CN103069110A

CN103069110A - 工程矿用密封件

Info

Publication number: CN103069110A
Application number: CN201180037553.9A
Authority: CN
Inventors: 约翰·C·斯坦库斯; 马金荣; 马鲁闽
Original assignee: FCI Holdings Delaware Inc
Current assignee: FCI Holdings Delaware Inc
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-04-24
Also published as: EP2598704A2; US20120027521A1; WO2012016028A3; AU2011282621A1; WO2012016028A2; AU2011282621B2; CA2804979A1; EP2598704A4; US9011043B2

Abstract

一种用于设计和制造矿用密封件的方法，其包括基于预定的地下巷道确定矿用密封件的初始厚度，建立并求解矿用密封件对施加爆炸压力响应的数值模型，并确定矿用密封件是否满足预定设计标准。在确定矿用密封件满足预定设计标准之后，可制造具有最小密封件厚度的矿用密封件。

Description

工程矿用密封件

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年7月30号提交的美国临时申请No.61/369,317的优先权，该申请的全部内容通过引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种矿用密封件，并且更具体地，涉及一种塞式矿用密封件、和一种设计并成形塞式矿用密封件的方法。

背景技术

矿用密封件通常安装在地下矿山的入口处，以把矿山的一部分与矿山的另一部分隔开。例如，矿用密封件可把采空区与生产矿区隔开。除其他原因之外，提供地下矿山入口的区域隔离是为了限制需要通风的区域以及控制有毒气体或爆炸性气体。矿用密封件通常由木头、混凝土块或泵送进框架的凝胶材料构造而成。矿业安全和健康管理条例目前规定：当对密封区域的大气进行监控和保持惰性时，矿用密封件能承受至少50psi的过压，以及如果未对密封区域大气进行监控和未保持惰性，以及不具备其他各种条件，那么矿用密封件必须能承受至少120psi的过压。参看条例30C.F.R.§75.335。

发明内容

在一个实施例中，用于设计和制造矿用密封件的方法包括基于预定的地下巷道确定矿用密封件的初始厚度，建立并求解矿用密封件对施加爆炸压力响应的数值模型，以及确定矿用密封件是否满足预定设计标准。

该方法可进一步包括基于实验室试验结果确定用于矿用密封件的材料的本构行为。建立并求解数值模型可包括模拟矿用密封件对爆炸压力的响应，以及基于材料破坏标准确定屈服条件和安全系数。该方法还可包括在数值模型中增加矿用密封件的初始厚度并且求解数值模型直到确定满足设计标准的最小密封件厚度。可使用莫尔-库仑强度标准和拉伸强度标准建立材料破坏标准。该方法可包括制造具有确定满足预定设计标准的最小密封件厚度的矿用密封件。可通过下面的方程式计算矿用密封件初始厚度。

T_{ini} = \frac{P \times DLF \times W \times H \times SF}{2 (W + H) \times σ_{shear}}

其中，P为爆炸压力（psi）、DLF为动载荷系数、W是地下巷道的宽度、H是地下巷道的高度、SF为矿用密封件和周围岩层之间的接口安全系数、以及σ_shear为矿用密封件抵靠周围岩层的剪切强度。预定设计标准可包括：在矿用密封件内侧中心处不存在拉伸破坏；沿较大跨度接口中线的最小平均安全系数为1.5；最小平均接口剪切安全系数为1.5；以及最小密封件厚度为地下巷道短跨度的大约50%或更高。

在又一实施例中，矿用密封件的成形方法包括安装第一组矿柱和第二组矿柱，其中，第一组矿柱与第二组矿柱隔开以限定于二者之间的空间。该方法进一步包括将铁丝网和风幛布固定在第一组矿柱和第二组矿柱上，其中，各第一和第二组矿柱、铁丝网和风幛布限定了第一和第二框架。该方法还包括将凝胶灌浆供给到第一和第二框架之间的空间中。

凝胶灌浆可以是泡沫状且可泵送的凝胶灌浆。第一组矿柱可彼此以大约4至5英尺的距离间隔开，以及第二组矿柱可彼此以大约4至5英尺的距离间隔开。可将铁丝网系在第一和第二组矿柱的各矿柱上。

