沿空巷道约束混凝土支柱施工装备及机械化施工方法与流程

本发明属于巷道挡矸支护领域，具体涉及一种巷道挡矸支护约束混凝土立柱支顶护帮体系及其机械化施工方法。

背景技术：

煤炭开采过程中，在工作面割煤后，通过沿采空区边缘布置一排挡矸支护结构来抵抗采空区垮落矸石运动产生的冲击载荷，防止矸石窜入巷道，同时使矸石沿挡矸结构堆积形成稳定的采空区侧巷帮。目前，常用的挡矸支护方案是u型钢支架和金属网沿边墙侧对碎石进行初步挡设，然后在u型钢和金属网的外侧采用切顶护帮支架对巷顶进行支护。采用该种支护方案时，需要将钢筋网、u型钢和轴压承载装置依次架设和安装。切顶护帮支架存在重量大、安装困难、成本高、需要定制以及加工周期长等问题。u型钢等支护构件则无法有效回收进行二次利用，造成极大的资源浪费。所以，这种支护方案存在成本高、施工效率慢等问题，亟需一种施工成本低、施工效率快的新型支护方式。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的以上问题，本发明提供了一种沿空巷道约束混凝土支柱施工装备及机械化施工方法，可实现约束混凝土立柱和相应的侧向连接装置的机械化安装，安装过程省时、省力，且工作效率高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种沿空巷道约束混凝土支柱施工装备，包括至少两个立柱、侧向护帮装置和至少两个连接筋，所述立柱包括立柱本体、安装于立柱本体底部的垫脚钢板和安装于立柱本体顶部的间距调节结构，所述立柱本体包括钢管和填充于钢管内部的混凝土结构，钢管上加工有至少两个连接孔，连接孔位于钢管的同一母线上；

所述间距调节结构包括第一钢板、第二钢板和至少两个导杆，第一钢板焊接于立柱本体的顶部，使第一钢板与立柱本体的顶部平行，第二钢板与第一钢板平行，第一钢板或第二钢板上设置至少两个通孔，所述导杆垂直焊接于第二钢板或第一钢板上，且分别穿过所述通孔，以调节第一钢板与第二钢板之间的距离；

每个连接筋的两端弯折设置，与立柱上的连接孔配合连接，立柱并列设置，相邻两个立柱之间连接有至少两个连接筋，得到第一加强层，将所述侧向护帮装置固定于待支护表面。

立柱的底部设置有垫脚钢板，垫脚钢板具有较大的横截面积，将立柱进行支护时，可以与地面有较大的接触面积，以提高立柱支护的强度和稳定性。立柱的顶部设置有间距调节结构，将立柱竖立起来后，调节第一钢板和第二钢板之间的距离，使第二钢板与巷道顶部紧密接触，实现立柱对巷道顶部的支护作用。可以在第一钢板与第二钢板之间填充木楔、不同厚度的钢板等，以实现牢固支护。

