CN103726873B - 矿山沉积砂岩顶板静水的疏干方法及疏水花管 - Google Patents
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Abstract
一种排除矿山沉积岩采掘区砂岩顶板静水的方法，它是根据负压固结理论通过负压抽气吸水式强化疏干机来强化疏干湿软细粒砂岩中的静水。负压抽气吸水式强化疏干机上的疏水花管插入砂岩的深度H1为湿软细粒砂岩厚度H的1/3～2/3。疏水花管筒壁与砂岩泄水孔口之间的间隙采用Ｏ型密封圈及方形密封垫进行双重密封。所述的负压抽气吸水式强化疏干机采用的疏水花管由管体及紧紧包裹在管体上的疏水膜组成，管体的一端开口，一端封闭，管体的开口端设有外螺纹，管体的封闭端设有锥形顶头。疏水花管筒壁上的疏水段总长为h，h为湿软细粒砂岩厚度H的1/3～2/3，根据流体力学理论和砂岩静水重力场分布规律，在管体筒壁上设有三段不同开孔率的疏水段。
Description
技术领域
本发明涉及一种排除矿山沉积岩采掘区砂岩顶板静水的方法及负压抽气吸水式强化疏干机专用疏水花管，主要用于湿软泥质细粒砂岩顶板静水的强化疏干，使砂岩固结不塌落。
背景技术
在矿山沉积岩层内，采掘顶板若为泥质胶结细粒砂岩，在无水地段这种砂岩较为坚硬，采掘支撑顶板不易塌落；但这种砂岩遇水则会膨胀，难以支护，常因顶板湿软砂岩塌落，造成安全事故。当砂岩含水率达到一定程度砂岩就会变成豆腐渣状，若水在砂岩内达到临界状态，便形成流砂，根本无法支护。
砂岩中的静水可分为二种，即结合水和自由水。目前，国内外对砂岩顶板静水中自由水的疏干，一般采用坑内外引排水、钻孔泄水和利用采准巷道通风滴干的办法。但富含在砂岩内的自由水靠自然泄水方法速度太慢，泄水时间少则一年半载，多则二、三年，这种泄水方法延误工期，影响生产。
实践和实验证明，含泥量在12%以上、含水率在12%以下的泥质胶结细粒砂岩，采掘工作面顶板和围岩就可以安全支护，若此砂岩含水率大于12%，顶板和围岩支撑的难度将随着含水率的增加而逐步加大，特别是含水率在15%以上，顶板和围岩会边支撑边塌落。在井巷掘进中，对于含水率为12%～14%的泥质胶结细粒砂岩顶板，一般是1米一架木棚的支护，并且需要用背板密顶密帮的支撑围岩；在采空区采用0.8m×0.8m支护网度的情况下，顶板必须要用木板密集护顶，否则就会塌落。这种支护方式每年要消耗大量木材，不仅成本高，效率低，而且很不安全。
泥质胶结细粒砂岩顶板含水湿软，难支护，易塌落不仅是含水率高的矿山遇到的难题，也是当今世界地下工程的普遍难题。
中国专利文献公开了一种运用负压固结理论设计的负压抽气吸水式强化疏干机（201310073597.8），负压抽气吸水式强化疏干机工作状况如附图1所示，工作时，负压抽气吸水式强化疏干机3上的疏水花管3-1插入湿软泥质砂岩2之中，将湿软细粒砂岩顶板静水吸干，使砂岩固结不塌落，实现安全支护。
但是，负压抽气吸水式强化疏干机在工作时存在以下几个问题：一是当湿软泥质砂岩2的厚度已确定时，插入湿软泥质砂岩2中的疏水花管3-1的长度决定了疏水效果。负压抽气疏水时，若疏水花管的长度尺寸与湿软泥质砂岩2厚度尺寸接近，最上层砂岩含水率低会提前固结，砂岩固结后形成的裂隙会与疏水花管3-1的抽气吸水通道最上端形成“短路”，于是底层砂岩水分很难疏干而难以固结；若疏水花管3-1太短，负压抽气吸水式强化疏干机所需功率会大大增加，浪费能源，疏水效率下降；二是疏水花管3-1上的疏水孔排列方式和疏密度也决定了疏水效果。现有的疏水花管3-1如附图2所示，疏水花管3-1由管体3-1-1及紧紧包裹在管体3-1-1上的疏水膜3-1-4组成，管体3-1-1的一端开口，一端封闭，管体3-1-1的开口端设有外螺纹3-1-3，在管体3-1-1的筒壁上设有复数个疏水孔3-1-2，复数个疏水孔3-1-2均匀分布在管体3-1-1的筒壁上。根据流体力学理论和砂岩静水重力场分布规律知，上层砂岩含水率低，底层砂岩含水率高，因此，疏水花管3-1上的疏水孔3-1-2的排列方式应遵循此规律，否则，会影响疏水效率；三是疏水花管3-1筒壁与砂岩泄水孔口的密封问题，若处理不当将严重影响强化疏干机抽气吸水时的负压，导致疏水效率降低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种排除矿山沉积岩采掘区湿软细粒砂岩顶板静水的方法以及负压抽气吸水式强化疏干机专用疏水花管。
