CN107524154A - 煤层采空区的人工堤坝建筑装置及建筑方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层采空区的人工堤坝建筑装置及建筑方法，煤层采空区的人工堤坝建筑装置包括：固定基座，固定基座的上部和下部分别设置有与固定基座的侧面贯穿连接的进液管和排液管；第一挡板，第一挡板抵接固定在固定基座的侧面上；第二挡板，第二挡板与第一挡板相对设置且位于固定基座的相同一侧，进液管和排液管均依次贯穿第一挡板和第二挡板，第二挡板上设置有加料孔；驱动机构，驱动机构与第二挡板连接，驱动机构用于驱动第二挡板靠近或远离第一挡板。本发明提供一种煤层采空区的人工堤坝建筑装置及建筑方法，解决现有人工堤坝密闭性能差，防渗效果差，建筑速度慢、建筑成本高且存在安全隐患等问题。
Description
技术领域
本发明涉及人工堤坝技术领域，更具体地，涉及一种煤层采空区的人工堤坝建筑装置及建筑方法。
背景技术
西部矿区的煤炭资源具有浅埋深、薄基岩和煤层厚等特征，近年来西部矿区的煤炭产量约占全国煤炭总产量的65％，已成为我国煤炭资源的主要产区。但是，西部地区生态环境本底脆弱，气候干旱，降水稀少，蒸发量大，水资源短缺且时空分布不均匀，属于典型的资源型缺水地区。随着煤炭开采规模不断加大，矿区生产用水和生活用水量逐年增加，水资源短缺已成为矿区发展的瓶颈。由于矿区煤层埋深浅且煤层厚度大，煤炭开采形成的冒裂带直接导通第四系含水层，进而导致传统供水水源地日益枯竭；同时为保障井下安全生产，大量矿井水外排到地表，因蒸发造成水资源浪费和损失。煤矿地下水库可收集矿井水，减少矿井水外排量，充分利用矿井水。煤矿地下水库是将煤炭开采后形成的采空区内岩体空隙作为储水空间，通过建设人工堤坝将不连续的安全煤柱连接组成坝体进行存储。煤矿地下水库充分利用采空区内岩体对矿井水的自净化作用，实现井下大规模且低成本的长期安全储水。
随着地下水库使用量越来越大，对地下水库的安全性能、建筑速度、稳定性能和成本控制的要求越来越高，而人工堤坝是地下水库修建过程中安全保证的薄弱环节，特别是人工堤坝与煤柱结合区域，历来是地下水库渗漏现象最严重的地方，使得建造成本和维护成本居高不下。现有人工堤坝结构复杂，通常设置五层结构，如采用三层间隔设置的砖闭层对混凝土层、鹅卵石加混凝土层进行分隔和密封，施工周期长，施工难度大，需要凝固时间长，工作效率低，混凝土层仅依靠自重压密造成密闭性能差，支撑强度低，防渗透效果不好。另外，工人进入采空区与实体煤交界区域工作进行施工，煤层采空区的顶板破碎严重，易坍塌危险性大，存在安全隐患。
因此，需要一种煤层采空区的人工堤坝建筑装置及建筑方法，来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种煤层采空区的人工堤坝建筑装置及建筑方法，解决现有人工堤坝密闭性能差，防渗效果差，建筑速度慢、建筑成本高且存在安全隐患等问题。
基于上述目的本发明提供的一种煤层采空区的人工堤坝建筑装置，包括：
固定基座，所述固定基座的上部和下部分别设置有与所述固定基座的侧面贯穿连接的进液管和排液管；
第一挡板，所述第一挡板抵接固定在所述固定基座的所述侧面上；
第二挡板，所述第二挡板与所述第一挡板相对设置且位于所述固定基座的相同一侧，所述进液管和所述排液管均依次贯穿所述第一挡板和所述第二挡板，所述第二挡板上设置有加料孔；
驱动机构，所述驱动机构与所述第二挡板连接，所述驱动机构用于驱动所述第二挡板靠近或远离所述第一挡板。
优选地，所述煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：侧挡板和侧向驱动机构，所述侧向驱动机构驱动所述侧挡板做往复移动，所述侧挡板可抵接在所述第一挡板和所述第二挡板两者的同一侧端部外侧。
优选地，所述煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：侧向控制机构，所述侧向控制机构与所述侧向驱动机构电连接，所述侧向控制机构用于控制所述侧向驱动机构动作。
优选地，所述进液管和所述排液管均包括靠近所述固定基座的第一端和远离所述固定基座的第二端，所述第一端均与采空区连通，所述第二端均与提供支撑作用的支撑架连接。
优选地，所述煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：用于安装所述驱动机构的支撑板，所述支撑板设置在所述第二端与所述第二挡板之间，所述支撑板可移动连接在所述进液管或/和所述排液管上。
另外，优选地，所述煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：控制机构，所述驱动机构与所述控制机构电连接，所述控制机构用于控制所述驱动机构动作。
本发明还提供一种煤层采空区的人工堤坝建筑方法，包括：
(1)在采空区和待建人工堤坝区域两者的顶部和底部分别设置顶板和底板；
