CN109653796B - 一种综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤层开采技术领域，公开了一种综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置,气囊材质采用热塑性橡胶材料(TPR),是以SEBS为基材的改性材料，具有优异的耐老化性能，使得气囊既具有可塑性，又具有高弹性，同时具备良好的耐热性、耐压缩变形性和优异的力学性能；气囊的充气结构分为两部分，即正面的主体的气囊和侧面的辅助气囊；主体气囊可以填充较为规则的大面积自由空间，辅助气囊则可以使结构复杂的狭小空间得以填充，从而保证装置的封堵效果。本发明解决了综放工作面上下端头漏风导致的采空区遗煤自燃问题。
Description
技术领域
本发明属于煤层开采技术领域，尤其涉及一种综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
煤炭在我国一次能源消费结构中一直占60％以上，是我国能源的重要组成部分，在国民经济和社会生活中具有重要的战略地位。我国厚及特厚煤层储量、产量均占煤炭总储量和总产量的40％以上。综采放顶煤开采方法是30多年来在我国迅速发展成熟的一种特厚煤层开采技术，有着高产高效、吨煤成本低等优势，但是采空区自然发火严重是综采放顶煤采煤法面临的重大难题。采空区遗煤自燃危害性较大，不仅破坏了煤炭资源，还会造成生产设备被毁、人员伤亡等重大损失。除此之外，采空区遗煤自燃诱发的煤矿瓦斯及粉尘爆炸等次生灾害，容易造成事故和损失扩大。随着煤矿开采强度不断增大，矿井开采水平不断延伸，煤层瓦斯压力、瓦斯含量、地应力和瓦斯涌出量不断增大，采空区遗煤自燃对矿井安全生产构成了严重的威胁。工作面的漏风直接为遗煤自燃提供所需氧气，是遗煤自燃的主要原因。对于理想的通风系统，所有节点应满足节点风量平衡方程，即质量守恒定律。然而，在实际生产中的通风系统，由于巷道所在的煤掩体并非绝对不透气，实际测定的风量并不严格满足节点风量平衡方程，而是或多或少存在一定的差额，称该差额为通风系统的漏风。在工作面所在的巷道，由于工作面和与其相联结的采空区之间很难有较好的密封效果，因而漏风尤为显著。现有技术方案
当前现场解决工作面漏风问题主要采用以下几个途径：
设置临时风障或风帘。该措施是在工作面上下隅角附近垮落地带设置简单风障或风帘，可以在一定程度上阻止风流进入采空区。但是由于设置较为简单，造成封堵效果差。
堆砌密闭墙。该措施是在工作面上下隅角附近用装满碎煤的尼龙袋堆砌密闭墙。由于密闭墙和巷道接触紧密，故该方法封堵作用明显。但是在工作面不断推进的过程中，堆砌密闭墙要不断地重复进行，不仅费时费料，还造成工人的劳动强度大大增加。此外，工作面推进过程中堆砌的密闭墙会被逐步压实，尼龙袋中的碎煤遗留在采空区中，有自然发火的隐患。
设置封堵气囊。根据查阅已公开中国专利，公开号CN 101082282A的中国专利“可移动的煤矿综采工作面端头封堵安全气囊”。该装置采用帆布材料，充气结构为墙垛。由于材料的弹性较差，且充气结构较为单一，不能较好的填充综放工作面上下端头复杂的自由空间。
综上所述，现有技术存在的问题是：
设置临时风障或风帘封堵漏风量大，封堵效果差，极易造成上下隅角瓦斯超限，从而威胁安全生产。
堆砌密闭墙费工、费料，施工工人的劳动强度太大。并且在工作面推进的同时，密闭墙不可移动，因此工作面两端头封堵工作要持续不断地重复进行。此外，工作面推进过程中堆砌的密闭墙会被逐步压实，尼龙袋中的碎煤遗留在采空区中，有自然发火的隐患。
当前的综放工作面封堵气囊，大多选用帆布材料，充气结构也较为单一，不能适应两端头复杂的自由空间，造成堵漏风效果不理想。
解决上述技术问题的难度和意义：
