一种含胆快速自建水闸墙系统及其安装方法和应用与流程

本发明涉及一种矿井水害快速治理技术，具体涉及一种含胆快速自建水闸墙系统及其安装方法和应用。

背景技术：

我国的矿井水文地质条件复杂，矿井突水灾害频发，如老空透水、陷落柱突水、断层突水、松散层沙水溃入等类型的突水灾害，由于目前尚无有效防止方法，所以经常造成井下工作人员死亡或矿井被淹。例如，2015年初峰峰梧桐庄煤矿发生煤层底板隐伏陷落柱突水，水量从80m³/h，经历36h增至25000m^3/h，造成淹井。还有造成骆驼山煤矿32人死亡，范各庄煤矿17人死亡，邢台东庞煤矿等5个煤矿淹井的陷落柱突水，淹井时间都是在3—30h之间。暴雨或洪水灌入或渗入，也时常使得井下水量过大而导致灾害，例如，造成华裕煤矿186人死亡，乐平沿沟煤矿4人死亡的都是由洪水引起的，我国不论华南、华北、东北还是西北地区每年都有煤矿遭受暴雨或洪水灾害。传统的混凝土水闸墙堵水因建筑速度过慢而来不及筑造成型，无法达到快速堵水的目的。因此急需一种能够快速堵水的设备和技术以阻止此类水害的发生。

水闸墙是我国成熟的水害防治技术，但都是人工在灾后建筑，整个水闸墙建筑工程需要96h以上，加上混凝土凝固所需的72h，总体时间需要7个昼夜。近几年，由于化学浆液的应用，水闸墙可以在48h完成。但在水量很大且水量持续增加的情况下，水闸墙往往尚未成型，矿井已被淹。这种只能在水量稳定之后才能施工人工水闸墙工程，只能是灾后隔离，起不到防灾和救灾的作用。为了解决这一问题，我国已有学者发明了快速自建水闸墙技术，但用的是单层无胆袋体，材料用量大，建筑时间长，无法彻底治理井下水害。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种含胆快速自建水闸墙系统，该系统能实现快速自动形成高强度的水闸墙，能有效阻止水害的发生，为矿井下的人员生命和财产安全提供保障。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含胆快速自建水闸墙系统，其特征在于，包括袋体系统、充填系统、固定系统和自动控制系统。

所述袋体系统由高强度的纺织品外袋、可膨胀耐高温内胆、喷浆管和注水管构成，所述内胆设置在外袋内且所述内胆和外袋之间形成空腔夹层，所述喷浆管穿过外袋与所述空腔夹层连通，所述注水管穿过外袋与内胆连通；所述外袋为单层结构的外袋或者双层结构的外袋，所述外袋由高强度纺织物制成。

当袋体系统被膨胀固化的有机无机杂化材料和水填满后，固化材料和水将处于静止状态，膨胀固化充填材料因冷却将发生收缩，初步形成的水闸墙将发生漏水，对于单层外袋袋体，此时继续向内胆高压注水，使得袋体系统发生二次膨胀，维持堵水效果，另一方面，对于双层外袋袋体，继续对袋体系统内的空腔夹层进行注浆充填，维持堵水效果。

所述充填系统包括一次充填系统和二次充填系统，所述一次充填系统包括充填物储存大罐、第一注浆管路和充水管路，所述充填物储存大罐的进口与井下现有高压风管的出风口连通，所述充填物储存大罐的出口通过第一注浆管路与喷浆管连通，所述充水管路一端连通井下现有高压水管，充水管路的另一端连通注水管，所述充水管路上安装有加压泵，所述第一注浆管路上安装有液体混合器；所述二次充填系统包括充填物储存小罐和第二注浆管路，所述充填物储存小罐的进口与井下现有高压风管的出风口连通，出口通过第二注浆管路连通至袋体系统的空腔夹层，所述第二注浆管路上依次安装有加压泵和液体混合器，所述充填物储存大罐和充填物储存小罐均同时存储a、b两种液体材料，即a材料存储大罐、b材料存储大罐、a材料存储小罐和b材料存储小罐，所述a、b材料混合后成为膨胀固化填充物，所述高压风管和高压水管的出口处均安装有三通自动闸阀；所述二次充填系统安装在双层外袋的袋体系统上。

