CN106837420A - 基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置，包括设置在进风巷当中的第一密闭墙和设置在回风巷当中的第二密闭墙，第一密闭墙和第二密闭墙的结构相同，第一密闭墙和第二密闭墙均包括由砖砌筑而成的第一墙体和第二墙体，第二密闭墙体中部水平插设有注入管，注入管内端伸入到第一墙体和第二墙体之间形成的空腔内，空腔内填充有黄土，第一墙体与第二墙体之间水平设置有至少两根张拉螺杆。本发明还公开了一种基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置的密闭方法。本发明主要对采空区巷道围岩裂隙产生的采空区漏气通道进行封堵，密封效果明显，安全可靠，能有效防止采空区自燃发火。
Description
技术领域
本发明属于煤矿煤层火灾防治技术领域，尤其涉及基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置和方法。
背景技术
我国是煤炭用储量大国，全国各地大小煤矿众多，受开采技术与采煤方法限制，回采工作面煤矿采空区遗煤与高浓度瓦斯大量积存，如果再满足漏风条件，往往存在采空区遗煤自燃，甚至引起瓦斯爆炸的严重后果。为了封堵采空区，防止井巷中风流漏入采空区，通常采取在采空区周围设置密闭墙的方法解决。根据空气动力学原理和煤矿开采实际情况，防治自燃密闭技术与方法必须满足三个条件：1、密闭自身密封性好；2、能够有物质充填巷道围岩裂隙，包括巷道顶部围岩裂隙，有效封堵；3、受采动集中应力影响密闭墙破坏变形后，密闭仍能保证密封效果。但目前密闭墙构筑多为加厚的泥沙砖墙构筑，劳动强度大，工序复杂，密封效果差，特别是巷道周边围岩受动压影响后产生的裂缝难以很好封堵即使之后补充使用插管注入泥浆的方法，因泥浆受重力作用不能进入巷道顶部的围岩裂隙中，密封效果仍不佳。而且，墙体自身由于长时间受动压也会产生裂隙，此时已不能起到封堵风流的目的。为了改进传统的密闭墙方法，提高效率，保证矿井安全生产，需要采用新型采空区密闭技术对采空区巷道进行充填密闭。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置和方法，其可对采空区主要的漏气通道能够进行有效的封堵，改善采空区的密闭效果防止采空区自燃发火，避免引起瓦斯爆炸。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置，包括设置在进风巷当中的第一密闭墙和设置在回风巷当中的第二密闭墙，第一密闭墙和第二密闭墙的结构相同，第一密闭墙和第二密闭墙均包括由砖砌筑而成的第一墙体和第二墙体，第一墙体和第二墙体的侧部边沿和顶部边沿均与巷道围岩接触并密封连接，第一墙体邻近采空区，第二墙体远离采空区，以采空区到第二墙体的方向为由内向外的方向，第二密闭墙体中部水平插设有注入管，注入管内端伸入到第一墙体和第二墙体之间形成的空腔内，空腔内填充有黄土，第一墙体与第二墙体之间水平设置有至少两根张拉螺杆，每根张拉螺杆上均套设有两块垫板，张拉螺杆的头部通过其中一块垫板与第一墙体内表面顶压接触，张拉螺杆的外端螺纹连接有防锈防松螺帽结构，防锈防松螺帽结构通过另一块垫板与第二墙体外表面顶压接触。
防锈防松螺帽结构包括防护帽、垫圈和圆环形的弹性嵌件，张拉螺杆的外端部螺纹连接有两个螺母，所述的垫圈套设在张拉螺杆上，螺母内侧表面通过垫圈与弹性嵌件压接配合；
垫圈在圆周表面上开设有第一圆环槽，防护帽为内端开口的圆筒状结构，防护帽的内壁敞口处沿圆周方向设置有第一定位环和第二定位环，防护帽内壁在第一定位环和第二定位环之间形成第二圆环槽，第二定位环内端面与防护帽内端面齐平，第一圆环槽与第二圆环槽对应连通形成圆环形的安装腔，所述的弹性嵌件装配在安装腔内。
弹性嵌件包括四个半径均相同、圆心角均为90°的圆弧形结构的限位条，每个限位条的外圆周表面均沿圆周方向开设有两道安装槽，每个限位条的一端沿垂直方向开设有一个安装孔，第二定位环自内而外通过四个定位螺钉对应穿过一个安装孔与第一定位环螺纹连接，每个限位条的中部外侧开设有与两道安装槽均连通的且横截面呈L型的卡槽，卡槽内设有U型弹簧，U型弹簧的两根簧臂对应装配在两道安装槽内并与防护帽内壁顶压配合，U型弹簧的两根簧臂均指向相邻一个限位条穿设有定位螺钉的一端。
