CN112727538B - 一种采空区充填用滚筒式密封装置及密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区充填用滚筒式密封装置及密封方法，包括柱状弹性筒体和支护机构；筒体包括中部的填充腔体和连接在填充腔体两端的端部密封体；端部密封体由多个纵横交错的弹性第三分隔板形成分割腔；支护机构设置在筒体上方，支护机构连接在液压支架上。能够实现采空区的实时密封，不干扰正常采煤工序，不影响开采速度，注浆、侯凝时间要求宽松，组织管理要求低，能够实现并行式的综采工作面回采、注浆充填接替工序，能够效解决瓦斯、冲击地压、充水等矿井灾害和地表塌陷、水资源流失、地表生态破坏等环境问题，能够实现现代化大型工作面绿色、高效、高产能开采需要。

Description

一种采空区充填用滚筒式密封装置及密封方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，具体涉及一种采空区充填用滚筒式密封装置及密封方法。

背景技术

煤炭将长期占据我国能源主体地位，综合机械化开采已经成为我国重点煤矿区的主要开采方式，对顶板的处理主要采用自然垮落。目前长壁式综采引起的煤层上覆岩层破坏导致的采区地表沉降、环境破坏、水资源流失、顶板动力灾害、压覆资源损失等问题严重制约了煤炭资源高效安全绿色开采，煤炭开采与生产安全、环境保护、资源充分开发的矛盾愈发突出。防治采空区上覆岩层沉降带来的一系列问题，是关乎煤炭高质量发展的关键一环。由此带来了充填式开采技术的发展，一定程度缓解了采空区顶板沉降问题。

但现有充填式开采在井下或地面配填充浆液，通过布设在巷道、工作面的输送管路输送填充浆液，主要采用“串联”方式，即回采一定距离后停止回采，启动充填作业，待填充体凝固后继续开始回采，如此往复，限制浆液流动范围（填充范围）的装置依赖于液压支架，填充、侯凝时支架不能移动，造成工序干扰严重，要么填充、侯凝工序影响采煤，降低开采速度，要么需在短时间内完成填充装置安装、浆液充填和侯凝，对浆液性能、注浆设备能力及组织实施要求极高，注浆充填成本极大，难以适应以长壁式综采为代表的高强度、高效开采需求，井下管路复杂，工序繁琐，设备要求高，协调难度大，难以解决现有开采问题。

因此，亟需发展一种不依赖于液压支架的限制浆液流动范围（填充范围）的装置，能够不干扰正常采煤工序，不影响开采速度，对组织管理、浆液性能要求一般，即注浆、侯凝时段较长，填充装置操作简单，能够达到采充并行、充分充填的开采效果。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种采空区充填用滚筒式密封装置及密封方法，解决了现有的充填方式充填装置依赖于液压支架，开采工序干扰严重，采煤效率低，组织管理要求高，浆液性能要求严格的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种采空区充填用滚筒式密封装置，包括柱状弹性筒体和支护机构；

所述筒体包括中部的填充腔体和连接在填充腔体两端的端部密封体；所述填充腔体上设置有用于向腔中注气或注水的开口；所述端部密封体由多个纵横交错的弹性第三分隔板形成，所述第三分隔板、填充腔体的外端面之间形成分割腔；

所述支护机构设置在筒体上方，所述支护机构连接在液压支架上。

具体的，所述填充腔体包括内囊和套设在内囊外的外囊；所述内囊内沿其轴向设置有多个弹性第一分隔板，所述第一分隔板将内囊分割为多个独立的内腔体；所述外囊与内囊之间的空间中沿其轴向设置有多个弹性第二分隔板，所述第二分隔板将所述空间分割为多个独立的外腔体。

