CN103306724A - 一种凸形笼状采空区封闭吸能结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种凸形笼状采空区封闭吸能结构，属于矿山采空区治理领域。吸能结构是由钢网焊接形成的“凸”形体笼状框架，用块石填充而成，笼状框架结构前后壁筑有混凝土挡水墙，巷道的右下角紧贴地面埋有橡胶排水管直通采空区。本发明可以有效阻挡或减弱由于采空区顶板垮冒而产生的强大空气冲击波，使之在通过该结构之后减弱到一个安全的状态，从而避免了强烈冲击波对安全生产造成的不利影响。以提高相应区域的安全，保证矿井的安全生产。

Description

一种凸形笼状采空区封闭吸能结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及矿区采空区封闭，具体为一种采空区封闭及吸能的方法，属于矿山采空区治理技术领域。

背景技术

经过长时间风化和应力重分布，采空区顶板会出现垮冒，进而在采空区形成强大的空气冲击波，能量巨大，如果进行封闭采空区，则对封闭墙的承压能力要求极高。因此，一旦采空区塌陷，则形成的强大空气冲击波会直接作用于封闭墙，并且随着垮冒程度加大，形成的空气冲击力也会增大，则封闭墙的安全性很难保证。

发明内容

本发明目的是解决传统技术采用封闭墙封闭采空区，安全性很难保证的问题。

一种凸形笼状采空区封闭吸能结构，其特征在于：由钢网焊接形成的“凸”形体笼状框架，用块石填充而成；“凸”形体笼状框架距离采空区不小于20m，利用Φ8mm钢网焊接而成；“凸”形体的突出结构部分朝向采空区平躺，左右两侧钢筋网镶嵌在巷道环壁凹槽中，前后两侧钢筋网是填充块石后焊接而成的；在紧贴该笼状框架结构前后浇筑混凝土挡水墙，并在朝向采空区方向，巷道的右下角紧贴地面埋有橡胶排水管直通采空区，其入水口紧贴混凝土挡水墙。

所述的笼状框架结构的钢筋网网孔密度为10cm×10cm，填充的块石的最小直径尺寸不小于10cm，填充部分要存在着缝隙；所述混凝土挡水墙高50cm，厚度30cm，橡胶排水管直径为Φ20cm，贯通整个采空区封闭吸能结构，其入水口直径30cm。

如上所述的一种凸形笼状采空区封闭吸能结构的施工方法，其特征在于：

①封闭吸能结构定位：在采空区塌陷带外，距离采空区不小于20m处选址，根据该封闭吸能结构的尺寸修整巷道，为铺设该结构焊接钢网做前期准备；

②巷道环壁凹槽的开挖：在距离采空区不小于(2L1+20)m处，沿巷道四周向着远离采空区方向开挖深为1m，宽为L1，周长为C的环壁凹槽，之后对巷道环壁凹槽进行加固，以便之后的钢筋网架的铺设焊接与固定；其中L1值的确定由公式L1=A/C而定，公式中A代表空气冲击力剪切破坏的剪切面积，L1代表巷道环壁凹槽的宽度，C代表巷道环壁凹槽周长；

③预埋橡胶排水管：朝向采空区的方向，在巷道右下角紧贴地面埋一Φ20cm的材质为橡胶的排水管，端口通到采空区；

④笼状框架的铺设钢网焊接及近采空区混凝土挡水墙的筑造和近采空区的入水口的开挖：运送Φ8mm钢网于巷道内，朝向采空区方向铺设。以网孔密度为10cm×10cm的规格先在环壁凹槽内焊接固定网架，然后向采空区方向铺设；在水平伸出环壁凹槽宽为L1处折起网架，并在此紧贴网架筑起高50cm，厚度为30cm的挡水墙，使之与巷道等宽为a，并紧贴挡水墙开出一直径为30cm的入水口，之后折回架设钢网结构；

⑤块石的填充：开始从近采空区方向充填块石，块石最小直径不小于10cm，逐步往回充填，保证块石充满接顶，直至填满，填充块石与折回铺设钢筋网交替进行；

⑥封闭吸能结构的最后封闭：待块石填充区域填满之后，利用钢筋网对该结构进行最后封闭，以保证笼状框架与所填充块石形成一个整体；其中接口处焊接重叠长度不小于1m，封闭吸能结构的纵剖面的周长不小于(4L1+2h+5)m。

本发明部分前后长度为L1，其目的在于保证该结构在受到强大空气冲击波时能阻止空气冲击波的抗剪冲击。凸出的长方体部分长度也为L1，其高度和宽度与巷道高h和宽a尺寸等同。其中嵌入巷道壁内结构部分，其长度L1计算依据如下：

