CN113187506A - 测量围岩压力和变形的让压支护结构和方法 - Google Patents

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CN113187506A CN202110484220.6A CN202110484220A CN113187506A CN 113187506 A CN113187506 A CN 113187506A CN 202110484220 A CN202110484220 A CN 202110484220A CN 113187506 A CN113187506 A CN 113187506A
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赵延林
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姚文杰
董理金
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Abstract

本发明公开了一种测量围岩压力和变形的让压支护结构，包括主支护板、副支护板，主支护板呈倒U形，主支护板两端***底部围岩中，副支护板呈倒U形且套设于主支护板外侧，副支护板两端***底部围岩中，主支护板外侧等距离布置若干个小室，每个小室中设置一个让压支护装置，让压支护装置底部固定在小室中，让压支护装置顶部固定在副支护板内侧，副支护板和主U型支护板之间设有压力和变形测量装置。本发明通过弹簧的变形能够吸收和消耗能量，符合围岩压力的变化特点及让压支护的受力性能，并通过连接传感器、装备测量刻度尺，能够得到围岩在不同时刻的压力、释放的能量和位移，对实际工程设计有很高的指导意义，具有安全可靠，效果良好的特点。

Description

测量围岩压力和变形的让压支护结构和方法
技术领域
本发明涉及采矿工程地质技术领域，特别涉及一种测量围岩压力和变形的让压支护结构和方法。
背景技术
近年来随着开采深度的不断增加，全煤巷道及软岩巷道的数量越来越多，围岩产生松动破坏及大变形的现象也越来越普遍。围岩支护技术显得尤为重要，在围岩支护方案和支护机理上，要着眼于即允许围岩有一定的变形，又能对围岩变形进行有效的控制，充分利用围岩自身的承载能力，实现主动支护，保证让压支护结构的稳定。
让压支护的设计往往决定让压支护结构的有效性和使用寿命。在过去多年的围岩工程实践中，人们创造了许多具有让压功能的支护材料和支护结构，并在隧道让压支护方面取得了一定的成果，但都较多集中在概念定性分析和试验研究，让压支护的力学反应研究较少，并且在支护中测量不出围岩压力、释放的能量和围岩变形的位移，在实际工程设计和计算中达不到更好的参考价值。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、工作可靠的测量围岩压力和变形的让压支护结构，并提供一种支护方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种测量围岩压力和变形的让压支护结构，包括主支护板、副支护板、让压支护装置、压力和变形测量装置，所述主支护板呈倒U形，主支护板两端***底部围岩中，副支护板呈倒U形且套设于主支护板外侧，副支护板两端***底部围岩中，主支护板外侧等距离布置若干个小室，每个小室中设置一个让压支护装置，让压支护装置底部固定在小室中，让压支护装置顶部固定在副支护板内侧，副支护板和主U型支护板之间设有压力和变形测量装置，副支护板外侧与周边围岩接触，并把外界围岩的力传输给让压支护装置，主支护板位于让压支护装置下方，为让压支护装置提供支撑力，保证让压支护装置下方不发生变形移动。
上述测量围岩压力和变形的让压支护结构，所述让压支护装置包括上卡槽、上垫板、弹簧、下卡槽、传感器、下垫板、连接线，所述弹簧的上下两端分别固定设置上垫板和下垫板，上垫板固定在上卡槽中，上卡槽通过
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
号螺丝固定在副支护板内侧，下垫板固定在下卡槽中，下卡槽通过
Figure 162397DEST_PATH_IMAGE002
号螺丝固定在主支护板外侧的小室中，所述下卡槽与小室之间设有传感器，传感器端部的连接线与控制器连接。
上述测量围岩压力和变形的让压支护结构，所述上卡槽和下卡槽均呈U型且开口相对设置，上卡槽和下卡槽外侧周边均钻有带螺纹的贯穿孔洞，内侧钻有带螺纹的非贯穿孔洞。
上述测量围岩压力和变形的让压支护结构，所述上垫板与下垫板均为长方体，内部有一圈螺旋形槽与其上表面齐平，上垫板与下垫板上端均设有端部内嵌六角螺纹孔，通过端部内嵌六角螺纹孔分别与上卡槽和下卡槽固定连接。
上述测量围岩压力和变形的让压支护结构，所述传感器为长方体，传感器上端设有贯通螺纹孔道和端部内嵌六角贯通螺纹孔道。
上述测量围岩压力和变形的让压支护结构，所述弹簧为圆柱形螺旋弹簧，上下两端均做了研磨处理。
上述测量围岩压力和变形的让压支护结构，所述压力和变形测量装置包括刻度尺、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝、压槽、垫板、
Figure 449022DEST_PATH_IMAGE004
号螺丝，刻度尺下端通过垫板使用
Figure 74301DEST_PATH_IMAGE004
号螺丝与主支护板固定连接，压槽放置于刻度尺上，并使用
Figure 420969DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝将压槽与副支护板固定.