一次充填系统和二次充填系统均利用既有的高压风管为动力，通过放置于巷道一侧的两个材料罐向袋体系统内充填混合液体材料，高压风管的气体在充填物储存罐的顶面施压，驱动液体向罐内立管底部的入口流动，进入液体混合器进行混合。

所述固定系统包括井下现有的位于巷道顶板的锚杆或锚索、牵拉绳、阻挡立柱和安装在袋体后方的可伸缩皮带架，所述袋体系统的正上方通过固定接头与锚杆或锚索连接，所述袋体系统的前端通过牵拉绳与锚杆或锚索连接，所述阻挡立柱竖直设置在袋体系统的后端，牵拉绳的作用是防止巷道突水时袋体系统摇头而发生缠绕，所述阻挡立柱的作用是是防止巷道突水时因袋体系统摆尾发生缠绕，阻挡立柱可以是液压支架，也可以是高角度抵挡架。

所述自动控制系统为现有的自控分站，所述自动控制系统安装在袋体系统的后方巷道的侧壁上，所述自动控制系统连接可伸缩皮带架和自动闸阀，能通过控制可伸缩皮带架的伸缩释放袋体系统，通过控制各自动闸阀控制高压风管和高压水管的启闭。

所述含胆快速自建水闸墙系统还包括导流系统和设置在袋体系统后方巷道底板排水槽内的水压传感器，所述导流系统包括由混凝土固定半卧在底板内的导流水管和安装在导流水管出口处的自动闸阀，金属水管制作的导流水管的作用是代替底板的排水沟排泄掘进过程中的围岩涌水，避免水闸墙对排水沟封堵不严，或导流水闸墙建筑过程中的恶性突水，减轻水闸墙的摆动。所述导流水管外用混凝土砌成弧形，避免因为管道与底板锐角相交而造成的封堵不严问题。导流水管的直径以不影响皮带架伸缩为原则，导流水管的长度以长于水闸墙体0.5m以上为宜。所述水压传感器和导流水管上的自动闸阀均与自动控制系统连接。

优选地，所述外袋是水闸墙的主体，是约束水闸墙的形状、封堵水流的主体，所述外袋的断面尺寸大于巷道断面尺寸的1.2倍。

优选地，所述内胆通过联系绳悬挂于外袋内。

优选地，所述外袋的两端既可以采用缝合，也可以采用粘合或捆扎的方法固定，其中使用捆扎方法时通过捆扎环固定，所述捆扎环上设置有用于与外部绳索牵拉固定的金属环。

优选地，所述液体混合器为安装在一段注浆管路两端的叶轮。

优选地，所述a、b两种液体材料无毒、无嗅、无腐蚀性，所述a、b两种液体材料混合后膨胀倍数在10左右，且起始膨胀时间为15s～300s可控，膨胀持续时间小于20s，膨胀固化后的混合材料抗压强度大于5mpa。

一种含胆快速自建水闸墙系统在矿井下巷道内的安装方法包括以下步骤：

步骤801、在转载机后方选择一段巷道，按照袋体系统说明书要求的折叠形式将袋体安装于巷道的顶板；

步骤802、在袋体系统对应的巷道底板位置安装导流系统；

步骤803、按照说明书给定的计算方法确定牵拉绳的长度，并将牵拉绳固定于袋体前方顶板的锚杆或锚索的挂钩上；

步骤804、将三通自动闸阀安装于袋体系统后方的高压风管和高压水管的端头处；

步骤805、将阻挡立柱安装于可伸缩皮带架两侧；

步骤806、将自动控制系统安装于袋体系统后方的巷道侧壁上；

步骤807、将水压传感器安装于袋体后方底板排水槽处的特制容器内，并与自动控制系统连接；

步骤808、将充填物储存小罐靠巷道壁安装于袋体系统后方；

步骤809、依次连接高压风管、充填物储存大罐、第一注浆管路和喷浆管，依次连接高压水管、充水管路和注水管，其中在第一注浆管路上安装液体混合器，在充水管路上安装加压泵；

步骤810、在外袋为双层袋内胆袋体的袋体系统上依次连接高压风管、充填物储存小罐、第二注浆管路，在第二注浆管路上安装增压泵和液体混合器。

上述步骤801-810的先后顺序并不固定，可以同时进行。所述装有水压传感器的特制容器的布置高度和水闸墙的启动阈值，都应根据矿井的水文地质条件而定。所述材料存储大罐和小罐固定于巷道底板或巷道壁上，防止被突水冲倒失去作用，所述材料存储大罐和小罐可以是连体的也可以是分体的。

