煤矿采空区自移式快速随堵随抽瓦斯装置的制作方法

本实用新型属于煤矿安全生产技术领域，尤其涉及一种煤矿采空区自移式快速随堵随抽瓦斯装置。

背景技术：

近年来，我国煤矿开采技术、装备的快速发展和更新，尤其是综采技术装备的大力推广和应用显著提高了采煤速度。随着采煤速度的加快，单位时间内的瓦斯涌出速度明显增加，暴露在采空区的瓦斯量也成倍增加。同时，随着采煤的进行，采空区面积会不断增大，采空区在受到煤矿采掘影响以后，孔裂隙大量发育，导致围岩以及临近层瓦斯大量涌入采空区。若采空区与工作面密封不严，在采煤工作面的上下隅角容易积聚大量瓦斯，采空区存在的游离瓦斯在回采面通风压力作用下不断涌入回采工作面，增加了回采面通风难度，同时增加了风流瓦斯浓度，使瓦斯超限的危险性增加。采空区暴露面积的增加，抽采浓度降低，使瓦斯利用更加困难。

如图1所示，为了对垮落采空区6和未垮落区11中的瓦斯进行封堵便于抽放，垒造封闭墙5是目前最常用的方式之一。但垒砌封闭墙是在采空区后方进行施工，施工时间相对较长，所需物资相对较多。同时，随着采煤工作面的推进，垒砌的封闭墙不能移动，会造成采空区内的瓦斯浓度不断增加，极易造成工作面上下隅角瓦斯积聚。现代化采煤设备的实施，使垒砌墙封闭的缺点更加暴露。因此，迫切需要一种封堵装置如7所示，可以对采煤后方落煤瓦斯进行快速、高效的封堵并实时抽放瓦斯既增加抽放瓦斯浓度，又减少瓦斯向巷道运移扩散量，减轻通风压力。

技术实现要素：

针对目前采煤后方落煤瓦斯涌出量大，采用传统垒砌封闭墙容易瓦斯超限、耗时、废力、使用率低等缺陷，设计出一种附着于液压支架后端的快速随堵随抽瓦斯装置。该装置可以实现对采煤后方落煤瓦斯的及时高效封堵和抽排，降低永久性封堵墙形成之前采空区瓦斯对回采工作面的影响，对实现采空区安全、高效治理具有极大推进作用。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：煤矿采空区自移式快速随堵随抽瓦斯装置主要包括瓦斯封堵装置、瓦斯抽排装置以及连接装置。

所述的瓦斯封堵装置包括尼龙橡胶包裹体12、弯曲体8、U型钢骨架9、桁架底托盘 17以及相关连接装置。

所述的瓦斯封堵装置底部的桁架底托盘17与液压支架4之间通过牵引杆18连接。

所述的封堵装置中的尼龙橡胶包裹体12与桁架底托盘17之间通过U形钢骨架9和弹簧杆10以及小型液压立柱20组成。

所述的瓦斯抽排装置包括瓦斯管理装置36、轴流抽出式局部通风机37、安全开关 38、刚性风筒39以及瓦斯检测仪40。

所述连接装置中横杆22与横杆之间通过双向螺母23连接，横杆22与尼龙橡胶包裹体12之间采用尼龙套扣13固定连接。

采用上述技术方案，封堵装置主要是将附着于液压支架后方支撑骨架上的尼龙橡胶芯实体，通过密封拉锁连接并依次展布于采空区且延横截面方向进行固定的一套装置系统，为保证密封性能，尼龙橡胶芯实体展布高度略大于采煤工作面采高约10-20公分，橡胶封堵体在自身硬度下使它可以和顶板紧密贴合，保证了密封效果；由于采空区顶板易变形，且顶板面粗糙程度较大，故封堵体与顶板接触处采用未包裹的橡胶封堵以减小摩擦且不会影响密封性能。为减小装置负荷，故橡胶芯实体的厚度在3cm到8cm之间，厚度在应用时可根据实际情况进行调整。其中尼龙橡胶实体的剖面图如图5所示。为了避免橡胶芯被落石划破，故其由防水防静电涂层尼龙布包裹，用固定铆钉34阻止尼龙布与橡胶芯之间滑移。

