CN112392542A - 基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤炭开采灾害防控技术领域，具体涉及一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，包括风速传感器、第一挡风装置、控制器和第一减速装置；第一减速装置包括移位减速降能巷道、移位减速降能装置和专用增阻轨道；移位减速降能巷道设置在运输顺槽外侧，所述专用增阻轨道设置在移位减速降能巷道内，所述移位减速降能装置设置在专用增阻轨道上，并可沿专用增阻轨道滑动；第一挡风装置设置在运输顺槽内，并位于移位减速降能巷道的进风口后方，风速传感器的信号输出端与控制器连接，控制器用于在运输顺槽内的风速变化达到设定值时，控制第一挡风装置动作封闭运输顺槽。本发明消除了采空区顶板大面积垮落带来的飓风危害。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采灾害防控技术领域，具体涉及一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置。
背景技术
经济高速发展离不开能源。由于我国资源结构的影响，我国能源高度依赖煤炭资源，煤炭在一次能源方面占到了60％以上，在现在和未来仍旧是我国的主体能源。
采矿行业也随之发展起来，如何保障煤矿安全成为一大难题摆在我们面前。在一系列的采矿事故中采空区顶板大面积垮落占比很大，在原煤开采后我国大多数煤矿对于采空区基本采用全部垮落法治理采空区。顶板岩层大多是砂岩，在开采过后形成的采空区顶板悬而不垮，在进行回采时，顶板的步距较大可以达到100m以上，如此大面积的采空区顶板如果大面积垮落会对井下的设备和工作人员造成巨大的伤害。由于重力的作用产生的影响，大面积的顶板受到破坏后在短时间内迅速垮落，受到垮落的岩石的急剧压缩的空气从巷道口和顺槽中急速涌出，形成极具有破坏力的飓风，吹倒采矿设备并对井下的基础设施造成破坏，对煤矿井下的作业人员的生命安全构成了威胁。根据大量资料显示，顶板垮落时最少将形成几千平方米最多将形成几十万平方米的垮落岩石，产生的飓风的力量对煤矿中工作的作业人员造成伤害，也会对井下的采掘机械造成巨大的破坏。因此，研究如何减弱采空区顶板大面积垮落显得尤为重要，也是采矿生产过程中必须面对的难题。
为了解决上述问题，国内外的许多专家学者对此做了大量的实践研究工作，对防范顶板大面积垮落贡献了力量。如采用各种仪器进行观测和预报使用微震仪、地锫仪和超声波地层应力仪器等仪器测量信号，以及提前计算垮落量的办法来预防采空区顶板大面积垮落所产生的气浪冲击，但是这些办法所取得的效果并不是那么令人满意，主要由于以下几点：
（1）安全性差。由于采空区顶板大面积垮落是发生在极短时间内，在井下工作的作业人员无法在短时间内迅速将机械设备搬移，一旦发生采空区顶板大面积垮落，将会造成大量的人员伤亡和煤矿的经济损失，所以采用仪器观察的效果并不佳。
（2）适应性差。为了满足仪器观察的特定场景需要合适的环境，但煤矿井下环境错综复杂，并不一定有合适的地点可供监测数据。随着井下作业的进行，采空区各项特征变化大，并不能保证仪器能正常预测采空区顶板大面积垮落的发生。
（3）操作复杂。仪器的安装和使用以及计算所需要的数据采集需要专业的人员，采购仪器和后期的使用都是一大笔费用。且随着开采的进行，采空区会越来越大，而采空区顶板大面积垮落往往令人措手不及。
（4）成本高。采空区防范每一处都不能忽略，日常的观测和数据采集都需要一大笔费用，且不是一劳永逸的解决办法。
（5）偏差大。因为采空区顶板大面积垮落形成的飓风风速大、传感器加工等难以加工等原因，导致实际应用中，风速数据的采集必须通过多次试验来求平均值的方法进行计算，所以数据采集的误差比较大。
