一种用于巷道支护的耗能装配式翼缘钢混支架的制作方法

1.本发明属于巷道支护技术领域，用于减小支架发生弯曲变形，提高支架承载能力，涉及到深部高应力及冲击地压巷道和大变形巷道的支护方法。


背景技术：

2.随着煤矿开采逐步进入深部，各种问题也随之而来，深部高应力和冲击地压所造成的问题尤为突出。一方面，煤矿90％以上的冲击地压事故都发生在巷道中，深部高应力巷道的变形长时间得不到释放时，容易发生冲击地压、岩爆等地质灾害，即煤岩体内部积聚的能量瞬间释放，造成巷道破坏变形、开采及支护设备损坏、人员伤亡；另一方面，巷道出现大变形时，原有支架损坏，造成支架拆除和加固作业实施困难，形成安全隐患，影响生产效率。目前，钢管混凝土支架广泛应用于煤矿巷道支护，与传统的u型钢支架相比，钢管混凝土支架在抗弯性能及整体承载能力等方面都表现出明显优势，但是作为刚性支护结构，面对一些深部、高应力及动压扰动影响的巷道支护问题时，仍显现出支架抗弯性能不足和不能释能支护的缺点。支架的破坏形式主要表现为：钢管混凝土支架肩部出现压弯、腰鼓等现象，随着变形增大，支架整体失稳；全断面支护的钢管混凝土支架受载荷作用下，支架两肩、底角及套管处弯矩较大，出现弯曲破坏。其中弯曲破坏是钢管混凝土支架的主要破坏形式。因此提高抗弯刚度是减小钢管混凝土支架弯曲变形的根本途径。因此，急需一种兼具弯曲承载能力高和可让压的耗能型支架，以适应深部冲击地压和大变形巷道的支护，进而消除安全隐患，确保巷道的长期稳定性。
3.为了实现显著提高支架的弯曲承载能力的设想。综合国内外知识产权公布的钢管混凝土支架相关的发明和新型专利，小部分为异形截面钢管构件，大部分为圆形截面钢管构件，且圆形截面钢管混凝土支架在煤矿巷道支护领域应用十分广泛。从力学角度分析，传统的圆形截面钢管混凝土支架在受载荷压弯时，截面上部分受压应力，下部分受拉应力，中性层基本经过圆心，应力、弯矩等分布合理，钢管混凝土支架在抗压强度、抗弯性能及整架承载能力等方面都表现出明显优势，但是面对一些深部、高应力及动压扰动影响的巷道支护问题时，支架抗弯性能已无法满足深部煤炭开采的实际工作需要。需探索一种新的截面形状的抗弯钢混支架，使得支架承压时构件中性层下移引起截面拉、压应力的重新分布，压应力作用的截面积尽可能的增大，拉应力作用的截面积相应的减小，即在截面面积基本不变的情况下，可采用截面分布全部远离中性轴的截面形状，使得压应力分布面积即为支架截面面积，以增大截面的惯性矩，提高弯曲刚度，从而进一步提高支架的抗压极限和弯曲承载能力。
4.为了实现支架的让压耗能设想，国家知识产权局目前已经公布了几种让压耗能型钢管混凝土支架。
5.申请号为cn201310048519.2的发明公开了一种伸缩式钢管混凝土支架，该支架的伸缩性多孔金属接头上均布有孔洞，通过孔洞发生弹塑性变形实现让压耗能，保证巷道稳定性。但该接头在承压过程中小孔易出现应力集中现象，接头失效甚至断裂,使相邻的两段
钢管混凝土构件发生错动，造成支架突然性整体失稳，并且由于接头表面孔洞过多，构件质量难以保证，加工成本过高。另外，该发明公布的伸缩式钢管混凝土支架的弯曲承载力不足。