上述测量围岩压力和变形的让压支护结构，所述压槽下端与刻度尺的0mm位置对应，刻度尺与副支护板对齐的点的切线位置为刻度尺的初始刻度0mm。
一种支护方法，包括以下步骤：
步骤一：支护板的制作，支护板有主支护板和副支护板：
1-1）：用铣床在主支护板上，等距离切割若干个小室，小室的宽度与主支护板一致，在每个小室底部用螺纹铣刀加工出带螺纹的孔洞；
1-2）：选取平均直径比主支护板大的U型板为副支护板，并在副支护板内部与主支护板小室螺纹孔洞对应位置加工相同个数的螺纹孔洞；
步骤二：让压支护装置的制作与安装：将主支护板和副支护板放置于同一水平面，选取弹簧为让压装置，弹簧两端皆进行研磨处理；
2-1）：将上垫板放置于上卡槽内，用六角螺栓固定；
2-2）：把弹簧的上端一圈螺旋放入上垫板中，并将弹簧与上垫板外部接触部分进行焊接；
2-3）：将传感器放入下卡槽内，用六角螺栓固定，传感器下端相连有连接线，然后将下垫板置于传感器上面，同样用六角螺栓固定；
2-4）：把弹簧的下端一圈螺旋放入下垫板中，并将弹簧与下垫板外部接触部分进行焊接，此时让压支护装置制作完成；
2-5）：将让压支护装置放置于主支护板小室内部，并保证下垫板的贯穿孔洞与主支护小室内部带螺纹的孔洞对齐，上垫板的贯穿孔洞与副支护板预制的螺孔对齐，用
Figure 895812DEST_PATH_IMAGE001
号螺丝将上卡槽与副支护板固定，用
Figure 923811DEST_PATH_IMAGE002
号螺丝将下卡槽与主支护板固定；
步骤三：压力和变形测量装置的安装；
3-1）：将安装好让压支护装置的主支护板和副支护板竖直放置，副支护板外部与围岩接触，主支护板和副支护板下端均***围岩中；
3-2）：将刻度尺下端贴合放置于主支护板表面，在刻度尺下方放置垫板，用
Figure 167711DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝通过垫板将刻度尺和主支护板固定；
3-3）：刻度尺与副支护板对齐的点的切线位置为刻度尺的初始刻度0mm，将压槽放置于高精度尺上面，压槽下端与刻度尺初始刻度对齐，并使用
Figure 921165DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝将压槽与副支护板固定，保证刻度尺的方向固定；
步骤四：测量围压变形和围岩压力，当传感器传出的数据表示传感器位置方向的围岩局部应力的大小，刻度尺的读数为围岩变形位移的大小，根据不同小室弹簧的弹性系数以及传感器的读数，得到围岩不同位置的压力以及让压支护装置消耗围岩能量的大小。
本发明的有益效果在于：本发明在副支护板和主U型支护板之间设有让压支护装置、压力和变形测量装置，通过高强度弹簧的变形能够吸收和消耗能量，符合围岩压力的变化特点及让压支护结构的受力性能，并通过连接传感器、装备测量刻度尺，能够得到围岩在不同时刻的压力、释放的能量和位移，对实际工程设计有很高的指导意义，具有安全可靠，效果良好的特点。
附图说明
图1为本发明让压支护结构的示意图。
图2为图1中主支护板的结构示意图。
图3为图1中让压支护装置的结构示意图。