(2)将上述的煤层采空区的人工堤坝建筑装置安装在所述待建人工堤坝区域内，固定基座抵接固定在所述采空区的靠近所述待建人工堤坝区域的壁面上，所述固定基座的上部和下部分别设置有与所述固定基座的侧面贯穿连接的进液管和排液管，所述进液管和所述排液管两者的靠近所述固定基座的一端均与所述采空区连通；第一挡板抵接固定在所述固定基座的所述侧面上，第二挡板与所述第一挡板相对设置且位于所述固定基座的相同一侧，所述进液管和所述排液管两者的远离所述固定基座的一端均依次贯穿所述第一挡板和所述第二挡板，所述第二挡板上设置有加料孔，所述加料孔上安装注浆管，驱动机构与所述第二挡板连接；
(3)通过所述注浆管向所述第一挡板和所述第二挡板之间注入填充体，所述驱动机构驱动所述第二挡板靠近所述第一挡板，来挤压所述填充体，对所述填充体进行锚固，以便形成人工堤坝。
优选地，在步骤(1)之前还包括：所述人工堤坝的厚度满足关系式：
其中，A为人工堤坝的厚度，单位m；P为人工堤坝围合采空区形成水库后，水库的安全水压，单位m；λ1、λ2和λ3均为系数，1.3≤λ1≤1.5，1.50≤λ2≤1.60，1.20≤λ3≤1.30；B为待建人工堤坝区域巷道的实际宽度，单位m；H为待建人工堤坝区域巷道的实际高度，单位m；α1为构建人工堤坝的混凝土抗压强度，单位MPa，1.10≤α1≤1.30；α2为构建人工堤坝的混凝土抗拉强度，单位MPa，1.20≤α2≤1.40。
优选地，在步骤(2)中还包括：将所述待建人工堤坝区域按照预设厚度从所述采空区的所述壁面由近及远依次划分为用于建筑第一堤坝段的第一分区、用于建筑第二堤坝段的第二分区至用于建筑第N堤坝段的第N分区，所述第二挡板可在所述第一分区、所述第二分区至所述第N分区内移动，所述第一堤坝段、所述第二堤坝段及所述第N堤坝段依次连接形成所述人工堤坝，其中，预设厚度小于等于所述人工堤坝的厚度。
另外，优选地，在步骤(3)之前还包括：在向所述第M分区内(M＝1、2、……、N)注入所述填充体之前，所述驱动机构驱动所述第二挡板移动至所述第M分区的远离所述第一挡板的分区边沿上。
从上面所述可以看出，本发明提供的煤层采空区的人工堤坝建筑装置及建筑方法，与现有技术相比，具有以下优点：首先，煤层采空区的人工堤坝建筑装置可对建筑过程中的人工堤坝进行挤压，使得人工堤坝与采空区的煤柱可以紧密结合，还可通过分区填充分区压实，加快结合速度，从而进一步提高人工堤坝的体积强度和防渗性能，提高人工堤坝建筑速度，降低建筑成本。其次，使用煤层采空区的人工堤坝建筑装置可实现机械化、自动化、精细化操作，进一步提高人工堤坝的建筑速度，实现采空区和待建人工堤坝区域内无人操作，提高人工堤坝建筑过程的安全性，避免安全隐患。再次，按照煤层采空区的人工堤坝建筑方法构建人工堤坝，可以提高人工堤坝的体积强度和防渗性能，提高建筑速度，提高人工堤坝建筑过程的安全性，避免安全隐患。最后，按照煤层采空区的人工堤坝建筑方法对人工堤坝进行分区填充和充分区压实，促进堤坝段之间的结合，进一步提高人工堤坝的体积强度和防渗性能。
附图说明
通过下面结合附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1为本发明具体实施例中采用的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的示意图。
图2为图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的第一挡板的示意图。
图3为图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的第二挡板的示意图。
图4为图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的侧挡板的示意图。
图5为图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的侧挡板的使用状态示意图。
图6为连接到待建人工堤坝区域的图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的使用状态示意图。
其中附图标记：
1：固定基座；2：进液管；3：排液管；4：第一挡板；5：第二挡板；
6：驱动机构；7：第一端；8：第二端；9：支撑架；
10：支撑板；11：螺母；12：固定端；13：动力输出端；
14：侧挡板；15：侧向驱动机构；16：顶板；17：底板；
18：注浆锚杆；19：加固锚杆；20：注浆管；21：填充体；
22：加料孔；23：卡槽；24：第一安装孔；25：第二安装孔；
100：采空区；200：待建人工堤坝区域；
300：煤层采空区的人工堤坝建筑装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
