一种煤层巷道两帮变形液压支护装置及其实现方法与流程

本发明涉及煤层巷道两帮变形控制技术领域，尤其涉及一种煤层巷道两帮变形控制监测液压装置及使用方法。

背景技术

近年来，随着煤矿开采深度的不断加深，深部煤层巷道支护的稳定性问题已经成为制约深部煤层安全开采和技术经济效益提高的主要问题之一。进入深部煤层开采以后，地质构造复杂多变，受采动影响后，煤层巷道围岩变形量大、持续时间长。如果巷道支护技术不当，巷道变形会越来越严重，最终导致巷道发生变形失稳而破坏，破坏后的巷道围岩松动圈较大，增加了巷道翻修时支护成本和施工难度。深部煤层巷道帮部支护作为深部开采的重点环节，关系到矿井的安全、高效生产。在传统的煤层巷道帮部支护方面多为锚网索支护，锚喷支护，锚网喷联合支护，这些支护技术或多或少都有着一定的局限性与不足。在上述支护方式支护效果不理想时，巷道两帮会出现片帮、鼓帮现象，巷道变形发生失稳，这种情况下，现场多在帮部补打让压锚杆、锚索等方式处理这些事故，但是让压锚杆、锚索都是增阻或者恒阻而不能随着围岩的变形主动实现变阻力，目前巷道帮部补救支护除了以上所述让压措施，还没有其他有效让压辅助支护方式。

现有的技术中，针对煤层巷道帮部支护方面，进行了一系列技术改进，例如：(1)中国专利申请号cn201210389217.7公开了一种协调控制巷道围岩变形的装置，该发明利用围岩移近变形来增加对巷道其他部位的支护力，又可提高对变形处围岩自身的反力，但是该发明装置铰链结构较为脆弱，难以抵挡巷道顶底板、两帮产生的压力，容易损坏；(2)中国专利申请号201711387082.x公开了一种巷道u型钢套棚支护结构，该发明采用锚索+金属网+喷浆+u型钢套棚+灌浆的支护方法，该结构既能高强度抗压，又能适度让压，形成了“、刚柔相济”的双层支护结构，大大提升了破碎软岩巷道围岩的稳定性和支护强度，但是其施工比较困难，工程不易实施，并且人力、物力成本较大。

现有的技术中，针对液压支柱恒阻让压技术方面，进行了一系列技术改进，例如：(1中国专利申请号201610952821.4公开了一种新型机械式可调恒阻可压缩单体支柱，该技术虽然具有恒阻让压作用，但是还存在以下缺陷，一是只能实现单向顶板支护，无法对两帮支护；二是其中的让压部分，在覆岩载荷足够大时，钢珠环会发生剪切破坏及塑性变形，便彻底失去作用，面对再次来压，该装置无法实现让压作用。本领域公知，矿井来压具有周期性的，面对周期性的巷道来压，该技术毫无疑问是无法实现多次让压的，所以该技术目前并未见到在市场上推广。(2)中国专利申请号201510305951.4公开了一种机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，该技术虽然可达到恒阻让压的作用，但是当活柱体受顶板下沉影响时向下运动，弹性球体卡住活柱体和缸筒之间的滑移面无法回缩，当顶板下沉给活柱体施加的作用力足够大时，弹性球体会发生变形，无法恢复原状，便彻底失去作用，面对顶板再次下沉，该装置无法实现恒阻让压的作用。

技术实现要素：

为了克服现有两帮支护技术不当引起巷道变形发生失稳、围岩松动，从而增加巷道翻修时支护成本和施工难度的技术缺陷，本发明提供一种高强让压，安全，可靠的煤层巷道两帮变形液压支护装置及实现用方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种煤层巷道两帮变形液压支护装置，其特征在于，它包括竖向液压支柱和横向支柱两大部分，其中：

