一種大型地下工程強力剛性支架可調節收斂約束裝置及方法與流程
2023-05-05 06:53:36 1
本發明涉及地下工程，尤其涉及適用於地下工程大變形巷道的一種大型地下工程強力剛性支架可調節收斂約束裝置及方法。
背景技術：
複雜地質條件下深井、軟巖和動壓巷道巖體呈現強流變特性，圍巖的長期穩定性控制極其困難。現階段，以鋼管混凝土為主體的強力剛性支架支護型式在一定程度上緩解了原有U型鋼支護強度不足、阻力過小、成本過高及讓壓受制等問題，鋼管混凝土強力剛性支架是由鋼管和混凝土組成的組合支護結構。
現有的支護體系為U型鋼或者單純的鋼性支護體系，無法吸收額外轉移的能量，巷道圍巖變形能量無法得到釋放，而現有強力剛性支架支護系統由於支架與圍巖接觸面較小，容易導致鋼管表面的應力集中，深部巷道剛性支架偏壓現象明顯，剛性支護讓壓能力欠缺，過高的強度要求導致支護成本上升。
技術實現要素：
為克服現有技術的不足，本發明第一目的是提供一種大型地下工程強力剛性支架可調節收斂約束裝置，該裝置利用彈性件的設置，旨在利用較小的恆阻或變阻結構，實現圍巖支護體系在一定阻力條件下與圍巖協調變形，達到縮小截面面積換取較大的支護剛度，從而保證大變形巷道的長期穩定。
本發明第二目的是提供一種大型地下工程強力剛性支架可調節收斂約束裝置的使用方法，該方法給出了該收斂約束裝置如何被使用調整，以應用到實際巷道支護中。
為了達成上述目的，本發明提供的第一個技術方案：
一種大型地下工程強力剛性支架可調節收斂約束裝置，包括用於支撐圍巖的剛性支架，在剛性支架的外周側與巖體之間設置若干個收斂約束結構，收斂約束結構包括：
與圍巖接觸的抗壓鋼塊，抗壓鋼塊一側設置至少一個讓壓柱，讓壓柱外側套有彈性件，彈性件的常態長度短於讓壓柱的長度，彈性件一端與抗壓鋼塊連接，另一端設置壓力傳感器；
外殼，外殼內設置開口槽，所述開口槽下部在外殼內底部設置與所述讓壓節點部件數量相同的柱形凹槽以設置讓壓節點部件，柱形凹槽的高度高於讓壓節點部件的高度。讓壓柱與讓壓節點部件間隔設定距離設置，柱形凹槽設於開口槽下部外殼的底部，當彈性件被壓縮至設定限度時，讓壓柱與讓壓節點部件接觸，讓壓柱與讓壓節點部件同軸線設置，壓力傳感器設於彈性件的底部以測定彈簧的回彈力，進而用於計算、分析圍巖所傳遞的壓力；
用於調整彈性件壓力的調節部件，調節部件包括旋轉杆，旋轉杆上設置齒輪，齒輪的部分輪齒與調節標註嚙合，調節標註一端固定於抗壓鋼塊。
所述巖體上設置凹槽，所述收斂約束結構設於凹槽內。
上述收斂約束裝置，通過將收斂約束結構設於凹槽內，也就是設於巖體與剛性支架之間，支架與巖體之間發生協調變形，當圍巖施加給支架的偏壓過大或突然超過彈性件所能承受的力時，讓壓柱與讓壓節點部件接觸受壓，使收斂約束結構所受壓力成階段非線性增長，保護收斂約束裝置不被壓壞；
通過彈性件設於讓壓柱的外側，充分利用彈性件的變形，這樣就可利用較小的恆阻或變阻結構，實現支架在一定阻力條件下與圍巖協調變形，達到縮小截面面積換取較大支護剛度，從而保證大變形巷道的長期穩定；通過壓力傳感器的設置，實時監控圍巖變形狀態，保證安全作業；裝置中主要部件為可拆卸式結構，可重複利用，節約資源。
所述讓壓節點部件包括呈沙漏狀或柱狀的彈性合金框，彈性合金框上下對稱設置，在彈性合金框中部上方設置節點彈簧，節點彈簧上設置鋼塊填充彈性合金框，同樣地，在彈性合金框中部下方設置另一節點彈簧，在該節點彈簧下設置鋼塊填充彈性合金框，這樣保證了讓壓節點部件的變形方式。
