矿用底板变形自适式多级高强度充填柱缸及其使用方法与流程

1.本发明涉及一种基于来压步距的矿用底板变形自适式多级高强度充填柱缸及其使用方法，属于矿井无煤柱开采沿空留巷技术领域。


背景技术：

2.无煤柱开采包括区段平巷无煤柱和充填开采无煤柱。沿空留巷充填开采是区段平巷无煤柱开采的典型采煤工艺，在实践应用中取得了良好的社会效益和经济效益。沿空留巷充填开采的优势在于通过回收煤柱提高了煤炭回收率，增加了矿井的服务年限和减少了矿井的压力集中区，有利于瓦斯治理，生产衔接和节约煤炭资源。沿空留巷成功的关键技术之一是留巷的稳定性，即在地应力和采动引起的动态支承压力的作用下，所留巷道（包括顶板、底板、一侧煤柱和一侧巷旁充填体）的围岩基本保持稳定。
3.目前，沿空留巷传统的做法是通过使用混凝土墙体来代替煤柱，但这对于埋深浅、基岩顶板较薄、矿压显现多变的薄煤层来说，在考虑安全性的前提下，增加了它的施工成本，影响了它的经济效益。
4.中国专利cn106801609a公开了一种自升式∏型钢管混凝土支护系统沿空留巷的方法，用于沿空留巷支护过程，然而∏型钢管的钢管直径仅为50mm，其混凝土填充量有限，且钢管长度越长，其越容易发生压杆失稳现象，承载能力相对较小，难以支护矿压显现较强烈的巷道；更为重要的是，该结构难以保证在注浆过程中管道上升的方向不发生偏移，且对于巷道底鼓变形量较大的巷道，难以确保∏型结构有效承载方向为顶板下沉压缩方向，进而进一步降低了其对顶板岩层的支撑作用，较难应用于底鼓变形量较大的沿空留巷工程支护。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种基于来压步距的矿用底板变形自适式多级高强度充填柱缸及其使用方法。
6.本发明提供了一种基于来压步距的矿用底板变形自适式多级高强度充填柱缸，包括固定式下缸桶体、环形丝杆式上升引导装置、自升式上缸桶体、自适式充填柱缸放置台、尼龙上垫块放置装置；其中，环形丝杆式上升引导装置包括外侧挡矸板、环形连接板和滚珠丝杆套件；环形丝杆式上升引导装置中的环形连接板上有对称的螺纹孔与滚珠丝杆套件的丝杆螺母座连接，丝杆位于螺母座中，丝杆上端与自升式上缸桶体通过轴承座连接；自升式上缸桶体包括缸桶体、密封圈、注浆孔、排气阀，密封圈套在自升式上缸桶体下侧，注浆孔开在上缸桶体的侧面，排气阀开在注浆孔旁上侧；自适式充填柱缸放置台包括自适式半椭球型铁制垫块，内置方向不同的通孔，上平面开有沉头槽，两侧有固定下缸桶体的卡扣；尼龙上垫块放置装置由应力测试板、椭球状垫块和高强度尼龙帽组成，应力测试板与上缸桶体顶部连接，椭球状垫块连接应力测试板和上缸桶体，高强度尼龙帽用螺栓固定于椭球状垫块上。
7.在利用沿空留巷工艺的倾斜长臂采煤法采煤，留巷过程中，巷道内底板因倾角以及复杂的地质条件是变形的，自适式充填柱缸放置台中自适式半椭球型铁制垫块便于水平放置，通过打入底板的锚杆固定保证了上方充填柱缸的水平放置；固定式下缸筒体与上缸桶体通过环形丝杆式上升引导装置嵌套连接，密封圈使上、下两缸筒腔体连接处密封，注浆系统混凝土浆通过上缸筒体的注浆孔进入缸筒体内，腔体内气体通过排气阀排出，当上缸桶体混凝土浆注满时，将排气阀阀门关闭，持续注浆，在注浆泵的压力作用下，丝杆引导装置使上缸筒体可竖直上升，直至达到上升限定高度。
8.上述装置中，固定式下缸桶体的直径和高度为d，自升式上缸桶体高度大于固定式下缸桶体，方便留设注浆孔注浆，固定式下缸桶体上的定制高强度密封圈内径外径宽度尺寸d*(d 5)*50mm；上述装置中，环形丝杆式上升引导装置包括4组滚珠丝杆及轴承套件，丝杆的型号选择sfs2505*500mm；上述装置中，自适式充填柱缸放置台中自适式半椭球型铁制垫块内置4个方向的锚杆用通孔及沉头槽，以便适应于底板变形后的起伏变化，便于固定式下缸桶体的固定和放置，锚杆尺寸φ20*1.6m；本发明提供了一种基于来压步距的矿用底板变形自适式多级高强度充填柱缸的使用方法，包括以下步骤：s1: 通过岩层厚度h、极限抗拉强度r
t
及上覆岩层载荷计算出采场极限跨距，即初次来压步距 ，周期来压步距；s2：根据s1的周期来压步距l可分析得出该自适式多级高强度充填柱缸桶体布置的位置和距离；考虑到周期来压步距一般为10