支柱为钢管-混凝土复合结构，一方面可以保证支柱具有较高的强度，另一方面在钢管上可以焊接把手、加工连接孔、垫脚钢板的焊接以及实现第一钢板的焊接固定等作用。

连接筋的两侧弯折，弯折段与支柱上的连接孔配合连接，便于将相邻两支柱拆卸连接。

采用以上结构便于实现支护结构的机械化施工，同时以上结构较为简单，降低了支护成本。

优选的，所述侧向护帮装置为钢筋网，立柱侧向紧贴钢筋网，对钢筋网施加作用力，将钢筋网固定在待支护面上。

该种结构施工简单，大大节省了施工成本和施工时间。

进一步优选的，每个钢管上加工有至少两个第二连接孔，第二连接孔位于同一母线上连接筋两端弯折，将相邻的立柱的同一高度位置的第二连接孔连接，得到第二加强层。

更进一步优选的，所述侧向护帮装置位于第一加强层和第二加强层之间。

优选的，所述侧向护帮装置为护帮钢板或护帮钢筋网。

进一步优选的，所述护帮钢板为整块钢板。此种是整体式护帮钢板。

进一步优选的，相邻两立柱之间的护帮钢板包括第一钢板和第二钢板，两块钢板分别与两立柱之间采用销轴连接，形成对开门结构。

此种是分离式护帮结构，采用该种结构既方便护帮钢板安装在立柱上，只需要将第一钢板和第二钢板分别与立柱之间销轴连接即可，可解决护帮钢板重量大、安装困难等问题；又不会减弱钢板对碎石帮的支护作用。

进一步优选的，所述护帮钢筋网包括四周的钢板加强结构和中间的钢筋网，钢板加强结构与钢筋网之间焊接，钢板加强结构与立柱之间采用销轴连接。

优选的，所述垫脚钢板包括支撑钢板和至少两个加强筋，支撑钢板的面积大于立柱的底面积，支撑钢板焊接于立柱的底面，且支撑钢板与立柱之间焊接所述加强筋。

采用支撑钢板与立柱底面进行焊接，并焊接加强筋，利于立柱在安装过程中稳固和受力过程中分散压力。

优选的，所述立柱的钢管的截面形状为矩形或圆形。

优选的，所述立柱的钢管侧面焊接有施工把手。可根据约束混凝土支顶柱的重量和人员操作方便性设置不同数量和设置在不同的位置。

优选的，所述间距调节结构中，第一钢板上设置有至少两个螺栓孔，螺栓孔中穿过螺栓，拧动螺栓，对第一钢板与第二钢板之间的距离进行调节。

优选的，所述导杆焊接在第一钢板上，第二钢板的对应位置加工通孔，导杆穿过通孔。

进一步优选的，所述第一钢板和第二钢板的侧面反向倾斜设置，使得第一钢板和第二钢板的最外侧之间的距离大于内侧之间的距离。

更进一步优选的，与所述巷道挡矸支顶护帮装置配合的自动化安装设备，包括行走平台、回转平台、动力臂和机械手，所述回转平台安装在行走平台上，动力臂安装在回转平台上，回转平台通过旋转调节动力臂的方向，动力臂的最前端安装机械手，所述机械手上安装有夹具，夹具的张口可调节。

夹具端部容易伸入第一钢板与第二钢板之间，通过调节夹具的张口大小，便于调节第一钢板与第二钢板之间的距离。可适用于不同截面形式的约束混凝土立柱。

一种沿空巷道约束混凝土支柱机械化施工方法，包括如下步骤：

1)巷道掘进完成后，将立柱运输至安装位置处，操作机械手将立柱夹住竖起，将立柱安装到设定位置处，调节立柱顶部的间距调节结构使第二钢板与巷道顶部紧密贴合，在第二钢板与第一钢板之间填充支持物；

2)安装下一立柱，使相邻立柱间的距离为设定距离；

3)安装侧向护帮装置；

4)将相邻立柱间采用连接筋连接，将连接筋的两端的弯折段分别卡挂于相邻两立柱侧面的连接孔上；

5)按照步骤1)-4)完成支顶护帮装置的安装。

本发明的有益效果为：

(1)立柱的底部设置有垫脚钢板，垫脚钢板具有较大的横截面积，将立柱进行支护时，可以与地面有较大的接触面积，以提高立柱支护的强度和稳定性。立柱的顶部设置有间距调节结构，将立柱竖立起来后，调节第一钢板和第二钢板之间的距离，使第二钢板与巷道顶部紧密接触，实现立柱对巷道顶部的支护作用。可以在第一钢板与第二钢板之间填充木楔、不同厚度的钢板等，以实现牢固支护。支柱为钢管-混凝土复合结构，一方面可以保证支柱具有较高的强度，另一方面在钢管上可以焊接把手、加工连接孔、垫脚钢板的焊接以及实现第一钢板的焊接固定等作用。连接筋的两侧弯折，弯折段与支柱上的连接孔配合连接，便于将相邻两支柱可拆卸连接。本发明通过整个体系的设置，方便拆卸回收，施工速度快，能实现循环利用，从而可降低施工成本、提高施工效率。