图4为图1中上卡槽的结构示意图。
图5为图1中上垫板的结构示意图。
图6为图1中传感器的结构示意图。
图7为图1中压力和变形测量装置的结构示意图。
图8为图1中压槽的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1、图2所示，一种测量围岩压力和变形的让压支护结构，包括主支护板17、副支护板1、让压支护装置、压力和变形测量装置，所述主支护板17呈倒U形，主支护板17两端***底部围岩18中，副支护板1呈倒U形且套设于主支护板17外侧，副支护板1两端***底部围岩18中，主支护板17外侧等距离布置若干个小室，每个小室中设置一个让压支护装置，让压支护装置底部固定在小室中，让压支护装置顶部固定在副支护板1内侧，副支护板和主U型支护板之间设有压力和变形测量装置，副支护板1外侧与周边围岩18接触，并把外界围岩18的力传输给让压支护装置，主支护板17位于让压支护装置下方，为让压支护装置提供支撑力，保证让压支护装置下方不发生变形移动。
如图3所示，所述让压支护装置包括上卡槽7、上垫板8、弹簧10、下卡槽11、传感器12、下垫板13、连接线15，所述弹簧10的上下两端分别固定设置上垫板8和下垫板13，上垫板8固定在上卡槽7中，上卡槽7通过
Figure 883305DEST_PATH_IMAGE001
号螺丝9固定在副支护板1内侧，下垫板13固定在下卡槽11中，下卡槽11通过
Figure 449416DEST_PATH_IMAGE002
号螺丝14固定在主支护板17外侧的小室中，所述下卡槽11与小室之间设有传感器12，传感器12端部的连接线15与控制器16连接。
如图4所示，所述上卡槽7和下卡槽11均呈U型且开口相对设置，底部厚度为60mm，上卡槽7和下卡槽11外侧周边均钻有4个带螺纹的贯穿孔洞，内侧钻有4个带螺纹的非贯穿孔洞。
如图5所示，所述上垫板8与下垫板13厚度为60mm，底面尺寸为 210mm×210mm的长方体，内部有直径为15mm的一圈螺旋形槽与其上表面齐平，上垫板8与下垫板13上端均设有4个端部内嵌六角螺纹孔，通过端部内嵌六角螺纹孔分别与上卡槽7和下卡槽11固定连接。
如图6所示，所述传感器12是高80mm，底面尺寸为210mm×210mm的长方体，传感器12上端设有4个贯通螺纹孔道和4个端部内嵌六角贯通螺纹孔道。
所述弹簧10为圆柱形螺旋弹簧，上下两端均做了研磨处理。
如图7所示，所述压力和变形测量装置包括刻度尺2、
Figure 813401DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝3、压槽4、垫板5、
Figure 236292DEST_PATH_IMAGE004
号螺丝6，刻度尺2下端通过垫板5使用
Figure 187193DEST_PATH_IMAGE004
号螺丝6与主支护板17固定连接，压槽4放置于刻度尺2上，并使用
Figure 556994DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝3将压槽4与副支护板1固定.