为了解决采空区顶板大面积垮落预防所具有的高成本、适应性差、安全性差、操作复杂的问题，需要提出一种新的危害消除途径。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，可以有效的减弱采空区顶板大面积垮落产生的冲击波，防止设备损坏和人员伤亡，降低煤矿开采成本，提高煤矿的安全性，简化操作，增加煤矿采空区治理的可行性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，包括风速传感器、第一挡风装置、控制器和第一减速装置；所述第一减速装置包括移位减速降能巷道、移位减速降能装置和专用增阻轨道，移位减速降能巷道设置在运输顺槽外侧，其进风口和出风口分别与运输顺槽的首端和末端连通，所述专用增阻轨道设置在移位减速降能巷道内，所述移位减速降能装置设置在专用增阻轨道上，并可沿专用增阻轨道滑动；
所述风速传感器设置在采煤工作面的超前支护段，用于测量巷道风速；所述第一挡风装置设置在运输顺槽内，并位于移位减速降能巷道的进风口后方，所述风速传感器的信号输出端与控制器连接，所述控制器用于在运输顺槽内的风速变化达到设定值时，控制第一挡风装置动作封闭运输顺槽。
所述的一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，还包括第二减速装置和第二挡风装置，所述第二减速装置设置在回风顺槽外侧，所述第二挡风装置设置在回风顺槽内，并位于第二减速装置的进风口前方，所述控制器还用于在回风顺槽内的风速变化达到设定值时，控制回风顺槽内的第二挡风装置动作封闭回风顺槽。
所述第一挡风装置包括第一感应密闭门和挡风气囊，所述挡风气囊设置在运输顺槽的胶带运输机的夹缝中，用于封闭胶带运输机，所述第二挡风装置包括第二感应密闭门。
所述第一挡风装置和第二挡风装置有多个，均匀分布在运输顺槽和回风顺槽内。
所述第一挡风装置和第二挡风装置还包括红外传感器和报警装置，所述红外传感器用于接收对应的感应密闭门附近的人员信息，所述报警装置用于在对应的挡风装置动作前发出声光警报，所述控制器用于接收到所述红外传感器的红外信息时，控制对应的挡风装置延时关闭。
所述专用增阻轨道的长度S与运行阻力f之间满足以下条件：
其中，W表示飓风中积聚的能量，
，v表示飓风速度，
，d表示巷道断面的半径，g表示重力加速度，a表示采空区跨度，L表示采空区长度，b表示巷道宽度，ρ表示飓风密度，x表示顺槽条数，H表示采厚，f表示运行阻力。
所述移位减速降能巷道为圆弧形巷道。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，通过消耗飓风中积聚的能量来达到消除飓风的目的，在专用移位减速降巷道中安装移位减速降能装置，通过其在专用增阻轨道运行消耗了飓风的能量。使飓风不会对感应密闭门之外的设备和作业人员造成伤害，消除了采空区顶板大面积垮落带来的飓风危害。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置的原理示意图；
图2为本发明实施例中顶板整体垮落的示意图；
图3为本发明实施例中采空区空气冲向巷道的示意图；
图4为本发明实施例中感应密闭门的升降示意图
图5为本发明实施例中专用移位减速降能巷道示意图。
图中：1为运输顺槽；2为回风顺槽；3为风速传感器；4为控制器；5为第一感应密闭门；6为挡风气囊；7为移位减速降能巷道；8为移位减速降能装置；9为专用增阻轨道，10第二感应密闭门；11为采空区，12为胶带运输机，13为报警器，14为红外传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1~5所示，本发明实施例提供了一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，包括风速传感器3、第一挡风