进一步的，在填充腔体端部与端部密封体之间设置有一段过渡腔体。

具体的，所述支护机构为厚度渐变的板体，板体较厚的一端连接在液压支架上，板体较薄的一端向采空区延伸；该板体沿综采工作面方向的长度不小于筒体的最大半径。

进一步的，还包括用于刮削筒体表面粘结浆液的刮削臂；所述刮削臂连接在支护机构上。

进一步的，还包括隔离膜机构，所述隔离膜机构包括隔离膜卷筒和卷制在隔离膜卷筒上的隔离膜，所述隔离膜机构连接在液压支架位于采空区一端的底部。

本发明还公开了一种采空区充填的滚筒式密封方法，采用本发明加载的滚筒式密封装置进行密封，该方法具体包括以下步骤：

步骤1，在采空区注浆前，通过液压支架拉动所述筒体向液压支架侧滚动；所述滚筒式密封装置放置在采空区；

步骤2，当采空区开始注浆时，通过筒体两侧区域的压力差使得筒体向液压支架侧发生滚动，在滚动过程中，调整填充腔体内部压力及填充的介质，使筒体的底部、两端的端部密封体分别与煤层底板、两侧岩壁或煤壁密封；

步骤3，当采空区的充填浆液面接近筒体顶部或检修班开始检修设备时，再次调整填充腔体压力，使筒体与煤层顶板、底板、两侧煤壁全部接触，整体密封采空区，继续注浆至采空区全部填充浆液，开始侯凝；

步骤4，待浆液凝固后，减小填充腔体内部填充介质的压力，使筒体与凝固的充填体分离，返回步骤1；

步骤5，重复步骤1至步骤4，直至完成整个工作面的开采与充填。

进一步的，在筒体滚动过程中，通过设置在筒体顶部的刮削臂刮削筒体上粘结的浆液。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用滚筒式密封装置将工作面和采空区隔离，实现采空区的实时密封，相对于现有充填开采能够不干扰正常采煤工序，不影响开采速度，注浆、侯凝时间要求宽松、组织管理要求低，能够实现并行式的综采工作面回采、注浆充填接替工序，采用地面定向长钻孔作为浆液输送通道，有效避免了现有井下充填技术带来的采充干扰严重、工序繁琐、管路复杂、设备能力小、开采强度受限、施工成本高、组织管理难度大等难题；相对于垮落式开采可实现充分充填采空区，防止瓦斯积聚、顶板垮落和上覆岩层沉降，从而有效解决矿井局部瓦斯积聚、冲击地压、充水等灾害和采煤引起的地表塌陷、水资源流失、地表生态环境破坏、地面建筑损坏等问题；能够实现现代化大型工作面绿色、高效、高产能开采需要。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明的滚筒式密封装置的整体结构示意图。

图2是本发明的滚筒式密封装置的正面剖视图。

图3是本发明的端部密封体的侧视图。

图4~图7是采用本发明的的滚筒式密封装置时充填过程示意图，其中，图4是筒体初步放置位置图；图5是筒体移动至第一侧分支孔眼前方，开始注浆示意图；图6是第一充填分段充填完成；图7是移动至下一充填分段。

图中各标号表示为：

1-筒体，2-支护机构，3-刮削臂，4-隔离膜机构，5-液压支架，6-连接臂，7-地面定向长钻孔，8-侧分支孔，9-采煤机；

11-填充腔体，12-端部密封体，13-过渡腔体；

111-内囊，112-外囊，113-第一分隔板，114-第二分隔板，115-内腔体，116-外腔体；

121-第三分隔板，122-分割腔；

41-隔离膜卷筒，42-隔离膜。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

本发明公开了一种采空区充填用滚筒式密封装置，如图1所示，该装置包括柱状弹性筒体1和支护机构2。筒体1包括中部的填充腔体11和连接在填充腔体11两端的端部密封体12，本发明的具体实施例中，筒体1整体由高分子弹性材料制成。填充腔体11上设置有用于向腔中注气或注水的开口（图中未标出），该开口用于与注水或注气管道连接，一般优选的，在开口上设置有接口，用于控制注水或注气。端部密封体12由多个纵横交错的弹性第三分隔板121形成，本发明的具体实施例中，第三分隔板121为抗磨损的弹性高分子加筋材料。第三分隔板121、填充腔体11的外端面之间形成分割腔122，如图3所示，密封时分隔腔122与煤壁或岩壁紧密接触，密封煤壁或岩壁。