①根据理想气体状态方程，在温度恒定情况下，一定质量气体的体积与压力的乘积等于衡量，即：

PV=P₀V₀

式中，P——大面积顶板瞬时冒落时被压缩的空气压力，单位MPa；

P₀——大面积顶板瞬时冒落前采空区内空气压力，即大气压力：P₀≈0.1MPa；

V——大面积顶板瞬时冒落时被压缩的空气体积，单位m³；

V₀——大面积顶板瞬时冒落前采空区内体积，单位m³。

②     $P=\frac{P_0{S}_{0}m}{S_0{H}_0-S{H}_0}$

式中，S₀——采空区内悬空面积，m²;

m——采高，m;

S——采空区大面积一次冒落面积，m²;

H₀——冒落高度，m。

令：m=H₀，η=S/S₀，且P₀=0.1MPa（标准大气压），则有：

$P=\frac{0.1}{1-\mathrm{\η}}$

③    

式中，v——压缩空气冲出采空区时的初始流动速度，单位m/s；

γ——空气密度，单位kg/m³；

g——重力加速度，m/s²。

④巷道断面A₁上冲击力F为:

F=k_dρv²A₁

其中,A₁=ah；

k_d——巷道风流的阻力系数；

ρ=γ；

空气冲击力剪切破坏的剪切面积A：

A=F/P

P——该封闭吸能结构的剪切强度

则求得，L1=A/C

所述块石其作用是对空气冲击波起到阻挡作用以达到吸收能量的作用。而缝隙能通过空气冲击波且及时排出，能量减弱后的空气冲击波处于安全状态。

所述橡胶排水管其作用是排出巷道内出现的积水，避免积水通过该封闭吸能结构时，降低地下水对该结构的腐蚀作用。

所述混凝土挡水墙其作用是一旦巷道内积水较多时，一方面可以阻挡积水，另一方面阻止积水流入该封闭吸能结构，从而降低地下水对该结构的腐蚀。

该种采空区的封闭吸能结构，因在块石填充的区域存在着缝隙，空气冲击波可以通过块石填充区域。在空气冲击波通过时，由于块石的阻力作用，空气冲击波的绝大部分能量会被吸收，进而使得空气冲击波以一种较小能量、安全的状态通过吸能结构排出。在采空区顶板垮冒过程中，采空区空气冲击波的部分气体通过泄压通道及时排出，从而减小了因塌陷而形成的强烈空气冲击波而产生的安全问题。

附图说明

图1为本发明一种采空区封闭吸能结构纵向剖面图。

附图标记为：1－混凝土挡水墙；2－嵌入巷道壁内部结构；3－凸出结构部分；4－块石；5－笼状框架；6－巷道环壁凹槽；7－入水口；8－橡胶排水管；9－泄压通道；10－采空区。

图2为采空区封闭吸能结构横剖面图

具体实施方式

为进一步描述本发明以下结合附图对本发明一种采空区封闭吸能结构作进一步说明。

本发明所述的一种采空区封闭及吸能结构，如图1、2所示，本结构采用封闭，所述“封闭”是由块石(4)填充形成的可通气的结构，该结构距离采空区不小于20m。

结合图1、2，如下是完成该吸能结构的施工流程：

①封闭吸能结构定位：在采空区(10)塌陷带外，距离采空区不小于20m处选址，根据该封闭吸能结构的尺寸修整巷道，为铺设该结构焊接钢网做前期准备。

②巷道环壁凹槽(6)的开挖：如图1、2所示，在距离采空区(10)不小于(2L1+20)m处，沿巷道四周向着远离采空区方向开挖深为1m，宽为L1，周长为C的环壁凹槽，之后对巷道环壁凹槽进行加固，以便之后的钢筋网架的铺设焊接与固定。

③预埋橡胶排水管(8)：朝向采空区(10)的方向，在巷道右下角紧贴地面埋一Φ20cm的材质为橡胶的排水管(8)，端口通到采空区(10)。

④笼状框架(5)的铺设钢网焊接及近采空区(10)混凝土挡水墙(1)的筑造和近采空区的入水口(7)的开挖：运送Φ8mm钢网于巷道内，朝向采空区(10)方向铺设。以网孔密度为10cm×10cm的规格先在环壁凹槽(6)内焊接固定网架，然后向采空区(10)方向铺设。在水平伸出环壁凹槽(6)宽为L1处折起网架，并在此紧贴网架筑起高50cm，厚度为30cm的挡水墙(1)，使之与巷道等宽为a，并紧贴挡水墙(1)开出一直径为30cm的入水口(7)，之后折回架设钢网结构。