所述的竖向液压支柱，沿巷道的轴线对称布置，它包括竖向缸体、竖向活塞杆和底座，底座设置在所述巷道的地面上，竖向缸体的一端与底座相连接，其另一端套设在竖向活塞杆上。

所述的横向支柱，包括横向缸体、横向活塞杆和让压机构；所述的横向缸体水平设置在竖向液压支柱的顶部；所述的横向活塞杆对称设置在横向缸体的两侧，且横向活塞杆的外侧端分别与巷道的两帮相抵接；所述让压机构设置在横向活塞杆的内侧端与横向缸体之间，且让压机构用于根据巷道两帮变形控制横向活塞杆向横向缸体移动产生变形量进行让压。

进一步地，所述让压机构包括让压凹腔、钢珠环、挡套和高强弹簧；所述让压凹腔对称地开设在横向缸体的外侧两端，且让压凹腔的开口处设有锥形面；所述钢珠环套设在横向活塞杆的内侧端外表面，横向活塞杆的内侧端伸入到让压凹腔中；所述的挡套盖合在让压凹腔上，并与横向缸体固定连接；其中，钢珠环包括沿横向活塞杆的内侧端向外侧端方向并列设置的第一钢珠环和第二钢珠环，第一钢珠环的直径小于第二钢珠环的直径，第一钢珠环的外表面与锥形面相抵接，第二钢珠环的外表面与让压凹腔的内表面相配合；所述弹簧安置在横向缸体内部，所述高强弹簧两端与横向活塞杆端部接触，当第一钢珠环和第二钢珠环破坏，失去让压作用时，高强度弹簧可以起到二次让压保护作用。

进一步地，为了实现多次让压，所述让压机构包括圆柱形让压腔、圆形高强钢板、四根高强度弹簧和缓冲让压橡胶垫圈；所述让压腔对称地开设在横向缸体的外侧两端；所述圆形高强钢板设置在让压腔内，且可以在让压腔内自由滑动；所述圆形高强钢板包括两块高强钢板，从让压腔底部往外(也就是向两帮)分别称为第一圆形高强钢板和二圆形高强钢板；所述的四根高强度弹簧均匀设在两个高强钢板之间，要求高强度弹簧一端固定在第一圆形让压钢板上，另一端与第二圆形高强钢板之间留有距离；所述缓冲让压橡胶垫圈设置在两块高强钢板之间，缓冲让压橡胶垫圈两端顶在两块高强钢板端面上。

进一步，缓冲让压橡胶垫圈为柱状或哑铃形。

进一步地，所述竖向活塞杆的顶部经固定机构与横向缸体相连接，固定机构包括上固定卡和下固定卡，上固定卡和下固定卡通过螺栓和螺母固定连接，其中，上固定卡和下固定卡上分别开设有上凹槽和下凹槽，上凹槽和下凹槽相互围合后卡紧横向缸体的外表面，在下固定卡的底部设有固定套，下固定卡通过固定套与竖向活塞杆的顶部固定连接。

进一步地，所述上凹槽和下凹槽的直径均大于横向缸体的外径。

进一步地，所述竖向液压支柱之间还设有防倒机构；所述防倒机构包括插孔块、连杆和两个半圆形箍环，两个半圆形箍环围合卡设在竖向缸体的外表面，所述的插孔块设置在半圆形箍环的外侧，所述连杆的两端分别与相邻的两个插孔块相配合。

进一步地，所述横向活塞杆的外侧端经挡板与巷道的两帮相接触，所述挡板为圆形钢盘。

进一步地，所述横向缸体上设有压力监测报警单元和激光测距仪。

本发明的高强钢板为耐撞性的高强度钢板，比如中国专利申请号2007800156253中公开的高锰高强度钢板。

本发明提供的支护装置的使用方法，其包括以下步骤：

第一步、在巷道掘进结束后，铺设锚网，在巷道的围岩处安装让压锚杆和让压锚索。

第二步：安装竖向液压支柱和横向支柱，并采用防倒机构加固竖向液压支柱；

第三步、当巷道两帮向中间产生变形时，分两种方式让压，

第一种方式，让压机构采取钢珠环结构，此时横向活塞杆承受巷道两帮的应力，有向非围岩侧运动的趋势，第一钢珠环随着横向缸体向非围岩侧运动，第一钢珠环与让压凹腔的锥形面相互挤压作用，使得钢珠环运动空间有限；当巷道的两帮应力继续增大时，第一钢珠环发生变形破坏，此时如果横向活塞杆继续向非围岩侧运动，第二钢珠环使横向活塞杆以恒定工作阻力向横向缸体移动，进而达到较好的让压作用，当第二钢珠环也发生变形破坏时，高强度弹簧提供二次让压；

