专利名称：工程矿用密封件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种矿用密封件，并且更具体地，涉及一种塞式矿用密封件、和一种设计并成形塞式矿用密封件的方法。
背景技术：
矿用密封件通常安装在地下矿山的入口处，以把矿山的一部分与矿山的另一部分隔开。例如，矿用密封件可把采空区与生产矿区隔开。除其他原因之外，提供地下矿山入口的区域隔离是为了限制需要通风的区域以及控制有毒气体或爆炸性气体。矿用密封件通常由木头、混凝土块或泵送进框架的凝胶材料构造而成。矿业安全和健康管理条例目前规定当对密封区域的大气进行监控和保持惰性时，矿用密封件能承受至少50psi的过压，以及如果未对密封区域大气进行监控和未保持惰性，以及不具备其他各种条件，那么矿用密封件必须能承受至少120psi的过压。参看条例30C. F. R. § 75. 335。发明内容
在一个实施例中，用于设计和制造矿用密封件的方法包括基于预定的地下巷道确定矿用密封件的初始厚度，建立并求解矿用密封件对施加爆炸压力响应的数值模型，以及确定矿用密封件是否满足预定设计标准。
该方法可进一步包括基于实验室试验结果确定用于矿用密封件的材料的本构行为。建立并求解数值模型可包括模拟矿用密封件对爆炸压力的响应，以及基于材料破坏标准确定屈服条件和安全系数。该方法还可包括在数值模型中增加矿用密封件的初始厚度并且求解数值模型直到确定满足设计标准的最小密封件厚度。可使用莫尔-库仑强度标准和拉伸强度标准建立材料破坏标准。该方法可包括制造具有确定满足预定设计标准的最小密封件厚度的矿用密封件。可通过下面的方程式计算矿用密封件初始厚度。〒 Px DLh' X W xHx SF
Tim = ~---2(W+H)xa car
其中，P为爆炸压力(psi )、DLF为动载荷系数、W是地下巷道的宽度、H是地下巷道的高度、SF为矿用密封件和周围岩层之间的接口安全系数、以及σ sh_为矿用密封件抵靠周围岩层的剪切强度。预定设计标准可包括在矿用密封件内侧中心处不存在拉伸破坏； 沿较大跨度接口中线的最小平均安全系数为1. 5 ;最小平均接口剪切安全系数为1. 5 ;以及最小密封件厚度为地下巷道短跨度的大约50%或更高。
在又一实施例中，矿用密封件的成形方法包括安装第一组矿柱和第二组矿柱，其中，第一组矿柱与第二组矿柱隔开以限定于二者之间的空间。 该方法进一步包括将铁丝网和风幛布固定在第一组矿柱和第二组矿柱上，其中，各第一和第二组矿柱、铁丝网和风幛布限定了第一和第二框架。该方法还包括将凝胶灌浆供给到第一和第二框架之间的空间中。
凝胶灌浆可以是泡沫状且可泵送的凝胶灌浆。第一组矿柱可彼此以大约4至5英尺的距离间隔开，以及第二组矿柱可彼此以大约4至5英尺的距离间隔开。可将铁丝网系在第一和第二组矿柱的各矿柱上。
在另一实施例中，矿用密封件包括第一和第二框架，其中，每个框架包括多根矿柱，铁丝网被固定在每根矿柱上以及风幛布被固定在铁丝网的内表面上。将第一和第二框架间隔开以限定二者之间的空间。矿用密封件还包括定位在第一和第二框架之间空间中的凝胶灌浆。该凝胶灌浆可以是泡沫状且可泵送的凝胶灌浆。第一框架的矿柱可彼此以大约 4至5英尺的距离间隔开，以及第二框架的矿柱可彼此以大约4至5英尺的距离间隔开。
图1是根据本发明一个实施例的矿用密封件的透视图。
图2是图1矿用密封件的侧视图，其示出了凝胶灌浆的安装。
图3是根据本发明另一实施例的矿用密封件。
图4是根据本发明再一实施例的矿用密封件。
图5是根据本发明又一实施例的方法流程图。
图6A是根据本发明一个实施例的矿用密封模型的透视图。