本发明的技术方案是：一种矿山沉积砂岩顶板静水的疏干方法，它是通过负压抽气吸水式强化疏干机来强化疏干湿软细粒砂岩中的静水，其具体操作过程如下：
将负压抽气吸水式强化疏干机移到工作面，用负压抽气吸水式强化疏干机上的夹轨器夹紧钢轨对负压抽气吸水式强化疏干机进行定位，然后启动负压抽气吸水式强化疏干机上的剪叉式液压升降平台，并上升到顶板工作面，将疏水花管分别插入湿软细粒砂岩顶板上的泄水孔中，启动负压抽气吸水式强化疏干机上的负压抽气吸水装置，利用负压原理对砂岩顶板静水进行吸水即强化疏干，将砂岩的含水率降到12%以下，使砂岩固结不塌落。插入疏水花管时，借助于剪叉式液压升降平台的升力和安装在疏水花管底部的Ｏ型密封圈及方形密封垫，对砂岩泄水孔口与疏水花管筒壁之间的间隙进行双重密封，所述疏水花管插入砂岩的深度H1为湿软细粒砂岩厚度H的1/3～2/3。
所述的负压抽气吸水式强化疏干机采用的疏水花管由管体及紧紧包裹在管体上的疏水膜组成，管体的一端开口，一端封闭，管体的开口端设有外螺纹，管体的封闭端设有锥形顶头。疏水花管筒壁上的疏水段总长为h，h为湿软细粒砂岩厚度H的1/3～2/3，在管体筒壁上的疏水段设有三段不同开孔率的疏水段，分别为第一疏水段h1、第二疏水段h2及第三疏水段h3。第一疏水段h1的长度为2/9h，第一疏水段h1上设有疏水孔，疏水孔的直径为2～3mm，疏水孔均匀分布在第一疏水段h1上，第一疏水段h1的开孔率为20～30%；第二疏水段h2的长度为3/9h，第二疏水段h2上设有疏水孔，疏水孔的直径为2～3mm，疏水孔均匀分布在第二疏水段h2上，第二疏水段h2的开孔率为10～15%；第三疏水段h3的长度为4/9h，第三疏水段h3上设有疏水孔，疏水孔的直径为2～3mm，疏水孔均匀分布在第三疏水段h3上，第三疏水段h3的开孔率为5～8%。疏水花管开孔率上、下值的取舍可根据花管的长度尺寸确定，长花管取大值，短花管取小值。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
采用本发明提供的疏水花管及疏干方法对富含静水的泥质细粒砂岩进行强化疏干后，可将流砂状泥质砂岩的平均含水率降到8%左右，疏水效果显著，能使砂岩固结不塌落，方便顶板支护，保证安全生产。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
附图说明
附图1为现有的负压抽气吸水式强化疏干机工作状况示意图；
附图2为现有的负压抽气吸水式强化疏干机使用的疏水花管结构示意图；
附图3为本发明提供的疏水花管结构示意图；
附图4为采用本发明提供的疏水花管的负压抽气吸水式强化疏干机工作状况示意图；
附图5为附图4中的I部放大图；
附图6为采用本发明提供的疏水花管及疏水方法进行强化疏干后，泥质细粒砂岩高（厚）度方向含水率分布图。
具体实施方式
一种矿山沉积砂岩顶板静水的疏干方法，它是通过负压抽气吸水式强化疏干机来强化疏干湿软细粒砂岩中的静水，其具体操作过程如下：
如附图4所示，将负压抽气吸水式强化疏干机3移到工作面，用负压抽气吸水式强化疏干机3上的夹轨器夹紧钢轨对负压抽气吸水式强化疏干机3进行定位，然后启动负压抽气吸水式强化疏干机3上的剪叉式液压升降平台3-2，并上升到顶板工作面，将疏水花管1分别插入湿软细粒砂岩2顶板上的泄水孔中，启动负压抽气吸水式强化疏干机上的负压抽气吸水装置，利用负压原理对砂岩顶板静水进行吸水即强化疏干，将砂岩的含水率降到12%以下，使砂岩固结不塌落。插入疏水花管1时，借助于剪叉式液压升降平台3-2的升力和安装在疏水花管1底部的Ｏ型密封圈4及方形密封垫5，对砂岩泄水孔口与疏水花管1筒壁之间的间隙进行双重密封，所述疏水花管1插入砂岩的深度H1为湿软细粒砂岩2厚度H的1/3～2/3。