所述牵拉绳的长度应该可以根据需要调整，调整后的长度固定不变，牵拉绳的抗拉强度不小于20t。建筑水闸墙的巷道应该具备良好的工程地质条件：围岩完整性好，裂隙不发育，无片帮或冒顶问题，顶板无离层现象。如果围岩达不到上述要求，应对围岩进行化学注浆处理，达标后方可建筑水闸墙。

一种含胆快速自建水闸墙系统应用于矿井井下堵水，该堵水的方法包括以下步骤：

步骤901、水害发生时，水压传感器向自动控制系统发送信号；

步骤902、自动控制系统控制可伸缩皮带架缩回，使袋体系统从巷道顶板自动落下并展开；

步骤903、高压风管和高压水管的阀门打开；

步骤904、充填物储存罐内的a、b液体经过液体混合器混合后注入袋体系统内的空腔夹层；

步骤905、注入袋体系统的混合液体膨胀并固化；

步骤906、高压水管内的水经过充水管路注入内胆；

步骤907、外袋被充满加压充填系统停止工作，此时巷道内的水被暂时堵住；

步骤908、导流系统的自动闸阀关闭；

步骤909、袋体系统冷却收缩，巷道内二次漏水；

步骤910、针对双层袋内胆袋体，与二次充填系统相连的高压风管阀门打开，二次充填系统工作，对双层外袋袋体进行二次注浆填充；针对单层外袋袋体启动充水管路上的加压泵向内胆二次注水；

步骤911、当完成对袋体系统的二次注浆填充和二次注水填充后，水害终止，袋体系统彻底堵死巷道。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中的水闸墙为自建，充填材料采用浆液和水两路，较早期的类似专利技术快了一倍，且充填材料都位于现场，免除了运输时间，充填速度为高压气体或水管路的最大流量，充填时间小于20min，建筑速度较传统混凝土水闸墙快约144倍，较化学浆液浇铸的水闸墙快24倍，可以大幅度降低淹井的危险性。

2、本发明建造的水闸墙强度大，耐水压高。水闸墙袋体系统的抗张强度大于10mpa，在限制10倍的膨胀倍数下，充填物膨胀固化硬化后抵抗水压的能力大于3mpa，袋体强度大于充填物的膨胀压力，袋体不会涨破，安全可靠。

3、本发明的袋体系统的容破裂性强，能有效避免传统袋体系统在受到充填物膨胀压力后，容易被巷道壁突出的锋锐岩石、金属网断口、锚杆或锚索的尖头扎破，造成漏浆的隐患。

4、本发明中的管路都采用了三通阀上的快速接头连接，系统都采用了程序化施工方案，牵拉绳与纺织袋、充填物储存罐和锚杆头之间都有带锁的挂钩连接，因而施工方便易行，水闸墙通过水压传感器采集的水压数据判断是否发生水害，能及时作出响应，能为井下的生命、财产安全提供良好保障。

5、本发明设计了双层内胆袋体和单层内胆袋体作为水闸墙的主体，能同时填充膨胀固化材料和水，在水闸墙初次填充后发生二次漏水时进行二次填充，消除了填充物冷却收缩漏水的问题，持续保持封堵效果。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中双层袋内胆袋体系统填充过程中的结构示意图。

图3是本发明中双层袋内胆袋体系统填充完成后的结构示意图。

图4是本发明中单层袋内胆袋体系统填充过程中的结构示意图。

图5是本发明中单层袋内胆袋体系统填充完成后的结构示意图。

图6是本发明中a材料存储大罐、a材料存储小罐和高压风管、高压水管的连接结构示意图。

图7是本发明中阻拦立柱和可伸缩皮带架的布置示意图。

图8是本发明中水压传感器的布置示意图。

图9是本发明中捆扎环的结构示意图。

附图标记说明：

1—外袋；2—内胆；3—注水管；

4—喷浆管；5—a材料存储大罐；6—a材料存储小罐；

7—b材料存储大罐；8—b材料存储小罐；9—高压风管；

10—高压水管；11—第一注浆管路；12—第二注浆管路；

13—阻挡立柱；14—可伸缩皮带架；15—充水管路；

16—矿井突水；17—转载机；18—顶板；

19—膨胀固化填充物；20—水；21—自动闸阀；

22—底板；23—排水槽；24—水压传感器；

25—自动控制系统；26—金属环；27—捆扎环。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括包括袋体系统、充填系统、固定系统和自动控制系统。