在另一实施例中，矿用密封件包括第一和第二框架，其中，每个框架包括多根矿柱，铁丝网被固定在每根矿柱上以及风幛布被固定在铁丝网的内表面上。将第一和第二框架间隔开以限定二者之间的空间。矿用密封件还包括定位在第一和第二框架之间空间中的凝胶灌浆。该凝胶灌浆可以是泡沫状且可泵送的凝胶灌浆。第一框架的矿柱可彼此以大约4至5英尺的距离间隔开，以及第二框架的矿柱可彼此以大约4至5英尺的距离间隔开。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的矿用密封件的透视图。

图2是图1矿用密封件的侧视图，其示出了凝胶灌浆的安装。

图3是根据本发明另一实施例的矿用密封件。

图4是根据本发明再一实施例的矿用密封件。

图5是根据本发明又一实施例的方法流程图。

图6A是根据本发明一个实施例的矿用密封模型的透视图。

图6B是图6A中示出的矿用密封件模型的前视图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明。下文中为了描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”“顶部”“底部”及其衍生词应如附图中的朝向与本发明相关。然而，应理解的是，除非另有明确相反的说明，本发明可采取各种替换的变型和步骤序列。应理解的是，在附图中示出和在下面说明书中描述的具体装置仅仅是本发明的示例性实施例。因此，与本文公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被认为是限制性的。

参考图1和图2，公开了用于地下巷道的矿用密封件10的一个实施例。矿用密封件10由一对框架12、14形成，该框架12、14被定位在与顶板16和矿壁18岩层邻近的位置，并且彼此隔开以限定空间20。框架12、14构造为于其间接收凝胶灌浆22。各框架12、14包括多根间隔开的柱24、多块水平附接至柱内表面的板26、以及固定在板26内表面上的风幛布28。柱24可以是4”×4”或更大尺寸的木头柱，并定位在30”±6”的中心上，还可利用其他合适尺寸和类型的柱。也可利用木垛30（图1所示）来限定框架。该木垛30可以具有6”×6”×30”的尺寸，并且以木垛之间大约36”的距离安装。板26可以是具有1”×6”尺寸的木头板，其在18”±6”中心处附接至柱24。虽未示出，但前/外框架12通常包括一个或多个允许在建造过程期间进入框架内部的临时舱口。此外，多个加压填充管32穿过风幛布28被定位在前/外框架12上。

矿用密封件10还包括用于排出密封件10内部水的排水系统34。排水系统34包括排水管36、阀38和U形弯管40，排水管36构造为允许密封件内部水的重力下水。阀38和U形弯管40定位在排水管36的外侧。排水管36可以是非金属且耐腐蚀的管，对于50psi的密封设计，该管具有至少100psi的内部压力等级，以及对于120psi的密封设计，该管具有至少240psi的内部压力等级。虽然只公开了一根排水管36，但可使用一根或多根排水管。矿用密封件10进一步包括用于测试密封件10内侧空气的气体采样系统42。气体采样系统42包括采样管44和安装在密封件10外部的截止阀46。采样管44可以是非金属且耐腐蚀的管，对于50psi的密封设计，该管具有至少100psi的内部压力等级，以及对于120psi的密封设计，该管具有至少240psi的内部压力等级。可使用诸如聚氨酯泡沫等泡沫围绕由管32、36、44形成的环形开口并围绕风幛布28的周边，以在材料加压期间使泄露最小化。

参考图2，示出了将凝胶灌浆22定位在框架12、14之间。放置凝胶灌浆22使得灌浆22填满框架12、14之间的整个空间，并且接合顶板16和矿壁18的周围岩层。凝胶灌浆22可以是泡沫状、重量轻、可泵送的凝胶灌浆，其在放置之后的几分钟之内胶凝并且开始硬化，以限定一致、均匀和粘聚的灌浆体，该灌浆体在28天内形成足够的强度（包括与周围的岩层结合）。可使用砂矿机（未示出）将凝胶灌浆22布置在框架12、14之间的所需位置处，该砂矿机将干材料与水、空气结合起来并且泵送所得泡沫状凝胶灌浆。