底盘设置：由于采空区瓦斯突出及积聚情况复杂，为了及时、有效、快速封堵采空区，如图2所示，此系统的移动装置桁架底托盘17与液压支架4之间通过牵引杆18连接，底盘可随采煤机破煤、推刮板输送机、移架过程一并向前自动进行，无须人工作业，以达快速及时高效之目的。为减轻移架负荷，并保证强度前提，底盘采用桁架结构如图10所示。由于采空区底板在矿山压力的作用下极易发生底鼓或者凸起，牵引杆18与液压支架之间加装弹簧杆19；桁架底托盘17与采空区底板通过滚动轴承轮21接触，以减小摩擦，降低移架阻力，同时在桁架底托盘与轴承轮之间加装弹簧杆41以适应复杂底板情况。

骨架体设置：如图4所示，骨架体主要包括有U形钢骨架9，弹簧杆10以及小型液压立柱20组成；小型液压立柱20底部焊接于桁架底托盘之上，立柱顶端连有弹簧杆10，U 形钢骨架9可依据顶板下沉状况随弹簧杆10和小型液压立柱20伸缩调节变形；为避免U 形钢骨架9在顶板下沉时插入顶板，出现压死、卡架现象，同时为了骨架受力均匀，在其顶部位置安装鸭掌状承载盘15；由于采空区顶板会有少量遗煤在推移过程中变成粉末，颗粒较小的粉末会进入立柱与弹簧杆体的结合缝隙处，当瞬时来压较大时，极易造成折损，故在液压立柱与可伸缩弹簧杆之间加装立柱帽16(见图2)，以阻挡煤粉阻塞结合缝隙；骨架之间通过弹性较大的横杆22连接，杆体长度可根据支架中心距等实际情况选定，横杆与横杆之间通过双向螺母23连接；尼龙橡胶封堵体通过尼龙套扣13由横杆22支起；由于工作面环境特殊，尼龙橡胶芯长时间会有磨损，为了保证瓦斯封堵的密封性，所以需定期更换，故尼龙橡胶芯之间通过密封拉锁25连接，以方便拆装更换；接口处易发生磨损，顶部裸露的橡胶体之间通过钢丝线24缝合。骨架体可以根据采高不同，选用不同规格高度的液压立柱和不同长度型号的U形钢骨架；本装置适用于采高不大于3.5米的中厚煤层；在采高3.5-8.0 米的厚煤层一次采全高的方式开采时，还应适当调节立柱直径来适应明显的顶板来压；采高大于8米的巨厚煤层，在选择分层开采时，由于液压支架前柱的工作阻力一般大于后柱，故应适度增加桁架底托盘的重量来平衡支架阻力。

弯曲体设置：随着采煤工序的进行，在推刮板输送机、移架的过程中，支架与支架之间会出现图1中弯曲体8的状况。为了适应移架过程中的错距，故将液压支架间的封堵实体做成图4所示的弯曲体8，其俯视图如图9所示；考虑到弯曲状态下橡胶芯实体可能会发生与顶板接触不紧密，而影响密封效果的情况，故弯曲体顶部采用弹性较大、长度余量较大的软橡胶材料，以避免移架的过程中大错距破坏密封性能；因为此处为本装置易磨损区，故需定期检修与维护，如有破损，及时更换。

抽排装置主要是对封堵后的一定距离内的采空区瓦斯进行抽排。如图1所示，抽排系统主要位于回风平巷中，即工作面刮板机机尾位置，其处于工作面端头支架下方处，其主要组成部分有瓦斯管理装置36、轴流抽出式局部通风机37、安全开关38、刚性风筒39、瓦斯检测仪40。瓦斯检测仪40实时检测采空区瓦斯浓度，瓦斯浓度的爆炸范围一般为5％- 15％，但一般采空区的遗煤和留设的煤柱会在采空区缺氧的状态下氧化生成CO等其他易燃易爆的有害气体，同时根据《煤矿安全规程》规定：工作面瓦斯浓度不能超过1％，故设置瓦斯监测仪的报警浓度为1％；当瓦斯检测仪发生报警时，刚性风筒上的安全开关38打开，轴流抽出式局部通风机37启动，由于采用抽出式通风，故采用刚性风筒39，采出的瓦斯等有害气体排至瓦斯管理装置36中集中处理。