图1为本发明具体实施例中采用的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的示意图。图2为图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的第一挡板的示意图。图3为图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的第二挡板的示意图。如图1至图3所示，煤层采空区的人工堤坝建筑装置300包括：固定基座1、第一挡板4、第二挡板5和驱动机构6。
固定基座1的上部和下部分别设置有与固定基座1的侧面贯穿连接的进液管2和排液管3。
第一挡板4抵接固定在固定基座1的侧面上。
第二挡板5与第一挡板4相对设置且位于固定基座1的相同一侧，进液管2和排液管3均依次贯穿第一挡板4和第二挡板5，第二挡板5上设置有加料孔22。
驱动机构6与第二挡板5连接，驱动机构6用于驱动第二挡板5靠近或远离第一挡板4。
使用煤层采空区的人工堤坝建筑装置300在待建人工堤坝区域200内建筑人工堤坝，人工堤坝围合在采空区100(如图6所示)的煤柱外部，使采空区100可形成水库，以便对煤层采空区进行储水。进液管2和排液管3分别用于水库的进水和排水，将煤层采空区的人工堤坝建筑装置300通过固定基座1固定到采空区100的煤柱上，向第一挡板4和第二挡板5之间注入填充体21，驱动机构6驱动第二挡板5沿着进液管2和排液管3移动，来靠近或远离第一挡板4。第二挡板5靠近第一挡板4时，第二挡板5可挤压填充体21，提高填充体21的体积强度；第二挡板5远离第一挡板4时，第二挡板5与第一挡板4或填充体21之间形成新的待填充空间，来依次形成新的填充体21，多个填充体21结合形成人工堤坝。煤层采空区的人工堤坝建筑装置可提高每层填充体21的密实性和强度，降低其渗透性，还可通过分区填充分区压实，加快结合速度，从而进一步提高人工堤坝的体积强度和防渗性能，提高人工堤坝建筑速度。
在本实施例中，固定基座1可通过钢板制作而成，固定基座1的横截面呈方形，如正方形，固定基座1的高度可根据待建人工堤坝区域200的巷道高度设定，通常固定基座1的高度比巷道高度少1.5m，厚度为25mm。固定基座1的上部和下部分别设置有第一通孔(未标识)和第二通孔(未标识)，第一通孔和第二通孔两者的中心均处于固定基座1的中线上。进液管2和排液管3分别贯穿第一通孔和第二通孔，进液管2与第一通孔的边沿焊接固定，排液管3余第二通孔的边沿焊接固定。
在本实施例中，进液管2和排液管3均采用圆形钢管制作而成。进液管2和排液管3均作为力的传递部件，为满足强度要求，进液管2和排液管3两者的管壁厚度不小于50mm；为满足流量要求，进液管2和排液管3两者的内径均不小于200mm，如220mm，两者的外径均不小于250mm，如270mm。进液管2和排液管3均可辅助实现对水库内水质、水量等参数的监测。
如图2所示，在本实施例中，第一挡板4的横截面呈方形，如长方形。第一挡板4的上部和下部分别设置有第一安装孔24和第二安装孔25，第一安装孔24和第二安装孔25两者的中心均处于第一挡板4的中线上，第一安装孔24的中心距离第一挡板4的顶端约2.0m，第二安装孔25的中心距离第一挡板4的底端约1.0m。
第一挡板4可通过钢板制作而成，第一挡板4的高度和宽度可分别根据待建人工堤坝区域200的巷道高度和宽度设定，通常，第一挡板4的高度比巷道高度多1.0m，例如，巷道高度为3.5m，第一挡板4的高度为4.5m；第一挡板4的宽度可等于或小于巷道宽度，例如，巷道宽度为4.0m，第一挡板4的宽度为3.0m；第一挡板4的厚度可为25mm。第一挡板4朝向固定基座1的侧面与固定基座1的侧面焊接固定。
如图3所示，在本实施例中，第二挡板5与第一挡板4两者的轮廓形状和制作材料可相同。第二挡板5的上部和下部分别设置有第一安装孔24和第二安装孔25，第一挡板4和第二挡板5两者的第一安装孔24位置相对应，以便进液管2通过两个第一安装孔24贯穿第一挡板4和第二挡板5；第一挡板4和第二挡板5两者的第二安装孔25位置相对应，以便排液管3通过两个第二安装孔25贯穿第一挡板4和第二挡板5。
第一安装孔24的相对上方设置有两个关于第二挡板5的中线对称分布的加料孔22，当铺设人工堤坝的隔水层时，通过加料孔22向第一挡板4和第二挡板5之间投加粒径较大的物料，如铺设鹅卵石玛丽散层时，通过加料孔22投加鹅卵石等。加料孔22的孔径为150mm，加料孔22的中心距离第二挡板5的顶端约50mm，每个加料孔22的中心距离与其靠近的第二挡板5的侧边约800mm。在加料孔22上可安装转换套管(未示出)，将加料孔22转换为注浆孔，以便向第一挡板4和第二挡板5之间注入浆体形成填充体21。
在本实施例中，驱动机构6可采用液压千斤顶，液压千斤顶包括固定端12和动力输出端13，固定端12可安装在地面或底板17上，动力输出端13与第二挡板5连接，如两者延伸方向保持垂直，动力输出端13可相对固定端12伸长或缩短，来推动或拉动第二挡板5移动。固定端12还可以安装在其他可移动部件上，以便移动驱动机构6。