6.申请号为cn201520860420.7的发明公开了一种钢管混凝土支架持续渐进让压可缩装置及其使用方法，该装置中让压可缩构件是由3～5个由外到内直径逐渐减小，管壁厚度随着直径的减小而增大的让压钢管套在一起，在同一位置焊接后组成的。但是由于多个钢管叠加和混凝土的共同作用使得让压变形过程难以控制，且无法保证足够的让压空间，让压可缩效果不够明显。当巷道来压峰值过大时，焊接为整体的支架与围岩发生刚性接触，支架承受的围岩压力瞬间增大，极易发生脆性破坏，具有一定的安全隐患。而且，该发明公开的钢管混凝土支架持续渐进让压可缩装置及其使用方法并没有显著提高支架抗弯刚度和弯曲承载能力。
7.按照新奥法和耦合支护作用原理，当支架初期承受荷载过大时，支架必须具有让压变形的功能；上述让压耗能型支架虽然具有让压作用，但是让压变形的过程是不可控制或不可预测的，而且钢管混凝土构件连接处均有可能发生剪切错动，进而造成支架整体失稳。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题在于提供一种可耗能且支撑能力较强的钢混支架。首先要有效提高钢管混凝土支架的抗弯能力，努力避免支架突发整体失稳，其次，其耗能型可满足消散积聚在煤岩体中的部分能量，耗能构件更换方便，可拆卸装配使用,施工便捷。
9.为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
10.本发明公开了一种用于巷道支护的耗能装配式翼缘钢混支架，其既能提供足够的承载力，又能满足耗能要求，且变形可控，具有一定的让压空间，预防支架整体失稳，可用于矿山深部高应力大变形巷道和冲击地压巷道的翼缘钢混支架。
11.所述的用于巷道支护的耗能装配式翼缘钢混支架，由四段圆弧形翼缘钢混构件和四个耗能接头组成，圆弧形翼缘钢混构件套装在耗能接头的两端，四个圆弧形翼缘钢混构件经耗能接头依次串联构为整体，形成装配式耗能翼缘钢混支架。
12.所述的圆弧形翼缘钢混构件下部的t型钢将圆弧翼缘钢混构件中性层转移几何中心以下，支架整体截面的中性轴下移，全部远离整体截面，圆弧翼缘钢混支架全部受压，从而有效避免弯曲破坏，支架的抗弯刚度和承载力显著提高，便于安全使用。
13.所述的耗能接头起到连接圆弧形翼缘钢混构件的作用，加强连接部位的受力，提高传力稳定性，避免了应力集中现象。
14.所述的耗能接头外部的钢制套管内部放置金属折棱管和硬质橡胶承压体，两个金属折棱管以硬质橡胶承压体为中心对称放置其两侧，随着外载荷的增加通过金属折棱管和硬质橡胶承压体发生弹塑性变形实现能量耗散和减缓冲击。
15.所述的用于巷道支护的耗能装配式翼缘钢混支架，其支护特点表现两个方面：方面一：从力学角度分析，本翼缘钢混支架整体承压时，主要由上部钢管混凝土构件承压，下部t型钢的存在使得中性层向几何中心以下转移，支架整体截面的中性轴下移，远离整体截面，压应力作用面积即为支架截面面积，圆弧翼缘钢混支架全部受压，从而有效避免弯曲破
坏，显著提高支架整体的抗弯承载能力；方面二：本翼缘钢混支架整体承压时，耗能接头中的金属折棱管主要受轴力作用，通过金属折棱管发生塑形变形和与之抵接的硬质橡胶承压体发生弹性变形相结合，可有效适应围岩变形，让压空间大，充分起到减缓冲击的作用，实现耗能减震。
16.本发明与传统的钢管混凝土支架相比具有如下显著的技术优势：
17.⑴
