一种可回收抗冲击多级让压装置及方法

1.本发明属于矿山巷道的围岩支护控制领域，适用于易发生大变形的松软破裂围岩、矿压显现强烈及冲击地压影响地区巷道的支护，具体为一种可回收抗冲击多级让压装置及方法。


背景技术：

2.在岩土工程及地下工程中，锚杆支护已得到广泛使用。传统压力型锚杆通过与巷道围岩的相互作用，能够有效地防治围岩松动破坏，是维护巷道围岩稳定的有效支护手段。然而，随着开采深度的不断增加，巷道围岩呈现出高地应力、塑性大变形、变形持续时间长等特点，特别是受到开采扰动及冲击地压等动力灾害影响时，巷道围岩突然释放能量，在锚网支护中起关键作用的锚杆常常会出现瞬间拉断、扭转、自由端承压托盘滑脱等现象，这主要是由于现有的锚固支护结构伸缩性有限，不能适时让压以补偿巷道围岩的大变形，导致锚杆受力超过其强度而破断。
3.目前,对于广泛采用的普通圆钢粘结式锚杆，该锚杆具有一定的伸缩性能，在施工过程中，承压托盘紧贴岩壁，利用锁具螺栓对其施加一定的预紧力，锚杆通过自身的伸缩性去主动支护围岩变形，该方法在岩性较好的静压围岩中支护效果良好，发挥着关键承载作用。但是，对于动压影响下的大变形巷道，由于冲击地压等动压影响下极易在较短时间内形成较大的松散区及塑性区，进而产生急速变形。对于这类巷道，传统锚杆支护体系无法满足支护需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对传统支护让压托盘在承受往复荷载和冲击荷载时，不能通过有效让压来消耗掉围岩内部突然集聚的变形能，造成锚杆断裂、围岩片帮、冒顶等现象，提供一种可回收抗冲击多级让压装置及方法，可以有效改善围岩支护体系，保障井下作业人员的生命安全。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可回收抗冲击多级让压装置，包括：缓释增阻部件，所述缓释增阻部包括与托盘连接为一体的密封容器，所述密封容器的截面为环形结构，密封容器设有泄压阀，所述密封容器内充填可压缩气体作为增阻介质，密封容器内设有活塞，锚杆位于围岩外部的杆体穿过所述密封容器以及活塞的内径，并连接适时让压部件。
6.适时让压部件，所述适时让压部件包括至少一弹性件，所述弹性件的一端与所述缓释增阻部件的活塞连接，另一端与一可滑动的连接于锚杆上的限位件连接，并由紧固件与所述锚杆连接固定；所述弹性件的弹性阻力小于所述缓释增阻部件的阻力；所述适时让压部件的弹性件设置为当所述多级让压装置与锚杆连接时，所述弹性件压缩一段行程后由紧固件固定。
7.优选的，所述的弹性件为压缩弹簧，所述压缩弹簧一端与活塞连接，另一端与限位件连接。
8.优选的，还包括导向部，所述导向部包括设于活塞和限位件上的导向槽或导向杆，所述导向部设置为能够限制弹性件在形变时中心点径向偏移。
9.优选的，所述活塞和密封容器以及托盘与所述锚杆间隙配合。
10.优选的，还设有防弹射装置，所述防弹射装置的一端与托盘连接，另一端伸入钻孔一段距离与围岩内壁或锚杆连接，作用是能够减小锚杆受剪切力崩断以及缓冲锚杆崩断弹射。
11.优选的，所述的防弹射装置为弹性吸能的缓冲件。
12.优选的，所述泄压阀设有压力传感器，所述泄压阀以及压力传感器通过压力线连接压力仪。
13.一种可回收抗冲击多级让压方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：用锚杆钻机钻孔，向孔内注水清洗残留煤渣，装入所需数量的树脂药卷，开动锚杆搅拌机将锚杆推至孔底进行搅拌锚固；第二步：在围岩外裸露锚杆上用刷子涂抹一层润滑脂，然后依次安装缓释增阻部的托盘和适时让压部件，然后用紧固件将适时让压部件的弹性件压缩一段距离固定，将承压托盘紧压在围岩上，直至施加预紧力完毕；第三步：当巷道围岩受到冲击荷载时，由于巷道围岩突然的碎胀外移，整个抗冲击多级让压装置将会受到急速上升的支护阻力，由于适时让压部件的弹性件受压变形力小于缓释增阻部的阻力，所述弹性件首先被压缩，弹性件利用其形变时的有效让压来消耗掉围岩内部突然集聚的变形能，为缓释增阻部件提供一定的缓冲；当弹性件达到承载极限时，活塞向前移动，随后缓释增阻部内可压缩气体被压缩，可压缩气体继续承载余下围岩压力，当密封容器内气压超过预设阈值时，开启泄压阀，进一步让压，从而防止锚杆支护系统受冲击荷载时发生突然断裂失效；第四步：通过测量弹性件与活塞位移量之和来判断围岩位移情况，及时反馈并做出恰当调整，合理控制围岩的变形量。
