一种空区自动封堵装置及其施工方法和应用方法与流程

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1.本发明属于采空区治理领域，具体为一种空区自动封堵装置及其施工方法和应用方法。

背景技术：

2.处理地下采矿的采空区，封闭是最简单实用的方法。传统的采空区封闭方法主要是在采空区连接巷道内构筑钢筋混凝土挡墙，利用实体挡墙来隔离采空区，以阻挡空气冲击波对井下生产作业区域的冲击。
3.但从矿山现实情况来看，实体挡墙存在接顶难、排水不便和密闭程度不高等问题。特别是挡墙封闭以后的采空区排水问题，一直以来没有到合适的解决方案。
4.构筑实体挡墙的主要目的在于隔离采空区与其它区域的联系，防止采空区垮塌引发的空气冲击波侵袭，而一旦密闭采空区，则采空区内的积水无法及时排出，形成老窿水，采空区岩体在长时间浸泡作用下又极易失稳，这对矿山安全生产又是巨大的威胁。因此，采用实体挡墙封闭采空区虽然可防止产生冲击危害，但也衍生出采空区积水的潜在威胁，特别是对涌水量较大的矿山，面临的水害压力更大，安全生产形势更为严峻。

技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种既能在无坍塌时具有疏排水功能，又能在发生坍塌时自动下落封堵巷道、且封堵后能自动泄压的空区自动封堵装置及其施工方法和应用方法。
6.本发明提供的这种空区自动封堵装置，采用以下技术方案：包括圆柱轴、封堵主体、金属底座、液压支柱、水平拉杆和金属挡板；圆柱轴的高度大于巷道高度；封堵主体为直径大于巷道断面的圆柱体，其下端设置同平面尺寸的金属底座；封堵主体和金属底座的整体件以间隙配合套于圆柱轴外；多根液压支柱支撑于金属底座下方，各液压支柱均可同向水平滑动；各液压支柱垂直连接水平拉杆；金属挡板可水平移动的设置于封堵主体的外侧，水平拉杆的末端连接至金属挡板的内侧。
7.上述装置的一种实施方式中，所述圆柱轴为现浇的钢筋混凝土轴。
8.上述装置的一种实施方式中，所述封堵主体的外表面设置有多圈同向布置的曲面凹槽。
9.上述装置的一种实施方式中，所述曲面凹槽为三棱锥形的四面体凹槽。
10.上述装置的一种实施方式中，所述封堵主体包括若干单元节，各单元节由若干钢筋混凝土预制的楔形体拼装成型，上下单元节拼装后通过钢带固定。
11.上述装置的一种实施方式中，所述金属底座的底面设置有三条平行的滑槽，其中两条滑槽对称布置于其金属底座上中心孔的前后侧，另一条滑槽布置于中心孔右侧位于对称布置的两滑槽之间的中心面上，三条滑槽的终点位置均为金属底座的右侧侧缘，起点位于一个中心与金属底座中心重合的等边三角形的顶点。
12.上述装置的一种实施方式中，所述金属挡板的下端设置多个滚轮。
13.本发明提供的这种上述空区自动封堵装置的施工方法，包括以下步骤：
14.一、准备工作
15.在连接采空区的巷道指定位置开凿一个平面尺寸大于巷道断面尺寸的封闭硐室，封闭硐室的底面与巷道底面平齐，竖向中心面与巷道的宽度方向中心面共面；
16.在封闭硐室的竖向中心位置浇筑设定直径的圆柱轴；
17.在巷道底面按金属底座上的滑槽位置开凿三条滑槽，且滑槽的长度大于金属底座上滑槽的长度；
18.根据设计要求在地面浇筑用于拼装封堵主体的楔形块，将楔形块运至巷道中；
19.二、封堵装置安装
20.(1)安装三根液压支柱，并使它们分别位于各滑槽的起点；
21.(2)将金属底座通过其底面的滑槽安装于液压支柱的上端，注意金属底座的滑槽方向与巷道底面的滑槽方向相同；
22.(3)将第一个和第二个单元节的各楔形块在圆柱轴的外围拼装，并将两个单元节的拼装处用环状钢带固定，各楔形块上的四面体凹槽朝向相同；
