CN109184769A - 一种柔模充填开采支架及其充填方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔模充填开采支架，包括平行设置的顶梁和底座，顶梁的前端设有前伸缩梁，前伸缩梁上设有护帮板，顶梁的后端设置有后伸梁，顶梁的前后两侧分别通过液压立柱与底座的前后两侧连接，且顶梁与底座通过四连杆与液压立柱连接，底座的后端沿竖直方向设有夹模挡板，夹模挡板的上方设有可伸缩抽屉A，可伸缩抽屉A的顶部设有夹模机构；底座的后端还设有旋转挡板，旋转挡板的下端通过可伸缩抽屉B与底座的后端连接，且旋转挡板与可伸缩抽屉B之间还通过斜推油缸连接，旋转挡板的上端设有L形抽屉。本发明还公开了一种柔模充填方法，采用本发明提供的开采支架进行开采时，操作人员不在采空区作业、隔绝性好、不影响回采速度。
Description
技术领域
本发明属于矿山采空区的充填技术领域，涉及一种柔模充填开采支架，本发明还涉及上述开采支架的柔模充填开采方法。
背景技术
我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到137.9亿t以上，其中建筑物下压煤87.6亿t。随着村镇规模不断扩大，实际压煤量远高于这一数字，目前多数矿井都存在“三下”压煤的问题，一般都占矿井可采储量的10～30％，部分高达40％。由此可见，随着矿区煤炭资源的枯竭及相关行业对煤炭需求量的继续加大，矿区“三下”压煤问题逐渐凸现出来，而建(构)筑物下压煤尤为突出。建(构)筑物下压煤问题直接影响着矿井的正常生产，造成生产接替紧张、资源采出率降低、服务年限缩短，而且影响矿井的生产布局和总体规划，严重制约着矿井的发展。
就目前“三下”压煤的生产现状，研发新的充填开采技术解决“三下”压煤问题对整个采矿行业来说显得尤为必要。“三下”压煤直接影响着矿井的正常生产，造成生产接替紧张、资源采出率降低、服务年限缩短，而且影响矿井的生产布局和总体规划，严重制约着矿井的发展。许多矿区地处山区，村庄较多，分布零散，压覆了大量的煤炭资源。特别是近年来随着生产规模的不断扩大和可采储量的日益减少，村庄压煤问题日益突出，各矿相继出现了不同程度的资源趋紧、接替紧张的局面。
许多矿区经过长期开采，矿井容易开采的资源已逐年减小，很多资源是有开拓系统但被滞压在村庄等建筑物下，而不能开采。建(构)筑物下压煤问题直接影响着矿井的正常生产，造成资源采出率降低、矿井服务年限缩短，而且影响矿井的生产布局和总体规划，严重制约着矿井的发展。
煤炭开采伴随着矸石排放，矸石排放不仅占用耕地，而且矸石山的堆放污染空气及地表水资源带来环境问题。矸石排放费用是矿井的一项较大之处，降低矿井经济效益。采用充填开采可有效对矸石废弃物再利用、实现矿区内矸石的有效利用，不仅可以解决矸石排放问题，又可以实现矿井绿色发展。
目前国内外常规充填开采主要有矸石充填、(似)膏体充填、高水材料充填等充填方式，这些充填开采存在如下问题：(一)充填料浆中含有的充填骨料(如煤矸石)的质量分数低，(二)管道输送充填料浆的距离近，(三)井下对于流体充填料浆的快速封闭效果差；(四)采空区充填密实度较低，地表沉陷较大；(五)难以适应大规模开采需要，充填开采能力较低，影响回采速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔模充填开采支架，采用该开采支架进行开采时，操作人员不在采空区作业、隔绝性好、不影响回采速度。
本发明还提供一种柔模充填方法。
本发明所采用的技术方案是，一种柔模充填开采支架，包括平行设置的顶梁和底座，顶梁的前端设有前伸缩梁，前伸缩梁上设有护帮板，顶梁的后端设置有后伸梁，顶梁的前后两侧分别通过液压立柱与底座的前后两侧连接，且顶梁与底座通过四连杆与液压立柱连接，底座的后端沿竖直方向设有夹模挡板，夹模挡板的上方设有可伸缩抽屉A，可伸缩抽屉A的顶部设有夹模机构；
