专利名称：一种u 型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及对围岩进行支护的装置，具体涉及一种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统。
背景技术：
近年来，随着矿井开采深度不断加深，巷道围岩逐渐表现出深部岩体持有高应力、大变形、强流变性等力学特征，矿压显现日益剧烈，巷道围岩治理困难逐步上升为制约深部矿井生产的一个主要因素。U型钢支架由于具有较高的支护强度；能较好地适应大变形、高 地压；安装方便且能够重复使用等特点，因而具有较强的应用范围，被广泛应用于许多煤矿的主要巷道和软岩地段。然而，U型钢支架虽然具有上述一些优点，但在实际工程应用中常存在以下几个方面的问题(I)它属于被动支护方式,不能在围岩松动变形前给围岩施加一定大小的初撑力。(2)由于围岩与U型钢支架间的背板充填不密实，且围岩表面凹凸不平，使得U型钢支架常因整体结构受力不均而导致折损破坏。(3)随着矿井开采深度的增加，U型钢支架的承载能力已明显不足，井下大量的支架发生变形破坏，巷道维修费用增加，材料回收利用困难。针对以上问题，目前常用的解决方法有①采用高强度、刚度好的U型钢支架来对围岩进行支护。但是仅依靠提高U型钢强度、刚度来解决巷道支护问题是不切实际的，必须要同时保证支护体与围岩体在强度、刚度和结构上的耦合，才能实现最佳支护效果。②采用U型钢支架壁后充填的方法。壁后充填法在很大程度上改变了 U型钢支架的受力特性，使支架沿周边承受均匀荷载，有利于发挥支架的支撑力；但缺点是不能在围岩松动前给其施加初撑力来防止岩体进一步的松动和滑落；另外受工程性质、支护工艺及巷道使用年限等因素的限制，壁后充填塑性材料的造价费用昂贵，不经济适用，同时亦不利于U型钢支架的回收复用。
发明内容本实用新型的目的是提供一种构造简单，使用方便，确保支架安全、有效、可靠工作，减少或避免了其在不均布荷载及大变形软岩作用下的破坏，提高支架承载能力的一种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统。为了克服现有技术上的不足，一种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统由U型钢支架、围岩应力耦合器、围岩体组成，本实用新型的特殊之处在于所述围岩应力耦合器一端与围岩连接，另一端与U型钢支架连接；所述围岩应力耦合器由上承载体、带有螺纹的螺杆、螺母、调节螺母、下承载体组成，所述带有螺纹的螺杆一端通过螺母与上承载体固定连接；所述带有螺纹的螺杆通过调节螺母与下承载体固定连接；所述下承载体与U型钢支架固定连接。所述U型钢支架安装围岩应力耦合器相邻的距离为80mm 100mm。[0010]所述上承载体为碟形状托盘或板块状。所述螺杆为圆形螺杆。所述下承载体为凹槽形或普通槽钢。所述上承载体材料为金属材料或工程塑性材料。将围岩同U型钢支架连接，井能通过调节螺杆上的螺母高度来协调、平衡上部围岩的不均布荷载，使得围岩压力均匀地传递到U型钢支架上，U型钢支架的承载能力得以正常发挥，保证了 U型钢支架的安全使用。本实用新型与现有技术相比，构造简单，使用方便，装置充分考虑了受施工技木、岩性条件、巷道掘进方式及支护エ艺等因素的影响，软岩巷道初次开挖后围岩的松散性和毛断面的不平整性，以及巷道周边同架设的U型钢支架之间所存在的不规则空洞空间(约10 40cm)，并在U型钢支架壁后充填技术的基础上，使围岩与U型钢支架之间更近一歩地由不规则的点接触转变为均布的点接触，变集中荷载为均布荷载，同时给围岩施加一定大小的初撑力，能协调上部围岩的不均布压力，从而变被动支护为耦合支护，确保了在不均布荷载作用下U型钢支架安全、可靠的工作，減少或避免了其破坏。本实用新型耦合器具有以下几个特点(I)可对围岩预加20 50kN大小的初撑力。从而防止了围岩进一歩的松动与滑落，避免了巷道失稳破坏。(2)可利用其自身的调节性，将上部荷载均匀地传递给U型钢支架，使其承载能力増大。它更好地实现了围岩-耦合器-U型钢支架三者形成ー个共同的力学承载体系，充分发挥了支架和围岩本身的承载能力，有效地控制了围岩变形，提高了巷道的自身稳定性。(3)具有一定的减压作用，且支护エ艺安全简单，经济适用，并有利于井下U型钢支架的回收复用。广泛用于冶金，煤矿，水利，鉄路，国防，地铁，公路等行业的地下工程。
图I为本实用新型耦合器结构示意图；图2为围岩-耦合器-U型钢支架结构示意图；图3为图I在巷道支护中实施例结构示意图。图4为耦合器荷载-变形曲线图；图5为U型钢支架荷载-变形曲线图；具体实施方式
图附图为本实用新型的实施例