图4为图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的侧挡板的示意图。图5为图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的侧挡板的使用状态示意图。如图4和5所示，煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：侧挡板14和侧向驱动机构15。
优选地，煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：侧挡板14和侧向驱动机构15，侧向驱动机构15驱动侧挡板14做往复移动，侧挡板14可抵接在第一挡板4和第二挡板5两者的同一侧端部外侧。当驱动机构6驱动第二挡板5靠近第一挡板4时，侧向驱动机构15驱动侧挡板14抵接在第一挡板4和第二挡板5两者的同一侧端部外侧。当驱动机构6驱动第二挡板5远离第一挡板4时，侧向驱动机构15驱动侧挡板14复位。第一挡板4、第二挡板5、侧挡板14和已风化的填充体21可围合成相对密闭的空间，通过第二挡板5和侧挡板14的移动对填充体21进行挤压，侧挡板14可阻挡填充体21从第一挡板4与第二挡板5之间溢出；进一步提高填充体21的密实性和体积强度。
在本实施例中，侧挡板14可通过钢板制作而成，侧挡板14的横截面呈方形，如长方形。侧挡板14的高度可根据待建人工堤坝区域200的巷道高度设定，通常，侧挡板14的高度比巷道高度多1.0m，例如，巷道高度为3.5m，侧挡板14的高度为4.5m；侧挡板14的宽度可为2.0m，厚度可为20mm。
在本实施例中，侧向驱动机构15可采用液压千斤顶，液压千斤顶包括固定端12和动力输出端13，固定端12安装在地面或底板17上，动力输出端13与侧挡板14可转动连接，动力输出端13可相对固定端12伸长或缩短，来推动或拉动侧挡板14移动。
为实现侧挡板14的自动化操作，降低煤层采空区的人工堤坝建筑装置操作难度，提高人工堤坝的建筑速度，避免安全隐患，优选地，煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：侧向控制机构(未示出)，侧向控制机构与侧向驱动机构15电连接，侧向控制机构用于控制侧向驱动机构15动作。
在本实施例中，侧向控制机构包括单片机和控制器，控制器与单片机连接，侧向驱动机构15连接在单片机上，控制器对单片机进行远程控制，来保证侧向驱动机构15驱动侧挡板14做往复移动。
为方便煤层采空区的人工堤坝建筑装置稳定运行，以便快速建筑人工堤坝，优选地，进液管2和排液管3均包括靠近固定基座1的第一端7和远离固定基座1的第二端8，第一端7均与采空区7连通，第二端8均与提供支撑作用的支撑架9连接。从第一端7到第二端8，进液管2和排液管3均依次贯穿固定基座1、第一挡板4和第二挡板5，固定基座1安装在第一端7的靠近端部位置，支撑架9用于为第二端8提供竖直方向的支撑作用，使得进液管2和排液管3可以保持与地面或底板17相对平行的状态，来避免进液管2和排液管3发生倾斜而造成固定基座1无法安装或影响力的传递效果，从而影响建筑速度。
在本实施例中，支撑架9的上部和下部分别设置有进液管安装孔和排液管安装孔，进液管2和排液管3分别通过进液管安装孔和排液管安装孔安装在支撑板9上。
为提高煤层采空区的人工堤坝建筑装置的运行速度，优选地，煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：用于安装驱动机构6的支撑板10，支撑板10设置在第二端8与第二挡板5之间，支撑板10可移动连接在进液管2或/和排液管3上。支撑板10可带动驱动机构6沿着进液管2或/和排液管3移动，来调整驱动机构6的驱动位置，以便驱动第二挡板5往复移动。而且，驱动机构6可通过支撑板10将驱动力传递到进液管2或/和排液管3上，并通过进液管2或/和排液管3将驱动力传递到第二挡板5，以便增强对填充体21的挤压。
驱动机构6通过支撑板10可安装在进液管2上、或排液管3上、或进液管2和排液管3之间，或者进液管2和排液管3均安装有支撑板10，或多个驱动机构6分别通过支撑板10安装在进液管2和排液管3上，以便通过支撑板10调整驱动机构6的驱动位置，通过在第二端8与第二挡板5之间移动驱动机构6，来保持驱动机构6和第二挡板5之间距离。
在本实施例中，靠近进液管2和排液管3两者的第二端8的轴体上均设置有螺纹，支撑板10上设置有螺孔(未标识)，螺孔可设置在支撑板10的中心处。支撑板10通过螺孔套设在第二端8上，且沿着进液管2和排液管3移动，支撑板10的相对两侧各设置有螺母11，螺母11用于将支撑板10限位在进液管2或/和排液管3上。
在本实施例中，支撑板10通过钢板制作而成，支撑板10的横截面呈方形，如正方形，支撑板10的高度可根据驱动机构6的数量、安装位置和待建人工堤坝区域200的巷道高度设定，如支撑板10的高度比待建人工堤坝区域200的巷道高度少1.5m，厚度可为25mm。
