用于煤矿回采巷道底板的固定底角弧形架及其安装方法
技术领域
本发明涉及煤矿回采技术领域，尤其涉及一种用于煤矿回采巷道底板的固定底角弧形架及其安装方法。
背景技术
矿山巷道，尤其是回采巷道，是保障煤矿安全高效开采的地下通道，其围岩稳定与否与煤矿安全高效开采密切相关。随着煤炭开采深度强度的不断加大，地质环境更加复杂多变，巷道围岩变形破坏逐步增加，其中底板严重鼓起是最典型的特征之一。
巷道底板鼓起是指受采掘工程的影响，巷道底板煤岩体向巷道内部空间凸起鼓出的现象。底鼓所导致的巷道断面缩小、阻碍运输和行人、妨碍矿井通风，使得许多矿井不得不投入大量的人力和物力去做“挖底”等临时的处理工作，严重的会造成整条巷道的报废，对矿山的生产与安全产生很大的制约。
长期以来，国内外许多专家学者对煤矿巷道底鼓机理和控制技术作了大量的研究工作，提出了许多底鼓控制技术。研究表明，引起巷道底鼓的因素有很多，其中较为突出的几个因素是底板岩层性质、围岩应力、水理作用和地温等。控制底鼓的方法大致分为两类：一类是防止，即采取措施将底鼓量减少到允许的范围内；二是清除底鼓，将巷道已发生底鼓的部分岩石清除，恢复巷道断面积。
目前，巷道底板尤其是回采巷道底板通常处于不支护的状态，加之底鼓控制施工难度大，所以清除底鼓是最普遍的应用方法。清除底鼓存在的问题主要有两个：一个是治标不治本，清除只起到一时的作用，后期底板又会重新鼓起，因此不得不反复清除底板。二是投入极大的人力，劳动强度大，导致巷道维护费大幅增加。
在防止类中底板锚杆、底板注浆、药壶爆破与封闭式支架四种较为常见。底板锚杆的搭设需要事先需要评价底板岩层岩性，破碎底板打锚杆通常效果不佳，由于锚杆垂直于底板打容易出现锚杆随底板围岩体整体鼓出的情形。底板注浆对浆液的选取是一个很讲究的问题，注浆工序复杂而且代价高，处理起来难度大。药壶爆破由于单一效果差，且涉及到爆破所以应用最少。封闭式支架效果最好，但对于回采巷道的短周期应用来讲代价过于昂贵、工序过于复杂而较少应用。
发明内容
本发明实施例提供一种用于煤矿回采巷道底板的固定底角弧形架及其安装方法，用以克服传统底板稳定控制锚杆、反底拱架等容易脱离鼓起、加工繁琐、安装难度大与经济代价高的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种用于煤矿回采巷道底板的固定底角弧形架，包括一对底角固定斜块、圆径弧形管以及底角固定锚杆，其中，一对所述底角固定斜块彼此相对隔开且设置在巷道底板中，所述圆径弧形管连接在一对所述底角固定斜块之间，所述底角固定锚杆安装在每个所述底角固定斜块上且向外延伸锚固在煤岩体中。
根据本发明的实施例，所述圆径弧形管为连续弯曲的弧形管件，并且所述圆径弧形管在所述巷道底板中，朝向背离位于所述巷道底板上方的巷道的方向突出。
根据本发明的实施例，每个所述底角固定斜块均包括彼此相对的第一侧面和第二侧面，其中，所述圆径弧形管安装在所述第一侧面上，并且所述底角固定锚杆由所述第二侧面向外延伸锚固在煤岩体中。
根据本发明的实施例，所述第一侧面设置成倾斜面且所述第二侧面设置成竖直面，其中，沿所述底角固定斜块的高度方向，所述第一侧面和所述第二侧面之间的间距由所述底角固定斜块的顶部至底部逐渐变大。
根据本发明的实施例，每个所述底角固定斜块上形成有安装孔和锚杆孔，所述安装孔位于所述锚杆孔的上方，其中，所述圆径弧形管安装在所述安装孔中，并且所述底角固定锚杆通过锚固剂安装在所述锚杆孔中。
根据本发明的实施例，所述底角固定锚杆的第一端锚固在煤岩体中，第二端由所述底角固定斜块的第一侧面露出，并且所述底角固定锚杆的第二端上依次安装有调心球垫和紧固件。
根据本发明的实施例，所述底角固定锚杆为螺纹杆件，所述紧固件为螺纹连接在所述螺纹杆件上的螺母。
根据本发明的实施例，所述底角固定锚杆为直杆件，并且所述底角固定锚杆相对于水平方向斜向下倾斜且锚固在所述煤岩体中。