垫圈外圆周在第一圆环槽外侧的部分呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条沿径向方向的厚度均外厚内薄。
基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置的密闭方法，包括以下步骤，
（1）、在进风巷和回风巷内选择合适的位置分别砌筑第一密闭墙和第二密闭墙，第一墙体距离采空区巷道内距离停采线10～20m，第一墙体和第二墙体的厚度为50~80cm，第一墙体和第二墙体之间的距离为1~2m，先构筑里侧第一墙体，垫板套到张拉螺杆上在第一墙体内预埋张拉螺杆，使第一墙体与巷道围岩严密接触，第一墙体砌筑完成后，接着砌筑第二墙体，随着第二墙体的升高，在第一墙体和第二墙体之间逐渐填充黄土直至第二墙体砌筑完成后填满，在砌筑第二墙体的同时把注入管预埋到第二墙体内，同时张拉螺杆也伸出第二墙体外；
（2）、在张拉螺杆外端套上垫板，在张拉螺杆外端拧上防锈防松螺帽结构，防锈防松螺帽结构的紧固使张紧螺杆限定第一墙体和第二墙体的距离；
（3）、用压力泵向连接注入管向第一墙体和第二墙体之间注入膨胀材料罗克休，膨胀材料罗克休的膨胀系数为10或10以上，膨胀材料罗克休最终注入压力达到1.5MPa以上，完全封堵巷道围岩裂隙之用，直到膨胀材料罗克休完全充填黄土内的裂隙以及封堵巷道围岩的裂隙后停止压力泵；
（4）、撤除压力泵，使用堵头将注入管外端封堵。
步骤（2）中拧上防锈防松螺帽结构的具体过程为：先把四个U型弹簧对应安装到四个限位条的卡槽和定位槽内，再把一个限位条放置到第二圆环槽内，使用一个定位螺钉将这个限位条固定，接着依次把另三个限位条使用定位螺钉固定到第二圆环槽内，四个定位螺钉均为沉头结构，由于U型弹簧的作用，四个限位条的活动端均凸出第一定位环内壁和第二定位环内壁；然后把螺母拧到张拉螺杆上，操作者手持防护帽，套到螺母和张拉螺杆外部沿轴向方向朝向第二墙体方向用力按压，由于垫圈外圆周在第一圆环槽外侧的部分呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条沿径向方向的厚度均外厚内薄的结构，即四个限位条的内壁与垫圈外壁之间的圆锥状配合结构很容易将四个限位条按压到垫圈外圆周的第一圆环槽内，在U型弹簧的作用下，四个限位条内壁紧紧地顶压在第一圆环槽的圆周壁上，防护帽被牢牢地与螺栓一体固定，起到良好的防松和防潮作用。
采用上述技术方案，第一密闭墙和第二密闭墙设置应避过采动应力集中区，布置在停采线之后合适位置，位置的选择以矿井采空区实际情况为准，同时为减少煤炭损失，与停采距离不宜太大，一般10~20m即可。
第一墙体和第二墙体的墙厚度与施工条件相同，且第一墙体和第二墙体之间间隔1~2m，能容纳一定量黄土，能够为注入的膨胀材料提供一个相对密闭的空间，能保证在密闭墙受压破坏后，黄土与膨胀材料一起，仍具有很好的密封效果。其中，注入管的设置与最好靠近巷道顶部，保证密封效果，能易于操作与实施。第一密闭墙和第二密闭墙不需要嵌入巷道围岩中，就能够满足密闭巷道围岩裂隙需要，减少了之前建密闭墙前，必须在巷道围岩上掏槽的工序。
张拉螺杆的设置，可确保第一墙体和第二墙体之间的距离在注入膨胀材料罗克休时保持恒定不变，使密封的安全可靠性增强。由于巷道内湿热，在张拉螺杆上设置独特结构的防锈防松螺帽结构，即使用防护帽将螺母和张拉螺杆端头罩住，防护帽与垫圈通过活动嵌件锁死不会脱出，从而将起到对张拉螺杆和螺母密封，起到良好的防潮、防锈蚀的作用，并可保证螺母不会脱离张拉螺杆。