(2)采用本发明可将现场立柱进行机械化安装，减少工人数量，极大程度减少了工人劳动强度，节省大量成本的同时提高了施工安全性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明约束混凝土支顶柱示意图；

图2为本发明钢筋式纵向连接件示意图；

图3(a)、图3(b)为本发明不同形式的护帮装置示意图；

图4为本发明约束混凝土立柱机械化施工示意图；

图5为本发明尖头状承压装置；

图6为本发明特制机械手夹具；

图7为本发明另外一种形式的支顶护帮体系示意图；

图8为本发明另外一种形式支顶护帮体系的承压钢板示意图。

其中：1、立柱，2、把手，3、垫脚钢板，4、间距调节螺栓，5、承力钢板，6、侧向护帮装置，7、轴套，8、内侧连接筋，9、外侧连接筋，10、钢筋网，11、机械手，12、机械臂，13、回转平台，14、行走平台，15、导杆，16、尖角钢板，17、机械手，18、第二钢筋网。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。

实施例1

如图2所示，一种沿空巷道约束混凝土支柱施工装备，包括至少两个立柱2、侧向护帮装置6和至少两个连接筋，如图1所示，所述立柱2包括立柱本体、安装于立柱本体底部的垫脚钢板3和安装于立柱本体顶部的间距调节结构，所述立柱本体包括钢管和填充于钢管内部的混凝土结构，钢管上加工有至少两个连接孔，连接孔位于钢管的同一母线上。

所述间距调节结构包括第一钢板、第二钢板和至少两个导杆，第一钢板焊接于立柱本体的顶部，使第一钢板与立柱本体的顶部平行，第二钢板作为承力钢板5与第一钢板平行，第一钢板或第二钢板上设置至少两个通孔，所述导杆垂直焊接于第二钢板或第一钢板上，且分别穿过所述通孔，以调节第一钢板与第二钢板之间的距离；导杆的作用是使第二钢板沿导杆设定的方向定向移动，防止第二钢板的跑偏。为了更好地起到导向作用，导杆的数量为3个或3个以上，如3个导杆组成三角形，具有更稳定的导向作用。

每个连接筋的两端弯折设置，与立柱上的连接孔配合连接，立柱并列设置，相邻两个立柱之间连接有至少两个连接筋，连接筋卡挂在同一母线上的连接孔上，得到内侧连接筋8，同时设置外侧连接筋9，将侧向护帮装置6固定在内侧连接筋8和外侧连接筋9之间。

具体的，第一钢板上设置有至少两个螺栓孔，间距调节螺栓4穿过螺栓孔，其顶部抵住承力钢板5，拧动间距调节螺栓4，对第一钢板与承力钢板5之间的距离进行调节，第一钢板与承力钢板5之间的距离调节完毕后，在第一钢板与承力钢板5之间进行填充，以使成立钢板5紧密贴合在巷道顶部。立柱1可以为矩形、圆形、u型等不同截面形式，如图2所示为矩形，内部填充不同种类和不同型号等级的混凝土。

由于立柱1的外表面是钢管，所以可以在钢管上焊接把手2，以便于工人抬设，便于施工。垫脚钢板3包括支撑钢板和至少两个加强筋，支撑钢板的面积大于立柱1的底面积，支撑钢板焊接于立柱1的底面，且支撑钢板与立柱之间焊接有加强筋，以提高立柱在安装过程中的稳固性和在受力过程中对压力的承受力。侧向护帮装置6为整块钢板，整块钢板与相邻两立柱之间通过销轴连接。