综放工作面的漏风直接为采空区遗煤自燃提供所需氧气，是采空区遗煤自燃的主要原因。工作面上下端头由于受到邻近保护煤柱的影响，随着工作面的不断推进会形成一个复杂的自由空间，封堵这部分空间非常困难。传统的风障、堆砌密闭墙等方法都有一定的局限性，所以急需设计一种使用简便、封堵效果好的装置。为了适应两端头复杂的自由空间，该装置必须具有良好的弹性以及优异的力学性能。同时为了使装置在井下使用更加方便，减小工人的劳动强度，该装置要满足重复使用的要求。本发明提出的一种综放工作面端头气囊快速堵漏风装置，解决了堆砌密闭墙、设置简单风障等方法存在的缺陷，满足了高弹性、与巷道壁面紧密接触、井下使用便利等诸多要求。可以明显地减少工作面两端头漏风，从而达到抑制遗煤自燃、惰化火区，或熄灭火源的目的。
本发明提出的一种综放工作面端头气囊快速堵漏风装置是基于当前的综放工作面封堵气囊改进而来。装置采用热塑性橡胶材料，使装置拥有较高弹性的同时具有优异的力学性能。主体气囊和辅助气囊的设计，可以使装置与巷道壁面接触更为紧密，封堵效果好。帆布外壳上布置的牵引绳、吊点、工作面压风进气口等使装置在井下使用时大为简便。本装置解决了现有工作面封堵气囊充气结构单一，不能适应工作面两端头复杂空间的缺陷。由于在井下使用简便，封堵效果好，解决了堆砌密闭墙费时费料、劳动强度增加等问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置。本发明的目的就是通过设计一种用于综放工作面上下端头的气囊式快速堵漏风装置，以解决综放工作面上下端头漏风导致的采空区遗煤自燃问题。气囊材质采用热塑性橡胶材料(TPR),是以SEBS为基材的改性材料，具有优异的耐老化性能，使得气囊既具有可塑性，又具有高弹性，同时具备良好的耐热性、耐压缩变形性和优异的力学性能。气囊的充气结构分为两部分，即正面的主体的气囊和侧面的辅助气囊。主体气囊可以填充较为规则的大面积自由空间，辅助气囊则可以使结构复杂的狭小空间得以填充，从而保证装置的封堵效果。
为了解决背景技术中存在的综放工作面端头附近漏风严重等问题，就要尽可能的使上下端头附近的自由空间得到填充。
本发明是这样实现的，一种综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置，包括：
气囊部分。
气囊部分包括：主体气囊、侧部辅助气囊；
巷道壁面区布置棱柱状的主体气囊，在棱柱的两侧布满均匀的刺状侧部辅助气囊；使得主体气囊、侧部辅助气囊与巷道壁面的接触紧密；
在主体气囊靠近工作面的一侧设置帆布外壳部分，外壳部分的面积大于工作面顺槽的截面积。
进一步，所述外壳部分包括：牵引绳、作面压风进气口、充气口、排气口、吊点；
外壳部分上布置牵引绳，用于使气囊部分在井下应用灵活；
外壳部分上布置了五个吊点；将气囊部分固定在封堵位置，还用于连接综放液压支架，当液压支架移架时，气囊部分适当排气，与综采支架同步移动至所需位置，补气后再次进行堵漏；
外壳部分中心布置作面压风进气口，使气囊部分利用工作面压风进行初步充气，初步充气完成后通过拉链封闭作面压风进气口；
外壳部分中心布置的充气口连通气动风压泵对气囊部分进行充气；
排气口通过排气阀连通气囊部分。
本发明另一目的在于提供一种所述综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置的使用方法，所述综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置的使用方法包括：
利用牵引绳将气囊拉至工作面端头处，装置中的吊点将气囊固定在封堵位置并与综放工作面的端头支架相互连接；
连接完成后，首先打开工作面压风进气口对气囊进行初步充气，再使用气动风压泵对装置对充气口进行充气，气囊的气压按实际情况控制在0.25～0.3兆帕之间，使主体气囊和刺状辅助气囊完全接触巷道壁面；
当综放工作面液压支架需要移架时，打开排气口上的排气阀，将气囊中的空气放出，并利用吊点与液压支架的连接使装置和液压支架同步移动至所需位置，再对气囊充气进行封堵，形成一次作业循环。