底座的后端还设有旋转挡板，旋转挡板的下端通过可伸缩抽屉B与底座的后端连接，且旋转挡板与可伸缩抽屉B之间还通过斜推油缸连接，旋转挡板的上端设有L形抽屉。
本发明的特点还在于，
顶梁的前后两侧分别设有两个液压立柱，位于顶梁同一侧的两个液压立柱呈倒“八”字形设置。
液压立柱的活塞杆端部连接在顶梁上。
顶梁的后端与后伸梁的一端铰接，且顶梁与后伸梁之间通过顶部油缸连接，顶部油缸的活塞杆端部与后伸梁连接。
后伸梁长度为0.8-3m，后伸梁水平段截面厚度0.1-0.2m。
可伸缩抽屉B共三节，可伸缩抽屉B的第一节与底座的后端连接，可伸缩抽屉B的第三节端部与旋转挡板铰接，可伸缩抽屉B的伸缩范围为0～2.4m；旋转挡板的旋转角度范围为0°-20°。
本发明采用的另一种技术方案，一种柔模充填开采支架的柔模充填方法，具体包括如下步骤：
步骤1，预先制作第一层高强纤维布作为顶模、第二层高强纤维布作为底模，在顶模上设置注浆孔；
步骤2，将顶模安装在充填开采支架后伸梁的下边缘，穿过旋转挡板顶部及夹模挡板上方的夹模机构；将底模铺设在采空区底板上，底模向上穿过旋转挡板顶部及夹模挡板上方的夹模机构，将顶模及底模通过夹模机构固定，在采空区形成封闭空间；
步骤3，在柔模充填开采支架后端的工作间内，用手提缝纫机缝制接长线，接长顶模和底模，同时将工作面端头边缘处的顶模及顶模的进行缝合，形成与采空区横断面周边相等的筒状体，即一次性封闭柔性隔离模筒；
步骤4，回采时，采煤工作面随着柔模充填开采支架进行移动，柔性隔离模筒继续向后拉伸铺设；
步骤5，当回采达到1-10m步距后，升起夹模挡板及旋转挡板，柔性隔离模筒通过夹模机构被夹持在后伸梁的下端，夹持处的柔性隔离模筒的顶模与底模紧密接触，采空区内的柔性隔离模筒形成封闭空间；
步骤6，将充填输送管穿过灌注口与柔性隔离模筒内连通，将充填输送管与灌注口进行绑扎连接；
步骤7，当柔性隔离模筒安装完成后，流体充填材料通过输送管经由柔性隔离模筒注入采空区的柔性隔离模筒内；
步骤8，柔性隔离模筒注满后，将充填输送管拔出，最终采空区与柔模充填开采支架进行隔绝充填；
步骤9，柔性隔离模筒充填饱满后，旋转挡板通过斜推油缸向后旋转，挤压已充满的柔性隔离模筒，再次对柔性隔离模筒的充填材料进行挤压、脱水、加固，提高充填体的强度及自立能力；
步骤10，流体充填材料凝固后，降下夹模挡板，工作面正常采煤拉架，此时底座后部的旋转挡板不收回，底座后部的可伸缩抽屉B随回采不断伸出，当回采达到3个步距时，底座后部的可伸缩抽屉B达到最大伸缩量，此时收回旋转挡板；
步骤11，重复上述步骤3～10，直至流体充填材料充满整个工作面的采空区。
本发明另一中技术方案的特点还在于：
充填材料以水作为运输载体，包含高水材料、黄土、砂和水的混合浆液、煤矸石与水的混合浆液、矸石混凝土、泡沫混凝土，具有高流动性的充填材料。
当柔性隔离模筒内充填高水材料时，柔性隔离模筒的顶模、底模上涂覆有防水涂料。
本发明的有益效果是，本发明提供的柔模充填开采支架，结构简单、人员在操作间作业安全性能高、隔绝性好、充填速度快、工艺简便、安全可靠、不影响回采速度；本发明还提供了一种柔模充填方法。采用与采空区断面大小相等的一次性柔性隔离模筒，采空区充填断面无堆砌空间，整体性好，液压支架尾部不漏浆液，不用拆除模板，可实现采煤工作面液压支架与采空区有效隔绝，而且人员不在采空区作业，满足安全高效生产的要求，广泛用于煤矿，冶金矿山等行业。
附图说明
图1是本发明一种柔模充填开采支架的结构示意图；
图2是本发明一种柔模充填开采支架与采空区相互位置关系示意图；
图3是本发明一种柔模充填开采支架与综合机械化采煤工作面、采空区相互位置关系示意图；