支护机构2设置在筒体1上方，防止煤层顶板破碎体掉入筒体1与液压支架5之间，破坏筒体1和影响密封，具体的，将支护机构2设置在液压支架5上，通过液压支架5带动支护机构2同步移动。

在安装本发明的滚筒式密封装置时，可通过一拉带将液压支架5上部与筒体1连接，在液压支架2移动过程中带动筒体1滚动。

作为本发明的优选实施方案，如图2所示，填充腔体11包括内囊111和套设在内囊111外的外囊112，设置内囊111和外囊112以防止某一个囊体失效而造成遮挡失败；内囊111内沿其轴向设置有多个弹性第一分隔板113，第一分隔板113将内囊111分割为多个独立的内腔体115；外囊112与内囊111之间的空间中沿其轴向设置有多个弹性第二分隔板114，第二分隔板114将所述空间分割为多个独立的外腔体116。通过第一分隔板113与第二分隔板114使各囊体之间相互隔绝，可充注不同的介质以保证与煤层顶板、底板动密封的同时能够减轻重量。

作为本发明的优选实施方案，如图2所示，在填充腔体11端部与端部密封体12之间设置有一段过渡腔体13，过渡腔体13充气后向两端膨胀，调整端部密封体12和煤壁或岩壁摩擦力，保证两侧的密封。

作为本发明的优选实施方案，如图1所示，支护机构2为厚度渐变的板体，板体较厚的一端连接在液压支架5上，具体与液压支架5一体化设计，板体较薄的一端向采空区延伸；更优选的，板体与煤层顶板接触的上表面为水平面，板体的下表面为倾斜面。另外，该板体沿综采工作面方向的长度不小于筒体1的最大半径，保证至少支护机构2至少能覆盖筒体1的一半。

作为本发明的另一可选实施方案，如图1所示，设置一个刮削臂3，用于刮削筒体1表面粘结浆液，具体的，可将刮削臂3连接在支护机构2上。本发明具体实施方案中刮削臂3为连接在支护机构2底部的铲刀。

作为本发明的另一可选实施方案，如图1所示，为了防止凝固后的浆液粘结在筒体1上，本发明设置了一个隔离膜机构4，如图1所示。该隔离膜机构4包括隔离膜卷筒41和卷制在隔离膜卷筒41上的隔离膜42，隔离膜机构4通过连接在液压支架5位于采空区一端的底部。具体的，在液压支架5底部伸出一连接臂6，隔离膜机构4连接在连接臂6上。最好的，隔离膜机构4能够放置在充气或充水后的筒体1与液压支架5底部的空间中。

进一步的，为了方便切断隔离膜，在隔离膜卷筒41处连接一个割刀，但隔离膜到达煤层顶板位置时，启动割刀隔断隔离膜42，或者在液压支架5移动过程中直接拉断隔离膜。

本发明还可通过在筒体1表面设计与浆液不易粘结的材料来防止粘结浆液，本发明优选的采用隔离膜机构4来实现该目的。

另外，可在液压支架5上设置一个承物台，用于放置注气或注水管道。

本发明的滚筒式密封装置主要用于地面定向长钻孔采充并行的非沉降采煤过程中，对液压支架的采空区一侧进行密封，其中地面定向长钻孔采充并行的非沉降采煤方法主要包括以下步骤：

步骤1，将综采工作面沿工作面走向划分多个充填分段，每个充填分段的长度均小于初步来压步距；此处的“充填分段的长度”是指沿工作面走向的长度。本发明具体的根据工作面地质条件、回采情况、回采中的矿压显现情况、地面设备等情况来划分充填分段。

