胀管套3-5，使得膨胀管缝3-6发生胀裂扩张，摩擦端部3-7对围岩7施加较大的挤紧力，弹性密封圈3-4可密封锚杆孔4，又可以将各构件隔离开，如图5所示，加厚紧固(右旋)螺母3-10与加厚锁紧(左旋)螺母3-3通过螺纹段3-2对锚杆膨胀构件3施加预紧力，利用拱形托盘3-8、弹簧垫圈3-9使锚杆膨胀构件3对棚腿部异形U型钢1和U型弹性填充元件2施加较大的预紧力，使得围岩更好地处于三向受力状态，相邻锚杆膨胀构件之间相互作用，稳固围岩，减少围岩变形的压力对U型钢支架的作用，锚杆膨胀构件3穿过预先加工的锚杆孔4将拱顶U型钢6、棚腿部异形U型钢1与U型弹性填充元件2连接为整体，共同控制围岩变形，提高U型钢支架的支护强度，同时可防止U型钢支架在围岩变形压力作用下发生倾倒，提高支护结构的稳定性，各部件之间相互作用，构成统一的支护结构，改变了U型钢支架的被动受力状态，改善其支护性能，更好地稳固围岩。
拱顶U型钢的结构和功能：如图1所示，拱顶U型钢6用矿用U型钢加工制成，且预先加工有锚杆孔4，锚杆膨胀构件3穿过锚杆孔4安装，更有利于稳固围岩，拱顶U型钢6的两端部加工有弧形，以便***或搭接在两帮棚腿部异形U型钢1的弯曲部分上，其凹槽一侧与U型弹性填充元件2紧密贴合，主动对围岩施加初撑力，保证在支护围岩过程中各部件共同承载。
棚腿部异形U型钢的结构和功能：如图2所示，棚腿部异形U型钢1用矿用U型钢加工制成，其边缘1-2需进行加宽处理，柱腿下部焊接有铁板底座1-3，且预先加工有锚杆孔4，锚杆孔4分别错动布置在异形U型钢的凹槽及两侧加宽的边缘上，且其上端部加工有弯曲段1-1，如图1所示，棚腿部异形U型钢1的弯曲段1-1可以与拱顶U型钢6的弧形段***或搭接在一起，该搭接处用卡箍5进行固定，如图6所示，棚腿部异形U型钢1的凹槽一侧与U型弹性填充元件2紧密贴合，在支护过程中，利用U型弹性填充元件2改变U型钢支架的被动受力状态，主动对围岩施加较大的初撑力，提高围岩的自承能力，如图4所示，棚腿部异形U型钢1与锚杆膨胀构件3相互配合，使得U型钢支架可以较均匀地对围岩施加支护力，改善其支护效果。
U型弹性填充元件的结构、功能及材质：如图1所示，U型弹性填充元件2由高强度、高弹性的橡胶或其他弹性材料加工制成，安装在U型钢支架的壁后，如图6所示，与U型钢支架的凹槽一侧紧密贴合，减少了U型钢支架壁后充填的工序，如图4所示，U型弹性填充元件2将U型钢支架与围岩之间充填密实，主动对围岩施加初撑力，提高围岩的自承能力，还可以避免U型钢支架局部受力且可缓和、减少围岩变形压力对U型钢支架的损坏，配合锚杆膨胀构件3对围岩可施加均匀的支护力，扩大锚杆膨胀构件3的支护范围，改善整体支护性能，如图8、图9所示，相邻U型弹性填充元件2的端部设计有凹凸啮合结构2-1、2-2，通过凹凸啮合结构2-1、2-2可以相互嵌入啮合连接，二者可以相互传递荷载，对U型钢支架两相邻棚腿之间的围岩也可进行支护，扩大了支护范围，改善了各部件的受力，提高了支护性能。
锚杆膨胀构件的结构和功能：如图3所示，锚杆膨胀构件3主要包括锚固膨胀芯钉3-1、螺纹段3-2、加厚锁紧(左旋)螺母3-3、弹性密封圈3-4、膨胀管套3-5、膨胀管缝3-6、摩擦端部3-7、拱形托盘3-8、弹簧垫圈3-9、加厚紧固(右旋)螺母3-10，如图1所示，锚杆膨胀构件3穿过U型弹性填充元件2及U型钢支架上预留的锚杆孔4钻入围岩钻孔，进而配合各部件来稳固围岩，如图4所示，锚固膨胀芯钉3-1在外部荷载作用下***膨胀管套3-5，使得膨胀管缝3-6发生胀裂扩张，摩擦端部3-7对围岩7施加较大的挤紧力，弹性密封圈3-4可密封锚杆孔4，又可以将各构件隔离开，加厚紧固(右旋)螺母3-10与加厚锁紧(左旋)螺母3