综上所述，本发明的有益效果是：为了解决煤矿井下回采工作面采空区遗煤自燃问题，本发明基于裂隙封堵的采空区密闭防止煤炭自燃技术与方法，在距离回采工作面停采线合理的位置处，采用双密闭墙与带压注入液态膨胀材料相结合的方式联合密封，实现有效封堵密闭墙自身裂隙、巷道围岩裂隙的目的，同时具有防止密闭墙受采动集中应力影响，长期受压破坏漏气的效果，可以有效防止采空区遗煤自燃。两道密闭墙平行，间隔合适距离，在两道密闭墙之间先充填一定量黄土，基本充填满密闭墙与巷道围成的空间，之后再利用预埋在外侧密闭墙上的管线，带压注入液态封堵材料。液态封堵材料具有初期流动性好、反应速度快、膨胀性大、性能稳定、抗水性好、受力性能好、自身致密性较好的特性，带压注入初期不仅能够很好地渗透巷道围岩裂隙，尤其是巷道上方围岩裂隙，能快速膨胀封堵围岩，减少采空区漏气通道，同时因膨胀材料为塑性物质，充填黄土裂隙后与黄土一起在密闭墙受压产生的裂隙后也具有很好的密闭效果。本发明主要对采空区巷道围岩裂隙产生的采空区漏气通道进行封堵，密封效果明显，安全可靠，能有效防止采空区自燃发火。
附图说明
图1是本发明的平面布置示意图；
图2是采空区巷道围岩裂隙注入膨胀材料前的剖面图；
图3是采空区巷道围岩裂隙注入膨胀材料封堵后剖面图；
图4是图2和图3中防锈防松螺帽结构的结构示意图；
图5是图4中垫圈的结构示意图；
图6是图4中活动嵌件的俯视图；
图7是图6中U型弹簧的侧视图。
具体实施方式
如图1-图7所示，本发明的基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置，包括设置在进风巷15当中的第一密闭墙16和设置在回风巷17当中的第二密闭墙18，第一密闭墙16和第二密闭墙18的结构相同，第一密闭墙16和第二密闭墙18均包括由砖砌筑而成的第一墙体19和第二墙体20，第一墙体19和第二墙体20的侧部边沿和顶部边沿均与巷道围岩21接触并密封连接，第一墙体19邻近采空区22，第二墙体20远离采空区22，以采空区22到第二墙体20的方向为由内向外的方向，第二密闭墙18体中部水平插设有注入管23，注入管23内端伸入到第一墙体19和第二墙体20之间形成的空腔内，空腔内填充有黄土24，第一墙体19与第二墙体20之间水平设置有至少两根张拉螺杆25，每根张拉螺杆25上均套设有两块垫板26，张拉螺杆25的头部通过其中一块垫板26与第一墙体19内表面顶压接触，张拉螺杆25的外端螺纹连接有防锈防松螺帽结构27，防锈防松螺帽结构27通过另一块垫板26与第二墙体20外表面顶压接触。
防锈防松螺帽结构27包括防护帽1、垫圈2和圆环形的弹性嵌件，张拉螺杆25的外端部螺纹连接有两个螺母28，所述的垫圈2套设在张拉螺杆25上，螺母28内侧表面通过垫圈2与弹性嵌件压接配合。
垫圈2在圆周表面上开设有第一圆环槽5，防护帽1为内端开口的圆筒状结构，防护帽1的内壁敞口处沿圆周方向设置有第一定位环6和第二定位环7，防护帽1内壁在第一定位环6和第二定位环7之间形成第二圆环槽，第二定位环7内端面与防护帽1内端面齐平，第一圆环槽5与第二圆环槽对应连通形成圆环形的安装腔，所述的弹性嵌件装配在安装腔内。
弹性嵌件包括四个半径均相同、圆心角均为90°的圆弧形结构的限位条8，每个限位条8的外圆周表面均沿圆周方向开设有两道安装槽9，每个限位条8的一端沿垂直方向开设有一个安装孔10，第二定位环7自内而外通过四个定位螺钉11对应穿过一个安装孔10与第一定位环6螺纹连接，每个限位条8的中部外侧开设有与两道安装槽9均连通的且横截面呈L型的卡槽12，卡槽12内设有U型弹簧13，U型弹簧13的两根簧臂对应装配在两道安装槽9内并与防护帽1内壁顶压配合，U型弹簧13的两根簧臂均指向相邻一个限位条8穿设有定位螺钉11的一端。
垫圈2外圆周在第一圆环槽5外侧的部分14呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条8沿径向方向的厚度均外厚内薄。
基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置的密闭方法，包括以下步骤，