本发明另一目的在于提供一种至少搭载所述综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置的综采放顶煤开采设备。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明针对综放工作面上下端头漏风导致的采空区遗煤自燃问题，设计了一种用于综放工作面上下端头的气囊式快速堵漏风装置。该气囊结构包括正面的主体气囊和侧面的辅助气囊，主体气囊充气形状为棱柱状，填充了大部分空间；“刺状”的辅助气囊在主体气囊的侧面均匀排列，主要填充细微狭小的空间。气囊充气后直立于综放工作面上下端头底板，与巷道壁面充分接触，使得气囊的堵漏效果优异。气囊材质采用热塑性橡胶材料(TPR),是以SEBS为基材的改性材料，具有优异的耐老化性能，使得气囊既具有可塑性，又具有高弹性，同时具备良好的耐热性、耐压缩变形性和优异的力学性能。除此之外，本装置设计了吊点，一方面可以将气囊固定在封堵位置，另一方面可以连接综放液压支架，当液压支架需要移架时，气囊装置只需适当排气，便可与综采支架同步移动至所需位置，使综放工作面端头堵漏风变得更加便利。本发明可以替代现阶段现场使用的尼龙袋装满黄泥堆积临时风障等堵漏风措施，不仅可以降低工人的劳动强度、节省成本，还能提高堵漏风的效果和稳定性。
本发明装置的结构特点在于：
气囊结构采用主体棱柱状结构，加之“刺状”辅助气囊结构，使综放工作面上下端头附近的空间被填充的更加完整，气囊与巷道接触面积更大，堵漏风效果也更好。
气囊靠近工作面一侧设置帆布外壳，该外壳大于工作面顺槽的截面积，可以使气囊更好地固定在所要封堵的位置之中。
气囊外壳中心设置一个2.5m×2m的矩形开口，可通过工作面压风对气囊进行初步充气，初步充气完成后再使用气动风压泵对充气口进行充气，直至达到规定气压。
气囊外壳上设置牵引绳和吊点，使该装置使用的便利性大大提高，极大地减轻了工人的劳动强度。
该装置的气囊材质采用热塑性橡胶材料(TPR),是以SEBS为基材的改性材料。SEBS是以聚苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物。具有优异的耐老化性能，既具有可塑性，又具有高弹性。同时具备良好耐热性、耐压缩变形性和优异的力学性能。
本发明装置的材质特点在于：
较好的耐温性能，其最高使用温度达到150℃，在氧气气氛下其分解温度大于270℃。
优异的耐老化性能，在人工加速老化箱中老化一星期其性能的下降率小于10％，臭氧老化(38℃)100小时其性能下降小于10％。
无需硫化即可使用的弹性体，加工性能与SBS类似，边角料可重复使用，符合环保要求，无毒，符合FDA要求。
比重较轻，约为0.91，极大地方便了井下的使用。
本发明装置相对于现有封堵手段，有着作业时间短、劳动强度小、封堵效果好等优势。
| 封堵措施 | 作业时间(min) | 劳动强度 | 堵漏风率 |
| 简易风障 | 30 | 小 | 61％ |
| 堆砌密闭墙 | 120 | 大 | 95％ |
| 传统气囊 | 20 | 小 | 84％ |
| 应用本发明装置 | 10 | 小 | 93％ |
附图说明
图1是本发明实施例提供的综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置示意图。
图2是本发明实施例提供的综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置正视图。
图3是本发明实施例提供的综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置斜视图。
图4是本发明实施例提供的综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置俯视图。
图5是本发明实施例SF6示踪气体漏风检测示意图。
