一種可多級耗能協同讓壓的巷道支護結構及拼接方法與流程

本發明涉及一種地下工程巷道支護結構，尤其涉及一種可多級耗能協同讓壓的巷道支護結構及拼接方法，屬于巷道支護技術領域。

背景技術：

煤炭作為我國的主要能源，其安全開采歷來為人們所關注，其中煤礦巷道支護效果的好壞對于煤礦安全生產至關重要。一直以來，煤礦巷道支護廣泛采用U型鋼支架支護技術。但隨著煤炭淺部資源的枯竭，煤炭開采逐漸向深部發展，巷道所處環境越發復雜，高地壓、大變形、動荷載、難支護等特點使U型鋼支架在巷道支護中出現了屈服斷裂的現象，其主要原因之一是支架支護強度不足。近年來發展起來的鋼管混凝土支架支護技術雖然能夠有效提高支架的支護強度，然其不能夠進行有效讓壓耗能，導致支護體系成為剛性支撐，不符合讓壓支護的理念。

針對鋼管混凝土支架讓壓的研究，申請號為201310466354.0的中國專利提出了一種鋼管混凝土支架讓壓構件及其安裝方法，具體是在支架的接頭位置設置沙漏形讓壓構件，通過讓壓構件的變形進行讓壓；申請號為201320070460.2的中國專利提出一種伸縮式鋼管混凝土支架，具體是在該支架接頭處設置伸縮性多孔金屬接頭，通過金屬接頭上孔洞被壓縮來實現讓壓；申請號為201320623646.6的中國專利提出了一種鋼管混凝土支架持續漸進讓壓可縮裝置，具體是在支架接頭處與其垂直的方向安裝幾個套在一起的直徑不同、長度相同、管壁厚度不同的鋼管，通過鋼管的逐漸受力進行讓壓。

上述專利設計的讓壓位置均選擇在鋼管混凝土支架的接頭處，不同之處在于讓壓構件的類型。這些設計均未改變鋼管混凝土支架在施工時自重較重，不便靈活搬用，不能回收利用的現狀；讓壓點設置在鋼管混凝土接頭處使鋼管混凝土拱架讓壓范圍和讓壓量受到限制，使節點處成為受力薄弱環節，影響支架整體的剛度和穩定性；同時，單純的節點讓壓也不能充分發揮支架整體的協同讓壓作用。鑒于此，研究一種新型的可多級耗能協同讓壓的巷道支護結構具有重要意義。

技術實現要素：

針對現有巷道支護技術存在的上述不足，本發明提供了一種新型的可多級耗能協同讓壓的巷道支護結構，其具有形式簡單、自重較輕、可部分回收利用、節點剛度強、支護強度高、整體穩定性好、讓壓范圍大、能夠多級協同讓壓的優點，該支護結構能夠較好的適用于復雜地質環境條件下的巷道支護工程。

本發明采用的技術方案如下：

一種可多級耗能協同讓壓的巷道支護結構，是由D-C型支架、D型連接套管、可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件、耗能讓壓鋼塊組成；

所述的D-C型支架，其形狀可以是圓形、弧形及直墻半圓拱形等，具體形狀可以依據現場情況進行設計和選擇；包括一個橫截面為D型的金屬管和安裝在D型金屬管豎直壁上的兩個相互平行的腹板，其中金屬管的內部灌注有混凝土；腹板尾端的表面開有矩形槽；兩個腹板與豎直壁之間形成C型。

所述的可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件，其為一個截面形狀是槽型的弧形件，該弧形件卡裝在所述的兩個腹板上，且通過連接件與腹板相連；

所述的D型連接套管用于連接兩個D-C型支架，所述的低屈服強度耗能讓壓鋼塊通過D型連接套管放置在新型D-C型支架節點處，所述的耗能讓壓鋼塊內部加工有槽，在所述的槽內放置有彈性元件。

進一步的，在可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件上與所述的矩形槽相對的位置也設有矩形槽，兩個矩形槽對中后，通過螺栓相連。