图4为采用本发明一种柔模充填方法进行一次性封闭柔性隔离模筒结构三维示意图；
图5为图4的一次性封闭柔性隔离模筒I-I剖面图；
图6为本发明一种柔模充填方法中工作面一个充填循环结束时充填开采支架、采空区相互位置关系立面示意图；
图7为本发明一种柔模充填方法中工作面一个充填循环结束后下一循环回采时充填开采支架、采空区相互位置关系立面示意图。
图中，1-顶梁，2-底座，3-四连杆，4-液压立柱，5-后伸梁，6-夹模挡板，7-旋转挡板，8-L型抽屉，9-可伸缩抽屉A，10-顶部油缸；11-斜推油缸，12-前伸缩梁，13-护帮板，14-顶模，15-底模，16-工作间，17-夹模机构，18-充填输送管，19-充填材料，20-充填体，21-注浆孔，22-采空区，23-接长线，24-柔性隔离模筒，25-柔模充填开采支架，26-采煤工作面，27-工作面端头边缘柔模，28-可伸缩抽屉B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种柔模充填开采支架，如图1所示，包括平行设置的顶梁1和底座2，顶梁1的前端设有前伸缩梁12，前伸缩梁12上设有护帮板13，顶梁1的后端设置有后伸梁5，顶梁1的前后两侧分别通过液压立柱4与底座2的前后两侧连接，且顶梁1与底座2通过四连杆3与液压立柱4连接，底座2的后端沿竖直方向设有夹模挡板6，夹模挡板6的上方设有可伸缩抽屉A9，可伸缩抽屉A9的顶部设有夹模机构17；夹模挡板6通过可伸缩抽屉A9将夹模机构17升起。夹模机构17采用现有结构。
底座2的后端还设有旋转挡板7，旋转挡板7的下端通过可伸缩抽屉B28与底座2的后端连接，且旋转挡板7与可伸缩抽屉B28之间还通过斜推油缸11连接，旋转挡板7的上端设有L形抽屉8。
顶梁1的前后两侧分别设有两个液压立柱4，位于顶梁1同一侧的两个液压立柱4呈倒“八”字形设置。靠近顶梁1后侧的液压立柱4与夹模挡板6之间的孔径为工作间16，工作间16的横向距离f大小值为0.55-0.9m。
顶梁1的前后两侧分别设有四连杆3，每个四连杆3分别将顶梁1前侧(后侧)、底座2前侧(后侧)及位于顶梁1前侧(后侧)的两个液压立柱4的固定座进行铰接。
液压立柱4的活塞杆端部连接在顶梁1上。
顶梁1的后端与后伸梁5的一端铰接，且顶梁1与后伸梁5之间通过顶部油缸10连接，顶部油缸10的活塞杆端部与后伸梁5连接。
后伸梁5长度为0.8-3m，后伸梁5水平段截面厚度0.1-0.2m。
可伸缩抽屉B28共三节，可伸缩抽屉B28的第一节与底座2的后端连接，可伸缩抽屉B28的第三节端部与旋转挡板7铰接，可伸缩抽屉B28的伸缩范围为0～2.4m；旋转挡板7的旋转角度范围为0°-20°。
上述柔模充填开采支架的柔模充填方法，具体包括如下步骤：如图2～5所示，
步骤1，预先制作第一层高强纤维布作为顶模14、第二层高强纤维布作为底模15，在顶模14上设置注浆孔21；顶模14及底模15的各自长a为100～300m，宽c为1～8m，注浆孔21的孔径为0.2～0.4m；
步骤2，将顶模14安装在充填开采支架后伸梁5的下边缘，穿过旋转挡板7顶部及夹模挡板6上方的夹模机构17；将底模15铺设在采空区22底板上，底模15向上穿过旋转挡板7顶部及夹模挡板6上方的夹模机构17，将顶模14及底模15通过夹模机构17固定，在采空区22形成封闭空间；
步骤3，在柔模充填开采支架25(柔模充填开采支架25的结构即为本申请中提供的柔模充填开采支架)后端的工作间16内，用手提缝纫机缝制接长线23，接长顶模14和底模15，同时将工作面端头边缘柔模27处的顶模14及顶模15的进行缝合，形成与采空区22横断面周边相等的筒状体，即一次性封闭柔性隔离模筒24；柔性隔离模筒24为大型封闭体，与采煤工作面采空区22的长宽高相同、分别为e＝300-4000m、a＝100-300m、b＝0.5-5m，采煤工作面26回采时随着柔模充填开采支架25的移动，柔性隔离模筒24继续向后拉伸铺设；