参考图3，公开了用于地下巷道的矿用密封件50的又一实施例。本实施例的矿用密封件50类似于在图1和图2中示出并且在上文描述的矿用密封件10。在图3所示的矿用密封件50中，一对框架52、54中每一个由多根间隔开的矿柱56、系在矿柱56上的焊接铁丝网58、以及固定在铁丝网58内表面上的风幛布60形成。可使用钢丝系材或任何其他合适的固定装置将焊接铁丝网58固定在矿柱56上。矿柱56可以以大约4’-5’的距离间隔开。矿柱56可以是快速安装的支柱，诸如市场上可从Jennmar公司买到的RIP50矿柱，也可利用其他合适的支柱。焊接铁丝网58可以是12规格、4”×4”网格的铁丝网，也可利用其他合适的铁丝网。矿用密封件50还包括如上文所讨论的、与在图1和图2中所示矿用密封件10相关的填充管32、排水系统34以及采样系统42。虽未示出，矿用密封件50还包括如上文所讨论的、与图1和图2中所示矿用密封件10相关的、位于框架52、54之间的凝胶灌浆22。

再一次参考图3，通过安装第一组62矿柱56和第二组64矿柱56来形成矿用密封件50。第一和第二组矿柱56被间隔开以限定其间的空间66。铁丝网58和风幛布60被固定在第一和第二组62、64矿柱56上。特别是，铁丝网58和风幛布60被固定在第一组62矿柱56上，并且另外的铁丝网58和风幛布60被固定在第二组64矿柱56上。风幛布60向内朝向空间66。第一和第二组62、64矿柱56、铁丝网58和风幛布60限定了如上文所讨论的这对框架52、54。然后，以如图2所示及上述相同的方式将凝胶灌浆22供给到这对框架52、54之间的空间66中。凝胶灌浆22固化并且形成一致、均匀和粘聚的灌浆体。

参考图4，公开了用于地下巷道的矿用密封件70的另一实施例。矿用密封件70类似于在图1至图3中示出并且在上文讨论的矿用密封件10、50。矿用密封件70包括各自分别由壁部76、78形成的一对框架72、74。壁部76、78包括多个块80，块80彼此连接以形成壁部76、78。块80可以是4”×8”×16”的互锁块，该互锁块具有用于将块彼此固定的榫槽装置。每个壁部76、78的外表面还包括覆盖块80整个表面的密封剂82层。还可利用木垛30来限定如上文所提到的、与图1中所示矿用密封件10相关的框架。矿用密封件70还包括如上文关于图1和图2中示出的矿用密封件10所讨论的填充管32、排水系统34以及采样系统42。虽未示出，矿用密封件70还包括如上文关于图1和图2中示出的矿用密封件10所讨论的、位于框架72、74之间的凝胶灌浆22。

参考图5，公开了一种根据一个实施例的矿用密封件的设计和制造方法。该方法通常包括以下步骤：对于给定的巷道，确定初始矿用密封件的厚度；建立并求解矿用密封件对爆炸压力响应的数值模型；以及确定矿用密封件是否满足预定的设计标准。当确定矿用密封件设计满足设计标准时，可制造已确定满足设计标准的具有最小厚度的矿用密封件。矿用密封件设计是基于使用专业软件和三维矿用密封件模型的数值模拟。该模型代表安装在各种尺寸矿山入口处的矿用密封件结构。该模型模拟密封件充分经受由于地下爆炸施加在密封件内侧面上的爆炸过压。矿用密封件的最小厚度是各种因素的函数，主要包括爆炸过压、动载荷系数、安全系数、入口尺寸以及密封材料的工程属性。矿用密封件结构的可能破坏模式包括：（1）如果最大的拉应力超过材料的拉伸强度，那么拉伸破坏将会发生在内侧的中心处或外侧的岩石-密封件的接口周边；（2）莫尔-库仑剪切破坏通过巷道较长跨度处的接口传播；以及（3）塞式剪切破坏。取决于矿用密封件厚度和巷道尺寸，厚度小于巷道（短跨度）一半的薄密封件可能以第一模式破坏。厚密封件（厚度大于巷道较短跨度的一半）可能以第二或第三模式破坏。因此，设计和制造矿用密封件的本方法利用组合的方法论，该组合的方法论用如下文所讨论的塞流理论和结构数值分析评估所有三种可能的破坏模式。