如图2至图5所示，所述袋体系统由高强度的纺织品外袋11、可膨胀耐高温橡胶内胆22、喷浆管44和注水管3构成，所述内胆2设置在外袋1内且所述内胆2和外袋1之间形成空腔夹层，所述喷浆管4穿过外袋1与所述空腔夹层连通，所述注水管穿过外袋1与内胆2连通；所述外袋1为单层结构的外袋或者双层结构的外袋，所述单层结构的外袋；所述外袋1由高强度纺织物制成。

当袋体系统被膨胀固化的有机无机杂化材料和水填满后，固化材料和水将处于静止状态，膨胀固化充填材料因冷却将发生收缩，初步形成的水闸墙将发生漏水，对于单层外袋袋体，此时继续向内胆2高压注水，使得袋体系统发生二次膨胀，维持堵水效果，另一方面，对于双层外袋袋体，继续对袋体系统内的空腔夹层进行注浆充填，维持堵水效果。

如图6所示，所述充填系统包括一次充填系统和二次充填系统，所述一次充填系统包括充填物储存大罐、第一注浆管路11和充水管路15，所述充填物储存大罐的进口与井下现有高压风管9的出风口连通，所述充填物储存大罐的出口通过第一注浆管路11与喷浆管4连通，所述充水管路15一端连通井下现有高压水管10，充水管路15的另一端连通注水管，所述充水管路15上安装有加压泵，所述第一注浆管路11上安装有液体混合器；所述二次充填系统包括充填物储存小罐和第二注浆管路12，所述充填物储存小罐的进口与井下现有高压风管9的出风口连通，出口通过第二注浆管路12连通至袋体系统的空腔夹层，所述第二注浆管路12上依次安装有加压泵和液体混合器，所述充填物储存大罐和充填物储存小罐均同时存储a、b两种液体材料，即a材料存储大罐5、b材料存储大罐7、a材料存储小罐6和b材料存储小罐8，所述a、b材料混合后成为膨胀固化填充物19，所述高压风管9和高压水管10的出口处均安装有三通自动闸阀21；所述二次充填系统安装在双层外袋1的袋体系统上。

一次充填系统和二次充填系统均利用既有的高压风管9为动力，通过放置于巷道一侧的两个材料罐向袋体系统内充填混合液体材料，高压风管9的气体在充填物储存罐的顶面施压，驱动液体向罐内立管底部的入口流动，进入液体混合器进行混合。

如图7所示，所述固定系统包括井下现有的位于巷道顶板18的锚杆或锚索、牵拉绳、阻挡立柱13和安装在袋体后方的可伸缩皮带架14，所述袋体系统的正上方通过固定接头与锚杆或锚索连接，所述袋体系统的前端通过牵拉绳与锚杆或锚索连接，所述阻挡立柱13竖直设置在袋体系统的后端，牵拉绳的作用是防止巷道突水时袋体系统摇头而发生缠绕，所述阻挡立柱13的作用是是防止巷道突水时因袋体系统摆尾发生缠绕，阻挡立柱13可以是液压支架，也可以是高角度抵挡架。

所述自动控制系统为现有的自控分站，所述自动控制系统安装在袋体系统的后方巷道的侧壁上，所述自动控制系统连接可伸缩皮带架14和各自动闸阀21，能通过控制可伸缩皮带架14的伸缩释放袋体系统，通过控制各自动闸阀21控制高压风管9和高压水管10的启闭。

如图8所示，所述含胆快速自建水闸墙系统还包括导流系统和设置在袋体系统后方巷道底板22排水槽23内的水压传感器24，所述导流系统包括由混凝土固定半卧在底板22内的导流水管和安装在导流水管出口处的自动闸阀21，金属水管制作的导流水管的作用是代替底板22的排水沟排泄掘进过程中的围岩涌水，避免水闸墙对排水沟封堵不严，或导流水闸墙建筑过程中的恶性突水，减轻水闸墙的摆动。所述导流水管外用混凝土砌成弧形，避免因为管道与底板22锐角相交而造成的封堵不严问题。导流水管的直径以不影响皮带架伸缩为原则，导流水管的长度以长于水闸墙体0.5m以上为宜。所述水压传感器24和导流水管上的自动闸阀21均与自动控制系统连接。