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60m，兼顾总强度和顶板岩层运动的耦合作用规律，若l小于等于20m,自升式缸桶则以间距l布置，若l大于20m，则以20m布置；s3：根据确定的自升式缸桶布置位置进行自适式半椭球型铁制垫块的安装，首先通过与自适式半椭球型铁制垫块相连接的水平仪确保自适式充填柱缸放置台位置水平；而后沿内置不同通孔方向钻孔，打入锚杆和锚固剂，螺栓连接置于上平面开好的沉头孔中，固定于该位置；s4：自升式充填柱缸桶体以及尼龙垫块放置装置的安装；自适式半椭球型铁制垫块据s3水平放置固定，自升式充填柱缸置于自适式充填柱缸放置台上，用放置台上卡扣固定，尼龙垫块放置装置置于上缸桶体的顶部，用螺栓连接；s5：利用混凝土注浆泵连接自升式上缸桶体的注浆孔进行混凝土浆液灌注；在灌浆过程中，腔体内气体通过排气阀排出，当上缸筒桶体混凝土浆注满时，将排气阀阀门关闭，持续灌浆，在注浆泵的压力作用下，丝杆引导装置使上缸筒体可竖直上升，直至达到上升限定高度；s6：待上缸桶接触巷道顶板且能够提供有效支撑作用力后，结束灌浆工作，而后完成注浆孔的密封。
9.本发明的有益效果：（1）克服了自升钢管型支护混凝土填充量有限、压杆失稳的问题，增加了沿空留巷采场顶板的支护效果；
（2）通过丝杆导引确保二级柱缸的垂直承载，极大提升了支护强度高；（3）自适式半椭球型铁制垫块及锚杆通孔方式使该方法适用于煤矿巷道底鼓变形较大时的沿空留巷工程，有益于支护结构稳定性；（4）结构简洁，便于加工，操作简单、利于现场实地安装和布置,节约生产作业成本,提高经济效益。
附图说明
10.图1是固定式下缸桶体示意图。
11.图2是环形丝杆式上升引导装置示意图。
12.图3是自升式上缸桶体示意图。
13.图4是自适式充填柱缸放置台示意图。
14.图5是尼龙上垫块放置装置示意图。
15.图6是总装配图。
16.图7是实例倾角留巷应用示意图。
17.图8是矿用底板变形自适式多级高强度充填柱缸沿空留巷工作面剖面图。
18.图中：1
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固定式下缸桶体、2
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环形丝杆式上升引导装置、3
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自升式上缸桶体、4
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自适式充填柱缸放置台、5
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尼龙上垫块放置装置、6
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环形连接板、7
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外侧挡矸板、8
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滚珠丝杆套件、9
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丝杆螺母座、10
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缸桶体、11
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密封圈、12
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注浆孔、13
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排气阀、14
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丝杆轴承座、15
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自适式半椭球型铁制垫块、16
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锚杆、17
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沉头槽、18
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卡扣、19
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应力测试板、20
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椭球状垫块、21
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高强度尼龙帽、22