图6B是图6A中示出的矿用密封件模型的前视图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明。下文中为了描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、 “竖直”、“水平” “顶部” “底部”及其衍生词应如附图中的朝向与本发明相关。然而，应理解的是，除非另有明确相反的说明，本发明可采取各种替换的变型和步骤序列。应理解的是， 在附图中示出和在下面说明书中描述的具体装置仅仅是本发明的示例性实施例。因此，与本文公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被认为是限制性的。
参考图1和图2,公开了用于地下巷道的矿用密封件10的一个实施例。矿用密封件10由一对框架12、14形成，该框架12、14被定位在与顶板16和矿壁18岩层邻近的位置， 并且彼此隔开以限定空间20。框架12、14构造为于其间接收凝胶灌浆22。各框架12、14 包括多根间隔开的柱24、多块水平附接至柱内表面的板26、以及固定在板26内表面上的风幛布28。柱24可以是4” X4”或更大尺寸的木头柱，并定位在30” ±6”的中心上，还可利用其他合适尺寸和类型的柱。也可利用木垛30 (图1所示)来限定框架。该木垛30可以具有6” X6” X30”的尺寸，并且以木垛之间大约36”的距离安装。板26可以是具有I” X6” 尺寸的木头板，其在18”±6”中心处附接至柱24。虽未示出，但前/外框架12通常包括一个或多个允许在建造过程期间进入框架内部的临时舱口。此外，多个加压填充管32穿过风幛布28被定位在前/外框架12上。
矿用密封件10还包括用于排出密封件10内部水的排水系统34。排水系统34包括排水管36、阀38和U形弯管40，排水管36构造为允许密封件内部水的重力下水。阀38 和U形弯管40定位在排水管36的外侧。排水管36可以是非金属且耐腐蚀的管,对于50psi的密封设计，该管具有至少IOOpsi的内部压力等级，以及对于120psi的密封设计，该管具 有至少240psi的内部压力等级。虽然只公开了一根排水管36，但可使用一根或多根排水 管。矿用密封件10进一步包括用于测试密封件10内侧空气的气体采样系统42。气体采样 系统42包括采样管44和安装在密封件10外部的截止阀46。采样管44可以是非金属且耐 腐蚀的管，对于50psi的密封设计,该管具有至少IOOpsi的内部压力等级，以及对于120psi 的密封设计，该管具有至少240psi的内部压力等级。可使用诸如聚氨酯泡沫等泡沫围绕由 管32、36、44形成的环形开口并围绕风幛布28的周边，以在材料加压期间使泄露最小化。
参考图2，示出了将凝胶灌浆22定位在框架12、14之间。放置凝胶灌浆22使得灌 浆22填满框架12、14之间的整个空间，并且接合顶板16和矿壁18的周围岩层。凝胶灌浆 22可以是泡沫状、重量轻、可泵送的凝胶灌浆，其在放置之后的几分钟之内胶凝并且开始硬 化，以限定一致、均匀和粘聚的灌浆体，该灌浆体在28天内形成足够的强度(包括与周围的 岩层结合)。可使用砂矿机(未示出)将凝胶灌浆22布置在框架12、14之间的所需位置处， 该砂矿机将干材料与水、空气结合起来并且泵送所得泡沫状凝胶灌浆。
参考图3，公开了用于地下巷道的矿用密封件50的又一实施例。本实施例的矿用 密封件50类似于在图1和图2中示出并且在上文描述的矿用密封件10。在图3所示的矿 用密封件50中，一对框架52、54中每一个由多根间隔开的矿柱56、系在矿柱56上的焊接铁 丝网58、以及固定在铁丝网58内表面上的风幛布60形成。可使用钢丝系材或任何其他合 适的固定装置将焊接铁丝网58固定在矿柱56上。矿柱56可以以大约4’-5’的距离间隔 开。矿柱56可以是快速安装的支柱，诸如市场上可从Jennmar公司买到的RIP50矿柱，也 可利用其他合适的支柱。焊接铁丝网58可以是12规格、4” X4”网格的铁丝网，也可利用 其他合适的铁丝网。矿用密封件50还包括如上文所讨论的、与在图1和图2中所示矿用密 封件10相关的填充管32、排水系统34以及采样系统42。虽未示出，矿用密封件50还包括 如上文所讨论的、与图1和图2中所示矿用密封件10相关的、位于框架52、54之间的凝胶 灌浆22。