步骤4，回采时，采煤工作面26随着柔模充填开采支架25进行移动，柔性隔离模筒24继续向后拉伸铺设；
步骤5，当回采达到1-10m步距后，升起夹模挡板6及旋转挡板7，柔性隔离模筒24通过夹模机构17被夹持在后伸梁5的下端，夹持处的柔性隔离模筒24的顶模14与底模15紧密接触，采空区22内的柔性隔离模筒24形成封闭空间；
步骤6，将充填输送管18穿过灌注口与柔性隔离模筒24内连通，将充填输送管18与灌注口21进行绑扎连接；
步骤7，当柔性隔离模筒24安装完成后，流体充填材料19通过输送管18经由柔性隔离模筒24注入采空区22的柔性隔离模筒24内；采空区22的上方为充填体20。
步骤8，柔性隔离模筒24注满后，将充填输送管18拔出，最终采空区22与柔模充填开采支架25进行隔绝充填；
步骤9，柔性隔离模筒24充填饱满后，旋转挡板7通过斜推油缸11向后旋转，挤压已充满的柔性隔离模筒24，再次对柔性隔离模筒24的充填材料19进行挤压、脱水、加固，提高充填体的强度及自立能力；
步骤10，流体充填材料凝固后，降下夹模挡板6，工作面正常采煤拉架，此时底座2后部的旋转挡板7不收回，底座2后部的可伸缩抽屉B28随回采不断伸出，当回采达到3个步距时，底座2后部的可伸缩抽屉B28达到最大伸缩量，此时收回旋转挡板7；
步骤11，重复上述步骤3～10，直至流体充填材料19充满整个工作面的采空区22。工作面一个充填循环结束时充填开采支架、采空区相互位置关系如图6所示，工作面一个充填循环结束后下一循环回采时充填开采支架、采空区相互位置关系如图7所示。
充填材料19以水作为运输载体，包含高水材料、黄土、砂和水的混合浆液、煤矸石与水的混合浆液、矸石混凝土、泡沫混凝土，具有高流动性的充填材料。
当柔性隔离模筒24内充填高水材料时，柔性隔离模筒24的顶模14、底模15上涂覆有防水涂料。
流体充填材料19按照预先设计的配比在地面搅拌站搅拌后，通过充填泵或自重经由管道送入地下采空区的一次性封闭柔性隔离模筒24内进行充填，顶模14、底模15的抗拉强度均为20000-100000N/m(即1m宽的一层纤维布的抗拉强度达到2吨到10吨)，采空区22充填完毕后一次性封闭柔性隔离模筒24形成了一个与采空区22空间大小相同的整体式大模板。
Claims (9)
1.一种柔模充填开采支架，其特征在于：包括平行设置的顶梁(1)和底座(2)，顶梁(1)的前端设有前伸缩梁(12)，前伸缩梁(12)上设有护帮板(13)，顶梁(1)的后端设置有后伸梁(5)，顶梁(1)的前后两侧分别通过液压立柱(4)与底座(2)的前后两侧连接，且顶梁(1)与底座(2)通过四连杆(3)与液压立柱(4)连接，底座(2)的后端沿竖直方向设有夹模挡板(6)，夹模挡板(6)的上方设有可伸缩抽屉A(9)，可伸缩抽屉A(9)的顶部设有夹模机构(17)；
底座(2)的后端还设有旋转挡板(7)，旋转挡板(7)的下端通过可伸缩抽屉B(28)与底座(2)的后端连接，且旋转挡板(7)与可伸缩抽屉B(28)之间还通过斜推油缸(11)连接，旋转挡板(7)的上端设有L形抽屉(8)。
2.根据权利要求1所述的一种柔模充填开采支架，其特征在于：所述顶梁(1)的前后两侧分别设有两个液压立柱(4)，位于顶梁(1)同一侧的两个液压立柱(4)呈倒“八”字形设置。
3.根据权利要求1所述的一种柔模充填开采支架，其特征在于：所述液压立柱(4)的活塞杆端部连接在顶梁(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种柔模充填开采支架，其特征在于：所述顶梁(1)的后端与后伸梁(5)的一端铰接，且顶梁(1)与后伸梁(5)之间通过顶部油缸(10)连接，顶部油缸(10)的活塞杆端部与后伸梁(5)连接。
