CN112796830A - 一种采空区充填用液压支架式密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区充填用液压支架式密封装置，包括多个并列设置的液压支架、弹性柱状件和柔性围挡；柱状弹性筒件的两端设置有端部密封体；每两个相邻液压支架之间设置有一个弹性柱状件，弹性柱状件两端的端部密封体能够分别挤顶在煤层的顶板和底板上；沿液压支架高度方向依次设置有至少两个柔性围挡，两个柔性围挡的一端分别连接在相邻的两个液压支架的相邻侧壁上，两个柔性围挡的另一端均连接在弹性柱状件上；靠近巷道侧壁处的液压支架的侧部连接有弹性柱状件。本发明密封装置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，能够实现并行式的综采工作面回采、注浆充填接替工序。

Description

一种采空区充填用液压支架式密封装置

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液压支架式密封装置。

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。随着中央对生态文明建设、安全生产改革发展等方面政策的持续推进，高质量发展已经成为煤炭行业发展的必要要求。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，亟需发展一种不受限于液压支架静止时才能进行安装、浆液充填和侯凝的装置来限制浆液流动范围(隔离采空区、防止进入采煤工作面)，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，隔离装置操作简单，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液压支架式密封装置，解决了现有的充填方式充填装置受限于液压支架静止时才能进行安装、浆液充填，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：

一种采空区充填用液压支架式密封装置，包括多个并列设置的液压支架、弹性柱状件和柔性围挡；所述柱状弹性筒件的两端设置有端部密封体；每两个相邻液压支架之间设置有一个弹性柱状件，所述弹性柱状件两端的端部密封体能够分别挤顶在煤层的顶板和底板上；沿液压支架高度方向依次设置有至少两个柔性围挡，两个柔性围挡的一端分别连接在相邻的两个液压支架的相邻侧壁上，两个柔性围挡的另一端均连接在弹性柱状件上；靠近巷道侧壁处的液压支架的侧部连接有弹性柱状件。

优选的，两个相邻的液压支架上各自连接的柔性围挡在水平面上的位置不同，其中一个柔性围挡连接在其中一个液压支架侧壁边缘处，另一个柔性围挡连接在另一个液压支架侧壁中间部位，所述弹性柱状件在水平面上的位置位于这两个相邻的液压支架与各自对应的柔性围挡的连接点之间。

优选的，所述弹性柱状件为囊体结构，囊体上设置有用于注入填充介质的接口。

具体的，所述端部密封体由多个纵横交错的弹性分隔板形成，分隔板、填充腔体的外端面之间形成分割腔。

进一步的，还包括柔性膜，所述柔性膜铺设在巷道壁面上。

进一步的，所述液压支架的侧面顶部位置和底部位置均设置有刮板。

进一步的，所述液压支架位于采空区一侧的上部设置有用于喷射隔离液的喷射孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将液压支架作为密封装置中的一部分，液压支架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，易于实施，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是本发明的液压支架式密封装置的正视图。

图2是本发明的弹性柱状件的示意图。

图3是本发明的端部密封体的侧视图。

图4是本发明的弹性柱状件与柔性围挡在液压支架件的密封动作示意图。

图5～图8是采用本发明的液压支架式密封装置时充填过程示意图，其中，图5是液压支架密封装置初步放置位置图；图6是筒体移动至第一侧分支孔眼前方，开始注浆示意图；图7是第一充填分段充填完成；图8是移动至下一充填分段示意图。

图中各标号表示为：

1-液压支架，2-弹性柱状件，3-柔性围挡，4-刮板，5-采煤机，6-地面定向长钻孔，7-侧分支孔，8-煤层；

11-喷射孔；

21-端部密封体；211-分隔板，212-分割腔；

31-第一柔性围挡，32-第二柔性围挡。

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液压支架式密封装置，如图1所示，该液压支架式密封装置包括多个并列设置的液压支架1、弹性柱状件2和柔性围挡3。

本发明的液压支架1依次并列设置在综采工作面断面上。本发明中液压支架1作为密封装置的一部分，该液压支架1为目前市面上常用的井下液压支架通过改装而得，本发明优选的，对液压支架的两侧面和靠近采空区一侧面进行了处理，使其平整光滑，便于密封，在具体实施例中，将整个液压支架的侧面用板体包裹起来形成一体化结构。

本发明的弹性柱状件2为可以选用实心弹性柱体或者囊体结构，本发明优选囊体结构，其中囊体上设置有用于注入填充介质的开口，方便调节弹性柱体的压力；优选的在开口上设置有接口；本发明的介质可选择水或者气，优选气体。