（1）、在进风巷15和回风巷17内选择合适的位置分别砌筑第一密闭墙16和第二密闭墙18，第一墙体19距离采空区22巷道内距离停采线10～20m，第一墙体19和第二墙体20的厚度为50~80cm，第一墙体19和第二墙体20之间的距离为1~2m，先构筑里侧第一墙体19，垫板26套到张拉螺杆25上在第一墙体19内预埋张拉螺杆25，使第一墙体19与巷道围岩21严密接触，第一墙体19砌筑完成后，接着砌筑第二墙体20，随着第二墙体20的升高，在第一墙体19和第二墙体20之间逐渐填充黄土24直至第二墙体20砌筑完成后填满，在砌筑第二墙体20的同时把注入管23预埋到第二墙体20内，同时张拉螺杆25也伸出第二墙体20外；
（2）、在张拉螺杆25外端套上垫板26，在张拉螺杆25外端拧上防锈防松螺帽结构27，防锈防松螺帽结构27的紧固使张紧螺杆限定第一墙体19和第二墙体20的距离；
（3）、用压力泵向连接注入管23向第一墙体19和第二墙体20之间注入膨胀材料罗克休，膨胀材料罗克休的膨胀系数为10或10以上，膨胀材料罗克休最终注入压力达到1.5MPa以上，完全封堵巷道围岩21的裂隙29之用，直到膨胀材料罗克休完全充填黄土24内的裂隙30以及封堵巷道围岩21的裂隙29后停止压力泵；
（4）、撤除压力泵，使用堵头将注入管23外端封堵。
步骤（2）中拧上防锈防松螺帽结构27的具体过程为：先把四个U型弹簧13对应安装到四个限位条8的卡槽12和定位槽内，再把一个限位条8放置到第二圆环槽内，使用一个定位螺钉11将这个限位条8固定，接着依次把另三个限位条8使用定位螺钉11固定到第二圆环槽内，四个定位螺钉11均为沉头结构，由于U型弹簧13的作用，四个限位条8的活动端均凸出第一定位环6内壁和第二定位环7内壁；然后把螺母28拧到张拉螺杆25上，操作者手持防护帽1，套到螺母28和张拉螺杆25外部沿轴向方向朝向第二墙体20方向用力按压，由于垫圈2外圆周在第一圆环槽5外侧的部分14呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条8沿径向方向的厚度均外厚内薄的结构，即四个限位条8的内壁与垫圈2外壁之间的圆锥状配合结构很容易将四个限位条8按压到垫圈2外圆周的第一圆环槽5内，在U型弹簧13的作用下，四个限位条8内壁紧紧地顶压在第一圆环槽5的圆周壁上，防护帽1被牢牢地与螺栓一体固定，起到良好的防松和防潮作用。
第一密闭墙16和第二密闭墙18设置应避过采动应力集中区，布置在停采线之后合适位置，位置的选择以矿井采空区22实际情况为准，同时为减少煤炭损失，与停采距离不宜太大，一般10~20m即可。
第一墙体19和第二墙体20的墙厚度与施工条件相同，且第一墙体19和第二墙体20之间间隔1~2m，能容纳一定量黄土24，能够为注入的膨胀材料提供一个相对密闭的空间，能保证在密闭墙受压破坏后，黄土24与膨胀材料一起，仍具有很好的密封效果。其中，注入管23的设置与最好靠近巷道顶部，保证密封效果，能易于操作与实施。第一密闭墙16和第二密闭墙18不需要嵌入巷道围岩21中，就能够满足密闭巷道围岩21裂隙需要，减少了之前建密闭墙前，必须在巷道围岩21上掏槽的工序。
张拉螺杆25的设置，可确保第一墙体19和第二墙体20之间的距离在注入膨胀材料罗克休时保持恒定不变，使密封的安全可靠性增强。由于巷道内湿热，在张拉螺杆25上设置独特结构的防锈防松螺帽结构27，即使用防护帽1将螺母28和张拉螺杆25端头罩住，防护帽1与垫圈2通过活动嵌件锁死不会脱出，从而将起到对张拉螺杆25和螺母28密封，起到良好的防潮、防锈蚀的作用，并可保证螺母28不会脱离张拉螺杆25。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置，其特征在于：包括设置在进风巷当中的第一密闭墙和设置在回风巷当中的第二密闭墙，第一密闭墙和第二密闭墙的结构相同，第一密闭墙和第二密闭墙均包括由砖砌筑而成的第一墙体和第二墙体，第一墙体和第二墙体的侧部边沿和顶部边沿均与巷道围岩接触并密封连接，第一墙体邻近采空区，第二墙体远离采空区，以采空区到第二墙体的方向为由内向外的方向，第二密闭墙体中部水平插设有注入管，注入管内端伸入到第一墙体和第二墙体之间形成的空腔内，空腔内填充有黄土，第一墙体与第二墙体之间水平设置有至少两根张拉螺杆，每根张拉螺杆上均套设有两块垫板，张拉螺杆的头部通过其中一块垫板与第一墙体内表面顶压接触，张拉螺杆的外端螺纹连接有防锈防松螺帽结构，防锈防松螺帽结构通过另一块垫板与第二墙体外表面顶压接触。