進一步的，所述的耗能讓壓鋼塊為低屈服強度件。

進一步的，所述的D型連接套管，由金屬材料制成，整體形狀呈弧形或方形，其形狀根據現場具體情況及套管連接位置進行設計，以方便將新型D-C型支架的兩端交接處連接起來。

進一步的，所述的D型連接套管以D-C型支架的兩個腹板尾端作為固定卡位置，兩個腹板尾端替代了傳統的檔環，避免了傳統支護結構安裝檔環的繁瑣，省時高效。

進一步的，所述的D型連接套管截面形狀與D-C型支架的D型的金屬管形狀相同，但直徑要大于D型的金屬管的直徑，以保證套管能夠將支架很好的連接起來。

進一步的，所述的可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件，由金屬材料制成，整體形狀呈弧形，其具體形狀根據連接的新型D-C型支架兩端的形狀來確定。可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件使節點處的剛度得到增強，有利于支架結構的整體穩定。可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件可以回收利用，經濟效益良好。

進一步的，所述的可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件在其尾端內部開有矩形槽，以方便與新型D-C型支架的C形截面部分尾端開有的矩形槽通過螺栓進行連接，螺母下放置有增強型墊片能夠增大螺栓與連接件的摩擦力。

進一步的，所述的可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件與新型D-C型支架之間的摩擦力可以通過調節螺栓的預緊力的大小來實現。通過可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件與新型D-C型支架之間的滑動摩擦實現支架結構的讓壓耗能，耗能范圍和耗能長度加大，有利于支護結構充分協同耗能讓壓。

進一步的，所述的低屈服強度耗能讓壓鋼塊通過D型連接套管放置在新型D-C型支架節點處，其形狀與D-C型支架連接部位的D型連接套管相協調，一般為弧形體或長柱形體。

進一步的，所述的低屈服強度耗能讓壓鋼塊由特殊的低屈服強度材料制成，具有良好的塑性，耗能讓壓性能良好。

進一步的，所述的低屈服強度耗能讓壓鋼塊內部加工有細長孔槽放置有合金彈簧，合金彈簧具有良好的塑性與韌性，長時間內有穩定的彈性，其屈服強度要高于低屈服強度耗能讓壓鋼塊，這樣有利于形成耗能讓壓的逐級協調模式。

進一步的，所述的連接件包括螺栓和螺母。

進一步的，所述的腹板與可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件接觸位置設有墊片。

進一步的，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件卡裝在兩個腹板尾端。

上述裝置的拼接方法如下：

將四節D-C型支架的金屬管內灌注混凝土，待混凝土初步硬化后進行拼裝，相鄰兩節新型D-C型支架的節點處通過D形連接套管進行連接；在D形連接套管內放置有耗能讓壓鋼塊；D形連接套管的末端卡在新型D-C型支架的兩個腹板的尾端，省去了傳統套管需要專門設置檔環的繁瑣工序；可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件將相鄰的兩節D-C型支架通過螺釘穿過矩形槽進行固定，螺母下設置有增強型墊片增加連接件之間的摩擦力，通過調節螺母的預緊力來控制可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件與D-C型支架之間的讓壓耗能能力，施加預緊力的大小根據現場情況進行設計。

具體讓壓耗能的作用過程如下：

支架結構在荷載的作用下，逐漸產生變形。首先，D形連接套管內部安裝的具有良好塑性性能的低屈服強度耗能讓壓鋼塊受到壓縮開始讓壓耗能，當讓壓耗能到一定程度后，放置在低屈服強度耗能讓壓鋼塊內的彈簧開始參與到協同耗能讓壓的過程中；彈簧具有良好塑性與韌性、長時間穩定的彈性和較高的屈服強度；在此過程中，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件與D-C型支架之間通過滑動摩擦適時參與到支架結構的整體讓壓耗能過程中，滑動摩擦的多少取決于需要耗散能量的多少，滑動摩擦的大小可以通過調節螺栓的預緊力來實現。可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件可以回收重復利用，經濟效益良好。

由上述技術方案可以看出，本發明具有如下優點：

(1)支護結構形式簡單，相對于鋼管混凝土支架，自重明顯減輕，有利于現場施工。

(2)支護結構具有高承載力和高耗能讓壓能力。當低屈服強度耗能讓壓鋼塊讓壓耗能到一定程度時，具有較強耗能能力的合金彈簧開始參與到協同耗能中來。在支架節點產生縮動的同時，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件與支架之間通過滑動摩擦適時參與讓壓耗能，最終實現支護體系的多級協同耗能讓壓。