-3通过螺纹段3-2对锚杆膨胀构件3施加预紧力，利用拱形托盘3-8、弹簧垫圈3-9使锚杆膨胀构件3对棚腿部异形U型钢1和U型弹性填充元件2施加较大的预紧力，同时U型钢支架又扩大了锚杆预紧力的作用范围，相互作用使得围岩更好地处于三向受力状态，如图2所示，锚杆膨胀构件3在棚腿部异形U型钢1的凹槽及加宽边缘上错动布置，相邻锚杆膨胀构件之间可相互作用，更有效地稳固围岩，进而减少围岩变形的压力对U型钢支架的作用，膨胀构件3穿过预先加工的锚杆孔4将拱顶U型钢6、棚腿部异形U型钢1与U型弹性填充元件2连接为整体，共同控制围岩变形，提高了U型钢支架的局部及整体的支护强度，同时可防止U型钢支架在围岩变形压力作用下发生倾倒，提高支护结构的稳定性。
以上所述的实施例仅仅是对发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，任何熟悉本领域的工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，如U型钢支架的形式、构件材质和数量等等，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种可主动稳固围岩的U型钢支架，所述可主动稳固围岩的U型钢支架用于控制和加固围岩，属于矿山支护设备，其特征在于：
①由U型钢加工制成的拱顶U型钢；
②由U型钢边缘加宽而制成的带弯曲段的棚腿部异形U型钢；
③拱顶U型钢与两帮棚腿部异形U型钢之间的连接构件卡箍；
④由高强度、高弹性的橡胶或其他弹性材料加工制成的U型弹性填充元件；
⑤可以稳固围岩的锚杆膨胀构件。
2.根据权利要求1所述的拱顶U型钢，其特征在于：
①拱顶U型钢由U型钢加工制成，其预先加工成弧形且预留设锚杆孔；
②拱顶U型钢的两端可***或搭接在两帮棚腿部异形U型钢的弯曲部分上。
3.根据权利要求1所述的棚腿部异形U型钢，其特征在于：
①棚腿部异形U型钢由U型钢加工制成，且预留设锚杆孔；
②棚腿部异形U型钢加工有弯曲段，以便与拱顶U型钢的弧形通过卡箍连接组成共同承载支护结构；
③卡箍固定的拱顶U型钢与棚腿部异形U型钢二者的搭接弯曲处采用正常U型钢的尺寸，搭接处通过卡箍固定，便于保留U型钢的可缩性；
④棚腿部异形U型钢除卡箍固定处外的其他部位边缘进行加宽处理，便于安装锚杆膨胀构件。
4.根据权利要求1所述的卡箍，其特征在于：
①拱顶U型钢与两帮棚腿部异形U型钢之间的搭接处用卡箍固定；
②利用卡箍的松紧程度来调节和控制U型钢支架的可缩性；
③通过卡箍上螺帽扭紧力矩来保证U型钢支架的初撑力。
5.根据权利要求1所述的U型弹性填充元件，其特征在于：
①U型弹性填充元件由高强度、高弹性的橡胶或其他弹性材料加工制成且预留设锚杆孔，便于U型钢支架安装成形；
②U型弹性填充元件配合锚杆膨胀构件相互作用，改变了U型钢支架被动支护的受力状态，主动对围岩施加初撑力，提高了围岩的自承能力；
③U型弹性填充元件使得U型钢支架壁后与围岩间充填密实，减少了U型钢支架壁后充填的工序且有利于其整体均匀受力，同时也降低围岩变形对U型钢支架的损害；
④沿巷道轴向，相邻U型钢支架的U型弹性填充元件之间的搭接处加工有凹凸形状的啮合结构，保证二者互相嵌入、相互作用传递载荷，且扩大支护范围。
6.根据权利要求1所述的锚杆膨胀构件，其特征在于：
①锚杆膨胀构件穿过U型钢支架和U型弹性填充元件上预留设的锚杆孔钻入围岩钻孔，使各部件成为统一的整体，共同支护围岩；
②多个锚杆膨胀构件之间相互作用，共同稳固围岩，同时增强了U型钢支架局部及整体的支护强度。
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