在爆炸事件期间施加在密封件上的过压发生变化并且在很短的时段内被施加。不考虑与时间相关的由于过重地层导致的沉降载荷，爆炸压力很可能引起在密封件上的动态响应。为了分析该动态响应，应求解包括惯性和阻尼效应的完整运动方程，如由下面方程式所述：

M*a+C*u+K*y=F（方程式1）

M为密封件结构的质量；

a为加速度向量；

C为阻尼矩阵；

u为速度矩阵；

K为刚度矩阵；

y为位移矢量；以及

F为力矢量。

近似的数值模型技术可在矿用密封件设计中使用。特别是，为了避免真实动态数值模拟的某些缺陷，利用等效动态（ED）模拟方法。通过使用动载荷系数（DLF），静态模型可提供类似于完全动态模型的响应。

在具有给定边界和载荷条件、作为输入的真实材料工程属性、以及适当的破坏标准的条件下，数值模型通过这样的方式执行分析：将真实的对象分解成大量的元素，并且使用一组数学方程式数值方式计算每个元素的应力和应变。一旦每个元素达到平衡，然后软件程序集合所有单个元素的应力和应变响应，并且预测整个结构的表现。数值模型允许在莫尔-库仑破坏标准下的真实响应和材料屈服、在实验室获得的实际材料工程属性的并入、以及密封件内关键破坏区域的确认及密封件响应和材料屈服的可靠信息。此外，数值模型允许进行参数化矿用密封件设计的灵活性以适应大多数矿山入口的尺寸。

为满足政府规定，密封件设计必须能够抵抗特定持续时间和强度的爆炸，其以压力-时间曲线为特征。例如，相对于120psi的主线密封件，认为在爆炸之后可能的爆炸过压瞬时上升到120psi。假定压力存在至少四秒以确保密封件能负载而不在DLF为2时破坏。假定过压载荷的瞬时释放提供用以处理在除去爆炸载荷之后发生在密封件中的反弹效应的标准。用于诸如上文所描述凝胶灌浆22等矿用密封件的材料工程属性可通过实验室试验获得。

岩石材料、混凝土或凝胶材料的破坏通常由莫尔-库仑强度标准描述，其假定如果由正限制σ_n、内聚力c和内摩擦角

生成的剪切强度τ不能抵抗实际最大剪应力τ_max，那么剪切破坏平面在岩体中形成。当破坏发生时，在破坏面上形成的应力位于强度包络线上。莫尔-库仑强度标准假定当满足下面的方程式时，岩石材料进入破坏状态。

(方程式2)

σ_{n} = \frac{1}{2} (σ_{1} + σ_{3}) + \frac{1}{2} (σ_{1} - σ_{3}) \cos (2 θ)

(方程式3)

τ = \frac{1}{2} (σ_{1} - σ_{3}) \sin (2 θ)

(方程式4)

σ₁为最大主应力；

σ₃为最小主应力；

c为内聚力；

为内摩擦角；

θ为破坏平面角，

有了数值模型结果、σ₁和σ₃、以及岩石力学数据，每个节点的破坏状态可通过比较方程式2左侧值和右侧值来确定。如果τ值大于

值，那么可假定材料处于剪切破坏模式。否则，它可被认为是完好无损的。在矿用密封件数值模拟中，在每个计算步骤中为矿用密封件模型每个元素计算的安全系数（SF）定义为：

SF = \frac{C + [\frac{1}{2} (σ_{1} + σ_{3}) + \frac{1}{2} (σ_{1} - σ_{3}) \cos (2 θ)] σ_{n} \tan φ}{\frac{1}{2} (σ_{1} - σ_{3}) \sin (2 θ)}

（方程式5）

因为当破坏平面上的正应力变成拉力时，莫尔-库仑标准失去其物理有效性，所以在矿用密封件设计的数值分析中采用如下面方程式所示的拉伸破坏标准：

f_t=σ₃-σ_t（方程式6）

σ₃为最小主应力；

σ_t为材料拉伸强度；

对于密封件模型内的元素，当f_t>0时，检测到拉伸屈服。增加矿用密封件模型的厚度直到f_t<0。岩石和混凝土的拉伸强度通常通过劈裂试验或四点塑性弯曲试验来确定。因此，矿用密封件材料或凝胶灌浆的拉伸强度可通过实验室试验来确定。