14.优选的，第三步中，在锚杆位于钻孔孔口最易折断的部位增加防弹射装置，利用弹性吸能和减震特性，缓冲钻孔孔口处的锚杆受剪力和拉伸力，进一步防止锚杆受冲击荷载时突然断裂；当巷道围岩的变形超过了所述的抗冲击多级让压装置的荷载极限时，此时的防弹射装置利用其弹性性能，缓冲锚杆崩断时的冲击力，且约束缓释增阻部件、适时让压部件以及防止锚杆崩射飞出。
15.本发明的有益效果是：设置适时让压部件的弹性件，可以提供一部分较高的阻力；并且缓释增阻部件的气缸中的可压缩气体也可以提供较大的高阻力，二者一先一后，通过适时让压，共同承载巷道围岩内部压力。具体来说，弹性件先承载部分围岩压力，当弹簧达到承载极限时，缓释增阻部件的活塞向前运动，气缸内的可压缩气体继续承载余下围岩压力。后期可通过测量弹簧与活塞位移量之和来判断围岩位移情况。及时反馈并做出恰当调整，合理控制围岩的变形量，防止发生危险。
16.本发明承载能力强，当缓释增阻部件气缸内压力值达到极限强度时，位于气缸侧
壁泄压阀处的传感器立刻侦测到压力值并传给上方压力仪，压力仪控制泄压阀释放部分气体，活塞可进行后退。在余下围岩压力作用下，活塞继续前进，压缩气缸1内可压缩气体，继续承载围岩压力。
17.本发明适用于易发生大变形的松软破裂围岩、矿压显现强烈及冲击地压影响地区巷道的支护。此外，本发明装配件少，安装与拆卸方便，易于回收利用。
附图说明
18.图1为本发明可回收抗冲击多级让压装置的整体结构示意图；图2为第一种实施方式中缓释增阻部件和适时让压部件的结构示意图；图3为图2的a-a示意图；图4为第二种实施方式中缓释增阻部件和适时让压部件的安装结构示意图；图5为第一种实施方式中防弹射装置为套管结构时的安装结构示意图；图6为第一种实施方式中防弹射装置为弹簧结构时的安装结构示意图。
19.图中，1—气缸，2—活塞，3—弹簧，4—导向槽，4’—导向杆，5—泄压阀，6—限位挡板，6-1—导向孔，7—树脂药卷，8—煤柱，9—压力仪，10—传感线，11—紧固螺母，12—锚杆，13—托盘，14—弹簧ⅱ，14’—套管。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明进行详细的说明。
21.参见图1-3所示，一种可回收抗冲击多级让压装置的一种实施方式，包括：缓释增阻部件，所述缓释增阻部包括托盘13，托盘13的中心开设通孔，所述托盘13中心圆孔直径略大于锚杆12的直径，方便锚杆12穿过。所述托盘13连接有气缸1，所述气缸1的截面为环形结构，气缸1设有泄压阀5，所述气缸1内充填可压缩气体作为增阻介质，气缸1内设有活塞2，所述可压缩气体在活塞2向前运动过程中，用于提供锚杆12向着远离钻孔方向滑动时的阻力。所述活塞2能够沿气缸1的侧壁前后滑动，以实现气体腔室中气体的压缩和扩张。气缸1以及活塞2中心孔截面积略大于锚杆的横截面积。锚杆12位于围岩外部的杆体穿过所述托盘13、气缸1的中心孔。所述的气缸1侧壁上的泄压阀5处安装有压力传感器，通过传感线10与压力仪9连接，监测气缸1内的压力值，将缓释增阻部件承受的压力实时显示出来；压力仪控制泄压阀5的充气与放气过程。
22.适时让压部件，所述适时让压部件包括一弹簧3，所述弹簧弹性阻力小于所述气缸的阻力。所述弹簧3套装在锚杆12的外部，其一端与所述气缸1的活塞连接，另一端连接一限位挡板6，所述限位挡板6的中心开设通孔，与所述锚杆12间隙配合安装。所述锚杆12至少在自由端设有螺纹，通过紧固螺母将限位挡板6固定。所述限位挡板6和气缸1的相向侧对应设有导向槽4，所述导向槽4的内径略大于弹簧3的外径，导向槽4在轴向上延伸出一定深度，且两段导向槽4的深度之和不大于弹簧3压缩极限时的长度，所述弹簧3两端位于导向槽4内。在弹簧3压缩变形过程中，导向槽4用来限制弹簧3的侧移，防止跑偏。
23.当所述的可回收抗冲击多级让压装置与锚杆12安装时，将托盘13、气缸1、弹簧3、限位挡板6依次套装在锚杆12的外部，使托盘13紧贴巷道围岩，将弹簧3压缩一段行程，利用紧固螺母11旋紧固定。