立柱1侧面加工的连接孔可以具体为轴套7，轴套7用于与连接筋连接。

实施例2

承压装置，即间距调节结构，可采用另外一种形式，即第一钢板和承力钢板均采用尖角钢板16，如图5所示，夹角钢板16的端部设置有倾斜尖端，第一钢板和第二钢板的尖端的倾斜方向相反，以使第一钢板和第二钢板的端部之间有较大的间隙，辅以特制的尖角式机械手17，如图6所示，方便尖角式机械手17便于插入第一钢板和第二钢板之间。导杆15的下端焊接在第一钢板上，上端穿过设置于第二钢板上的通孔，尖角钢板16在导杆15的连接下可沿上下方向上滑动，待立柱位置固定后，机械手17尖角深入尖角式平行的尖角钢板16内，机械手17张开，使上端的尖角钢板16沿导杆15向上移动，将上方的尖角钢板16顶升至与围岩接触。

纵向连接装置为钢筋式连接装置，分为靠近采空区的外侧连接筋9和留巷侧的内侧连接筋8，焊接在立柱1上的轴套7进行卡合固定。内侧连接筋8和外侧连接筋9中间预留空间以供侧向护帮装置6进行安装。侧向护帮装置，为如图所3(a)所示高强护帮钢板，在护帮装置的两侧通过销轴结构7与约束混凝土立柱1进行连接和固定。其中，高强护帮钢板，分为对称的两部分，一部分与一侧的支顶柱连接安装，另一部分与另一侧的支顶柱连接安装，通过护帮装置与支顶柱间的轴套结构可实现分离式护帮装置的对开对合。

可以实现自动化安装的自动化安装设备，如图4所示，包括行走平台14、回转平台13、机械臂12和机械手11，其中，所述行走平台14在驱动装置的驱动下行走，所述回转平台13大体水平地安装在行走平台14上，回转平台13通过旋转调节机械臂12的方向，机械臂12的最前端安装机械手17。机械臂12在未伸缩时，机械手17置于车体前方，不影响车体行动；机械臂12能够向下倾斜，可方便从地面直接抓取立柱。机械臂12上安装有夹具，夹具能够调节张口的大小，可适用于不同截面形式的约束混凝土立柱，也可安装侧向护帮装置。所述隧道自动化施工设备还包括液压管路无线遥控装置，采用无线遥控器可实现动力臂的提升、下降以及机械手调节拱架位置等功能。

实施例3

侧向护帮装置为强力护帮钢筋网，如图3(b)所示，即矩形护帮装置的四个边缘区域采用钢板形式，中间区域采用钢筋网10，两者通过焊接形成完整的护帮装置，钢板形式的边缘与立柱之间采用销轴连接。

实施例4

如图7所示，采用“约束混凝土立柱1+第二钢筋网18+纵向连接筋8”的形式，第二钢筋网18紧贴碎石帮，约束混凝土立柱1在留巷侧紧贴钢筋网18，并在相邻立柱间设置纵向连接筋8。其中，如图8所示的约束混凝土立柱1顶部承力钢板5靠近碎石帮侧与立柱边缘齐平，其他三边超出立柱截面一定长度。

沿空巷道约束混凝土支柱机械化施工方法，具体步骤如下：

1)巷道掘进完成后，将约束混凝土立柱1运输至安装位置处，启动自动化安装设备，操作机械手11将立柱1夹起并安装到设计位置处；

2)调高承压装置的调节螺栓4可使约束混凝土支顶柱1顶端与巷道顶部实现紧密接触；

3)按照设计间距，机械安装下一个约束混凝土立柱1；

4)安装靠近采空区的外侧连接筋9；

5)采用自动化安装设备安装侧向护帮装置6；

6)安装留巷侧的内侧连接筋8；

7)如此循环，完成所有约束混凝土立柱1的安装；

8)持续监测并控制支顶护帮系统侧向位移。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。