图中：1、自由空间；2、牵引绳；3、工作面压风进气口；4、充气口；5、排气口；6、吊点；7、主体气囊；8、侧部辅助气囊。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出的煤矿综放工作面端头快速堵漏风装置，其主要部分是可充入气体的软质气囊，软质气囊的主体结构是4.5m×5m×4m的棱柱状结构，在软质气囊的侧面均匀分布着四排“刺状”的辅助气囊，该辅助气囊是开口直径为0.8m的圆锥体，每排辅助气囊的间距为1m。除此之外，在气囊靠近工作面的一侧设置帆布外壳，外壳的面积大于工作面顺槽的截面积，以便气囊更好的固定，外壳上布置充气口、放气口、牵引绳、吊点以及工作面压风进气口。其中工作面压风进气口是在外壳中心2.5m×2m的矩形开口，在气囊投入使用时可通过此开口利用工作面压风对气囊进行初步充气，初步充气完成后可将此开口通过拉链封闭；牵引绳的作用是将气囊拉到所需封堵的工作面位置，吊点既可以固定气囊的位置又可以连接综放液压支架，在需要移架时，与综采液压液压支架一同移至所需位置。当气囊充气后直立于综放工作面上下端头底板，并且顶部、侧部都与巷道壁面紧密接触。
下面结合附图对本发明的应用作详细描述。
参看图1-图5所示，本发明实施例提供的综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置包括:自由空间1；牵引绳2；工作面压风进气口3；充气口4；排气口5；吊点6；主体气囊7；侧部辅助气囊8。
对于“U”形通风系统的采空区，按漏风大小和遗煤发生的可能性，采空区可分为三带：散热带、自燃带(氧化升温带)和窒息带。根据以往的采掘经验可知，综放工作面两端头处容易形成一定的自由空间1，进而造成漏风加剧，若不及时封堵，极易造成采空区自然发火，给安全生产带来很大的隐患。本发明装置正是用于封堵综放工作面两端头处的自由空间1。
主要包括外壳部分、气囊部分。
所述装置外壳部分主要包括：牵引绳2、作面压风进气口3、充气口4、排气口5、吊点6。
所述装置气囊部分主要包括：主体气囊7、侧部辅助气囊8。
布置一个棱柱状的主体气囊7，在棱柱的两侧布满均匀的“刺状”侧部辅助气囊8。使得主体气囊7、侧部辅助气囊8与巷道壁面的接触更加紧密，解决了原有气囊堵漏措施中无法充填细微狭小空间的问题。
在气囊靠近工作面的一侧设置帆布外壳部分，外壳部分的面积大于工作面顺槽的截面积，以便气囊更好的固定。
装置外壳部分上布置了牵引绳2，使得本装置在井下应用时更加灵活。
装置外壳部分上布置了五个吊点5。一方面可以将主体气囊7和侧部辅助气囊8固定在封堵位置，另一方面可以连接综放液压支架，当液压支架需要移架时，气囊装置只需适当排气，便可与综采支架同步移动至所需位置，而后补气再次进行堵漏。
装置外壳部分中心布置一2.5m×2m矩形作面压风进气口3，使装置可以利用工作面压风进行初步充气，初步充气完成后可以通过拉链封闭该作面压风进气口3。
打开工作面压风进气口3对气囊进行初步充气，再使用气动风压泵对装置对充气口4进行充气，气囊的气压可按实际情况控制在0.25～0.3兆帕之间，使主体气囊6和“刺状”辅助气囊7可以完全接触巷道壁面。随着采煤作业的进行，当综放工作面液压支架需要移架时，打开排气口5上的排气阀，将气囊中的空气适当放出，并利用吊点6与液压支架的连接使装置和液压支架同步移动至所需位置，再对气囊充气进行封堵。
在本发明实施例中，气囊材质采用热塑性橡胶材料(TPR),是以SEBS为基材的改性材料。具有优异的耐老化性能，使得气囊既具有可塑性，又具有高弹性。同时具备良好的耐热性、耐压缩变形性和优异的力学性能。
下面结合综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置使用方法对本发明的应用作进一步描述。
本发明实施例提供的综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置使用方法具体为：
在工作面投入正式生产并推进一段长度之后，本发明装置便可投入使用。初次使用时，利用牵引绳2将气囊拉至工作面端头处，装置中的吊点6将气囊固定在封堵位置并与综放工作面的端头支架相互连接。连接完成后，首先打开工作面压风进气口3对气囊进行初步充气，再使用气动风压泵对装置对充气口4进行充气，气囊的气压可按实际情况控制在0.25～0.3兆帕之间，使主体气囊6和“刺状”辅助气囊7可以完全接触巷道壁面。随着采煤作业的进行，当综放工作面液压支架需要移架时，打开排气口5上的排气阀，将气囊中的空气适当放出，并利用吊点6与液压支架的连接使装置和液压支架同步移动至所需位置，再对气囊充气进行封堵，形成一次作业循环。
下面结合效果对本发明的应用作进一步描述。