装置、控制器4和第一减速装置；所述第一减速装置包括移位减速降能巷道7、移位减速降能装置8和专用增阻轨道9，移位减速降能巷道7设置在运输顺槽1外侧，其进风口和出风口分别与运输顺槽1的首端和末端连通，所述专用增阻轨道9设置在移位减速降能巷道7内，所述移位减速降能装置8设置在专用增阻轨道9上，并可沿专用增阻轨道9滑动；所述风速传感器3设置在采煤工作面的超前支护段；所述第一挡风装置设置在运输顺槽1内，并位于移位减速降能巷道7的进风口后方，所述风速传感器3的信号输出端与控制器4连接，所述控制器4用于在运输顺槽1内的风速变化达到设定值时，控制第一挡风装置动作封闭运输顺槽1。
进一步地，如图1所示，本实施例还包括第二减速装置和第二挡风装置，所述第二减速装置设置在回风顺槽2外侧，其也包括移位减速降能巷道7、移位减速降能装置8和专用增阻轨道9，所述第二挡风装置设置在回风顺槽2内，并位于第二减速装置的进风口前方，所述控制器还用于在回风顺槽2内的风速变化达到设定值时，控制回风顺槽2内的第二挡风装置动作封闭回风顺槽2。
进一步地，本实施例中，所述第一挡风装置包括第一感应密闭门5和挡风气囊6，所述挡风气囊6设置在运输顺槽的胶带运输机的夹缝中，用于封闭胶带运输机，所述第二挡风装置包括第二感应密闭门。
进一步地，本实施例中，所述第一挡风装置和第二挡风装置有多个，均匀分布在运输顺槽1和回风顺槽2内。
进一步地，本实施例中，所述第一挡风装置和第二挡风装置还包括红外传感器和报警装置，所述红外传感器用于接收对应的感应密闭门附近的人员信息，所述报警装置用于在对应的挡风装置动作前发出声光警报，所述控制器4用于接收到所述红外传感器的红外信息时，控制对应的挡风装置延时关闭。
下面介绍本发明的工作原理。
本发明实施例中，在采煤工作面运输顺槽、回风顺槽超前支护段布置风速（冲击波）传感器、控制器、感应密闭门、挡风气囊、专用移位减速降能巷道，采用风速（冲击波）传感器采集上下顺槽内风速（冲击波）数据并实时传输到控制器，当风速（冲击波）变化达到设定值时，控制器判断发生顶板大面积来压，立即关闭感应密闭门并打开挡风气囊，飓风受到感应密闭门和挡风气囊的阻挡，转入专用移位减速降能巷道，推动移位减速降能装置沿专用增阻轨道运行，将飓风带来的动能转化为移位减速降能装置的动能，消耗飓风能量，降低风速。
本实施例中，将采空区11顶板的大面积垮落当作理想化的切落，将采空区11看作一个密闭的容器，建立顶板大面积垮落的理想化模型，如图2所示，图2中a表示采空区跨度，L表示采空区长度，b表示巷道宽度，采空区的采厚为H。
采空区11顶板大面积垮落冲击计算的假设条件包括：
1、为了使计算方便将整个采空区11看作密封的容器，其中的空气看作理想气体。
2、由于采空区11的顶板发生大面积垮落时的垮落速度非常迅速，因此可假设采空区并未与外界进行能量交换，即采空区11内的气体温度是保持不变的。
3、由于将煤层的裂隙忽略不计（煤隙特别小），故可假设采空区11内气体并未泄露，全部被垮落的顶板岩石压缩。
4、将顶板大面积垮落的过程看作是只受顶板自身的重力的作用；
5、虽然有一些煤柱被垮落的岩石所破坏但是此次计算并不考虑被破坏的岩石即认为煤柱不参与顶板的冒落，也就是采空区11内的空气只受到了垮落的顶板的压力，并不受其它力的作用。
当采空区11顶板大面积垮落时，采空区11的空间在短时间内快速减少，致使采空区9内空气的压强快速增大，导致采空区11内的气体急速地向工作面及两顺槽流动，对工作面及两顺槽口产生强烈的气流冲击，空气流动的流向如图1中箭头所示。
设顶板大面积垮落完成的时间为t，顶板的高度为H，由：
H= gt²/2；（1）
得：
其中，t表示下落时间，g表示重力加速度。
设采空区11内空气的总量Q，则：
Q=aLH； （3）