本发明中，还需预先设计定向长钻孔布孔层位、井组数量、侧分支间距，以及地面注浆设备选型、管路连接、注浆材料配比等。

步骤2，在煤层顶板上方的岩层中完成地面定向长钻孔钻进；其中，地面定向长钻孔的水平段沿工作面走向延伸。

本发明中，为了避免钻进过程中岩层出现塌陷，将该定向长钻孔设置在较为稳定的岩层中。

本发明中，地面定向长钻孔作为充填注浆主通道，受水垂比影响和钻孔技术限制，如地面定向长钻孔水平段难以覆盖整个作业面，可在水平段延伸方向钻进多个地面定向长钻孔进行接替，使整个工作面被定向长钻孔的水平段覆盖，以保证注浆主通道的控制范围。

步骤3，在当前充填分段处钻进侧分支孔，侧分支孔一端与地面定向长钻孔水平段孔眼连通，另一端延伸至煤层；

步骤4，开始工作面回采，直至工作面移动至当前充填分段与下一充填分段的分界处时，停止工作面回采，进行步骤5；

在工作面回采过程中，当采空区推进至当前充填分段中的侧分支孔孔眼露出后，开始从地面定向长钻孔和当前充填分段处的侧分支孔向当前采空区注浆；也可在采空区推进至当前充填分段与下一充填分段边界时，再开始注浆，本发明优选第一种方案，即边注浆边回采。

本发明中，在注浆时通过密封机构对采空区断面进行密封，使密封机构一侧的采空区与另一侧的采煤区分割为两个独立空间。本发明的密封机构采用上述滚式密封装置。

步骤5，若当前采空区全部填充浆液，待浆液凝固，进行步骤4；若当前采空区未全部充填，继续进行充填直至当前采空区全部填充浆液并待浆液凝固，再进行步骤4；本发明优选的，待浆液凝固至具有一定强度即可进行步骤4，该强度能够保证浆液填充体能够自稳。

在等待浆液凝固过程中，进行下一充填分段处的侧分支孔的钻进，本发明优选的，将工作面停止回采的时间段设定在检修班组进行检修设备的时间段内，对采煤作业无干扰。同时浆液填充体在顶板来压前完成终凝。

步骤6，重复步骤3至步骤5，直至完成整个工作面的开采与充填。

基于上述非沉降采煤方法，本发明还公开了采空区充填的滚筒式密封方法，该方法中采用本发明记载的滚筒式密封装置进行密封，该方法具体包括以下步骤：

步骤1，将滚筒式密封装置放置在液压支架5采空区的一侧，一般紧挨液压支架5放置。在采空区注浆前，通过液压支架5拉动筒体1向液压支架5侧滚动，最好的，先减少填充腔体内部压力及填充的介质，减轻重量。

步骤2，当采空区开始注浆时，由于液压支架5移动时筒体1的采空区侧压力大于液压支架侧压力，通过筒体1两侧区域的压力差使得筒体1向液压支架5侧发生滚动，在滚动过程中，调整填充腔体11内部压力及填充的介质，具体通过注气或注水管道向填充腔体11充气或充水来调整，使筒体1的底部、两端的端部密封体12分别与煤层底板、两侧岩壁或煤壁密封；

由于筒体1为一可充水的柱状弹性囊体，具有延展性可和无固定外形，当内部充注有液体/气体时向外发生弹性形变，密封筒体1与底板、两侧煤/岩壁的空隙，将浆液限制在采空区内。

步骤3，当采空区的充填浆液面接近筒体1顶部或检修班开始检修设备时，再次调整填充腔体11压力，使筒体1与煤层顶板、底板、两侧煤壁全部密封，密封采空区，继续注浆至采空区全部填充浆液，开始侯凝；本发明优选的，“充填浆液面接近筒体1顶部”可具体限定充填至筒体1直径一半以上但未到筒体1顶部。

本发明通过在筒体1表面粘结隔离膜或将筒体1设置为与浆液不粘的材料等方式来避免凝固的浆液粘结在筒体1上，本发明优选的，通过隔离膜机构4来实现上述目的。具体为：当筒体1滚动距充填段边界距离接近πH/2m时隔离膜卷筒41开始释放隔离膜42，隔离膜42粘结在筒体1表面随筒体1滚动同步释放，在检修班组开始检修设备时隔离膜42到达煤层顶板位置，断隔离膜，调整筒体1内压力，使其与煤层顶板、底板、两侧煤壁接触力增大，密封采空区，完成顶部空隙注浆开始侯凝。