为提高煤层采空区的人工堤坝建筑装置的运行速度，煤层采空区的人工堤坝建筑装置可包括多个驱动机构6，多个驱动机构6以第二挡板5的轴线为中心对称分布。多个驱动机构6可同时向第二挡板5提供驱动力，使第二挡板5受力均匀，以便快速地平稳移动。
在本实施例中，煤层采空区的人工堤坝建筑装置包括四个驱动机构6，两个驱动机构6通过支撑板10对称安装在进液管2上，另外两个驱动机构6通过支撑板10对称安装在排液管3上。
在本实施例中，驱动机构6可采用液压千斤顶，液压千斤顶包括固定端12和动力输出端13，固定端12与支撑板10连接，动力输出端13与第二挡板5连接。液压千斤顶可通过伸缩来拉动第二挡板5远离第一挡板4或推动第二挡板5靠近第一挡板4。
另外，为方便驱动机构6向第二挡板5传递驱动力，加强驱动机构6与第二挡板5的连接强度，在第二挡板5朝向驱动机构6的侧面上设置有用于限制驱动机构6驱动位置的卡槽23，如将驱动机构6的动力输出端13限位在卡槽23内。
在本实施例中，液压千斤顶的动力输出端13的延伸方向与第二挡板5的延伸方向相互垂直，卡槽23在第二挡板5上关于第二挡板5的中心对称分布，当第二挡板5上设置有一个卡槽23时，卡槽23位于第二挡板5的中心；卡槽23的数量与液压千斤顶的数量相同。
在本实施例中，第二挡板5上设置有四个卡槽23，四个卡槽23在第二挡板5上关于其中心对称分布，四个液压千斤顶分别通过四个卡槽23限位在第二挡板5上，使得第二挡板5从四个位置同时获取驱动力，以便第二挡板5平稳移动。其中，两个卡槽23关于进液孔2对称设置，且两个卡槽23的中心均与进液孔2的中心位于同一水平高度，卡槽23的中心与进液孔2的中心距离为800mm；另外两个卡槽23关于排液孔3对称设置，且上述两个卡槽23的中心均与排液孔3的中心位于同一水平高度，上述卡槽23的中心与排液孔3的中心距离为800mm。第二挡板5上部的卡槽23和下部的卡槽23之间的距离为2.0m～3.0m。
为实现煤层采空区的人工堤坝建筑装置的自动化操作，降低煤层采空区的人工堤坝建筑装置操作难度，提高人工堤坝的建筑速度，避免安全隐患，另外，优选地，煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：控制机构(未示出)，驱动机构6与控制机构电连接，控制机构用于控制驱动机构6动作。控制机构控制驱动机构6驱动第二挡板5靠近或远离第一挡板4，使得煤层采空区的人工堤坝建筑装置能够实现自动化操作，避免作业区内有人员作业，避免安全隐患。
在本实施例中，控制机构包括单片机和控制器，控制器与单片机连接，一个或多个驱动机构6连接在单片机上，控制器对单片机进行远程控制，来保证一个驱动机构6动作或多个驱动机构6同时动作。
图6为连接到待建人工堤坝区域的图1所示的煤层采空区的人工堤坝建筑装置的使用状态示意图。如图6所示，本发明还提供一种煤层采空区的人工堤坝建筑方法，包括：
(1)在采空区100和待建人工堤坝区域200两者的顶部和底部分别设置顶板16和底板17；
(2)将上述的煤层采空区的人工堤坝建筑装置安装在待建人工堤坝区域200内，固定基座1抵接固定在采空区100的靠近待建人工堤坝区域200的煤柱的壁面(未标识)上，固定基座1的上部和下部分别设置有与固定基座1的侧面贯穿连接的进液管2和排液管3，进液管2和排液管3两者的靠近固定基座1的一端均与采空区100连通；第一挡板4抵接固定在固定基座1的侧面上，第二挡板5与第一挡板4相对设置且位于固定基座1的相同一侧，进液管2和排液管3两者的远离固定基座1的一端均依次贯穿第一挡板4和第二挡板5，第二挡板5上设置有加料孔22，加料孔22上安装注浆管20，驱动机构6与第二挡板5连接；
(3)通过注浆管20向第一挡板4和第二挡板5之间注入填充体21，驱动机构6驱动第二挡板5靠近第一挡板4，来挤压填充体21，对填充体21进行锚固，以便形成人工堤坝。
通过煤层采空区的人工堤坝建筑方法建筑人工堤坝，可提高人工堤坝的密实性和强度，降低其渗透性，提高人工堤坝建筑速度。
为确定人工堤坝的合适厚度范围，应根据地质条件、开采工艺、煤矿地下水库的人工堤坝要求，来确定人工堤坝厚度，优选地，在步骤(1)之前还包括：人工堤坝的厚度满足关系式：
其中，A为人工堤坝的厚度，单位m；P为人工堤坝围合采空区形成水库后，水库的安全水压，单位m；λ1、λ2和λ3均为系数，1.3≤λ1≤1.5，1.50≤λ2≤1.60，1.20≤λ3≤1.30；B为待建人工堤坝区域巷道的实际宽度，单位m；H为待建人工堤坝区域巷道的实际高度，单位m；α1为构建人工堤坝的混凝土抗压强度，单位MPa，1.10≤α1≤1.30；α2为构建人工堤坝的混凝土抗拉强度，单位MPa，1.20≤α2≤1.40。
通常，λ1为水头安全系数、λ2为掏槽施工对危险的影响系数和λ3为结构系数；B为巷道的净宽，H为巷道的净高。