矿用密封件模型利用下面的预定设计标准：（1）矿用密封件内侧中心处不存在拉伸破坏；（2）沿较大跨度接口中线（图6A中示出的线1和线2）的最小平均安全系数为1.5，在此位置，安全系数按照莫尔-库仑破坏法则来定义；（3）使用塞流理论，最小平均接口剪切安全系数为1.5；以及（4）最小密封件厚度不小于较短巷道跨度的50%。

矿用密封件模型仅代表矿用密封件结构并且不包括周围地层和预施加的覆土荷载。因为矿用密封件材料是泡沫状轻质量的凝胶材料，因此矿用密封件模型假定矿用密封件材料的重量是最小的。其结果是，矿用密封件可以被认为相对于入口宽度和高度的中心平面是对称的。基于这种考虑，可以使用四分之一的矿用密封件模型以减少模型中元素的数量，从而减少计算时间。

参考图6A和图6B，其示出了矿用密封件模型的示意图。在适当的边界条件下，图6A中示出的四分之一模型提供与完整模型相同的结果。图6B示出了四分之一矿用密封件模型的边界条件。矿用密封件模型假定矿用密封件材料沿接口与周围地层结合在一起。因此，将固定边界条件施加到顶部和侧部接口上。为模拟完整的模型，将对称的边界条件施加到中间平面上。竖直和水平的中间面分别被横向地和竖直地约束在中间面处。

对于给定的矿山入口尺寸，为确定矿用密封件的最小厚度，模型使用基于如下面方程式描述的塞流理论而估计的初始密封件厚度而开始。

T_{ini} = \frac{P \times DLF \times W \times H \times SF}{2 (W + H) \times σ_{shear}}

（方程式7）

P为爆炸压力（psi）；

DLF为动载荷系数；

W为入口宽度（ft）；

H为入口高度（ft）；

SF为密封件与周围地层之间接口的安全系数；以及

σ_shear为矿用密封件抵靠周围岩层的剪切强度。

使用矿用密封件的初始厚度，矿用密封件模型计算应力和应变状态、屈服、和如方程式5所限定用于矿用密封件模型内每个元素的安全系数。一旦模型达到平衡，计算机建模软件确定估计的密封件厚度是否满足设计标准。如果密封件厚度不满足设计标准，模型将以0.05’的增量自动增加密封件厚度并且重复模拟。该过程重复进行直到确定密封件的最小厚度并且满足所有设计标准。计算机建模软件嵌套有四个循环，其包括计算应力-应变并检测材料屈服的最内层循环。第二循环确定密封件的最小厚度。第三循环在最外层循环被用来改变入口高度的情况下用来改变入口宽度。对于矿山入口宽度和高度分别为14’-30’和4’-30’的范围，矿用密封件模型能够确定密封件最小厚度。

诸如在图1至图4中示出并且在上文描述的矿用密封件，厚壁的、塞式矿用密封件通常在剪切模式下沿周边破坏。数值分析表明破坏很可能从沿矿山入口最大跨度的接触接口处的最外面中心点开始。如上文所讨论的，矿用密封件设计标准确保在较大跨度接口处的最小材料破坏和在密封件结构内壁处没有材料屈服。在预期过压载荷下，大多数的材料保持完好无损。例如，对于20’×12’的入口，矿用密封件标准确定需要厚度最小为13.65’的密封材料来承受DLF为2时的120psi爆炸过压。在该具体示例中，沿较长空间接口中线的平均安全系数指导设计。当厚度为13.65’时，矿用密封件结构具有按照塞流理论为大约1.51的安全系数、以及在内壁中心处具有1.4的拉伸安全系数。在矿用密封件模型中，沿中线（图6A中示出的线1和线2）的最小平均安全系数可由下面的方程式确定。