23.(4)参照步骤(3)往上依次拼装各单元节并固定；
24.(5)将各水平拉杆与相应的液压支柱连接固定，各水平拉杆的末端位于同一竖直面；
25.(6)将各水平拉杆的末端与安装好滚轮的金属挡板内侧连接固定。
26.本发明提供的这种上述空区自动封堵装置的应用方法，包括以下步骤：
27.(1)正常情况下，封堵主体通过液压支柱支撑，液压支柱和滚轮的支撑高度作为过水通道；
28.(2)当采空区发生坍塌时，掉下的块体挤压空区内的气体向外排出形成冲击波，冲击波首先从过水通道冲出挤压金属挡板，使其通过滚轮向后移动；
29.(3)金属挡板向后移动时将水平拉杆往后拉；
30.(4)水平拉杆将液压支柱往后拉，使其两端分别沿滑槽移动，直至液压支柱托体金属底座；
31.(5)封堵主体和金属底座失去支撑，沿圆柱轴下落至底面；
32.(6)冲击波冲击封堵主体，挤压封堵主体上的四面体凹槽，使封堵主体绕圆柱轴转动耗能泄压。
33.本发明通过设计一种可调节空区压力的空区自动封堵装置，根据采空区是否坍塌实现采空区的自由疏排水和自动封闭功能。若采空区发生坍塌，实现调节内部冲击压力的作用，从而快速消除空区隐患，实现矿山井下的安全生产。空区没有发生坍塌时，封堵主体通过液压支柱支撑，金属挡板通过滚轮支撑，巷道底部有疏排水通道，当空区发生坍塌时，冲击波先从巷道底部的通道冲出挤压金属挡板，使其通过滚轮往后移动耗能泄压，同时通过水平拉杆将液压支柱往后拉，使液压支柱往后侧移动，当液压支柱脱离其支撑的金属底座时，封堵主体沿圆柱轴下落至巷道底面将巷道封堵。同时，由于封堵主体外表面均布有多圈曲面凹槽，所以冲击波挤压曲面凹槽，使封堵主体转动，而封堵主体的重量很大，转动时可快速消耗冲击波的能量泄压，避免冲击波对矿山生产产生破坏作用。简言之，本发明通过
可自动下落、下落后可转动消耗冲击波能量的封堵主体的设置，巧妙的解决了空区封堵和空区排水困难的矛盾问题，为矿山采空区治理消除障碍，对提高采空区稳定性、减弱采空区浸泡失稳、确保井下安全开采具有重要意义。
附图说明
34.图1为本发明一个实施例在采空区没有发生垮塌情形的使用状态示意图。
35.图2为图1中的a部放大结构示意图。
36.图3为封堵主体和圆柱轴装配后的俯视示意图。
37.图4为金属底座的仰视示意图。
38.图5为本实施例在空区坍塌后的封堵状态示意图。
具体实施方式
39.结合图1至图5可以看出：
40.本实施例公开的这种空区自动封堵装置，主要包括圆柱轴1、封堵主体2、金属底座3、液压支柱4、水平拉杆5和金属挡板6。
41.竖向的圆柱轴1高度大于巷道高度。封堵主体2为直径大于巷道断面的圆柱体，其下端设置同平面尺寸的金属底座3。
42.封堵主体2和金属底座3的整体件高度大于巷道高度，整体件以间隙配合套于圆柱轴1外，封堵主体1的外表面设置有多圈三棱锥形的四面体凹槽。
43.多根液压支柱4支撑于金属底座3下方。
44.各液压支柱垂直连接水平拉杆5，竖向的金属挡板6设置于封堵主体2的外侧，水平拉杆5的末端连接至金属挡板6的内侧。
45.圆柱轴1采用钢筋混凝土浇筑。
46.为了便于封堵主体1的安装施工，将封堵主体1采用若干单元节上下拼装的方式组装成所需高度。
47.为了便于单元节的拼接，将各单元节采用若干钢筋混凝土预制的楔形块体拼装成型。楔形块在地面预制成型后运输至巷道中。
48.相邻单元节拼装成型后通过钢带7固定。
49.各单元节的高度和楔形块的数量可根据实际需要设定，各楔形块预制时，其上四面体凹槽的圈数可根据实际高度确定。本实施例中每个单元节设置一圈同向布置的四面体凹槽，每个楔形块的外表面设置一个四面体凹槽。
50.本实施例的自动封堵思路为：