如图8所示，所述压槽4下端与刻度尺2的0mm位置对应，刻度尺2与副支护板1对齐的点的切线位置为刻度尺2的初始刻度0mm。
一种支护方法，包括以下步骤：
步骤一：支护板的制作，支护板有主支护板17和副支护板1：
1-1）：用铣床在距离端部1.22m的主支护板17上，等距离切割26个小室，小室的宽度与主支护板17一致，长为210mm、深度为200mm，在每个小室底部用螺纹铣刀加工出4个带螺纹的孔洞；
1-2）：选取平均直径比主支护板17大500mm、高500mm的U型板为副支护板1，并在副支护板1内部与主支护板17小室螺纹孔洞对应位置加工相同个数的螺纹孔洞；
步骤二：让压支护装置的制作与安装：将主支护板17和副支护板1放置于同一水平面，此时两块支护板的距离为500mm。选取弹簧丝直径为15mm，平均直径为150mm，高度为330mm的高强度弹簧10为让压装置，弹簧10两端皆进行研磨处理；
2-1）：将上垫板8放置于上卡槽7内，用六角螺栓固定；
2-2）：把弹簧10的上端一圈螺旋放入上垫板8中，并将弹簧10与上垫板8外部接触部分进行焊接；
2-3）：将传感器12放入下卡槽11内，用六角螺栓固定，传感器12下端相连有连接线15，然后将下垫板13置于传感器12上面，同样用六角螺栓固定；
2-4）：把弹簧10的下端一圈螺旋放入下垫板13中，并将弹簧10与下垫板13外部接触部分进行焊接，此时让压支护装置制作完成；
2-5）：将让压支护装置放置于主支护板17小室内部，并保证下垫板13的贯穿孔洞与主支护小室内部带螺纹的孔洞对齐，上垫板8的贯穿孔洞与副支护板1预制的螺孔对齐，用
Figure 509907DEST_PATH_IMAGE001
号螺丝9将上卡槽7与副支护板1固定，用
Figure 369278DEST_PATH_IMAGE002
号螺丝14将下卡槽11与主支护板17固定；
步骤三：压力和变形测量装置的安装；
3-1）：将安装好让压支护装置的主支护板17和副支护板1竖直放置，副支护板1外部与围岩18接触，主支护板17和副支护板1下端均***围岩18中，深度为1.2m；
3-2）：将刻度尺2下端贴合放置于主支护板17表面，在刻度尺2下方放置垫板5，用
Figure 40431DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝3通过垫板5将刻度尺2和主支护板17固定；
3-3）：刻度尺2与副支护板1对齐的点的切线位置为刻度尺2的初始刻度0mm，将压槽4放置于高精度尺上面，压槽4下端与刻度尺2初始刻度对齐，并使用
Figure 777705DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝3将压槽4与副支护板1固定，保证刻度尺2的方向固定；
步骤四：测量围压变形和围岩18压力，当传感器12传出的数据表示传感器12位置方向的围岩18局部应力的大小，刻度尺2的读数为围岩18变形位移的大小。根据不同小室弹簧10的弹性系数k、传感器12的读数F和传感器底面积
Figure 850703DEST_PATH_IMAGE006
，由公式
Figure 818659DEST_PATH_IMAGE008
，得到围岩18不同位置的压力P；由胡克定律
Figure 977108DEST_PATH_IMAGE010
，得到围岩18在每个让压装置位置的位移x，弹簧10的应变能为
Figure 751029DEST_PATH_IMAGE012
，W等于让压支护装置消耗围岩18能量的大小。

Claims (9)

1.一种测量围岩压力和变形的让压支护结构，其特征在于：包括主支护板、副支护板、让压支护装置、压力和变形测量装置，所述主支护板呈倒U形，主支护板两端***底部围岩中，副支护板呈倒U形且套设于主支护板外侧，副支护板两端***底部围岩中，主支护板外侧等距离布置若干个小室，每个小室中设置一个让压支护装置，让压支护装置底部固定在小室中，让压支护装置顶部固定在副支护板内侧，副支护板和主U型支护板之间设有压力和变形测量装置，副支护板外侧与周边围岩接触，并把外界围岩的力传输给让压支护装置，主支护板位于让压支护装置下方，为让压支护装置提供支撑力，保证让压支护装置下方不发生变形移动。
2.根据权利要求1所述的测量围岩压力和变形的让压支护结构，其特征在于：所述让压支护装置包括上卡槽、上垫板、弹簧、下卡槽、传感器、下垫板、连接线，所述弹簧的上下两端分别固定设置上垫板和下垫板，上垫板固定在上卡槽中，上卡槽通过
Figure DEST_PATH_IMAGE001
号螺丝固定在副支护板内侧，下垫板固定在下卡槽中，下卡槽通过