本发明的柔性围挡3能够展开和折叠，由高分子聚合材料制备而成，具有弹塑性和延展性，如具有一定宽度的弹性皮筋。

每两个相邻液压支架1之间设置有一个弹性柱状件2，弹性柱状件2两端的端部密封体21能够分别挤顶在煤层的顶板和底板上；沿液压支架1高度方向依次设置有至少两个柔性围挡3，两个柔性围挡3的其中一端分别连接在相邻的两个液压支架1的相邻侧壁上，两个柔性围挡3的另一端均连接在弹性柱状件1上。本发明中，柔性围挡3只有两个端部固定的液压支架1和弹性柱状件2上，其他部分均可自由活动，可拉伸平铺在液压支架1侧面或缠绕在弹性柱状件2上。通过连接在不同液压支架上的柔性围挡3使得弹性柱状体1始终在两个柔性围挡3的夹持下，以防发生倾斜、移位造成密封失效，使得弹性柱状体2可在两侧液压支柱1错动(平行或非平行错动)时发生滚动，从而始终保持间隙的密封。

作为本发明的优选实施方案，两个相邻的液压支架1上各自连接的柔性围挡3在水平面上的位置不同，即图4的俯视图所示，本发明中的水平面是指平行于煤层底板的面。其中一个柔性围挡3连接在其中一个液压支架1侧壁边缘处，另一个柔性围挡3连接在另一个液压支架1侧壁中间部位，弹性柱状件2在水平面上的位置位于这两个相邻的液压支架1与各自对应的柔性围挡3的连接点之间。这样两个相邻液压支架1发生错动时，两个柔性围挡3不会相互干扰。

作为本发明的优选实施方案，沿整个液压支架1的高度上均连接有柔性围挡3，如图1所示，相邻液压支架1上的柔性围挡3在竖直面上间隔设置。即每两个连接在其中一液压支架1上的柔性围挡3之间设置有一个连接在相邻液压支架1上的柔性围挡3，即图中的第一柔性围挡31和第二柔性围挡32，分别代表连接在两个不同液压支架上的柔性围挡。但第一柔性围挡31和第二柔性围挡32相同形状相同材质，具体为具有一定强度的高分子弹性膜。

结合图4，液压支架1间发生错动时弹性柱状件2的具体移动过程为：当两个相邻液压支架1间发生错动时，弹性柱状体2在两个液压支架间发生滚动，弹性柱状体2的底部与煤层底板保持动密封，当其中一侧液压支架前移时弹性柱状体发生逆时针滚动，第一柔性围挡31随该液压支架(图4显示的上部液压支架)前移，同时弹性柱状体2释放部分第二柔性围挡32，第二柔性围挡32沿另一个液压支架(即图4显示的下部液压支架)向工作面延伸；当下部液压支架前移时弹性柱状体2发生顺时针滚动，同时回收柔性围挡。如此弹性柱状体2始终在第一柔性围挡31和第二柔性围挡32的夹持下，以防发生倾斜、移位造成密封失效。

本发明优选的，弹性柱状件2在液压支架1之间安装时呈椭圆形，对两侧具一定压力以保证密封。另外，由于液压支架1的侧部设置为光滑面，方便弹性柱状件2在其侧面上的滚动和密封。

作为本发明的具体实施方案，端部密封体21由多个纵横交错的弹性分隔板211形成，分隔板211、填充腔体21的外端面之间形成分割腔212。如图3所示，密封时分隔腔212与煤壁或岩壁紧密接触，密封煤壁或岩壁，分隔板211为抗磨损的弹性高分子加筋材料。

本发明在靠近巷道侧壁处的液压支架1的侧部也连接有弹性柱状件2。此处的弹性柱状件2与液压支架1固定连接，具体可通过柔性连接件粘结固定，当液压支架密封装置移动时，弹性柱状件2与巷道壁面之间摩擦移动。作为本发明的优选实施方案，在巷道壁面上铺设柔性膜(图中未标出)，一方面增加巷道壁面的光滑度，减少此处的弹性柱状件2移动的摩擦力；另一方面，该柔性膜也密封了巷道壁面较小的孔洞，增加密封效果。该柔性膜具体由高分子聚合材料制备而成，如塑料膜。

可以看出，综采工作面回采过程中多个液压支架1发生错动时弹性柱状件2在相邻液压支架间之间发生滚动，与支架侧面保持动密封；液压支架1与巷道壁面之间的弹性柱状件2沿巷道壁面摩擦移动。

作为本发明的另一优选实施方案，为了使得液压支架1的后侧面(即位于采空区一侧的侧面)在易于与固化的浆液相分离，在液压支架1位于采空区一侧的上部设置有用于喷射隔离液的喷射孔11，如图1所示。喷射孔11可将隔离液喷射在液压支架1位于采空区一侧的壁面上，该壁面在隔离液作用下易于与固化的浆液分离。在采空区开始注浆前，喷射孔11喷射隔离液，隔离液固化后在支架两侧和采空区一侧形成隔离膜，然后启动地面注浆系统开始注浆。也可在液压支架1与浆液接触面处粘贴隔离膜或者将液压支架1的侧面处理为不与浆液粘结的材料，但为了简化流程，提升施工效率，优选本发明的上述方案。