51.正常情况下，封堵主体通过液压支柱支撑，液压支柱和金属挡板下端滚轮的支撑高度作为过水通道。
52.当空区发生坍塌，掉下的块体挤压空区内的气体向外排出冲击波时，冲击波首先从过水通道冲出挤压金属挡板，金属挡板通过滚轮向后移动耗能的同时将水平拉杆往后拉，水平拉杆将液压支柱往后拉，使液压支柱滑动脱离金属底座，金属底座失去支撑后下落将巷道封住，此时冲击波挤压封堵主体上的四面体凹槽，使封堵主体绕圆柱轴转动，吸收冲击波能量。
53.即发生坍塌时，本装置分两个节段耗能：第一阶段为金属挡板后移耗能，第二阶段为封堵主体转动耗能。
54.为了便于液压支柱的水平滑动，需在封堵主体下端的金属底座底面和巷道底面设置相应的滑槽。
55.本实施例中，液压支柱的数量设置三根，支撑状态时，它们分别位于一个等边三角形的顶点上，该等边三角形的中心与金属底座的中心重合，所以金属底座3底面和巷道底面分别设置的三个平行滑槽的具体位置为：其中两条滑槽 hc对称布置于其金属底座3上中心孔的前后侧，另一条滑槽hc布置于中心孔的右侧，对应对称布置两滑槽之间的中心面上，金属底座3上三条滑槽的起始位置液压支柱4的支撑位置，终点为金属底座的右侧侧缘，而巷道底面的滑槽长度需大于金属底座上的滑槽长度，因为液压支柱4脱离金属底座后，封堵主体2 才能下落。
56.液压支柱的支撑位置设置可保证封堵主体的稳定对中下落。
57.封堵主体的直径大于巷道断面尺寸，所以需在封堵主体的安装位置处垂直巷道开槽用于安装封堵主体的封闭硐室。
58.本实施例中封堵装置的制作安装施工过程如下：
59.一、准备工作
60.在连接采空区的巷道指定位置开凿一个平面尺寸大于巷道断面尺寸的封闭硐室，封闭硐室的底面与巷道底面平齐，竖向中心位置位于巷道的宽度方向中心面上；
61.在封闭硐室的竖向中心位置浇筑设定直径的圆柱轴；
62.在巷道底面按金属底座上的位置开凿相应的三条滑槽，但巷道底面的滑槽长度需大于金属底座上滑槽的长度，以使液压支柱脱离金属底座后，封堵主体的顺利下落；
63.根据设计要求在地面浇筑用于拼装封堵主体的楔形块，将楔形块运至巷道中。
64.上述准备工作中，可分步进行也可同步进行。
65.二、封堵装置安装
66.(1)安装三根液压支柱，使它们分别位于巷道底面各滑槽的起点。
67.(2)将金属底座通过滑槽安装于液压支柱的上端，其金属底座的滑槽方向与封闭硐室底面的滑槽方向相同。
68.(3)将第一个和第二个单元节的各楔形块在圆柱轴的外围拼装，并将两个单元节的拼装处用环状钢带固定，单元节上的四面体凹槽朝向相同；单元节固定时注意检查是否能绕圆柱轴转动。
69.(4)参照步骤(3)往上依次拼装各单元节并固定。
70.(5)将各水平拉杆与相应的液压支柱连接固定，各水平拉杆的末端位于同一竖直面。
71.(6)将各水平拉杆的末端与安装好滚轮的挡板内侧连接固定。
72.封堵装置安装好后，正常情况下封堵主体通过液压支柱支撑，液压支柱和滚轮的支撑高度作为过水通道。当采空区发生坍塌时，掉下的块体挤压空区内的气体向外排出形成冲击波，冲击波首先从过水通道冲出挤压金属挡板，使其通过滚轮向后移动耗能泄压，金属挡板向后移动时将水平拉杆往后拉，水平拉杆将液压支柱往后拉，使其两端分别沿滑槽移动，直至液压支柱脱离金属底座，封堵主体和金属底座失去支撑，沿圆柱轴下落至底面，
冲击波冲击封堵主体，挤压封堵主体上的四面体凹槽，使封堵主体绕圆柱轴转动耗能泄压。
73.从封堵装置的上述结构及安装施工和封堵原理可以简单的总结为：本发明设计了一种具有对空区冲击波泄压功能的自动封堵装置，可根据采空区是否坍塌实现采空区的自由疏排水和自动泄压封堵功能，封堵时可快速消除空区隐患，实现矿山井下的安全生产。