Min(SF_line1,SF_line2)≥1.5（方程式8）

SF_line1为沿图5线1的安全系数；以及

SF_line2为沿图5线2的安全系数

沿中线的最小平均安全系数确保在较大跨度接口处仅遭受最小或没有材料破坏并且大部分材料保持完好无损。应力分布和屈服方式的回顾表明：如果沿图6A中所示线1和线2的平均安全系数大于1.5，那么在内壁中心处没有拉伸破坏，周边区域与顶板、底板和煤矿壁保持良好的接触，并且该密封件能抵抗施加的爆炸过压。分析结果表明密封件的厚度随着巷道尺寸而变化。扁平矩形巷道（长宽比<0.5）中的密封件表现不同于矩形巷道（1<长宽比<0.5）中的密封件，并且矩形巷道表现不同于正方形巷道（长宽比=1）。

对于某些小的入口巷道，由矿用密封件模型和设计标准所确定的最小密封件厚度小于8’。然而，矿用密封件的厚度可限制到8’或更大，以能够使每英尺的密封件宽度有至少230吨的支撑能力抵靠顶板层，从而控制随时间推移的顶板-底板的汇合，并且最小化可能的空气泄漏。

在确定完矿用密封件的初始厚度、通过实验室试验限定矿用密封件的本构行为、建立并求解矿用密封件数值模型以模拟矿用密封件对爆炸压力的响应、以及确定矿用密封件是否满足设计标准之后，可制造具有确定满足设计标准的最小厚度的矿用密封件。被制造的矿用密封件可与在图1至图4中示出并且在上文描述的矿用密封件10、50、70相同。例如，矿用密封件可以是塞式的密封件，其通过构造一对框架并且在框架之间放置凝胶灌浆来制造。

本文描述的方法和系统可部分或整体地通过机器运行，该机器执行计算机软件、程序代码和/或在处理器上执行指令。例如，可使用诸如ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、ALGOR、ADINA和其他合适的程序等可商购的有限元程序来执行有限元分析和计算机数值建模。该方法的其他步骤诸如确定矿用密封件的初始厚度和确定矿用密封件是否满足设计标准等也可通过执行计算机软件的机器来运行。处理器可以是服务器、客户端、网络基础设施、移动计算平台、固定计算平台或其他计算平台的一部分。处理器可以是任何种类的能够执行程序指令、代码、二进制指令等的计算或处理设备。该处理器可以是或包括信号处理器、数字处理器、嵌入式处理器、微处理器或诸如协处理器（数学协处理器、图形协处理器、通信协处理器等）等能直接或间接促进存储在其上的程序代码或程序指令执行的任何变型。此外，处理器能够执行多个程序、线程和代码。可同时执行多个线程以提高处理器的性能和促进应用程序的同时操作。经由执行，本文所描述的方法、程序代码、程序指令等可在一个或多个线程中实现。该线程可产生具有与他们相关的指定优先级的其他线程；处理器可基于优先级执行这些线程或基于程序代码中提供的指令执行任何其他命令。该处理器可包括存储如本文和别处所描述的方法、代码、指令和程序的内存。该处理器可通过接口访问能存储如本文和别处所描述的方法、代码和指令的存储介质。与处理器相关的存储介质可包括但不限于一个或多个CD-ROM、DVD、内存、硬盘、闪存驱动器、RAM、ROM、高速缓存等，该存储介质用于存储能够通过计算或处理设备执行的方法、程序、代码、程序指令或其他类型的指令。

上述方法和/或过程及其步骤可在硬件、软件或适合特定应用的硬件和软件任何组合中实现。硬件可包括通用计算机和/或专用计算设备或特定计算设备或特定计算设备的具体方面或组成部分。这些过程可在一个或多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备、连同内部和/或外部存储器中实现。这些过程还可（或替代）在专用集成电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑、或任何其他可构造为处理电信号的设备或设备的组合中体现。应进一步理解的是，当能够在机器可读介质上执行计算机可执行代码时，可实现一个或多个过程。

可使用诸如C语言等结构化的编程语言、诸如C++等面向对象的编程语言或任何其他高级或低级的编程语言（包括汇编语言、硬件描述语言和数据库编程语言及技术）来生成计算机可执行代码，所述高级或低级的编程语言可被存储、编译、或注释，以在上述设备之一、以及处理器的不同组合、处理器架构、或不同硬件和软件的组合、或能够执行程序指令的任何其他机器上运行。