(3)讓壓不僅局限在節點，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件與支架之間通過螺栓連接形成滑動讓壓耗能面，形成立體的科學的多級協同讓壓體系，使讓壓范圍更廣，讓壓量更加充分，讓壓過程更加協同，可以充分適應巷道的變形。

(4)可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件與支架之間通過螺栓連接在一起，提高了支架節點處的剛度，改變了傳統支架在節點處設置讓壓構件使節點成為受力薄弱環節的現狀，有利于支架的整體穩定。

(5)可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件能夠回收再利用，經濟效益良好。

(6)連接套管的固定不需專門安裝檔環，避免了傳統支護結構安裝檔環的繁瑣，省時高效。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明的整體支護結構示意圖。

圖2、圖3是新型D-C型支架正視圖及其斷面圖。

圖4、圖5是D形連接套管正視圖及其斷面圖。

圖6、圖7是可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件的正視圖及其斷面圖。

圖8、圖9是支架連接處局部放大圖及其斷面圖。

圖10是低屈服強度耗能讓壓鋼塊及其內置合金彈簧的詳圖。

圖中1-D-C型支架；2-D形連接套管；3-可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件；4-矩形槽；5-增強型墊片；6-螺釘；7-螺母；8-低屈服強度耗能讓壓鋼塊；9-合金彈簧。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

本發明中低屈服強度耗能讓壓鋼塊8的低屈服強度是一個相對的概念，這里所述的讓壓鋼塊8的屈服強度要小于合金彈簧9，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3與新型D-C型支架1之間通過滑動摩擦適時參與到支架結構的整體讓壓耗能過程中。

具體的結構如下：

可多級耗能協同讓壓的巷道支護結構，是由D-C型支架、D型連接套管、可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件、耗能讓壓鋼塊組成；

所述的D-C型支架，其形狀可以是圓形、弧形及直墻半圓拱形等，具體形狀可以依據現場情況進行設計和選擇；包括一個橫截面為D型的金屬管和安裝在D型金屬管豎直壁上的兩個相互平行的腹板，其中金屬管的內部灌注有混凝土；腹板的尾端的表面開有矩形槽；兩個腹板與豎直壁之間形成C型。

所述的可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件，其整體形狀為截面是槽型的弧形件，該弧形件卡裝在所述的兩個腹板上，且通過連接件與腹板相連；

所述的D型連接套管用于連接兩個D-C型支架，所述的低屈服強度耗能讓壓鋼塊通過D型連接套管放置在新型D-C型支架節點處，所述的耗能讓壓鋼塊內部加工有槽，在所述的槽內放置有彈性元件。

下面結合附圖，對本發明做進一步說明：

如圖1所示，本發明是一種可多級耗能協同讓壓的巷道支護結構，是由新型D-C型支架1、D型連接套管2、可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3、低屈服強度耗能讓壓鋼塊8組成，其形狀可以是圓形、弧形及直墻半圓拱形等，具體形狀可以依據現場情況進行設計和選擇。

如圖2，圖3所示，新型D-C型支架1形狀呈弧形，其形狀可以根據現場設計要求而定。支架截面包括D形和C形兩部分，由金屬材料制成，其中D形截面內部灌注有核心混凝土，混凝土強度等級一般取C30～C60，以C40最為常見。C形截面部分尾端的表面開有矩形槽4，與可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3開有的矩形槽4位置互相對應。

如圖4，圖5所示，D型連接套管2，由金屬材料制成，整體形狀呈弧形或方形，其形狀根據現場具體情況及套管連接位置進行設計，以方便將新型D-C型支架1的兩端交接處連接起來。

如圖1，圖8，圖9所示，D型連接套管2以新型D-C型支架1的C形截面尾端作為固定卡位置，C形截面尾端替代了傳統的檔環，避免了傳統支護結構安裝檔環的繁瑣，省時高效。