步骤4，待浆液凝固后，一般初凝至能够自稳的强度即可，减小填充腔体11内部压力及填充的介质，使筒体1与凝固的充填体分离，此时筒体1与煤层顶板之间也分开，返回步骤1；

步骤5，重复步骤1至步骤4，直至完成整个工作面的开采与充填。

在上述步骤中，筒体1滚动过程中，通过设置在筒体1顶部的刮削臂3刮削筒体1上粘结的浆液，以保持筒体1表面的平整。

需要说明的是本发明并不局限于以上的具体实施方案，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

以下给出采用本发明的滚筒式密封装置进行采煤的具体案例，以对本发明的滚筒式密封装置的封闭方法进行说明。

实施例1

本实施例以西北地区某矿实施本方法，该实施例过程中采用滚筒式密封装置以及地面定向长钻孔采充并行的非沉降采煤方法，具体步骤包括：

步骤1，如图4所示安装采煤设备，操作液压支架5，使其靠近采空区的支撑机构动作，支护采支架后空区约H/2m，安装筒体1和隔离膜卷筒机构4，筒体1可整体折叠运输到位，也可分段运输到位后进行组装。组装完成后即可充水/气进行密封性能监测。

步骤2，前期工作结束后，综采工作面开始回采。回采过程中筒体1放置在液压支架5后侧，在采空区充注前可调整筒体1内部压力及介质，减轻重量，通过液压支架5拉动筒体1向液压支架5侧滚动，如图2所示。

步骤3，当回采露出第一个侧分支孔8孔眼时，启动地面注浆系统开始注浆，注浆时筒体1在浆液与液压支架5之间，液压支架5移动时筒体1采空区侧压力大于液压支架侧压力，滚筒向液压支架侧发生滚动，紧靠液压支架移动。同时在筒体1滚动过程中刮削壁3刮削筒体1上粘结的浆液，以保持筒体1平整。

步骤4，继续回采，当筒体1滚动距充填段边界距离接近πH/2m时隔离膜卷筒41开始释放隔离膜42，隔离膜42粘结在筒体1随筒体1滚动同步释放，在检修班组开始检修设备时隔离膜到达煤层顶板位置，割断隔离膜42；然后调整筒体1压力，使其与煤层顶底板、两侧煤壁接触力增大，整体密封采空区，完成顶部空隙注浆开始侯凝。

步骤5，注浆时通过设置在采空区的传感器评估填充情况，协调地面注浆系统以保证充填体积，在检修班检修时段内完成第一充填段初凝且具一定强度，在顶板来压前充填体完成终凝。同时在侯凝时段进行水平孔扫孔作业并开始第二分支孔组的钻进，如图6所示。

步骤6，继续回采，调整筒体1内部压力，在隔离膜作用下筒体1降压滚动时即可与浆液固结体分离，如图7所示。

步骤7，重复上述步骤，完成整个工作面的开采与充填。

本案例采用地面定向长钻孔作为注浆通道，也可采用井下管辖进行浆液传输、充填，即在步骤2中开始回采，产生采空区时即可开始充填。

表1所示为实施例的方法、现有充填方法和常用垮落式开采方法的效果对比。

表1 不同开采方法的效果对比

项目

开采强度（万吨/年）

影响采煤作业情况

顶板处理情况

采空区瓦斯

冲击地压情况

上覆含水层

地面沉降

地面植被

地面搬迁

矿井出水处理

废物利用

注浆设备

本方案

600万吨/年

无影响

无需处理

无

无

无影响

无

无影响

无

无

有

地面

布袋充填开采

100万吨/年

需停采等待

无需处理

无

无

无影响

无

无影响

无

无

有

井下

垮落式开采

600万吨/年

需弱化坚硬顶板

需防治

需防治

破坏

有

破坏

有

有

无

可以看出，而本方法相对于布袋式充填开采具有明显经济效益，不影响煤矿正常开采，适合于现有国情，能够满足煤矿开采要求。

在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种采空区充填用滚筒式密封装置，其特征在于，所述滚筒式密封装置放置在采空区，将工作面和采空区隔离，实现采空区的实时密封，所述滚筒式密封装置包括柱状弹性筒体（1）和支护机构（2），所述筒体（1）在采空区充填时能够滚动；