根据本发明的实施例，固定底角弧形架还包括填充在所述巷道底板中的混凝土层，所述混凝土层包覆一对所述底角固定斜块和所述圆径弧形管。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种如上所述固定底角弧形架的安装方法，包括：在巷道底板中开设符合所述固定底角弧形架外形的基坑；将底角固定斜块放入巷道底板两端的基坑中，并使得所述底角固定斜块的竖直面贴附于巷道围岩；将钻杆对准所述底角固定斜块倾斜向下打设锚杆孔，待所述锚杆孔打设完毕装入锚固剂与底角固定锚杆进行锚固，然后在所述底角固定锚杆的外露段套入调心球垫并拧紧螺母以施加预紧力；重复所述底角固定锚杆的安装步骤，将另一侧的所述底角固定锚杆安装完毕；将圆径弧形管放入基坑中，并将所述圆径弧形管的两端对齐插入所述底角固定斜块的安装孔且放置稳定；将混凝土均匀地喷入基坑内，边喷射边搅拌直至混凝土均匀地充满整个基坑，以将所述固定底角弧形架均匀包裹。
在本发明实施例提供的用于煤矿回采巷道底板的固定底角弧形架及其安装方法中，一对底角固定斜块彼此相对隔开且设置在巷道底板中，圆径弧形管连接在一对底角固定斜块之间，底角固定锚杆安装在每个底角固定斜块上且向外延伸锚固在煤岩体中。当巷道底板受水平应力挤压时，底角固定斜块会率先与两帮围岩接触，将水平应力传递到圆径弧形管之上，圆径弧形管具有良好的承压性能而承受水平挤压，圆径弧形管的弧形设计可以有效的抵抗底板向上鼓起的挤压力，限制底板鼓起。底角固定锚杆依靠自身的长度将整个支架固定在煤帮的深处稳定岩层中，避免了支架被整体向上挤出的可能。同时，底角固定锚杆依靠自身的高刚度也可以限制煤帮向巷道内部水平挤压。由此，本发明实施例提供的固定底角弧形架具有高强度、高抗弯度，能强力抵抗水平挤压与垂直挤压的效果。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明固定底角弧形架一个实施例的结构示意图；
图2是图1所示实施例中A区域的放大图；
图3是底角固定斜块和圆径弧形管的装配示意图；
图4是底角固定锚杆、调心球垫和螺母的装配立体图；
图5是本发明固定底角弧形架的现场施工安装示意图。
附图标记：
100：固定底角弧形架；102：底角固定斜块；104：圆径弧形管； 106：底角固定锚杆；108：第一侧面；110：第二侧面；112：安装孔；114：锚杆孔；116调心球垫；118：紧固件；120：混凝土层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
现参见图1至图5，对本发明实施例提供的用于煤矿回采巷道底板的固定底角弧形架进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。
如图1所示，本发明实施例提供了用于煤矿回采巷道底板的固定底角弧形架100。该固定底角弧形架100包括一对底角固定斜块102、圆径弧形管104以及底角固定锚杆106。
具体来说，一对底角固定斜块102彼此相对隔开且设置在巷道底板中，圆径弧形管104连接在一对底角固定斜块102之间，并且底角固定锚杆106安装在每个底角固定斜块102上且向外延伸锚固在煤岩体中。
在具体应用过程中，当巷道底板受水平应力挤压时，底角固定斜块102会率先与两帮围岩接触将水平应力传递到圆径弧形管104之上，圆径弧形管104具有良好的承压性能而承受水平挤压，圆径弧形管 104的弧形设计可以有效地抵抗底板向上鼓起的挤压力，限制底板鼓起。底角固定锚杆106依靠自身的长度将整个支架固定在煤帮的深处稳定岩层中，避免了支架被整体向上挤出的可能。同时，底角固定锚杆106依靠自身的高刚度也可以限制煤帮向巷道内部水平挤压。由此，本发明实施例提供的固定底角弧形架具有高强度、高抗弯度，能强力抵抗水平挤压与垂直挤压的效果。
在一个实施例中，如图1所示并结合图5，圆径弧形管104为连续弯曲的弧形管件。换句话说，圆径弧形管104的曲率半径是处处相等的。更具体地，圆径弧形管104在巷道底板中朝向背离位于巷道底板上方的巷道的方向突出。也就是说，圆径弧形管104的突出方向与底板向上鼓起的方向相反，因此圆径弧形管104的弧形设计可以有效地抵抗底板向上鼓起的挤压力，限制底板鼓起。
更进一步地，在一个实施例中，如图1和图2所示，每个底角固定斜块102均包括彼此相对的第一侧面108和第二侧面110。具体地，圆径弧形管104安装在第一侧面108上，并且底角固定锚杆106由第二侧面110向外延伸锚固在煤岩体中。在一个实施例中，第一侧面108设置成倾斜面且第二侧面110设置成竖直面，如图1、图2和图 5所示。其中，沿底角固定斜块102的高度方向，底角固定斜块102 的第一侧面108和第二侧面110之间的间距由底角固定斜块102的顶部至底部逐渐变大，从而形成基本上锥形的结构。