5.根据权利要求4所述的一种柔模充填开采支架，其特征在于：所述后伸梁(5)长度为0.8-3m，后伸梁(5)水平段截面厚度0.1-0.2m。
6.根据权利要求4所述的一种柔模充填开采支架，其特征在于：所述可伸缩抽屉B(28)共三节，可伸缩抽屉B(28)的第一节与底座(2)的后端连接，可伸缩抽屉B(28)的第三节端部与旋转挡板(7)铰接，可伸缩抽屉B(28)的伸缩范围为0～2.4m；旋转挡板(7)的旋转角度范围为0°-20°。
7.根据权利要求1～6所述的一种柔模充填开采支架的柔模充填方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，预先制作第一层高强纤维布作为顶模(14)、第二层高强纤维布作为底模(15)，在顶模(14)上设置注浆孔(21)；
步骤2，将顶模(14)安装在充填开采支架后伸梁(5)的下边缘，穿过旋转挡板(7)顶部及夹模挡板(6)上方的夹模机构(17)；将底模(15)铺设在采空区(22)底板上，底模(15)向上穿过旋转挡板(7)顶部及夹模挡板(6)上方的夹模机构(17)，将顶模(14)及底模(15)通过夹模机构(17)固定，在采空区(22)形成封闭空间；
步骤3，在柔模充填开采支架(25)后端的工作间(16)内，用手提缝纫机缝制接长线(23)，接长顶模(14)和底模(15)，同时将工作面端头边缘处的顶模(14)及顶模(15)的进行缝合，形成与采空区(22)横断面周边相等的筒状体，即一次性封闭柔性隔离模筒(24)；
步骤4，回采时，采煤工作面(26)随着柔模充填开采支架(25)进行移动，柔性隔离模筒(24)继续向后拉伸铺设；
步骤5，当回采达到1-10m步距后，升起夹模挡板(6)及旋转挡板(7)，柔性隔离模筒(24)通过夹模机构(17)被夹持在后伸梁(5)的下端，夹持处的柔性隔离模筒(24)的顶模(14)与底模(15)紧密接触，采空区(22)内的柔性隔离模筒(24)形成封闭空间；
步骤6，将充填输送管(18)穿过灌注口与柔性隔离模筒(24)内连通，将充填输送管(18)与灌注口(21)进行绑扎连接；
步骤7，当柔性隔离模筒(24)安装完成后，流体充填材料19通过输送管(18)经由柔性隔离模筒(24)注入采空区(22)的柔性隔离模筒(24)内；
步骤8，柔性隔离模筒(24)注满后，将充填输送管(18)拔出，最终采空区(22)与柔模充填开采支架(25)进行隔绝充填；
步骤9，柔性隔离模筒(24)充填饱满后，旋转挡板(7)通过斜推油缸(11)向后旋转，挤压已充满的柔性隔离模筒(24)，再次对柔性隔离模筒(24)的充填材料(19)进行挤压、脱水、加固，提高充填体的强度及自立能力；
步骤10，流体充填材料凝固后，降下夹模挡板(6)，工作面正常采煤拉架，此时底座(2)后部的旋转挡板(7)不收回，底座(2)后部的可伸缩抽屉B(28)随回采不断伸出，当回采达到3个步距时，底座(2)后部的可伸缩抽屉B(28)达到最大伸缩量，此时收回旋转挡板(7)；
步骤11，重复上述步骤3～10，直至流体充填材料(19)充满整个工作面的采空区(22)。
8.根据权利要求7所述的一种柔模充填开采支架的柔模充填方法，其特征在于：所述充填材料(19)以水作为运输载体，包含高水材料、黄土、砂和水的混合浆液、煤矸石与水的混合浆液、矸石混凝土、泡沫混凝土，具有高流动性的充填材料。
9.根据权利要求7所述的一种柔模充填开采支架的柔模充填方法，其特征在于：当柔性隔离模筒(24)内充填高水材料时，柔性隔离模筒(24)的顶模(14)、底模(15)上涂覆有防水涂料。
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