所述筒体（1）包括中部的填充腔体（11）和连接在填充腔体（11）两端的端部密封体（12）；所述填充腔体（11）上设置有用于向腔中注气或注水的开口；所述端部密封体（12）由多个纵横交错的弹性第三分隔板（121）形成，所述第三分隔板（121）、填充腔体（11）的外端面之间形成分割腔（122）；

所述支护机构（2）设置在筒体（1）上方，所述支护机构（2）连接在液压支架（5）上。

2.如权利要求1所述的采空区充填用滚筒式密封装置，其特征在于，所述填充腔体（11）包括内囊（111）和套设在内囊（111）外的外囊（112）；所述内囊（111）内沿其轴向设置有多个弹性第一分隔板（113），所述第一分隔板（113）将内囊（111）分割为多个独立的内腔体（115）；所述外囊（112）与内囊（111）之间的空间中沿其轴向设置有多个弹性第二分隔板（114），所述第二分隔板（114）将所述空间分割为多个独立的外腔体（116）。

3.如权利要求1或2所述的采空区充填用滚筒式密封装置，其特征在于，在填充腔体（11）端部与端部密封体（12）之间设置有一段过渡腔体（13）。

4.如权利要求1所述的采空区充填用滚筒式密封装置，其特征在于，所述支护机构（2）为厚度渐变的板体，板体较厚的一端连接在液压支架（5）上，板体较薄的一端向采空区延伸；该板体沿综采工作面方向的长度不小于筒体（1）的最大半径。

5.如权利要求1所述的采空区充填用滚筒式密封装置，其特征在于，还包括用于刮削筒体（1）表面粘结浆液的刮削臂（3）；所述刮削臂（3）连接在支护机构（2）上。

6.如权利要求1所述的采空区充填用滚筒式密封装置，其特征在于，还包括隔离膜机构（4），所述隔离膜机构（4）包括隔离膜卷筒（41）和卷制在隔离膜卷筒（41）上的隔离膜（42），所述隔离膜机构（4）连接在液压支架（5）位于采空区一端的底部。

7.一种采空区充填的滚筒式密封方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的滚筒式密封装置进行密封，该方法具体包括以下步骤：

步骤1，在采空区注浆前，通过液压支架（5）拉动所述筒体（1）向液压支架（5）侧滚动；所述滚筒式密封装置放置在采空区；

步骤2，当采空区开始注浆时，通过筒体（1）两侧区域的压力差使得筒体（1）向液压支架（5）侧发生滚动，在滚动过程中，调整填充腔体（11）内部压力及填充的介质，使筒体（1）的底部、两端的端部密封体（12）分别与煤层底板、两侧岩壁或煤壁密封；

步骤3，当采空区的充填浆液面接近筒体（1）顶部或检修班开始检修设备时，再次调整填充腔体（11）压力，使筒体（1）与煤层顶板、底板、两侧煤壁全部接触，整体密封采空区，继续注浆至采空区全部填充浆液，开始侯凝；

步骤4，待浆液凝固后，减小填充腔体（11）内部填充介质的压力，使筒体（1）与凝固的充填体分离，返回步骤1；

步骤5，重复步骤1至步骤4，直至完成整个工作面的开采与充填。

8.如权利要求7所述的采空区充填的滚筒式密封方法，其特征在于，在筒体（1）滚动过程中，通过设置在筒体（1）顶部的刮削臂（3）刮削筒体（1）上粘结的浆液。

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