由于采用了以上技术方案，本具体实施方式具有以下有益效果：
(1)相较传统构筑密闭墙的堵漏风措施，本技术方案既减轻了工人的劳动强度，又极大地降低了成本。
(2)本发明方案只需在首次使用的时候利用吊点使气囊装置与液压支架进行连接，气囊便可和液压支架同步移动，便利性大大增强。
(3)本发明方案采用的辅助气囊结构可以较好充填细小的空间，使气囊与巷道壁面接触地更加紧密，封堵效果好于一般的气囊装置。
(4)本发明方案设置独立的充气口和放气口，液压支架需要移架时，只需打开放气阀，气囊便可随液压支架同步移动，极大地简化了操作。
(5)本发明方案采用的热塑性橡胶材料不仅具有可塑性、高弹性，而且具有比重较轻的特点，极大了方便了井下的使用。
下面结合具体实施例对本发明的应用作进一步。
以江苏某矿1305工作面为例，采用SF6示踪气体技术检测漏风量。根据现场漏风考察的目的和释放点应处于采空区较高能位的漏风源处，取样点处于采空区低能位的漏风汇处的原则，在对现场进行实地考察和能位测定结果的基础上确定释放点和采样点。在进风巷距采空区20m处布置SF6气体释放点，在采空区距工作面20m、60m、100m布置三排测点，在回风巷距采空区20m处布置SF6气体采样点。具体释放点和采样点布置如图5所示。对工作面上下端头采用不同的封堵措施分别进行测定。测定过程中，在工作面进风巷SF6气体释放点定量释放SF6气体1h，使用SF6示踪气体连续释放装置，SF6稳定释放速率为60ML/min。SF6示踪气体总量为10kg，纯度大于等于99.999％。SF6示踪气体检测仪器为5750A型SF6检测仪。测定结果如下表：
| 封堵措施 | 漏风风速最大值(m/s) | 堵漏风率 |
| 无措施 | 2.86 | — |
| 简易风障 | 1.18 | 61％ |
| 传统气囊 | 0.68 | 84％ |
| 应用本发明装置 | 0.29 | 93％ |
由上表可知，本发明装置与现有技术手段相比具有优良的性能，堵漏风率大幅提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置，其特征在于，所述综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置包括：
气囊部分；
气囊部分包括：主体气囊、侧部辅助气囊；
巷道壁面区布置棱柱状的主体气囊，在棱柱的两侧布满均匀的刺状侧部辅助气囊；使得主体气囊、侧部辅助气囊与巷道壁面的接触紧密；
在主体气囊靠近工作面的一侧设置帆布外壳部分，外壳部分的面积大于工作面顺槽的截面积；
所述外壳部分包括：牵引绳、作面压风进气口、充气口、排气口、吊点；
外壳部分上布置牵引绳，用于使气囊部分在井下应用灵活；
外壳部分上布置了五个吊点；将气囊部分固定在封堵位置，还用于连接综放液压支架，当液压支架移架时，气囊部分适当排气，与综采支架同步移动至所需位置，补气后再次进行堵漏；
外壳部分中心布置工作面压风进气口，使气囊部分利用工作面压风进行初步充气，初步充气完成后通过拉链封闭工作面压风进气口；
外壳部分中心布置的充气口连通气动风压泵对气囊部分进行充气；
排气口通过排气阀连通气囊部分；
所述综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置的使用方法包括：
利用牵引绳将气囊拉至工作面端头处，装置中的吊点将气囊固定在封堵位置并与综放工作面的端头支架相互连接；
连接完成后，首先打开工作面压风进气口对气囊进行初步充气，再使用气动风压泵对装置对充气口进行充气，气囊的气压按实际情况控制在0.25～0.3兆帕之间，使主体气囊和刺状辅助气囊完全接触巷道壁面；
当综放工作面液压支架需要移架时，打开排气口上的排气阀，将气囊中的空气放出，并利用吊点与液压支架的连接使装置和液压支架同步移动至所需位置，再对气囊充气进行封堵，形成一次作业循环。
2.一种至少搭载权利要求1所述综放工作面端头气囊式快速堵漏风装置的综采放顶煤开采设备。
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