所述彈性件為強力彈簧，壓力傳感器為無線壓力傳感器，通過壓力傳感器檢測彈性件與外殼內部柱形凹槽上部周邊的壓力，壓力傳感器與控制系統連接，控制系統為PLC控制器，工作人員可通過控制系統的顯示屏觀察壓力變化。當壓力傳感器檢測到壓力增加速率過快時，說明圍巖施加給裝置的過大，工作人員可調節旋轉杆使抗壓鋼塊上升，以增加裝置抗壓能力，防止裝置被壓壞；當壓力傳感器檢測到壓力呈階段性、階梯型變化時，說明彈簧被壓縮至一定限度，讓壓柱與讓壓節點部件接觸，讓壓節點部件開始承受部分壓力，支護系統緩慢讓壓，此時，工作人員可調節旋轉杆通過齒輪與調節標註(調節標註側面設置與齒輪可嚙合的輪齒槽)嚙合使抗壓鋼塊上升，以增加裝置抗壓能力，防止裝置被壓壞；彈簧半徑大於柱形凹槽半徑，柱形凹槽為柱形形狀，彈簧被壓縮時，彈簧底部與外殼內部、柱形凹槽上部周邊接觸。
在所述外殼兩側均設置與旋轉杆配合的軸承滑輪安裝槽，在軸承滑輪安裝槽內設置軸承滑輪，軸承滑輪套於旋轉杆齒輪的一側，軸承滑輪設於所述的軸承滑輪安裝槽內，這樣共有兩個軸承滑輪，以便於旋轉杆相對於外殼旋轉。
在所述調節標註的兩側部分別設有多個輪齒槽，齒輪上的輪齒與輪齒槽配合。
在所述旋轉杆的一端部設置縱向齒輪槽；
進一步地，還包括齒輪轉動固定器，齒輪轉動固定器包括固定板，固定板上設置可與縱向齒輪槽配合的齒輪軸，當齒輪軸與縱向齒輪槽配合固定時限制齒輪的旋轉。
當讓壓柱設置有三個時，三個讓壓柱分布呈等腰三角形的三個點布置於所述抗壓鋼塊的一側。
所述剛性支架為鋼管與混凝土的組合支架，鋼管殼體的約束作用提高了內部混凝土抵抗變形的能力，核心混凝土的有效支撐增強了鋼管支架的支護剛度，二者協同作用大大提高組合結構的承載能力。
本發明提供的第二方案是：
所述的一種大型地下工程強力剛性支架可調節收斂約束裝置的使用方法，具體步驟如下：
1)轉動齒輪，使彈性件預壓，並使收斂約束結構高度略小於凹槽底部至剛性支架外表面距離，將齒輪轉動固定器中齒輪軸插入軸承內部縱向齒輪槽中，固定齒輪轉動固定器以防止旋轉軸的轉動，防止彈性件中彈簧回彈、齒輪轉動，將收斂約束結構安裝固定於凹槽中，拔下齒輪轉動固定器，由於強力彈簧回彈作用，使收斂約束結構與支架緊密貼合；
2)當支架與圍巖發生協調變形時，裝置內部彈性件受力壓縮，所受力大小可通過壓力傳感器監控，可調節轉動齒輪，改變強力彈簧回彈力，從而調節收斂約束程度；
3)通過壓力傳感器監控，調節到所需彈簧回彈力後，固定齒輪轉動固定器以防止旋轉軸的轉動，防止齒輪轉動。
本發明具有以下優點：
1)通過彈性件的設置，解決了現有鋼管混凝土強力剛性支護支護剛度有餘而柔性不足的問題，通過裝置內置的彈性可調節彈簧，利用較小的恆阻或變阻結構，實現支護體系在一定阻力條件下與圍巖協調變形，達到縮小截面面積換取較小支護剛度，從而保證大變形巷道的長期穩定。
2)通過無線壓力傳感器的設置，可對彈性件與讓壓節點部件之間的力進行檢測，便於支架與圍巖巖體之間發生協調變形時，對彈性件回彈力的調整。
3)整個裝置為拆卸式結構，可重複利用，節約資源。
4)整個結構使得支護體系具有吸收額外轉移能量的能力，以保證巷道圍巖變形能量得到釋放，支護系統所具有的這種讓壓能力可以釋放不可控制的變形，提高支護系統的有效性和完整性。
附圖說明
圖1為一種大型地下工程強力剛性支架可調節收斂約束裝置總體結構示意圖。
圖2為上部抗壓部件結構示意圖。
圖3為齒輪組件結構示意圖。
圖4(a)為外殼部件結構透視圖。
圖4(b)為及外部示意圖。
圖5為齒輪轉動固定器結構示意圖。
圖6為整個裝置結構示意圖。
圖7(a)為部分收斂約束裝置部件的內部示意圖。
圖7(b)為部分收斂約束裝置部件的外部示意圖。
圖8為讓壓節點部件的結構示意圖。
圖例說明：1—抗壓鋼塊；2—調節標柱；3—讓壓柱；4—強力彈簧；5—齒輪；6—軸承；7—軸承滑輪；8—壓力傳感器；9—外殼；10—軸承滑輪安裝槽；11—柱形凹槽；12—讓壓節點部件；13—縱向齒輪槽；14—固定板；15—齒輪軸；16—巖體；17—鋼管混凝土支架；18—鋼管混凝土支架與圍巖間空隙；19—凹槽；20—鋼塊，21—節點彈簧。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。