为提高人工堤坝的体积强度和防渗性能，可人工堤坝进行分区填充和分区压实，优选地，在步骤(2)中还包括：将待建人工堤坝区域200按照预设厚度从采空区100的壁面由近及远依次划分为用于建筑第一堤坝段的第一分区、用于建筑第二堤坝段的第二分区至用于建筑第N堤坝段的第N分区，第二挡板5可在第一分区、第二分区至第N分区内移动，第一堤坝段、第二堤坝段及第N堤坝段依次连接形成人工堤坝，其中，预设厚度小于等于人工堤坝的厚度。
根据力学分析、实验室相似模拟实验和现场分析，如果填充体21厚度过大，第二挡板5对填充体21的挤压效果会受到影响。因此，将待建人工堤坝区域200划分为多个分区，分别在各分区内填充，分别对每个分区内填充体21进行挤压，分别在各分区内形成堤坝段，以便保证每一段堤坝段具有足够的密实性和防渗性，从而提高人工堤坝整体的体积强度和防渗性能。待建人工堤坝区域200可均分为多个分区，或根据具体使用环境进行划分，预设厚度应小于3m，通常不大于1m。
另外，优选地，在步骤(3)之前还包括：在向第M分区(M＝1、2、……、N)内注入填充体21之前，驱动机构6驱动第二挡板5移动至第M分区的远离第一挡板4的分区边沿上。按照每个分区的厚度，来驱动第二挡板5移动，对每个分区逐一挤压，提高填充体21的密实性和强度，形成堤坝段，各个堤坝段结合成人工堤坝。
为进一步加强对第一挡板4和第二挡板5之间填充体21的挤压，步骤(3)之前还包括：将侧挡板14设置在第一挡板4和第二挡板5两者的同一侧端部外侧，侧向驱动机构15驱动侧挡板14做往复移动；当驱动机构6驱动第二挡板5靠近第一挡板4时，侧向驱动机构15驱动侧挡板14抵接在第一挡板4和第二挡板5两者的同一侧端部外侧；当驱动机构6驱动第二挡板5远离第一挡板4时，侧向驱动机构15驱动侧挡板14复位。第一挡板4、第二挡板5、侧挡板14和已风化的填充体21可围合成相对密闭的空间，通过第二挡板5和侧挡板14的移动对填充体21进行挤压，侧挡板14可阻挡填充体21从第一挡板4与第二挡板5之间溢出；进一步提高填充体21的密实性和体积强度。
为实现侧挡板14的自动化操作，降低煤层采空区的人工堤坝建筑装置操作难度，提高人工堤坝的建筑速度，步骤(3)之前还包括：将侧向控制机构与侧向驱动机构15电连接，侧向控制机构用于控制侧向驱动机构15动作。侧向控制机构用于控制侧向驱动机构15驱动侧挡板14抵接在第一挡板4和第二挡板5两者的同一侧端部外侧，或用于控制侧向驱动机构15驱动侧挡板14复位。
为方便煤层采空区的人工堤坝建筑装置稳定运行，以便快速建筑人工堤坝，在步骤(2)中还包括：进液管2和排液管3均包括靠近固定基座1的第一端7和远离固定基座1的第二端8，第一端7均与采空区100连通，第二端8均与提供支撑作用的支撑架9连接。支撑架9用于为第二端8提供竖直方向的支撑作用，使得进液管2和排液管3可以保持与地面或底板17相对平行的状态，来避免进液管2和排液管3发生倾斜而造成固定基座1无法安装或影响力的传递效果，从而影响建筑速度。
为提高煤层采空区的人工堤坝建筑装置的运行速度，在步骤(2)中还包括：用于安装驱动机构6的支撑板10设置在第二端8与第二挡板5之间，支撑板10可移动连接在进液管2或/和排液管3上；驱动机构6可通过支撑板10将驱动力传递到进液管2或/和排液管3上，并通过进液管2或/和排液管3将驱动力传递到第二挡板5。支撑板10可带动驱动机构6沿着进液管2或/和排液管3移动，来调整驱动机构6的驱动位置，以便驱动第二挡板5往复移动。
为实现煤层采空区的人工堤坝建筑装置的自动化操作，避免作业区内有人员作业，避免安全隐患，降低煤层采空区的人工堤坝建筑装置操作难度，提高人工堤坝的建筑速度，在步骤(3)中还包括：将驱动机构6与控制机构电连接，控制机构用于控制驱动机构6驱动第二挡板5靠近或远离第一挡板4。
下面结合具体实施例进一步介绍煤层采空区的人工堤坝建筑方法。
(1)根据人工堤坝的厚度满足关系式确定人工堤坝厚度，具体地，P为25m，λ1为1.4，λ2为1.55，λ3为1.25，B为4m，H为3.5m，α1为1.2MPa，α2为1.3MPa，经计算A为4.46m。建立待建人工堤坝区域200，待建人工堤坝区域200通过巷道与采空区100连通。
(2)在采空区100和待建人工堤坝区域200两者的顶部和底部分别设置顶板16和底板17，顶板16从巷道顶部向上掘进0.7m，底板17从巷道底部向下掘进0.3m。
(3)将待建人工堤坝区域200按照预设厚度取1m从采空区100的煤柱的壁面由近及远依次划分为第一分区、第二分区至第五分区，将上述的煤层采空区的人工堤坝建筑装置安装在第一分区，固定基座1抵接固定在采空区100的煤柱的靠近待建人工堤坝区域200的壁面上，进液管2和排液管3两者的第一端7均贯穿壁面进入采空区100；第一挡板4抵接固定在固定基座1的侧面上，第二挡板5与第一挡板4相对设置且位于固定基座1的相同一侧，进液管2和排液管3两者的第二端8均依次贯穿第一挡板4和第二挡板5，使用支撑架9支撑在第二端8上，在加料孔22上安装注浆管20，进液管2和排液管3均安装一个支撑板10，驱动机构6数量为四个，均通过固定端12和动力输出端13分别与支撑板10和第二挡板5的卡槽23连接。
