[发明专利]一种大型地下工程强力刚性支架可调节收敛约束装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及地下工程，尤其涉及适用于地下工程大变形巷道的一种大型地下工程强力刚性支架可调节收敛约束装置及方法。

背景技术

复杂地质条件下深井、软岩和动压巷道岩体呈现强流变特性，围岩的长期稳定性控制极其困难。现阶段，以钢管混凝土为主体的强力刚性支架支护型式在一定程度上缓解了原有U型钢支护强度不足、阻力过小、成本过高及让压受制等问题，钢管混凝土强力刚性支架是由钢管和混凝土组成的组合支护结构。

现有的支护体系为U型钢或者单纯的钢性支护体系，无法吸收额外转移的能量，巷道围岩变形能量无法得到释放，而现有强力刚性支架支护系统由于支架与围岩接触面较小，容易导致钢管表面的应力集中，深部巷道刚性支架偏压现象明显，刚性支护让压能力欠缺，过高的强度要求导致支护成本上升。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明第一目的是提供一种大型地下工程强力刚性支架可调节收敛约束装置，该装置利用弹性件的设置，旨在利用较小的恒阻或变阻结构，实现围岩支护体系在一定阻力条件下与围岩协调变形，达到缩小截面面积换取较大的支护刚度，从而保证大变形巷道的长期稳定。

本发明第二目的是提供一种大型地下工程强力刚性支架可调节收敛约束装置的使用方法，该方法给出了该收敛约束装置如何被使用调整，以应用到实际巷道支护中。

为了达成上述目的，本发明提供的第一个技术方案：

一种大型地下工程强力刚性支架可调节收敛约束装置，包括用于支撑围岩的刚性支架，在刚性支架的外周侧与岩体之间设置若干个收敛约束结构，收敛约束结构包括：

与围岩接触的抗压钢块，抗压钢块一侧设置至少一个让压柱，让压柱外侧套有弹性件，弹性件的常态长度短于让压柱的长度，弹性件一端与抗压钢块连接，另一端设置压力传感器；

外壳，外壳内设置开口槽，所述开口槽下部在外壳内底部设置与所述让压节点部件数量相同的柱形凹槽以设置让压节点部件，柱形凹槽的高度高于让压节点部件的高度。让压柱与让压节点部件间隔设定距离设置，柱形凹槽设于开口槽下部外壳的底部，当弹性件被压缩至设定限度时，让压柱与让压节点部件接触，让压柱与让压节点部件同轴线设置，压力传感器设于弹性件的底部以测定弹簧的回弹力，进而用于计算、分析围岩所传递的压力；

用于调整弹性件压力的调节部件，调节部件包括旋转杆，旋转杆上设置齿轮，齿轮的部分轮齿与调节标注啮合，调节标注一端固定于抗压钢块。

所述岩体上设置凹槽，所述收敛约束结构设于凹槽内。

上述收敛约束装置，通过将收敛约束结构设于凹槽内，也就是设于岩体与刚性支架之间，支架与岩体之间发生协调变形，当围岩施加给支架的偏压过大或突然超过弹性件所能承受的力时，让压柱与让压节点部件接触受压，使收敛约束结构所受压力成阶段非线性增长，保护收敛约束装置不被压坏；

通过弹性件设于让压柱的外侧，充分利用弹性件的变形，这样就可利用较小的恒阻或变阻结构，实现支架在一定阻力条件下与围岩协调变形，达到缩小截面面积换取较大支护刚度，从而保证大变形巷道的长期稳定；通过压力传感器的设置，实时监控围岩变形状态，保证安全作业；装置中主要部件为可拆卸式结构，可重复利用，节约资源。

所述让压节点部件包括呈沙漏状或柱状的弹性合金框，弹性合金框上下对称设置，在弹性合金框中部上方设置节点弹簧，节点弹簧上设置钢块填充弹性合金框，同样地，在弹性合金框中部下方设置另一节点弹簧，在该节点弹簧下设置钢块填充弹性合金框，这样保证了让压节点部件的变形方式。

所述弹性件为强力弹簧，压力传感器为无线压力传感器，通过压力传感器检测弹性件与外壳内部柱形凹槽上部周边的压力，压力传感器与控制系统连接，控制系统为PLC控制器，工作人员可通过控制系统的显示屏观察压力变化。当压力传感器检测到压力增加速率过快时，说明围岩施加给装置的过大，工作人员可调节旋转杆使抗压钢块上升，以增加装置抗压能力，防止装置被压坏；当压力传感器检测到压力呈阶段性、阶梯型变化时，说明弹簧被压缩至一定限度，让压柱与让压节点部件接触，让压节点部件开始承受部分压力，支护系统缓慢让压，此时，工作人员可调节旋转杆通过齿轮与调节标注(调节标注侧面设置与齿轮可啮合的轮齿槽)啮合使抗压钢块上升，以增加装置抗压能力，防止装置被压坏；弹簧半径大于柱形凹槽半径，柱形凹槽为柱形形状，弹簧被压缩时，弹簧底部与外壳内部、柱形凹槽上部周边接触。