因从采空区抽出的瓦斯浓度较低，回收利用成本高，故暂不做回收处理。如图3所示，瓦斯管理装置包括液氮罐36a，内部装有液态氮气36b，瓦斯开关36c、36d，稀释出口 36e，混合稀释罐36f以及瓦斯进气口36g；此系统位于工作面回风平巷中超前支护下方，其工作原理是：将从采空区抽排出来的瓦斯经过瓦斯进气口36g，进入混合稀释罐36f内，瓦斯开关36c打开，液态氮气在气化后进入混合稀释罐36f内与瓦斯充分混合，当瓦斯浓度降至0.1％以下时，瓦斯开关36d打开，超低浓度的瓦斯随氮气一起排出混合稀释罐体，氮气等惰性气体极度稀释处理之后，使其浓度降至可控范围即瓦斯浓度不超过0.1％时，将其排出并随工作面下方回风平巷的污风排出。为了保证瓦斯处理系统的高效安全运行，瓦斯处理系统中的瓦斯开关内有瓦斯传感器，此系统中瓦斯开关36c，36d采用不同灵敏度的瓦斯传感器，瓦斯开关36c量程范围在0.1-1.2％(瓦斯浓度)，瓦斯开关36d量程范围在0.05- 0.1％之间，量程范围内开关打开，量程范围外开关闭合。

液压装置如图4所示，该装置主要调节小型液压立柱20的起降，由于工作面搬家时需要大幅度收缩封堵装置的骨架体，单一的弹簧杆10难以符合此要求，同时单一的液压立柱也难以满足灵活多变的顶板变化，在保证支撑强度的前提下，此杆体上部采用可伸缩弹簧杆，下部采用特定型号的小型液压立柱；工作状态时，打开液压开关31，小型液压泵33启动，将储液容器中的乳化液注入立柱，立柱升起至压力表出现规定读数停止供液。当周期来压，顶板下沉时，压力表报警提醒；为避免由于顶板下沉量过大而损坏弹簧杆中压力传感器，在小型液压立柱旁加装缓冲管27、压敏阀28和储液容器30；储液容器30旨在储存一部分乳化液，特制的压敏阀26如图6所示，其D-D剖面如图7，F-F剖面如图8所示，其作用是：当弹簧杆与液压立柱的组合杆体的压力超过某一极限设定值时，液压容器内的乳化液压力迫使压控单向阀内弹簧28b收缩，阀门28a打开，以实现自控排液泄压，避免出现组合杆体出现压弯或压断现象，当压力降至某一值时阀门自动关上，骨架体正常工作。

故实用新型具有如下优点：

1)此装置对顶板变化自适应能力强，各零部件可反复多次利用，装置寿命长，检验维修周期短；其顶部的鸭掌承载盘除可有效避免骨架体插入顶板而出现压死、卡架现象外，还可使顶板压力均匀作用于骨架体，在顶板的小范围下沉中实现自动压实密封。

2)本装置在井下所占空间极小，极大缩减了人员在不可控空间的作业时间；装置选材以钢材、橡胶材料为主，造价经济，在实现实时移动前提下，封堵效果明显，对煤矿安全、高效生产具有重大意义。

3)底盘的桁架钢结构体抗变形强度大，且重量轻，可适应采煤行进过程复杂恶劣的底板状况，底盘末端滑动轴承轮可实现桁架钢结构体的小离地间隙，降低底鼓或凸起对底盘的影响，减轻液压支架移架负荷。