(4)将侧挡板14抵接在第一挡板4和第二挡板5两者的同一侧端部外侧，侧向驱动机构15的固定端12安装在底板17上，动力输出端13与侧挡板14连接，当驱动机构6驱动第二挡板5靠近第一挡板4时，控制机构的控制器通过单片机远程控制侧向驱动机构15驱动侧挡板14抵接在第一挡板4和第二挡板5两者的同一侧端部外侧，同时侧向驱动机构15驱动侧挡板14挤压填充体21；当驱动机构6驱动第二挡板5远离第一挡板4时，控制机构的控制器通过单片机远程控制侧向驱动机构15驱动侧挡板14复位。
(5)控制机构的控制器通过单片机远程控制四个驱动机构6同步驱动第二挡板5移动至远离第一挡板4的第M分区的区域边沿上，其中M依次取1-5；同时移动支撑板10，以便保证驱动机构6与第二挡板5之间预留驱动距离；通过注浆管20向第一挡板4和第二挡板5之间注入填充体21，控制机构的控制器通过单片机远程控制驱动机构6驱动第二挡板5靠近第一挡板4，将填充体21压实，待填充体21风干，控制机构的控制器通过单片机远程控制驱动机构6驱动第二挡板5远离第一挡板4，对第M分区的填充体21的中线处采用一排间隔分布的注浆锚杆18或加固锚杆19进行锚固，在每一个填充体21内的锚杆靠近采空区100的煤柱一侧铺设一层锚网并扎紧，用于增加锚杆与人工堤坝的受力接触面，增加阻力，防止人工堤坝侧滑。
其中，第一分区与第五分区采用注浆锚杆18，第二分区、第三分区和第四分区采用加固锚杆19。注浆锚杆18的长度为1.2m，相邻锚杆间距为0.9m，锚入岩石中的长度为0.4m，露出在岩石外部的长度为0.8m，注浆锚杆18垂直插入填充体21。加固锚杆19的长度为0.7m，相邻锚杆间距为0.4m，锚入岩石中的长度为0.5m，露出在岩石外部的长度为0.2m，加固锚杆19倾斜插入填充体21内，加固锚杆19的延伸方向19与人工堤坝厚度延伸方向之间夹角，夹角的范围是为60°～75°。
从上面的描述和实践可知，本发明提供的煤层采空区的人工堤坝建筑装置及建筑方法，与现有技术相比，具有以下优点：首先，煤层采空区的人工堤坝建筑装置可对建筑过程中的人工堤坝进行挤压，使得人工堤坝与采空区的煤柱可以紧密结合，还可通过分区填充分区压实，加快结合速度，从而进一步提高人工堤坝的体积强度和防渗性能，提高人工堤坝建筑速度，降低建筑成本。其次，使用煤层采空区的人工堤坝建筑装置可实现机械化、自动化、精细化操作，进一步提高人工堤坝的建筑速度，实现采空区和待建人工堤坝区域内无人操作，提高人工堤坝建筑过程的安全性，避免安全隐患。再次，按照煤层采空区的人工堤坝建筑方法构建人工堤坝，可以提高人工堤坝的体积强度和防渗性能，提高建筑速度，提高人工堤坝建筑过程的安全性，避免安全隐患。最后，按照煤层采空区的人工堤坝建筑方法对人工堤坝进行分区填充和充分区压实，促进堤坝段之间的结合，进一步提高人工堤坝的体积强度和防渗性能。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的主旨之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤层采空区的人工堤坝建筑装置，其特征在于，包括：
固定基座，所述固定基座的上部和下部分别设置有与所述固定基座的侧面贯穿连接的进液管和排液管；
第一挡板，所述第一挡板抵接固定在所述固定基座的所述侧面上；
第二挡板，所述第二挡板与所述第一挡板相对设置且位于所述固定基座的相同一侧，所述进液管和所述排液管均依次贯穿所述第一挡板和所述第二挡板，所述第二挡板上设置有加料孔；
驱动机构，所述驱动机构与所述第二挡板连接，所述驱动机构用于驱动所述第二挡板靠近或远离所述第一挡板。
2.根据权利要求1所述的煤层采空区的人工堤坝建筑装置，其特征在于，
所述煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：侧挡板和侧向驱动机构，所述侧向驱动机构驱动所述侧挡板做往复移动，所述侧挡板可抵接在所述第一挡板和所述第二挡板两者的同一侧端部外侧。
3.根据权利要求2所述的煤层采空区的人工堤坝建筑装置，其特征在于，
所述煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：侧向控制机构，所述侧向控制机构与所述侧向驱动机构电连接，所述侧向控制机构用于控制所述侧向驱动机构动作。
4.根据权利要求1至3任一项所述的煤层采空区的人工堤坝建筑装置，其特征在于，
所述进液管和所述排液管均包括靠近所述固定基座的第一端和远离所述固定基座的第二端，所述第一端均与采空区连通，所述第二端均与提供支撑作用的支撑架连接。
5.根据权利要求4所述的煤层采空区的人工堤坝建筑装置，其特征在于，
所述煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：用于安装所述驱动机构的支撑板，所述支撑板设置在所述第二端与所述第二挡板之间，所述支撑板可移动连接在所述进液管或/和所述排液管上。