继续参见图2和图3，在本发明的一个实施例中，每个底角固定斜块102上形成有安装孔112和锚杆孔114，并且安装孔112位于锚杆孔114的上方。在装配过程中，圆径弧形管104安装在安装孔112 中，并且底角固定锚杆106通过锚固剂安装在锚杆孔114中。在一个实施例中，安装孔112例如可以为与圆径弧形管104相匹配的圆形孔；当然应当理解，安装孔112的形状与圆径弧形管104的形状匹配即可，圆形孔仅是本发明的一个实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。
继续参见图1、图2并结合图4，在本发明的一个实施例中，底角固定锚杆106的第一端锚固在煤岩体中，并且底角固定锚杆106的第二端由底角固定斜块102的第一侧面108露出。如图4所示，底角固定锚杆106的第二端上依次安装有调心球垫116和紧固件118。例如在一个实施例中，底角固定锚杆106可以为螺纹杆件，并且紧固件 118可以为螺纹连接在螺纹杆件上的螺母。当然应当理解的是，底角固定锚杆106和紧固件118的形式进行示意性的，可以根据具体使用情况而定，本发明不局限于此。
继续参见图1并结合图5，在本发明的一个实施例中，底角固定锚杆106为直杆件，并且底角固定锚杆106相对于水平方向斜向下倾斜且锚固在煤岩体中。换句话说，当底角固定锚杆106装配完成时，其是倾斜向下延伸设置的。根据以上实施例，倾斜的底角固定锚杆106依靠自身的长度将整个支架固定在煤帮的深处稳定岩层中，避免了支架被整体向上挤出的可能。同时，倾斜的底角固定锚杆106依靠自身的高刚度也可以限制煤帮向巷道内部水平挤压。
进一步如图5所示，在本发明的一个实施例中，固定底角弧形架 100还包括填充在巷道底板中的混凝土层120，该混凝土层120包覆如上所述的一对底角固定斜块102和圆径弧形管104。
另一方面，本发明实施例还提供了一种如上所述固定底角弧形架的安装方法。具体来说，该安装方法包括如下步骤：
依据巷道底板稳定控制方案，在巷道底板中开设符合固定底角弧形架100外形的基坑；
将底角固定斜块102放入巷道底板两端的基坑中，并使得底角固定斜块102的竖直面贴附于巷道围岩；
将钻杆对准底角固定斜块102倾斜向下打设锚杆孔，待锚杆孔打设完毕装入锚固剂与底角固定锚杆106进行锚固，然后在底角固定锚杆106的外露段套入调心球垫116并拧紧紧固件118(例如螺母)以施加预紧力；
重复底角固定锚杆106的安装步骤，将另一侧的底角固定锚杆 106安装完毕；
将圆径弧形管104放入基坑中，并将圆径弧形管104的两端对齐插入底角固定斜块102的安装孔112且放置稳定；
将混凝土均匀地喷入基坑内，边喷射边搅拌直至混凝土均匀地充满整个基坑形成混凝土层120，从而将固定底角弧形架100均匀包裹在其中。
进一步地，该安装方法还可以包括以下步骤：依据底板稳定控制方案，重复如上所述的各步骤从而将所有的固定底角弧形架100安装完毕。
综上所述，在本发明实施例提供的用于煤矿回采巷道底板的固定底角弧形架及其安装方法中，一对底角固定斜块102彼此相对隔开且设置在巷道底板中，圆径弧形管104连接在一对底角固定斜块102之间，底角固定锚杆106安装在每个底角固定斜块102上且向外延伸锚固在煤岩体中。当巷道底板受水平应力挤压时，底角固定斜块102会率先与两帮围岩接触，将水平应力传递到圆径弧形管104之上，圆径弧形管104具有良好的承压性能而承受水平挤压，圆径弧形管104的弧形设计可以有效地抵抗底板向上鼓起的挤压力，限制底板鼓起。底角固定锚杆106依靠自身的长度将整个支架固定在煤帮的深处稳定岩层中，避免了支架被整体向上挤出的可能。同时，底角固定锚杆 106依靠自身的高刚度也可以限制煤帮向巷道内部水平挤压。由此，本发明实施例提供的固定底角弧形架具有高强度、高抗弯度，能强力抵抗水平挤压与垂直挤压的效果。
此外，该固定底角弧形架100设计简单、价格低廉、容易制作且便于安装，原材料均来源于煤矿生产过程中的废弃钢材，可在煤矿现场快速实施加工，从而对煤矿巷道(尤其是回采巷道)的底板鼓起进行有效地控制。因此，本发明实施例提供的固定底角弧形架100克服了传统底板稳定控制锚杆、反底拱架等容易脱离鼓起、加工繁琐、安装难度大与经济代价高的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