24.在上述实施方式的基础上的一种可回收抗冲击多级让压方法：第一步：用锚杆钻机钻孔，向钻孔内注水清洗残留煤渣，装入所需数量的树脂药卷7，开动锚杆搅拌机将锚杆1推至孔底进行搅拌锚固，最后用木楔或石子将锚杆1楔紧；第二步：在围岩外裸露锚杆12上用刷子涂抹一层润滑脂，然后依次安装具有承压功能的托盘13、气缸1、弹簧3、限位挡板6，所述弹簧3为工业用高强度高密度压缩弹簧，材质为弹簧钢，外直径为75~85mm，钢丝直径为3mm；在限位挡板6与活塞2上焊接有环形铁片形成导向槽4，用以限制弹簧3两端发生侧移。所述的导向槽4是由高15mm，厚5mm的铁片焊接在弹簧3的两端组成的凹槽型结构，直径略大于弹簧3的直径。上述部件安装完成后，用紧固螺母11拧紧，使弹簧3压缩一段距离，托盘13紧压在围岩上，直至施加预紧力完毕。
25.第三步：在支护过程中，由于巷道围岩的碎胀外移，整个装置将会受到较大的支护阻力，持续作用在托盘13上，所述弹簧3在围岩压力作用下不断被压缩，直至其所能承受的最大压力。所述活塞2在弹簧3达到承载极限之后，在围岩压力作用下向前运动，压缩气缸1内可压缩气体，提供给煤柱8一定支撑力。当活塞2保持一定位置不动时，说明此时围岩压力是稳定的，上方的压力仪9显示数据不变。但是，活塞2位置并不是始终不变的，当围岩压力突然增大时，活塞2继续前进，压缩气缸1内气体，提供更大的支撑力。
26.当围岩压力特别大，气缸1内可压缩气体压缩一次无法承载围岩压力时，位于气缸1侧壁泄压阀5处的压力传感器立刻侦测到气缸1内压力值并传给压力仪9，压力仪9控制泄压阀5释放部分气体，活塞2后退至初始位置。在余下围岩压力作用下，活塞2继续前进，压缩气缸1内可压缩气体，继续承载围岩压力。
27.如图4所示，在第二种实施方式中，所述的弹性件为四根弹簧3，所述的弹簧3周向均布于锚杆12的四周，其一端与所述的限位挡板6连接，另一端与活塞2连接；所述的活塞2的端面设有导向杆4’，所述限位挡板6上开设有与导向杆4’滑配合安装的导向孔，所述弹簧3套装在导向杆4’的外部。
28.如图5-6所示，在上述任一实施例基础上，还设有第三种实施方式。在围岩钻孔靠近孔口的位置安装防弹射装置，所述防弹射装置为弹簧ⅱ14或橡胶、树脂等弹性材料套管14’，也可以为上述结构的结合体，所述防弹射装置设置于锚杆12和钻孔之间，其一端与钻孔的内壁或锚杆12连接，另一端与托盘13连接。以上所述的连接方式可以采用胶粘的方式，也可以利用螺栓、螺母或其它连接方式固连。
29.本发明在支护使用时的工作原理是：在本装置安装过程中，通过拧紧紧固螺母11，弹簧3首先压缩一部分行程，将托盘13挤压在煤壁上，施加给围岩一定的初始支撑力；在巷道掘进或工作面回采过程中，当围岩压力逐渐增大时，通过压缩限位挡板6与活塞2之间的弹簧3，提供较大的阻力；当弹簧3达到承载极限时，紧接着活塞2向前运动，压缩气缸1内的可压缩气体，提供大的阻力，继续承载余下围岩压力。二者一先一后，通过适时让压共同承载巷道围岩内部压力。后期可通过测量弹簧3与活塞2位移量之和来判断围岩位移情况。
30.当围岩压力大到气缸1内可压缩气体压缩一次无法承载围岩压力时，位于气缸1侧壁泄压阀5处的传感器立刻侦测到压力值并传给压力仪，压力仪控制泄压阀5释放部分气体，完成一定的卸压作用；在余下围岩压力作用下，活塞2继续前进，压缩气缸1内可压缩气体，继续承载围岩压力，如此反复进行，不断释放围岩压力，以维持支护系统的完好性，保证
围岩安全。
31.位于钻孔孔口处的锚杆由于剪切应力与拉应力共同作用，最容易发生断裂，此时围岩对锚杆12的剪切力由防弹射装置减缓分担一部分，由于防弹射装置的保护作用，减少锚杆断裂的可能性，且当锚杆承受不住压力或拉伸力断裂时，防弹射装置对缓释增阻部件和适时让压部件以及锚杆起到牵拉缓冲作用，防止其弹射伤人。
32.上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本技术的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。