第二种方式，让压机构采取圆形高强钢板结构时，横向活塞杆承受巷道两帮的应力，随着横向缸体向非围岩侧运动，横向活塞杆与第二高强钢板接触，第二高强钢板受到挤压作用，缓冲让压橡胶垫圈受到压缩；当巷道的两帮应力继续增大时，缓冲让压橡胶垫圈受到压缩至与高强度弹簧长度相同，所述高强度弹簧与所述缓冲让压橡胶垫圈共同以恒定工作阻力推动第一高强钢板向横向缸体移动，进而达到较好的让压作用；当两帮来压结束时，高强度弹簧和缓冲让压橡胶垫圈推动第二高强度钢板向巷道帮部运动，从而使让压机构恢复了让压作用，待下次帮部来压，再次起到让压作用；

第四步、压力监测报警单元实时监测巷道的两帮压力值，激光测距仪检测巷道的变形情况，当横向活塞杆超出最大工作阻力时，压力监测报警单元发出报警提示。

本发明的有益效果在于：

1)、通过横向缸体、横向活塞杆和让压机构更好地控制巷道的两帮位移量，控制巷道片帮、帮部裂隙的进一步发育，提高巷道两帮的承载能力，防止巷道的大变形，同时抵挡巷道顶底板产生的压力，为巷道支护提供了安全保证。

2)、通过压力监测报警单元读数及激光测距仪示数能够及时反应巷道的变形情况，当横向活塞杆超出最大工作阻力时，压力监测报警单元会出现报警提示，可以及时的采取措施对巷帮进行控制加固，从而避免出现巷道发生变形失稳而破坏，引起片帮和底鼓现象。

3)、本发明的让压装置可以实现多次让压，这样可以防御周期性的两帮来压对帮部造成的影响，使巷道遭受破坏的风险大大降低，降低了巷道翻修时的支护成本和施工难度，具有良好的推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明装置的结构示意图，图中示出了让压机构实施例二的结构；

图2是本发明装置在巷道中的布置图；

图3是本发明装置的让压机构实施例一的结构示意图；

图4是本发明装置让压机构实施例二的结构示意图；

图5是图4中圆柱形让压腔的左视图；

图6是本发明装置固定机构的结构示意图；

图7是本发明的煤层巷道两帮变形控制监测液压装置的防倒机构的主视图；

图8是本发明的煤层巷道两帮变形控制监测液压装置的防倒机构的俯视图。

图中：

1-巷道；

2-竖向液压支柱，21-竖向缸体，22-竖向活塞杆，23-底座；

3-横向支柱，31-横向缸体，32-横向活塞杆，33-让压机构，331-让压凹腔，332-挡套，333-锥形面，334-第一钢珠环，335-第二钢珠环，336-第一高强度弹簧；337-圆柱形让压腔、338-第一圆形高强钢板，339-第二圆形高强钢板，340-第二高强度弹簧，341-缓冲让压橡胶垫圈；

4-固定机构，41-上固定卡，42-下固定卡，43-螺栓，44-螺母，45-上凹槽，46-下凹槽，47-固定套；

5-防倒机构，51-插孔块，52-连杆，53-半圆形箍环；

6-挡板；

7-压力监测报警单元；

8-激光测距仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述。

参阅图1-2所示，本发明的煤层巷道两帮变形控制监测液压装置，其包括：

竖向液压支柱2，沿巷道1的轴线对称布置；

横向支柱3，包括横向缸体31、横向活塞杆32和让压机构33，横向缸体31水平设置在竖向液压支柱2的顶部，横向活塞杆32对称设置在横向缸体31的两侧，且横向活塞杆32的外侧端分别与巷道1的两帮相抵接，让压机构33设置在横向活塞杆32的内侧端与横向缸体31之间，且让压机构33用于根据巷道1两帮变形量控制横向活塞杆31向横向缸体31移动进行让压。