本实施例中，所述外袋1是水闸墙的主体，是约束水闸墙的形状、封堵水流的主体，所述外袋1的断面尺寸大于巷道断面尺寸的1.2倍。

本实施例中，所述内胆2通过联系绳悬挂于外袋1内。

本实施例中，所述外袋1的两端既可以采用缝合，也可以采用粘合或捆扎的方法固定，其中使用捆扎方法时通过捆扎环27固定，所述捆扎环27上设置有用于与外部绳索牵拉固定的金属环26。

本实施例中，所述液体混合器为安装在一段注浆管路两端的叶轮。

本实施例中，所述a、b两种液体材料无毒、无嗅、无腐蚀性，所述a、b两种液体材料混合后膨胀倍数在10左右，且起始膨胀时间为15s～300s可控，膨胀持续时间小于20s，膨胀固化后的混合材料抗压强度大于5mpa。

上述含胆快速自建水闸墙系统在矿井下巷道内的安装方法包括以下步骤：

步骤801、在转载机17后方选择一段巷道，按照袋体系统说明书要求的折叠形式将袋体安装于巷道的顶板18；

步骤802、在袋体系统对应的巷道底板22位置安装导流系统；

步骤803、按照说明书给定的计算方法确定牵拉绳的长度，并将牵拉绳固定于袋体前方顶板18的锚杆或锚索的挂钩上；

步骤804、将三通自动闸阀21安装于袋体系统后方的高压风管9和高压水管10的端头处；

步骤805、将阻挡立柱13安装于可伸缩皮带架14两侧；

步骤806、将自动控制系统安装于袋体系统后方的巷道侧壁上；

步骤807、将水压传感器24安装于袋体后方底板22排水槽23处的特制容器内，并与自动控制系统连接；

步骤808、将充填物储存小罐靠巷道壁安装于袋体系统后方；

步骤809、依次连接高压风管9、充填物储存大罐、第一注浆管路11和喷浆管4，依次连接高压水管10、充水管路15和注水管，其中在第一注浆管路11上安装液体混合器，在充水管路15上安装加压泵；

步骤810、在外袋1为双层的袋体系统上依次连接高压风管9、充填物储存小罐、第二注浆管路12，在第二注浆管路12上安装增压泵和液体混合器。

本实施例中，上述步骤801-810的先后顺序并不固定，可以同时进行。所述装有水压传感器24的特制容器的布置高度和水闸墙的启动阈值，都应根据矿井的水文地质条件而定。所述材料存储大罐和小罐固定于巷道底板22或巷道壁上，防止被突水冲倒失去作用，所述材料存储大罐和小罐可以是连体的也可以是分体的。

本实施例中，所述牵拉绳的长度应该可以根据需要调整，调整后的长度固定不变，牵拉绳的抗拉强度不小于20t。建筑水闸墙的巷道应该具备良好的工程地质条件：围岩完整性好，裂隙不发育，无片帮或冒顶问题，顶板18无离层现象。如果围岩达不到上述要求，应对围岩进行化学注浆处理，达标后方可建筑水闸墙。

将上述含胆快速自建水闸墙系统应用于矿井井下堵水，堵水的过程包括以下步骤：

步骤901、矿井突水16发生时，水压传感器24向自动控制系统发送信号；

步骤902、自动控制系统控制可伸缩皮带架14缩回，使袋体系统从巷道顶板18自动落下并展开；

步骤903、高压风管9和高压水管10的阀门打开；

步骤904、充填物储存罐内的a、b液体经过液体混合器混合后注入袋体系统内的空腔夹层；

步骤905、注入袋体系统的混合液体膨胀并固化；

步骤906、高压水管10内的水20经过充水管路15注入内胆2；

步骤907、外袋1被充满加压充填系统停止工作，此时巷道内的水被暂时堵住；

步骤908、导流系统的自动闸阀21关闭；

步骤909、袋体系统冷却收缩，巷道内二次漏水；

步骤910、针对双层外袋袋体，与二次充填系统相连的高压风管9阀门打开，二次充填系统工作，对双层袋内胆2袋体进行二次注浆填充；针对单层外袋袋体启动充水管路15上的加压泵向内胆2二次注水20；

步骤911、当完成对袋体系统的二次注浆填充和二次注水填充后，水害终止，袋体系统彻底堵死巷道。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。