支架独特的截面形状使中性层向t型钢侧移动，直至远离构件本身，截面面积完全转换为压应力分布面积，充分发挥翼缘钢混支架上部钢管混凝土构件的抗压特性，显著提高了钢混支架的抗压及抗弯刚度，减小变形量，可有效的避免支架发生弯曲破坏，从而进一步提高支架整体承载能力。改善了现有高应力巷道，冲击地压巷道和大变形巷道中支架易出现弯曲破坏导致承载能力不足的缺点
18.⑵
本发明的圆弧形翼缘钢混构件通过耗能接头连接而成，通过耗能接头和圆弧形翼缘钢混构件发生弹性和塑性变形，可以有效适应围岩变形，消散由于冲击地压等在煤岩体中积聚的部分能量，同时分段式注浆圆弧形翼缘钢混构件相互独立，大大减少能量的传递，实现让压耗能目的。
19.⑶
本发明的所有构件均为分段式预制件，可运输至巷道装配成整体支架，具有施工便捷快速的特点。
附图说明
20.图1为用于巷道支护的耗能装配式翼缘钢混支架主视图
21.图2为用于巷道支护的耗能装配式翼缘钢混支架的部分截面立体图
22.图3为圆弧形翼缘钢混构件截面图
23.图4为钢制套管立体图
24.图5为金属折棱管立体图
25.图6为硬质橡胶承压体立体图
26.其中，1—圆弧形翼缘钢混构件；2—钢制套管；3—耗能接头；4—金属折棱管；5—硬质橡胶承压体；6—圆形无缝钢管；7—t型钢；8—注浆孔；9—排气孔；10—混凝土
具体实施方式
27.为了更好地理解本发明，下面结合附图来详细解释本发明的实施方式。
28.如图1所示，一种用于巷道支护的耗能装配式翼缘钢混支架，包括圆弧形翼缘钢混构件(1)和耗能接头(3)；如图1、2所示，耗能接头(3)外部的钢制套管(2)中部放置硬质橡胶承压体(5)，两侧对称放置金属折棱管(4)，金属折棱管(4)与硬质橡胶承压体(5)抵接，金属折棱管(4)所用金属材料应满足极限受压时压缩比(压缩比＝极限受压后金属折棱管的长度/变形前金属折棱管长度)为0.2～0.6，根据不同的地质条件和围岩条件，金属折棱管(4)的压缩比可以进行调整，以此来更好的适应围岩的变形，达到更好的支护效果；如图2、3所示，圆弧形翼缘钢混构件(1)由圆形无缝钢管(6)和t型钢(7)焊接连接并在圆形无缝钢管(6)中填充混凝土(10)形成。圆弧形翼缘钢混构件(1)分别从耗能接头(3)两端插入组成与巷道截面形状相同的整体，耗能接头(3)的壁厚要比圆弧形翼缘钢混构件(1)上部的圆形无缝钢管(6)壁厚厚度大2mm～5mm，可增加支架接头薄弱处的抗弯能力，防止其破坏；圆形无
缝钢管(6)端部的注浆孔中充入混凝土(10)，通过另一端的排气孔(9)排出其中的空气，待混凝土(10)密实后，形成一种用于巷道支护的耗能装配式翼缘钢混支架
29.本发明的关键在于：所述金属折棱管(4)与硬质橡胶承压体(5)承压时发生塑形变形和弹性变形消耗能量降低冲击载荷峰值，t型钢(7)显著提高支架整体的抗弯能力，提高支架整体承载能力，保证巷道稳定性和整体性。
30.本发明的使用情况是，将耗能接头的一端套入圆弧形翼缘钢混构件，待耗能接头和圆弧形翼缘钢混构件依次连接后，通过圆弧形翼缘钢混构件中圆形无缝钢管的注浆口分别向其中注入混凝土，即完成用于巷道支护的耗能装配式翼缘钢混支架安装。将耗能接头和圆弧形翼缘钢混构件解除连接即可替换新的耗能接头同时各个圆弧形翼缘钢混构件分段注浆，相互独立，以便替换使用，实现了支架的快速安装。
31.以上所述，仅为本发明较佳的实施例而已，并非限定此发明。本领域的相关技术人员在不偏离此原理的前提下，可以对此实施方式做出多种修改，但这些修改均属于本发明的保护范围。