采空区11的空气因为受到了采空区11顶板垮落岩石的压缩积聚了非常高的能量，为了平衡周围环境的能量，被压缩的空气迅速沿着巷道内流动形成猛烈的飓风。采空区11内空气冲向运输顺槽1、回风顺槽2如图3中箭头所示。
由于采空区11顶板大面积垮落可以看做是在瞬间内发生。近似认为采空区11上下部分的空气密度相同。设有x条完全相同的顺槽，其中通过顺槽的飓风的风速为v，则
将式（3）带入式（4），即顶板大面积来压，在上、下顺槽产生的飓风风速采用如下公式计算：
式中，x为顺槽条数，b巷道宽度，L是采空区长度，a是采空区跨度，v为通过巷道的飓风的风速；
进一步的，移位减速降能巷道7的进风口和出口口的巷口位置均在工作面200m范围外。
进一步的，专用移位减速降能巷道两巷口之间设置不少于3道感应密闭门，每道感应密闭门两侧设置红外传感装置和报警装置，控制器发出关闭感应密闭门时，如被红外传感器感知到在感应密闭门1m范围内有人员经过，则该道感应密闭门不关闭且发出声光报警，而其余密闭门接收到控制器信号后迅速关闭，待行人远离该区域后，感应密闭门再迅速降下。
感应密闭门1m范围存在行人时，为防止感应密闭门误伤行人，所以该道感应密闭门不会立即关闭。为保证感应密闭门能够有效关闭起到阻挡飓风的作用，需要设置多道感应密闭门。顺槽长度普遍大于1000m，而红外传感器感知范围为感应密闭门两侧各1m范围，行人出现在该范围的内概率为1/500，则3道感应密闭门感应两侧各1m范围内同时存在行人的概率为1/125000000，为小概率事件。因此，应至少设置3到感应密闭门。
进一步的，在运输顺槽的胶带运输机的夹缝中安置挡风气囊，在接收到控制器信号后挡风气囊瞬间膨胀，与感应密闭门共同形成挡风结构，飓风将涌向移位减速降能巷道。为了防止巷道的漏风，巷道中有胶带运输机械，需要在胶带运输机的夹缝中安置挡风气囊，使采空区顶板大面积垮落的岩石产生的飓风无法通过胶带间隙泄露，当控制器发出信号时，挡风气囊瞬间膨胀，与感应密闭门联合形成一个不透风的挡风结构。防止飓风经过巷道冲向工作面对作业人员和井下设备造成损害。感应密闭门的如图4所示，其中，（a）表示感应密闭门5收起时的示意图，（b）表示感应密闭门5降下时的示意图。
从采空区涌出的飓风经过巷道到达感应密闭门，感应密闭门不漏风，飓风无法突破感应密闭门，由于飓风中积聚了采空区顶板垮落的岩石压缩空气的能量，为了平衡内外环境，飓风将涌向感应密闭门的侧向巷道即移位减速降能巷道，如图5所示。
具体地，本发明中，专用移位减速降能巷道为圆弧形巷道，其内设置圆弧形的专用增阻轨道，轨道上布置有移位减速降能装置。移位减速降能装置采用矿车和专用的增阻装置组成，其运行阻力可根据工作面采空区长度实时调节，使从采空区涌出的飓风推动移位减速降能装置在专用增阻轨道运行后，可将飓风带来的动能转化为移位减速降能装置的动能，再通过增阻装置将动能消耗，使飓风的风速降低到安全范围之内。
为了完全消耗飓风中积聚的能量需要计算专用增阻轨道长度，移位减速降能装置在专用增阻轨道上的运行阻力为f，运行阻力f是可调的，煤矿井下飓风密度为ρ，g为重力加速度。
（1）局部损失h f1 计算：
h f1 =ζv 2/2g;（6）
式中：ζ-局部阻力损失常数，当转角为90°时，ζ=0.985。
（2）沿程能力损失
计算；
式中：λ-沿程损失系数，取0.063；S-暴风能量消耗巷长度，单位为m；d表示移位减速降能巷道断面的半径。
（3）由动能定理得飓风中积聚的能量W为：
W= mv 2 /2；（8）
设飓风密度为ρ，则有：
m=ρaLH；（9）
将式（9）和式（5）带入式（8），则有：
因此，若要将移位减速降能装置需要将飓风积聚的能量完全消耗，则有：
用增阻轨道的长度S，求得：
也就是说，增阻轨道的长度S的最小值为式（12）。本实施例中，还可以通过调节运行阻力f，来配合增阻轨道长度的增加，实现飓风积聚的能量完全消耗。