如圖1所示，一種大型地下工程強力剛性支架可調節收斂約束裝置，該裝置包括用於支撐圍巖的剛性支架17，在剛性支架17的外周側與巖體16之間設置若干個收斂約束結構，收斂約束結構包括與圍巖接觸的抗壓鋼塊1、外殼9和用於調整彈性件壓力的調節部件。
如圖2所示，讓壓柱3頂部是抗壓鋼塊1，抗壓鋼塊1底部中間位置滿焊調節標柱2，調節標柱2兩側設有輪齒槽，抗壓鋼塊1底部周邊焊接三根相同的讓壓柱3，將強力彈簧4套在讓壓柱3上，強力彈簧4頂部與抗壓鋼塊1連接，底部安裝無線壓力傳感器8。
如圖3所示，齒輪組件包括齒輪5、軸承6、軸承滑輪7，軸承滑輪7安裝在外殼9上，軸承6一端內設有縱向齒輪槽13。
如圖4(a)和圖4(b)所示，外殼9部件底部具有一定厚度，且底部有三個柱形凹槽11，柱形凹槽11內安裝讓壓節點部件12，外殼9前後兩端各有兩個軸承滑輪安裝槽10，用於安裝齒輪組件中的軸承滑輪7且將軸承滑輪7固定於外殼9上。
如圖5所示，齒輪轉動固定器由齒輪軸15、固定板14組成，齒輪軸15滿焊於固定板14上，兩齒輪軸15位置與裝置中軸承內部縱向齒輪槽13相對應。
如圖6所示，支架為鋼管混凝土支架。
上述裝置實現支護體系在一定阻力條件下與圍巖協調變形，裝置的使用方法如下：
1)調節轉動齒輪5，使內部強力彈簧4預壓，並使裝置高度略小於凹槽19底部至鋼管混凝土支架17外表面距離，將齒輪轉動固定器插入軸承內部縱向齒輪槽13中，防止強力彈簧4回彈、齒輪5轉動，將裝置通過鋼管混凝土支架與圍巖間空隙18安裝固定於凹槽19中，拔下齒輪轉動固定器，由於強力彈簧4回彈作用，使裝置頂部與鋼管混凝土支架17緊密貼合；
2)當支護體系與圍巖發生協調變形時，裝置內部強力彈簧4受力壓縮，所受力大小可通過無線壓力傳感器8監控，可根據所需調節轉動齒輪5，改變強力彈簧4回彈力，從而調節收斂約束程度；
3)通過無線壓力傳感器8監控，調節到所需彈簧4回彈力後，將齒輪轉動固定器插入軸承內部縱向齒輪槽13中，防止齒輪5轉動，限制收斂約束結構的收斂約束程度；
所述凹槽19根據所需在巖體開挖支護過程中預留若干，凹槽19不宜過深、過大，在保持預期圍巖穩定情況下深度為裝置一半高度最宜，以便對裝置進行調節，且寬度能保證裝置便於取放。
如圖7(a)、圖7(b)所示，支護體系與圍巖發生協調變形，當圍巖施加給支架17的偏壓過大或過於突然超過強力彈簧4所能承受的力時，讓壓柱3與裝置底部柱形凹槽11內的讓壓節點部件12接觸受壓，使裝置所受壓力成階段非線性增長，保護支架體系及裝置不被壓壞。
如圖8所示，讓壓節點部件包括呈沙漏狀或柱狀的彈性合金框，彈性合金框上下對稱設置，彈性合金框從中部分成兩部分，上下部分內部均為圓臺形狀，在彈性合金框中部上方設置節點彈簧21，節點彈簧上設置鋼塊20填充彈性合金框，同樣地，在彈性合金框中部下方設置另一節點彈簧，在該節點彈簧下設置鋼塊填充彈性合金框，讓壓節點部件尺寸小於柱形凹槽11，根據設計要求提前加工而成，讓壓節點部件安裝固定於柱形凹槽底部，讓壓節點部件在受壓時具有特定的荷載位移曲線形式，當讓壓柱與讓壓節點部件接觸，讓壓節點部件受壓到一定程度時，所受荷載保持不變但變形呈現緩慢增加讓壓形式，或分階段讓壓形式。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現，未予以詳細說明和局部放大呈現的部分，為現有技術，在此不進行贅述。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和特點相一致的最寬的範圍。