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直接顶、23
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基本顶、24
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采空区矸石、25
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挡矸铁丝网、26
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底板。
具体实施方式
19.下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
20.如图1~8所示，一种基于来压步距的矿用底板变形自适式多级高强度充填柱缸，包括固定式下缸桶体1、环形丝杆式上升引导装置2、自升式上缸桶体3、自适式充填柱缸放置台4、尼龙上垫块放置装置5；其中，环形丝杆式上升引导装置2包括外侧挡矸板7、环形连接板6和滚珠丝杆套件8；环形丝杆式上升引导装置2中的环形连接板6上有对称的螺纹孔与滚珠丝杆套件8的丝杆螺母座9连接，丝杆位于螺母座9中，丝杆上端与自升式上缸桶体3通过轴承座14连接；自升式上缸桶体3包括缸桶体10、密封圈11、注浆孔12、排气阀13，密封圈11套在自升式上缸桶体10下侧，注浆孔12开在上缸桶体的侧面，排气阀13开在注浆孔旁上侧；自适式充填柱缸放置台4包括自适式半椭球型铁制垫块15，内置方向不同的通孔，上平面开有沉头槽17，两侧有固定下缸桶体1的卡扣18；尼龙上垫块放置装置5由应力测试板19、椭球状垫块20和高强度尼龙帽21组成，应力测试板19与上缸桶体3顶部连接，椭球状垫块20连接应力测试板19和上缸桶体3，高强度尼龙帽21用螺栓固定于椭球状垫块20上。
21.在利用沿空留巷工艺的倾斜长臂采煤法采煤，留巷过程中，巷道内底板因倾角以及复杂的地质条件是变形的，自适式充填柱缸放置台4中自适式半椭球型铁制垫块15便于水平放置，通过打入底板的锚杆16固定保证了上方充填柱缸的水平放置；固定式下缸筒体1与上缸桶体3通过环形丝杆式上升引导装置2嵌套连接，密封圈11使上、下两缸筒腔体连接
处密封，注浆系统混凝土浆通过上缸筒体3的注浆孔12进入缸筒体内，腔体内气体通过排气阀13排出，当上缸桶体3混凝土浆注满时，将排气阀13阀门关闭，持续注浆，在注浆泵的压力作用下，丝杆引导装置2使上缸筒体3可竖直上升，直至达到上升限定高度。
22.上述装置中，固定式下缸桶体1的直径和高度为d，自升式上缸桶体3高度大于固定式下缸桶体1，方便留设注浆孔12注浆，固定式下缸桶体1上的定制高强度密封圈11内径外径宽度尺寸d*(d 5)*50mm；上述装置中，环形丝杆式上升引导装置2包括4组滚珠丝杆及轴承套件8，丝杆的型号选择sfs2505*500mm；上述装置中，自适式充填柱缸放置台4中自适式半椭球型铁制垫块15内置4个方向的锚杆16用通孔及沉头槽17，以便适应于底板变形后的起伏变化，便于固定式下缸桶体1的固定和放置，锚杆16尺寸φ20*1.6m；本发明提供了一种基于来压步距的矿用底板变形自适式多级高强度充填柱缸的使用方法，包括以下步骤：s1: 通过岩层厚度h、极限抗拉强度r
t
及上覆岩层载荷计算出采场极限跨距，即初次来压步距，周期来压步距；s2：根据s1的周期来压步距l可分析得出该自适式多级高强度充填柱缸桶体布置的位置和距离；考虑到周期来压步距一般为10
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60m，兼顾总强度和顶板岩层运动的耦合作用规律，若l小于等于20m,自升式缸桶则以间距l布置，若l大于20m，则以20m布置；s3：根据确定的自升式缸桶布置位置进行自适式半椭球型铁制垫块的安装，首先通过与自适式半椭球型铁制垫块相连接的水平仪确保自适式充填柱缸放置台位置水平；而后沿内置不同通孔方向钻孔，打入锚杆和锚固剂，螺栓连接置于上平面开好的沉头孔中，固定于该位置；s4：自升式充填柱缸桶体以及尼龙垫块放置装置的安装；自适式半椭球型铁制垫块据s3水平放置固定，自升式充填柱缸置于自适式充填柱缸放置台上，用放置台上卡扣固定，尼龙垫块放置装置置于上缸桶体的顶部，用螺栓连接；s5：利用混凝土注浆泵连接自升式上缸桶体的注浆孔进行混凝土浆液灌注；在灌浆过程中，腔体内气体通过排气阀排出，当上缸筒桶体混凝土浆注满时，将排气阀阀门关闭，持续灌浆，在注浆泵的压力作用下，丝杆引导装置使上缸筒体可竖直上升，直至达到上升限定高度；s6：待上缸桶接触巷道顶板且能够提供有效支撑作用力后，结束灌浆工作，而后完成注浆孔的密封。