6.根据权利要求1至3任一项所述的煤层采空区的人工堤坝建筑装置，其特征在于，
所述煤层采空区的人工堤坝建筑装置还包括：控制机构，所述驱动机构与所述控制机构电连接，所述控制机构用于控制所述驱动机构动作。
7.一种煤层采空区的人工堤坝建筑方法，其特征在于，包括：
(1)在采空区和待建人工堤坝区域两者的顶部和底部分别设置顶板和底板；
(2)将如权利要求1至6任一项所述的煤层采空区的人工堤坝建筑装置安装在所述待建人工堤坝区域内，固定基座抵接固定在所述采空区的靠近所述待建人工堤坝区域的壁面上，所述固定基座的上部和下部分别设置有与所述固定基座的侧面贯穿连接的进液管和排液管，所述进液管和所述排液管两者的靠近所述固定基座的一端均与所述采空区连通；第一挡板抵接固定在所述固定基座的所述侧面上，第二挡板与所述第一挡板相对设置且位于所述固定基座的相同一侧，所述进液管和所述排液管两者的远离所述固定基座的一端均依次贯穿所述第一挡板和所述第二挡板，所述第二挡板上设置有加料孔，所述加料孔上安装注浆管，驱动机构与所述第二挡板连接；
(3)通过所述注浆管向所述第一挡板和所述第二挡板之间注入填充体，所述驱动机构驱动所述第二挡板靠近所述第一挡板，来挤压所述填充体，对所述填充体进行锚固，以便形成人工堤坝。
8.根据权利要求7所述的煤层采空区的人工堤坝建筑方法，其特征在于，
在步骤(1)之前还包括：所述人工堤坝的厚度满足关系式：
<mrow>
<mi>A</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>P</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
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<mn>2</mn>
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<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mn>3</mn>
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<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>B</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>H</mi>
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<mrow>
<mn>7</mn>
<msqrt>
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<mn>1</mn>
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<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>&alpha;</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
</msqrt>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>B</mi>
<mo>+</mo>
<mi>H</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，A为人工堤坝的厚度，单位m；P为人工堤坝围合采空区形成水库后，水库的安全水压，单位m；λ1、λ2和λ3均为系数，1.3≤λ1≤1.5，1.50≤λ2≤1.60，1.20≤λ3≤1.30；B为待建人工堤坝区域巷道的实际宽度，单位m；H为待建人工堤坝区域巷道的实际高度，单位m；α1为构建人工堤坝的混凝土抗压强度，单位MPa，1.10≤α1≤1.30；α2为构建人工堤坝的混凝土抗拉强度，单位MPa，1.20≤α2≤1.40。
9.根据权利要求8所述的煤层采空区的人工堤坝建筑方法，其特征在于，
在步骤(2)中还包括：将所述待建人工堤坝区域按照预设厚度从所述采空区的所述壁面由近及远依次划分为用于建筑第一堤坝段的第一分区、用于建筑第二堤坝段的第二分区至用于建筑第N堤坝段的第N分区，所述第二挡板可在所述第一分区、所述第二分区至所述第N分区内移动，所述第一堤坝段、所述第二堤坝段及所述第N堤坝段依次连接形成所述人工堤坝，其中，预设厚度小于等于所述人工堤坝的厚度。
10.根据权利要求9所述的煤层采空区的人工堤坝建筑方法，其特征在于，
在步骤(3)之前还包括：在向所述第M分区内(M＝1、2、……、N)注入所述填充体之前，所述驱动机构驱动所述第二挡板移动至所述第M分区的远离所述第一挡板的分区边沿上。
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