2.根据权利要求1所述的基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置，其特征在于：防锈防松螺帽结构包括防护帽、垫圈和圆环形的弹性嵌件，张拉螺杆的外端部螺纹连接有两个螺母，所述的垫圈套设在张拉螺杆上，螺母内侧表面通过垫圈与弹性嵌件压接配合；
垫圈在圆周表面上开设有第一圆环槽，防护帽为内端开口的圆筒状结构，防护帽的内壁敞口处沿圆周方向设置有第一定位环和第二定位环，防护帽内壁在第一定位环和第二定位环之间形成第二圆环槽，第二定位环内端面与防护帽内端面齐平，第一圆环槽与第二圆环槽对应连通形成圆环形的安装腔，所述的弹性嵌件装配在安装腔内。
3.根据权利要求2所述的基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置，其特征在于：弹性嵌件包括四个半径均相同、圆心角均为90°的圆弧形结构的限位条，每个限位条的外圆周表面均沿圆周方向开设有两道安装槽，每个限位条的一端沿垂直方向开设有一个安装孔，第二定位环自内而外通过四个定位螺钉对应穿过一个安装孔与第一定位环螺纹连接，每个限位条的中部外侧开设有与两道安装槽均连通的且横截面呈L型的卡槽，卡槽内设有U型弹簧，U型弹簧的两根簧臂对应装配在两道安装槽内并与防护帽内壁顶压配合，U型弹簧的两根簧臂均指向相邻一个限位条穿设有定位螺钉的一端。
4.根据权利要求3所述的基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置，其特征在于：垫圈外圆周在第一圆环槽外侧的部分呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条沿径向方向的厚度均外厚内薄。
5.如权利要求5所述的基于巷道围岩裂隙结构密闭煤矿采空区的装置的密闭方法，其特征在于：包括以下步骤，
（1）、在进风巷和回风巷内选择合适的位置分别砌筑第一密闭墙和第二密闭墙，第一墙体距离采空区巷道内距离停采线10～20m，第一墙体和第二墙体的厚度为50~80cm，第一墙体和第二墙体之间的距离为1~2m，先构筑里侧第一墙体，垫板套到张拉螺杆上在第一墙体内预埋张拉螺杆，使第一墙体与巷道围岩严密接触，第一墙体砌筑完成后，接着砌筑第二墙体，随着第二墙体的升高，在第一墙体和第二墙体之间逐渐填充黄土直至第二墙体砌筑完成后填满，在砌筑第二墙体的同时把注入管预埋到第二墙体内，同时张拉螺杆也伸出第二墙体外；
（2）、在张拉螺杆外端套上垫板，在张拉螺杆外端拧上防锈防松螺帽结构，防锈防松螺帽结构的紧固使张紧螺杆限定第一墙体和第二墙体的距离；
（3）、用压力泵向连接注入管向第一墙体和第二墙体之间注入膨胀材料罗克休，膨胀材料罗克休的膨胀系数为10或10以上，膨胀材料罗克休最终注入压力达到1.5MPa以上，完全封堵巷道围岩裂隙之用，直到膨胀材料罗克休完全充填黄土内的裂隙以及封堵巷道围岩的裂隙后停止压力泵；
（4）、撤除压力泵，使用堵头将注入管外端封堵。
6.如权利要求5所述的密闭方法，其特征在于：步骤（2）中拧上防锈防松螺帽结构的具体过程为：先把四个U型弹簧对应安装到四个限位条的卡槽和定位槽内，再把一个限位条放置到第二圆环槽内，使用一个定位螺钉将这个限位条固定，接着依次把另三个限位条使用定位螺钉固定到第二圆环槽内，四个定位螺钉均为沉头结构，由于U型弹簧的作用，四个限位条的活动端均凸出第一定位环内壁和第二定位环内壁；然后把螺母拧到张拉螺杆上，操作者手持防护帽，套到螺母和张拉螺杆外部沿轴向方向朝向第二墙体方向用力按压，由于垫圈外圆周在第一圆环槽外侧的部分呈外细内粗的圆锥状结构，每个限位条沿径向方向的厚度均外厚内薄的结构，即四个限位条的内壁与垫圈外壁之间的圆锥状配合结构很容易将四个限位条按压到垫圈外圆周的第一圆环槽内，在U型弹簧的作用下，四个限位条内壁紧紧地顶压在第一圆环槽的圆周壁上，防护帽被牢牢地与螺栓一体固定，起到良好的防松和防潮作用。
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