4)本装置在煤矿井下瓦斯治理问题上突出了快速、高效和及时的特点，整个工艺流程无须人工操作，实现全部自动化，极大程度上的避免了矿井运营过程中的人员伤亡，减少了采掘过程中不可控因素，符合现代化矿井建设所追寻的科学与安全的理念。

附图说明：

图1是采空区自移式快速随堵随抽瓦斯装置在工作面的结构示意图；

图2是图1中瓦斯封堵装置剖面图；

图3是图1中瓦斯抽排装置中瓦斯管理装置的结构示意图；

图4是图1中瓦斯封堵装置主视图；

图5是图4中尼龙橡胶包裹体剖面图；

图6是图4中压敏阀的剖面图；

图7是图6中压敏阀D-D截面图；

图8是图6中压敏阀F-F截面图；

图9是图4中尼龙橡胶芯实体的弯曲体的截面图；

图10是图2中封堵装置的桁架底托盘俯视图。

具体实施方式：

(1)地面工序，先在地面进行对封堵体进行预安装，对尼龙橡胶芯体的完整性、封闭性以及骨架体的伸缩性进行检查。

(2)井下工序，如图1所示，将该装置零部件通过无轨胶轮车或有轨运料车经运输平巷1与回风平巷2运至工作面，在工作面与液压支架4进行调试安装。注意安装调试时应确定滚筒采煤机3处于静默状态，具体安装步骤：

a、待工作面配套三机安装调试完毕后，如图2所示，将桁架底托盘17上的牵引杆18 接于液压支架4后方，由于底板在采掘过程中极易变形，故要求螺母有一定的活动余量，然后将牵引杆18上部的弹簧杆19的另一端固定于液压支架4中下部，此时检查底盘后端滚动轴承轮21确认其可以平稳滑动，以及检查确认滚动轴承轮21是否可以小幅度变形，以适应底板的凸起与底鼓；

b、如图4所示，在U形钢骨架9上用双向螺母23连接安装横杆22，然后将尼龙橡胶芯实体35通过尼龙套扣13安装于横杆22上，并在每架支架上重复前述操作，待所有支架后方安装好全部封堵体之后，再用钢丝线24将每架支架后方的封堵部分的顶部裸橡胶实体缝合，依次闭合拉上每一节封堵体之间的密封拉锁25；

c、依次每个打开小型乳化液泵33的开关，将储液容器30中的乳化液通过输油管路 29注到小型液压立柱20中，立柱升起，待液压表32异常时表示达到上升高度，停止注液，检查封堵体顶部橡胶体是否紧贴煤层顶板，尤其是弯曲体上部软橡胶体14是否有足够的余量来增强密封效应，同时检查钢丝缝合体24是否漏风，如果检查无误，那么此时，液压支架后方封堵系统形成，瓦斯实时封堵开始；

d、安装好封堵装置后，检查加装瓦斯抽排装置；如图1所示，此装置的各零部件随封堵装置的零部件一起运移至工作面，此系统位于工作面超前支护下方，首先在工作面下端回风平巷内距工作面15-20米处放置瓦斯管理装置36，在瓦斯进气口36g处结刚性风筒，在距离工作面10米处的位置安装轴流抽出式局部通风机37，风机和瓦斯管理装置下方都安装可移动的滑轮，以便随着工作面的推进，抽排装置的前移；局部通风机的另一端接刚性风筒39，风筒上安装安全开关38，风筒穿过尾端支架后方封堵装置7，将另一端置于采空区后方，端头位置加装瓦斯检测仪40，安装完毕后调试和校验仪表以及风机是否可以正常运行，待检查无误后，此装置安装工序全部完成。

(3)实时检测采空区瓦斯浓度，适时抽排直至永久性封闭墙形成。后期随采煤工作面推进，井下施工环境逐渐复杂化、恶劣化，封堵体极易磨损，影响封堵及抽排效果，故需及时更换尼龙橡胶芯封堵体，检修班可根据实际情况确定更换周期，注意工作面机头、机尾位置由于煤岩自由面较多，相比中部工作面的封堵体磨损更加严重，故应适当缩短更换周期。