作为本发明的另一优选实施方案，在液压支架1的侧面顶部位置和底部位置均设置有刮板4。该刮板4将液压支架1间的煤层底板及顶板刮削平整以便于密封。本发明优选的，两个相邻液压支架1上的两个刮板5的凸出总长度小于等于液压支架1间的间距，使得相邻液压支架1上的刮板相互干扰。

本发明记载的液压支架式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，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，能够实现并行式的综采工作面回采、注浆充填接替工序。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。

在注浆时通过本发明的液压支架式密封机构对采空区断面进行实时密封，使液压支架式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。

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。

本发明的密封装置在采煤设备安装时，在液压支架1间弹性柱状体2，在工作面两端壁面铺设柔性膜，同时也在液压支架与工作面柔性膜间安装弹性柱状体2。在安装好本发明的密封装置后，在后面开采不需要再进行其他操作。

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液压支架式密封装置进行采煤的具体案例，以对本发明的液压支架式密封装置的封闭过程进行说明。

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液压支架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5所示安装采煤设备，在液压支架间安装弹性柱状体2，在工作面两端壁面铺设柔性膜，同时也在液压支架与工作面柔性膜间安装弹性柱状体2，弹性柱状体3安装时呈椭圆形，对两侧具一定压力以保证密封。

步骤2，前期工作结束后，综采工作面开始回采。通过液压支架上喷射孔11喷射隔离液，隔离液固化后在液压支架两侧以及采空区一侧形成隔离膜。回采过程中当液压支架发生错动时弹性柱状体2在液压支架1间发生滚动，与液压支架1侧面保持密封，底部与煤层8的底板保持动密封，如图4，整个液压支架1及弹性柱状体2将工作面和采空区隔离，保持动密封的同时向工作面推进。

步骤3，当回采露出第一个侧分支孔7孔眼时，启动地面注浆系统开始注浆，如图6所示。

步骤4，继续回采，在检修班组开始检修设备时，完成注浆开始侯凝。

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(8小时)完成第一充填段初凝且具一定强度，在煤层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7所示。

步骤6，继续回采，在隔离液作用下液压支架移动时即可与浆液固结体分离，防止粘结，如图8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所示为本实施例的方法、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

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 (7)

1.一种采空区充填用液压支架式密封装置，其特征在于，包括多个并列设置的液压支架(1)、弹性柱状件(2)和柔性围挡(3)；

所述柱状弹性筒件(2)的两端设置有端部密封体(21)；

每两个相邻液压支架(1)之间设置有一个弹性柱状件(2)，所述弹性柱状件(2)两端的端部密封体(21)能够分别挤顶在煤层的顶板和底板上；沿液压支架(1)高度方向依次设置有至少两个柔性围挡(3)，两个柔性围挡(3)的一端分别连接在相邻的两个液压支架(1)的相邻侧壁上，两个柔性围挡(3)的另一端均连接在弹性柱状件(2)上；

靠近巷道侧壁处的液压支架(1)的侧部连接有弹性柱状件(2)。

2.如权利要求1所述的采空区充填用液压支架式密封装置，其特征在于，两个相邻的液压支架(1)上各自连接的柔性围挡(3)在水平面上的位置不同，其中一个柔性围挡(3)连接在其中一个液压支架(1)侧壁边缘处，另一个柔性围挡(3)连接在另一个液压支架(1)侧壁中间部位，所述弹性柱状件(2)在水平面上的位置位于这两个相邻的液压支架(1)与各自对应的柔性围挡(3)的连接点之间。

3.如权利要求1所述的采空区充填用液压支架式密封装置，其特征在于，所述弹性柱状件(2)为囊体结构，囊体上设置有用于注入填充介质的接口。

4.如权利要求1所述的采空区充填用液压支架式密封装置，其特征在于，所述端部密封体(21)由多个纵横交错的弹性分隔板(211)形成，分隔板(211)、填充腔体(21)的外端面之间形成分割腔(212)。

5.如权利要求1所述的采空区充填用液压支架式密封装置，其特征在于，还包括柔性膜，所述柔性膜铺设在巷道壁面上。

6.如权利要求1所述的采空区充填用液压支架式密封装置，其特征在于，所述液压支架(1)的侧面顶部位置和底部位置均设置有刮板(4)。

7.如权利要求1所述的采空区充填用液压支架式密封装置，其特征在于，所述液压支架(1)位于采空区一侧的上部设置有用于喷射隔离液的喷射孔(11)。

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