⑤块石(4)的填充：开始从近采空区方向充填块石（最小直径不小于10cm），逐步往回充填，保证块石(4)充满接顶，直至填满如图1所示区域，填充块石(4)与折回铺设钢筋网交替进行。

⑥封闭吸能结构的最后封闭：待块石(4)填充区域填满之后，利用钢筋网对该结构进行最后封闭，以保证笼状框架(5)与所填充块石(4)形成一个整体。其中接口处焊接重叠长度不小于1m。因此，如图1所示的该吸能结构的纵剖面的周长不应小于(4L1+2h+5)m。

⑦远离采空区方向混凝土挡水墙(1)的筑造：待该结构封闭完成之后，在吸能结构远离采空区端筑起高50cm，厚度为30cm的混凝土挡水墙(1)，并紧贴该挡水墙(1)开挖直径为30cm的入水口(7)。

Claims (3)

1.一种凸形笼状采空区封闭吸能结构，其特征在于：由钢网焊接形成的“凸”形体笼状框架（5），用块石(4)填充而成；“凸”形体笼状框架距离采空区(10)不小于20m，利用Φ8mm钢网焊接而成；“凸”形体的突出结构部分(3)朝向采空区(10)平躺，左右两侧钢筋网镶嵌在巷道环壁凹槽（6）中，前后两侧钢筋网是填充块石后焊接而成的；在紧贴该笼状框架结构前后浇筑混凝土挡水墙(1)，并在朝向采空区(10)方向，巷道的右下角紧贴地面埋有橡胶排水管(8)直通采空区(10)，其入水口(7)紧贴混凝土挡水墙(1)。

2.如权利要求1所述的一种凸形笼状采空区封闭吸能结构，其特征在于：所述的笼状框架(5)结构的钢筋网网孔密度为10cm×10cm，填充的块石(4)的最小直径尺寸不小于10cm，填充部分要存在着缝隙；所述混凝土挡水墙(1)高50cm，厚度30cm，橡胶排水管(8)直径为Φ20cm，贯通整个采空区封闭吸能结构，其入水口(7)直径30cm。

3.如权利要求1或2所述的一种凸形笼状采空区封闭吸能结构的施工方法，其特征在于：①封闭吸能结构定位：在采空区(10)塌陷带外，距离采空区不小于20m处选址，根据该封闭吸能结构的尺寸修整巷道，为铺设该结构焊接钢网做前期准备；

②巷道环壁凹槽(6)的开挖：在距离采空区(10)不小于(2L1+20)m处，沿巷道四周向着远离采空区方向开挖深为1m，宽为L1，周长为C的环壁凹槽，之后对巷道环壁凹槽进行加固，以便之后的钢筋网架的铺设焊接与固定；其中L1值的确定由公式L1=A/C而定，公式中A代表空气冲击力剪切破坏的剪切面积，L1代表巷道环壁凹槽的宽度，C代表巷道环壁凹槽周长；

③预埋橡胶排水管(8)：朝向采空区(10)的方向，在巷道右下角紧贴地面埋一Φ20cm的材质为橡胶的排水管(8)，端口通到采空区(10)；

④笼状框架(5)的铺设钢网焊接及近采空区(10)混凝土挡水墙(1)的筑造和近采空区的入水口(7)的开挖：运送Φ8mm钢网于巷道内，朝向采空区(10)方向铺设。以网孔密度为10cm×10cm的规格先在环壁凹槽(6)内焊接固定网架，然后向采空区(10)方向铺设；在水平伸出环壁凹槽(6)宽为L1处折起网架，并在此紧贴网架筑起高50cm，厚度为30cm的挡水墙(1)，使之与巷道等宽为a，并紧贴挡水墙(1)开出一直径为30cm的入水口(7)，之后折回架设钢网结构；

⑤块石(4)的填充：开始从近采空区方向充填块石，块石最小直径不小于10cm，逐步往回充填，保证块石(4)充满接顶，直至填满，填充块石(4)与折回铺设钢筋网交替进行；

⑥封闭吸能结构的最后封闭：待块石(4)填充区域填满之后，利用钢筋网对该结构进行最后封闭，以保证笼状框架(5)与所填充块石(4)形成一个整体；其中接口处焊接重叠长度不小于1m，封闭吸能结构的纵剖面的周长不小于(4L1+2h+5)m。

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