Figure 62083DEST_PATH_IMAGE002
号螺丝固定在主支护板外侧的小室中，所述下卡槽与小室之间设有传感器，传感器端部的连接线与控制器连接。
3.根据权利要求2所述的测量围岩压力和变形的让压支护结构，其特征在于：所述上卡槽和下卡槽均呈U型且开口相对设置，上卡槽和下卡槽外侧周边均钻有带螺纹的贯穿孔洞，内侧钻有带螺纹的非贯穿孔洞。
4.根据权利要求3所述的测量围岩压力和变形的让压支护结构，其特征在于：所述上垫板与下垫板均为长方体，内部有一圈螺旋形槽与其上表面齐平，上垫板与下垫板上端均设有端部内嵌六角螺纹孔，通过端部内嵌六角螺纹孔分别与上卡槽和下卡槽固定连接。
5.根据权利要求4所述的测量围岩压力和变形的让压支护结构，其特征在于：所述传感器为长方体，传感器上端设有贯通螺纹孔道和端部内嵌六角贯通螺纹孔道。
6.根据权利要求5所述的测量围岩压力和变形的让压支护结构，其特征在于：所述弹簧为圆柱形螺旋弹簧，上下两端均做了研磨处理。
7.根据权利要求6所述的测量围岩压力和变形的让压支护结构，其特征在于：所述压力和变形测量装置包括刻度尺、
Figure DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝、压槽、垫板、
Figure 949399DEST_PATH_IMAGE004
号螺丝，刻度尺下端通过垫板使用
Figure 680594DEST_PATH_IMAGE004
号螺丝与主支护板固定连接，压槽放置于刻度尺上，并使用
Figure 736275DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝将压槽与副支护板固定。
8.根据权利要求7所述的测量围岩压力和变形的让压支护结构，其特征在于：所述压槽下端与刻度尺的0mm位置对应，刻度尺与副支护板对齐的点的切线位置为刻度尺的初始刻度0mm。
9.一种基于权利要求8所述的让压支护结构的支护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：支护板的制作，支护板有主支护板和副支护板：
1-1）：用铣床在主支护板上，等距离切割若干个小室，小室的宽度与主支护板一致，在每个小室底部用螺纹铣刀加工出带螺纹的孔洞；
1-2）：选取平均直径比主支护板大的U型板为副支护板，并在副支护板内部与主支护板小室螺纹孔洞对应位置加工相同个数的螺纹孔洞；
步骤二：让压支护装置的制作与安装：将主支护板和副支护板放置于同一水平面，选取弹簧为让压装置，弹簧两端皆进行研磨处理；
2-1）：将上垫板放置于上卡槽内，用六角螺栓固定；
2-2）：把弹簧的上端一圈螺旋放入上垫板中，并将弹簧与上垫板外部接触部分进行焊接；
2-3）：将传感器放入下卡槽内，用六角螺栓固定，传感器下端相连有连接线，然后将下垫板置于传感器上面，同样用六角螺栓固定；
2-4）：把弹簧的下端一圈螺旋放入下垫板中，并将弹簧与下垫板外部接触部分进行焊接，此时让压支护装置制作完成；
2-5）：将让压支护装置放置于主支护板小室内部，并保证下垫板的贯穿孔洞与主支护小室内部带螺纹的孔洞对齐，上垫板的贯穿孔洞与副支护板预制的螺孔对齐，用
Figure 54386DEST_PATH_IMAGE001
号螺丝将上卡槽与副支护板固定，用
Figure 916032DEST_PATH_IMAGE002
号螺丝将下卡槽与主支护板固定；
步骤三：压力和变形测量装置的安装；
3-1）：将安装好让压支护装置的主支护板和副支护板竖直放置，副支护板外部与围岩接触，主支护板和副支护板下端均***围岩中；
3-2）：将刻度尺下端贴合放置于主支护板表面，在刻度尺下方放置垫板，用
Figure 501734DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝通过垫板将刻度尺和主支护板固定；
3-3）：刻度尺与副支护板对齐的点的切线位置为刻度尺的初始刻度0mm，将压槽放置于高精度尺上面，压槽下端与刻度尺初始刻度对齐，并使用
Figure 557677DEST_PATH_IMAGE003
号螺丝将压槽与副支护板固定，保证刻度尺的方向固定；
步骤四：测量围压变形和围岩压力，当传感器传出的数据表示传感器位置方向的围岩局部应力的大小，刻度尺的读数为围岩变形位移的大小，根据不同小室弹簧的弹性系数以及传感器的读数，得到围岩不同位置的压力以及让压支护装置消耗围岩能量的大小。
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