所述的负压抽气吸水式强化疏干机采用的疏水花管1由管体1-1及紧紧包裹在管体1-1上的疏水膜1-6组成，管体1-1的一端开口，一端封闭，管体1-1的开口端设有外螺纹1-5，管体1-1的封闭端设有锥形顶头1-4。疏水花管1筒壁上的疏水段总长为h，h为湿软细粒砂岩2厚度H的1/3～2/3，在管体筒壁上的疏水段设有三段不同开孔率的疏水段，分别为第一疏水段h1、第二疏水段h2及第三疏水段h3。第一疏水段h1的长度为2/9h，第一疏水段h1上设有疏水孔1-1，疏水孔1-1的直径为2～3mm，疏水孔1-1均匀分布在第一疏水段h1上，第一疏水段h1的开孔率为20～30%；第二疏水段h2的长度为3/9h，第二疏水段h2上设有疏水孔1-2，疏水孔1-2的直径为2～3mm，疏水孔1-2均匀分布在第二疏水段h2上，第二疏水段h2的开孔率为10～15%；第三疏水段h3的长度为4/9h，第三疏水段h3上设有疏水孔1-3，疏水孔1-3的直径为2～3mm，疏水孔1-3均匀分布在第三疏水段h3上，第三疏水段h3的开孔率为5～8%。疏水花管1开孔率上、下值的取舍可根据花管的长度尺寸确定，长花管取大值，短花管取小值。
湿软细粒砂岩强化疏干实验，实验目的：检测湿软细粒砂岩疏干后的含水率，并验证湿软细粒砂岩强化疏干后固结不塌落。
实验所用钢制模具内湿软细粒砂岩体积：长300*宽300*高1000mm。
泥质细粒砂岩物理状况：含泥量为12%的细粒砂岩处于饱和含水率状态（含水率为16.8%）。
疏水设备：负压抽气吸水式强化疏干机，并采用本发明提供的疏水花管，疏水花管疏水段总长为400mm。
实验结果：强化疏干后，湿软泥质细粒砂岩的平均含水率降到8.91%，钢制模具底板拆除后，砂岩固结不塌落。
湿软细粒砂岩高（厚）度方向含水率分布规律如表1及附图6所示。由附图6可以看出，疏干后的砂岩含水率基本上呈线性分布规律。
表1：疏干后湿软细粒砂岩高度方向含水率
| 取样点 | 取样点垂直高度/mm | 取样点含水率/% |
| 1 | 1000 | 4.3 |
| 2 | 880 | 6.4 |
| 3 | 770 | 7.4 |
| 4 | 660 | 7.9 |
| 5 | 550 | 9.3 |
| 6 | 440 | 10 |
| 7 | 330 | 10.7 |
| 8 | 220 | 10.8 |
| 9 | 110 | 10.9 |
| 10 | 0 | 11.4 |
Claims (2)
1.一种矿山沉积砂岩顶板静水的疏干方法，它是通过负压抽气吸水式强化疏干机来强化疏干湿软细粒砂岩中的静水，其具体操作过程如下：
将负压抽气吸水式强化疏干机移到工作面，用负压抽气吸水式强化疏干机上的夹轨器夹紧钢轨对负压抽气吸水式强化疏干机进行定位，然后启动负压抽气吸水式强化疏干机上的剪叉式液压升降平台，并上升到顶板工作面，将疏水花管分别插入湿软细粒砂岩顶板上的泄水孔中，启动负压抽气吸水式强化疏干机上的负压抽气吸水装置，利用负压原理对砂岩顶板静水进行吸水即强化疏干，将砂岩的含水率降到12%以下，使砂岩固结不塌落；插入疏水花管时，借助于剪叉式液压升降平台的升力和安装在疏水花管底部的Ｏ型密封圈及方形密封垫，对砂岩泄水孔口与疏水花管筒壁之间的间隙进行双重密封，疏水花管插入砂岩的深度H1为湿软细粒砂岩厚度H的1/3～2/3；
所述的负压抽气吸水式强化疏干机采用的疏水花管由管体及紧紧包裹在管体上的疏水膜组成，管体的一端开口，一端封闭，管体的开口端设有外螺纹；其特征是：管体的封闭端设有锥形顶头；疏水花管筒壁上的疏水段总长为h，h为湿软细粒砂岩厚度H的1/3～2/3，在管体筒壁上的疏水段设有三段不同开孔率的疏水段，分别为第一疏水段h1、第二疏水段h2及第三疏水段h3。
2.根据权利要求1所述的一种矿山沉积砂岩顶板静水的疏干方法，其特征是：所述的疏水花管第一疏水段h1的长度为2/9h，第一疏水段h1上设有疏水孔，疏水孔的直径为2～3mm，疏水孔均匀分布在第一疏水段h1上，第一疏水段h1的开孔率为20～30%；第二疏水段h2的长度为3/9h，第二疏水段h2上设有疏水孔，疏水孔的直径为2～3mm，疏水孔均匀分布在第二疏水段h2上，第二疏水段h2的开孔率为10～15%；第三疏水段h3的长度为4/9h，第三疏水段h3上设有疏水孔，疏水孔的直径为2～3mm，疏水孔均匀分布在第三疏水段h3上，第三疏水段h3的开孔率为5～8%。
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