以下结合附图对发明内容作进ー步的详细说明參照图I、图2、图3所示，ー种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统由U型钢支架、围岩应カ稱合器、围岩组成，所述围岩应カ稱合器8 —端与围岩7连接,另一端与U型钢支架6连接；所述围岩应カ耦合器8由上承载体I、带有螺纹的螺杆2、螺母5、调节螺母4、下承载体3组成，所述带有螺纹的螺杆2 —端通过螺母5与上承载体I固定连接；所述带有螺纹的螺杆2通过调节螺母4与下承载体3固定连接；所述下承载体3与U型钢支架6固定连接。[0029]所述U型钢支架安装围岩应力耦合器相邻的距离为80mm 100mm。所述上承载体为碟形状托盘或板块状。 所述螺杆为圆形螺杆。所述下承载体为凹槽形或普通槽钢。所述上承载体材料为金属材料或工程塑性材料。图2所示，为围岩-耦合器-U型钢支架结构示意图，它由耦合器上部通过上承载体I与围岩7接触，下部通过下承载体3与U型钢支架6连接，从而将上部荷载传递到U型钢支架6上。所示上承载体I的上侧面同围岩7接触，下侧面同带有螺纹的螺杆2的六角端头组合，带有螺纹的螺杆2再依次穿过下承载体3的中心孔，进入框式支架6的U型槽口内。其中，可以通过旋动下承载体3上部的螺母5来调节上承载体I与上部围岩7间的距离，与围岩7能紧密接触；通过旋转螺母5人为地给围岩7施加一定大小的初撑力(20kN 50kN)，这样不但防止了初次开挖后巷道围岩的进一步松散与冒落，而且使得传递到U型钢支架6上的围岩7应力均匀分布，改善了 U型钢支架6的受力特性，使其能够发挥正常的承载能力，从而达到了围岩-耦合器-U型钢支架三者形成一个共同的力学承载体系，充分发挥支架和围岩本身的承载能力，有效地控制了围岩变形，提高了巷道的稳定性。图3所示，为围岩-耦合器-U型钢支架结构工程应用示意图。图4所示，为耦合器的荷载-变形曲线图，由图可以看出，对于特定尺寸的上下承载体耦合器，在荷载达到70kN左右时，耦合器的上、下承载体开始进入屈服阶段。对不同围岩应力的巷道，可选用不同尺寸规格的上下承载体所组成的耦合器，以达到合理的支护效
果O将围岩同U型钢支架连接，并能通过调节带有螺纹的螺杆上的螺母高度来协调、平衡上部围岩的不均布荷载，使得围岩压力均匀地传递到U型钢支架6上，U型钢支架6的承载能力得以正常发挥，保证了 U型钢支架6的安全使用。另外，结合实际的工程项目，并考虑巷道围岩特性，可选用适宜的、不同尺寸规格的耦合器与U型钢支架(U18、U25、U29或U36型)形成不同的组合体，以便在保证巷道围岩支护安全可靠的前提下，使工程的费用造价合理化、最小化。同时可调整围岩周边施加耦合器的间距来进一步改变U型钢支架的受力状态，达到最佳支护效果。图5所示，为两组采用耦合器8的U型钢支架荷载-变形曲线图；通过两条曲线可以看出，该新型耦合器8能使U型钢支架的承载力达到700KN以上，其断面收缩率显著减少，设计使用时可根据需要选择合理的耦合器各参数，大幅度的提高了支架的承载能力。综上所述，耦合器的作用多数情况下，支架与围岩并不是完全接触的，而是存在一定的空洞。首先，不能给围岩提供较大的初撑力，其次是传递荷载的不均匀性，另一方面对围岩压力的不可调节性，这使得同一种结构型式的支架所承受的荷载特征不同，支架的承载能力和支护阻力相差十分悬殊。例如，直腿式拱形U型钢(29kg/m)可缩性支架，在5种不同类型的荷载作用下，按理论计算结果，其承载能力见表I。
权利要求1.ー种U型钢支架与围岩应力稱合器联合支护系统,该系统由U型钢支架、围岩应力率禹合器、围岩体组成，其特征在于所述围岩应力稱合器(8) —端与围岩(7)连接,另一端与U型钢支架(6)连接；所述围岩应カ耦合器(8)由上承载体(I)、带有螺纹的螺杆(2)、螺母(5)、调节螺母(4)、下承载体(3)组成，所述带有螺纹的螺杆(2)—端通过螺母(5)与上承载体(I)固定连接；所述带有螺纹的螺杆(2)通过调节螺母(4)与下承载体(3)固定连接；所述下承载体(3)与U型钢支架(6)固定连接。
2.根据权利要求I所述的ー种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统，其特征在于所述U型钢支架安装围岩应力耦合器相邻的距离为80mm 100mm。
3.根据权利要求I所述的ー种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统，其特征在于所述上承载体为碟形状托盘或板块状。
4.根据权利要求I所述的ー种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统，其特征在于所述螺杆为圆形螺杆。
5.根据权利要求I所述的ー种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统，其特征在于所述下承载体为凹槽形或普通槽钢。
6.根据权利要求I或3所述的ー种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统，其特征在于所述上承载体材料为金属材料或工程塑性材料。
专利摘要本实用新型公开了一种U型钢支架与围岩应力耦合器联合支护系统。耦合器一端与围岩连接，另一端与U型钢支架连接；耦合器由上承载体、螺杆、螺母、调节螺母、下承载体组成，螺杆一端通过螺母与上承载体固定连接；螺杆通过调节螺母与下承载体固定连接；下承载体与U型支架固定连接。具有构造简单，使用方便，确保支架安全、有效、可靠工作，减少或避免了U型钢支架在不均布荷载及大变形软岩作用下的破坏，提高支架承载能力的特点，实现了围岩-耦合器-U型钢支架三者共同的力学承载体系，发挥了支架和围岩本身承载能力，有效地控制围岩变形，提高巷道的自身稳定性。广泛用于冶金，煤矿，水利，铁路，国防，地铁，公路等行业的地下工程。
文档编号E21D11/36GK202718680SQ20122043665
公开日2013年2月6日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者陈新年, 奚家米, 张琨, 王爱辉, 张志梁, 郭颖 申请人:西安科技大学