因此，一方面，当在一个或多个计算设备上执行计算机可执行代码时，上述各方法及其组合可在执行其步骤的计算机可执行代码中体现。另一方面，所述方法可在执行其步骤的系统中体现，以及所述方法可以多种方式分散在设备中，或所有功能可集成到专用、单独的设备或其他硬件中。另一方面，用于执行与上述过程相关的步骤的装置可包括上述的任何硬件和/或软件。所有这些排列和组合都属于本公开内容的范围。

虽然在以上详细说明中描述了矿用密封件的几个实施例，但在不脱离本发明范围和精神的条件下，本领域的技术人员可对这些实施例作出修改和变更。因此，以上描述旨在是说明性的，而不是限制性的。

Claims

1.一种用于设计和制造矿用密封件的方法，该方法包括：

基于预定的地下巷道确定所述矿用密封件的初始厚度；

建立并求解所述矿用密封件对施加爆炸压力响应的数值模型；以及

确定所述矿用密封件是否满足预定设计标准。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

基于实验室试验结果确定用于所述矿用密封件的材料的本构行为。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，建立并求解所述数值模型包括：

模拟所述矿用密封件对所述爆炸压力的响应；以及

基于材料破坏标准确定屈服条件和安全系数。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：

在所述数值模型中增加所述矿用密封件的所述初始厚度并且求解所述数值模型，直到确定满足所述设计标准的最小密封件厚度。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，使用莫尔-库仑强度标准和拉伸强度标准建立所述材料破坏标准。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

制造具有确定满足所述预定设计标准的最小密封件厚度的矿用密封件。

7.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其中，通过下面的方程式计算所述矿用密封件的初始厚度，

T_{ini} = \frac{P \times DLF \times W \times H \times SF}{2 (W + H) \times σ_{shear}}

其中，P为爆炸压力（psi）、DLF为动载荷系数、W是地下巷道的宽度、H是地下巷道的高度、SF为所述矿用密封件和周围岩层之间的接口安全系数、以及σ_shear为所述矿用密封件抵靠周围岩层的剪切强度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定设计标准包括：

在所述矿用密封件内侧中心处不存在拉伸破坏；

沿较大跨度接口中线的最小平均安全系数为1.5；

最小平均接口剪切安全系数为1.5；以及

最小密封件厚度为地下巷道短跨度的大约50%或更高。

10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定设计标准包括：

在所述矿用密封件内侧中心处不存在拉伸破坏；

沿较大跨度接口中线的最小平均安全系数为1.5；

最小平均接口剪切安全系数为1.5；以及

最小密封件厚度为地下巷道短跨度的大约50%或更高。

11.一种矿用密封件的成形方法，其包括：

安装第一组矿柱和第二组矿柱，所述第一组矿柱与所述第二组矿柱隔开以在二者之间限定空间；

将铁丝网和风幛布固定在所述第一组矿柱和所述第二组矿柱上，各所述第一和第二组矿柱、所述铁丝网和所述风幛布限定了第一和第二框架；以及

将凝胶灌浆供给到所述第一和第二框架之间的空间中。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述凝胶灌浆是泡沫状且可泵送的凝胶灌浆。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一组矿柱彼此以大约4至5英尺的距离间隔开，以及所述第二组矿柱彼此以大约4至5英尺的距离间隔开。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述铁丝网连接在所述第一和第二组矿柱的各矿柱上。

15.一种矿用密封件，其包括：

第一和第二框架，每个框架包括多根矿柱，铁丝网被固定在每根矿柱上，并且风幛布被固定在所述铁丝网的内表面上，所述第一和第二框架间隔开以在二者之间限定空间；以及

凝胶灌浆，其定位在所述第一和第二框架之间的空间中。

16.根据权利要求15所述的矿用密封件，其中，所述凝胶灌浆是泡沫状且可泵送的凝胶灌浆。

17.根据权利要求15所述的矿用密封件，其中，所述第一框架的矿柱彼此以大约4至5英尺的距离间隔开，以及所述第二框架的矿柱彼此以大约4至5英尺的距离间隔开。