参阅图3，本发明让压机构实施例一结构是：包括让压凹腔331、钢珠环、挡套332和第一高强度弹簧336；所述让压凹腔331对称地开设在横向缸体31的外侧两端，且让压凹腔331的开口处设有锥形面；所述钢珠环套设在横向活塞杆32的内侧端外表面，横向活塞杆32的内侧端伸入到让压凹腔331中；所述的挡套332盖合在让压凹腔331上，并与横向缸体31固定连接；其中，钢珠环包括沿横向活塞杆32的内侧端向外侧端方向并列设置的第一钢珠环334和第二钢珠环335，第一钢珠环334的直径小于第二钢珠环335的直径，第一钢珠环334的外表面与锥形面相抵接，第二钢珠环335的外表面与让压凹腔331的内表面相配合；所述第一高强度弹簧336安置在横向缸体31内部，第一高强度弹簧336两端与横向杆体31端部接触，当所述第一钢珠环334和第二钢珠环335破坏，失去让压作用时，所述第一高强度弹簧336可以起到二次让压保护作用。

图4和图5是本发明让压结构实施例二的示意图，从图中可以看出，所述让压机构33包括圆柱形让压腔337、圆形高强钢板、四根第二高强度弹簧340和缓冲橡胶垫圈341；所述圆柱形让压腔337对称地开设在横向缸体31的外侧两端；所述圆形高强钢板设置在圆柱形让压腔337内，且可以在圆柱形让压腔337内自由滑动；所述圆形高强钢板包括两块高强度钢板，从圆柱形让压腔337底部往外(也就是向两帮)分别称为第一圆形高强钢板338和第二圆形高强钢板339；所述的四根第二高强度弹簧340均匀设在第一圆形高强钢板338和第二圆形高强钢板339之间，要求第二高强度弹簧340一端固定在第一圆形高强钢板338上，另一端与第二圆形高强钢板339之间留有距离；所述缓冲让压橡胶垫圈341设置在两块圆形高强钢板之间，缓冲橡胶垫圈341两端顶在两块圆形高强钢板内端面上。图中所示的缓冲让压橡胶垫圈341是哑铃形，也可以用柱状代替。

具体的，见图1，竖向液压支柱2包括竖向缸体21、竖向活塞杆22和底座23，底座23设置在巷道1的底板上，竖向缸体21的一端与底座23相连接，其另一端套设在竖向活塞杆22上。通过竖向活塞杆22的上下移动可以改变横向支柱3的高度，从而可以改变巷道1两帮的支护位置。

参阅图1和图6所示，竖向活塞杆22的顶部经固定机构4与横向缸体31相连接，固定机构4包括上固定卡41和下固定卡42，上固定卡41和下固定卡42通过螺栓43和螺母44固定连接，其中，上固定卡41和下固定卡42上分别开设有上凹槽45和下凹槽46，上凹槽45和下凹槽46相互围合后卡紧横向缸体31的外表面，下固定卡42的底部设有固定套47，下固定卡42通过固定套47与竖向活塞杆22的顶部固定连接。

优选地，上凹槽45和下凹槽46的直径均大于横向缸体31的外径。这样可以保证上固定卡41和下固定卡42能夹持并锁紧横向缸体31。

参阅图7-8所示，竖向液压支柱2之间还设有防倒机构5，防倒机构5包括插孔块51、连杆52和两个半圆形箍环53，两个半圆形箍环53围合卡设在竖向缸体21的外表面，插孔块51设置在半圆形箍环53的外侧，连杆52的两端分别与相邻的两个插孔块51相配合。本发明中，插孔块51的形状可以为矩形、圆形等，连杆52的形状为：“n”型等。通过插孔块51、连杆52和两个半圆形箍环53可以将相邻的两个竖向液压支柱2连着一整体，从而起到防倒的作用。