如圖2，圖3，圖4，圖5所示，D型連接套管2的截面形狀與新型D-C型支架1的D形截面形狀相同，但直徑要大于新型D-C型支架1的D形截面的直徑，以保證套管能夠將支架很好的連接起來。

如圖6，圖7所示，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3，由金屬材料制成，整體形狀呈弧形，其具體形狀根據連接的新型D-C型支架1兩端的形狀來確定。可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3使節點處的剛度得到增強，有利于支架結構的整體穩定。可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3可以回收利用，經濟效益良好。

如圖2，圖3，圖6，圖7所示，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3在其尾端內部開有矩形槽4，以方便與新型D-C型支架1的C形截面部分尾端開有的矩形槽4通過螺栓進行連接，螺母7下放置有增強型墊片5能夠增大螺栓與連接件的摩擦力。

如圖1，圖8，圖9所示，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3與新型D-C型支架1之間的摩擦力可以通過調節螺栓的預緊力的大小來實現。通過可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3與新型D-C型支架1之間的滑動摩擦實現支架結構的讓壓耗能，耗能范圍和耗能長度加大，有利于支護結構充分協同耗能讓壓。

如圖1，圖8，圖9，圖10所示，低屈服強度耗能讓壓鋼塊8通過D型連接套管2放置在新型D-C型支架1的節點處，其形狀與新型D-C型支架1連接部位的D型連接套管2相協調，一般為弧形體或長柱形體。

如圖10所示，低屈服強度耗能讓壓鋼塊8由特殊的低屈服強度材料制成，具有良好的塑性，耗能讓壓性能良好。

如圖10所示，低屈服強度耗能讓壓鋼塊8內部加工有細長孔槽放置有合金彈簧9，合金彈簧9具有良好的塑性與韌性，長時間內有穩定的彈性，其屈服強度要高于低屈服強度耗能讓壓鋼塊，這樣有利于形成耗能讓壓的逐級協調模式。

下面以圓形的可多級耗能協同讓壓的巷道支護結構為例，說明本發明的具體實施過程：

將四節新型D-C型支架1的D形截面部分灌注C40混凝土，待混凝土初步硬化后進行拼裝，相鄰兩節新型D-C型支架1的節點處通過D形連接套管2進行連接(D形連接套管2內放置有低屈服強度耗能讓壓鋼塊8)，D形連接套管2的末端卡在新型D-C型支架1的C形截面的尾端，省去了傳統套管需要專門設置檔環的繁瑣工序。可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3將相鄰的兩節新型D-C型支架1通過螺釘6穿過矩形槽4進行固定，螺母7下設置有增強型墊片5可增加連接件之間的摩擦力，通過調節螺母7的預緊力來控制可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3與新型D-C型支架1之間的讓壓耗能能力，施加預緊力的大小根據現場情況進行設計。

當支架拼裝完成后，即可發揮其對煤礦巷道的支護作用。具體讓壓耗能的作用過程如下：

支架結構在荷載的作用下，逐漸產生變形。首先，D形連接套管2內部安裝的具有良好塑性性能的低屈服強度耗能讓壓鋼塊8受到壓縮開始讓壓耗能，當讓壓耗能到一定程度后，放置在低屈服強度耗能讓壓鋼塊8內的合金彈簧9開始參與到協同耗能讓壓的過程中。合金彈簧9具有良好塑性與韌性、長時間穩定的彈性和較高的屈服強度。在此過程中，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3與新型D-C型支架1之間通過滑動摩擦適時參與到支架結構的整體讓壓耗能過程中，滑動摩擦的多少取決于需要耗散能量的多少，滑動摩擦的大小可以通過調節螺栓的預緊力來實現。可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3可以回收重復利用，經濟效益良好。

支架結構被荷載作用的過程，是低屈服強度耗能讓壓鋼塊8、合金彈簧9及可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3立體協同耗能讓壓的過程，是支架結構作為一個整體協同變形的過程。支架讓壓的過程突破了傳統讓壓模式僅局限于節點讓壓的缺陷，可滑動槽型摩擦耗能讓壓連接件3與新型D-C型支架1之間形成的耗能讓壓段使支架節點處剛度得到了加強，也為支護結構整體協同讓壓提供了條件，使支護結構更加穩定。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。