实施例：某矿属于坚硬顶板，存在顶板大面积来压垮落飓风危害。工作面的长度为158m，采空区长度75m，巷道的宽度为4m，H为4m，顺槽数量x=2，专用增阻轨道阻力为f=75KN，煤矿井下飓风密度为ρ=1.31Kg/m3，g为重力加速度=9.81m/s2。
此条件下，专用增阻轨道的长度S，求得：其最小值为1113m。
本发明通过消耗飓风中积聚的能量来达到消除飓风的目的，在专用移位减速降巷道中安装移位减速降能装置，通过其在专用增阻轨道运行消耗了飓风的能量。使飓风不会对感应密闭门之外的设备和作业人员造成伤害，消除了采空区顶板大面积垮落带来的飓风危害。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，其特征在于，包括风速传感器（3）、第一挡风装置、控制器（4）和第一减速装置；
所述第一减速装置包括移位减速降能巷道（7）、移位减速降能装置（8）和专用增阻轨道（9），移位减速降能巷道（7）设置在运输顺槽（1）外侧，其进风口和出风口分别与运输顺槽（1）的首端和末端连通，所述专用增阻轨道（9）设置在移位减速降能巷道（7）内，所述移位减速降能装置（8）设置在专用增阻轨道（9）上，并可沿专用增阻轨道（9）滑动；
所述风速传感器（3）设置在采煤工作面的超前支护段，用于测量巷道风速；所述第一挡风装置设置在运输顺槽（1）内，并位于移位减速降能巷道（7）的进风口后方，所述风速传感器（3）的信号输出端与控制器（4）连接，所述控制器（4）用于在运输顺槽（1）内的风速变化达到设定值时，控制第一挡风装置动作封闭运输顺槽（1）。
2.根据权利要求1所述的一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，其特征在于，还包括第二减速装置和第二挡风装置，所述第二减速装置设置在回风顺槽（2）外侧，所述第二挡风装置设置在回风顺槽（2）内，并位于第二减速装置的进风口前方，所述控制器还用于在回风顺槽（2）内的风速变化达到设定值时，控制回风顺槽（2）内的第二挡风装置动作封闭回风顺槽（2）。
3.根据权利要求2所述的一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，其特征在于，所述第一挡风装置包括第一感应密闭门（5）和挡风气囊（6），所述挡风气囊（6）设置在运输顺槽的胶带运输机的夹缝中，用于封闭胶带运输机，所述第二挡风装置包括第二感应密闭门。
4.根据权利要求2所述的一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，其特征在于，所述第一挡风装置和第二挡风装置有多个，均匀分布在运输顺槽（1）和回风顺槽（2）内。
5.根据权利要求2所述的一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，其特征在于，所述第一挡风装置和第二挡风装置还包括红外传感器和报警装置，所述红外传感器用于接收对应的感应密闭门附近的人员信息，所述报警装置用于在对应的挡风装置动作前发出声光警报，所述控制器（4）用于接收到所述红外传感器的红外信息时，控制对应的挡风装置延时关闭。
6.根据权利要求2所述的一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，其特征在于，所述专用增阻轨道（9）的长度S与运行阻力f之间满足以下条件：
其中，W表示飓风中积聚的能量，
，v表示飓风速度，
，d表示巷道断面的半径，g表示重力加速度，a表示采空区跨度，L表示采空区长度，b表示巷道宽度，ρ表示飓风密度，x表示顺槽条数，H表示采厚，f表示运行阻力。
7.根据权利要求1所述的一种基于降速减能的采空区顶板大面积垮落飓风危害消除装置，其特征在于，移位减速降能巷道（7）为圆弧形巷道。
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