本发明中，为了增加横向活塞杆32与巷道1的两帮接触面积，提高对巷道1的两帮的支护效果，横向活塞杆32的外侧端经挡板6与巷道1的两帮相接触，优选地，挡板6为圆形钢盘或矩形钢盘等。

优选地，横向缸体32的上设有压力监测报警单元7和激光测距仪8。压力监测报警单元7实时监测巷道1的两帮压力值，并在横向活塞杆32超出最大工作阻力时，发出报警提示。激光测距仪8用于检测巷道1的两帮变形情况。

本发明支护装置的使用方法，其包括以下步骤：

第一步：在巷道1掘进结束后，铺设锚网，在巷道1的围岩处安装让压锚杆和让压锚索。

第二步、安装竖向液压支柱2和横向支柱3，并采用防倒机构5加固竖向液压支柱2；首先在设计位置安装竖向液压支柱2，通过防倒机构将相邻的两个竖向液压支柱2连着一整体，起到防倒的作用，然后在竖向液压支柱上端通过固定套47与下固定卡42连接，然后将横向支柱3安置于下固定卡42下凹槽46内，然后将上固定卡41上凹槽45与横向支柱3卡紧，最后通过螺栓43和螺母44将下固定卡42、横向支柱3、上固定卡41固定连接。

第三步、当巷道1两帮向中间产生变形时，实施例一的让压机构33让压机理是：横向活塞杆32承受巷道1两帮的应力，有向非围岩侧运动的趋势，第一钢珠环334随着横向缸体31向非围岩侧运动，第一钢珠环334与让压凹腔331的锥形面333相互挤压作用，使得钢珠环运动空间有限；当巷道1的两帮应力继续增大时，第一钢珠环334发生变形破坏，此时如果横向活塞杆32继续向非围岩侧运动，第二钢珠环335使横向活塞杆32以恒定工作阻力向横向缸体31移动，进而达到较好的让压作用，当第二钢珠环335也发生变形破坏时，第一高强度弹簧336提供二次让压；

当巷道1两帮向中间产生变形时，实施例二的让压机构33让压机理是：，横向活塞杆承受巷道两帮的应力，有向非围岩侧运动的趋势，随着横向缸体31向非围岩侧运动，横向活塞杆32与第二高强度钢板339接触，第二高强度钢板高强度钢板受到挤压作用，缓冲让压橡胶垫圈341受到压缩；当巷道1的两帮应力继续增大时，缓冲让压橡胶垫圈341受到压缩至与第二高强度弹簧340长度相同，第二高强度弹簧340与所述缓冲让压橡胶垫圈341推动第一圆形高强钢板338共同以恒定工作阻力向横向缸体31移动，进而达到较好的让压作用；当两帮来压结束时，第二高强度弹簧340和缓冲让压橡胶垫圈341推动第二高强度钢板339向巷道1帮部运动，从而使让压机构33恢复了让压作用，待下次帮部来压，再次起到让压作用；

第四步、压力监测报警单元7实时监测巷道1的两帮压力值，激光测距仪8检测巷道1的变形情况，当横向活塞杆32超出最大工作阻力时，压力监测报警单元7发出报警提示。

本发明的优点在于：

1)、通过横向缸体31、横向活塞杆32和让压机构33更好地控制巷道1的两帮位移量，控制巷道1片帮，帮部裂隙的进一步发育，提高巷道1的两帮的承载能力，防止巷道1的大变形。

2)、通过压力监测报警单元7读数及激光测距仪8示数能够及时反应巷道1的变形情况，当横向活塞杆32超出最大工作阻力时，压力监测报警单元7会出现报警提示，可以及时的采取措施对巷道的两帮进行控制加固。

3)、具备高强让压，安全，可靠的支护特性，具有良好的推广应用价值。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。