技术特征：

1.一种空区自动封堵装置，其特征在于：该装置包括圆柱轴、封堵主体、金属底座、液压支柱、水平拉杆和金属挡板；圆柱轴的高度大于巷道高度；封堵主体为直径大于巷道断面的圆柱体，其下端设置同平面尺寸的金属底座；封堵主体和金属底座的整体件以间隙配合套于圆柱轴外；多根液压支柱支撑于金属底座下方，各液压支柱均可同向水平滑动；各液压支柱垂直连接水平拉杆；金属挡板可水平移动的设置于封堵主体的外侧，水平拉杆的末端连接至金属挡板的内侧。2.如权利要求1所述的空区自动封堵装置，其特征在于：所述圆柱轴为现浇的钢筋混凝土轴。3.如权利要求1所述的空区自动封堵装置，其特征在于：所述封堵主体的外表面设置有多圈同向布置的曲面凹槽。4.如权利要求3所述的空区自动封堵装置，其特征在于：所述曲面凹槽为三棱锥形的四面体凹槽。5.如权利要求4所述的空区自动封堵装置，其特征在于：所述封堵主体包括若干单元节，各单元节由若干钢筋混凝土预制的楔形体拼装成型，上下单元节拼装后通过钢带固定。6.如权利要求1所述的空区自动封堵装置，其特征在于：所述金属底座的底面设置有三条平行的滑槽，其中两条滑槽对称布置于其金属底座上中心孔的前后侧，另一条滑槽布置于中心孔右侧位于对称布置的两滑槽之间的中心面上，三条滑槽的终点位置均为金属底座的右侧侧缘，起点位于一个中心与金属底座中心重合的等边三角形的顶点。7.如权利要求1所述的空区自动封堵装置，其特征在于：所述金属挡板的下端设置多个滚轮。8.一种权利要求1-7之一所述空区自动封堵装置的施工方法，包括以下步骤：一、准备工作在连接采空区的巷道指定位置开凿一个平面尺寸大于巷道断面尺寸的封闭硐室，封闭硐室的底面与巷道底面平齐，竖向中心面与巷道的宽度方向中心面共面；在封闭硐室的竖向中心位置浇筑设定直径的圆柱轴；在巷道底面按金属底座上的滑槽位置开凿三条滑槽，且滑槽的长度大于金属底座上滑槽的长度；根据设计要求在地面浇筑用于拼装封堵主体的楔形块，将楔形块运至巷道中；二、封堵装置安装(1)安装三根液压支柱，并使它们分别位于各滑槽的起点；(2)将金属底座通过其底面的滑槽安装于液压支柱的上端，注意金属底座的滑槽方向与巷道底面的滑槽方向相同；(3)将第一个和第二个单元节的各楔形块在圆柱轴的外围拼装，并将两个单元节的拼装处用环状钢带固定，各楔形块上的四面体凹槽朝向相同；(4)参照步骤(3)往上依次拼装各单元节并固定；(5)将各水平拉杆与相应的液压支柱连接固定，各水平拉杆的末端位于同一竖直面；
(6)将各水平拉杆的末端与安装好滚轮的金属挡板内侧连接固定。9.一种权利要求8所述空区自动封堵装置的应用方法，包括以下步骤：(1)正常情况下，封堵主体通过液压支柱支撑，液压支柱和滚轮的支撑高度作为过水通道；(2)当采空区发生坍塌时，掉下的块体挤压空区内的气体向外排出形成冲击波，冲击波首先从过水通道冲出挤压金属挡板，使其通过滚轮向后移动；(3)金属挡板向后移动时将水平拉杆往后拉；(4)水平拉杆将液压支柱往后拉，使其两端分别沿滑槽移动，直至液压支柱脱离金属底座；(5)封堵主体和金属底座失去支撑，沿圆柱轴下落至底面；(6)冲击波冲击封堵主体，挤压封堵主体上的四面体凹槽，使封堵主体绕圆柱轴转动耗能泄压。

技术总结

本发明公开了一种空区自动封堵装置及其施工方法和应用方法，装置包括圆柱轴、封堵主体、金属底座、液压支柱、水平拉杆和金属挡板；圆柱轴的高度大于巷道高度；封堵主体为直径大于巷道断面的圆柱体，其下端设置同平面尺寸的金属底座；封堵主体和金属底座以间隙配合套于圆柱轴外；多根液压支柱支撑于金属底座下方，各液压支柱均可同向水平滑动；金属挡板可水平移动的设置于封堵主体的外侧，液压支柱和金属挡板之间连接水平拉杆；封堵主体的单元节由预制楔形体拼装成型；封堵主体外表面有多圈同向布置的曲面凹槽。正常情况下通过液压支柱和滚轮支撑的底部空间排水。坍塌时先通过金属挡板后移耗能，然后封堵主体下落封堵，通过封堵主体的转动耗能。体的转动耗能。体的转动耗能。