再一次参考图3，通过安装第一组62矿柱56和第二组64矿柱56来形成矿用密封 件50。第一和第二组矿柱56被间隔开以限定其间的空间66。铁丝网58和风幛布60被固 定在第一和第二组62、64矿柱56上。特别是，铁丝网58和风幛布60被固定在第一组62矿 柱56上，并且另外的铁丝网58和风幛布60被固定在第二组64矿柱56上。风幛布60向 内朝向空间66。第一和第二组62、64矿柱56、铁丝网58和风幛布60限定了如上文所讨论 的这对框架52、54。然后，以如图2所示及上述相同的方式将凝胶灌浆22供给到这对框架 52,54之间的空间66中。凝胶灌浆22固化并且形成一致、均匀和粘聚的灌浆体。
参考图4，公开了用于地下巷道的矿用密封件70的另一实施例。矿用密封件70类 似于在图1至图3中示出并且在上文讨论的矿用密封件10、50。矿用密封件70包括各自分 别由壁部76、78形成的一对框架72、74。壁部76、78包括多个块80，块80彼此连接以形成 壁部76、78。块80可以是4”X8”X 16”的互锁块，该互锁块具有用于将块彼此固定的榫槽 装置。每个壁部76、78的外表面还包括覆盖块80整个表面的密封剂82层。还可利用木垛 30来限定如上文所提到的、与图1中所示矿用密封件10相关的框架。矿用密封件70还包 括如上文关于图1和图2中示出的矿用密封件10所讨论的填充管32、排水系统34以及采 样系统42。虽未示出，矿用密封件70还包括如上文关于图1和图2中示出的矿用密封件10所讨论的、位于框架72、74之间的凝胶灌浆22。
参考图5，公开了一种根据一个实施例的矿用密封件的设计和制造方法。该方法通 常包括以下步骤对于给定的巷道，确定初始矿用密封件的厚度；建立并求解矿用密封件 对爆炸压力响应的数值模型；以及确定矿用密封件是否满足预定的设计标准。当确定矿用 密封件设计满足设计标准时，可制造已确定满足设计标准的具有最小厚度的矿用密封件。 矿用密封件设计是基于使用专业软件和三维矿用密封件模型的数值模拟。该模型代表安装 在各种尺寸矿山入口处的矿用密封件结构。该模型模拟密封件充分经受由于地下爆炸施加 在密封件内侧面上的爆炸过压。矿用密封件的最小厚度是各种因素的函数，主要包括爆炸 过压、动载荷系数、安全系数、入口尺寸以及密封材料的工程属性。矿用密封件结构的可能 破坏模式包括(1)如果最大的拉应力超过材料的拉伸强度，那么拉伸破坏将会发生在内 侧的中心处或外侧的岩石-密封件的接口周边；(2)莫尔-库仑剪切破坏通过巷道较长跨 度处的接口传播；以及(3)塞式剪切破坏。取决于矿用密封件厚度和巷道尺寸，厚度小于巷 道(短跨度)一半的薄密封件可能以第一模式破坏。厚密封件(厚度大于巷道较短跨度的一 半)可能以第二或第三模式破坏。因此，设计和制造矿用密封件的本方法利用组合的方法 论，该组合的方法论用如下文所讨论的塞流理论和结构数值分析评估所有三种可能的破坏 模式。
在爆炸事件期间施加在密封件上的过压发生变化并且在很短的时段内被施加。不 考虑与时间相关的由于过重地层导致的沉降载荷，爆炸压力很可能引起在密封件上的动态 响应。为了分析该动态响应，应求解包括惯性和阻尼效应的完整运动方程，如由下面方程式所述
M*a+C*u+K*y=F (方程式 I)
M为密封件结构的质量；
a为加速度向量；
C为阻尼矩阵；
U为速度矩阵；
K为刚度矩阵；
I为位移矢量；以及
F为力矢量。
近似的数值模型技术可在矿用密封件设计中使用。特别是，为了避免真实动态数值模拟的某些缺陷，利用等效动态(ED)模拟方法。通过使用动载荷系数(DLF)，静态模型可 提供类似于完全动态模型的响应。
在具有给定边界和载荷条件、作为输入的真实材料工程属性、以及适当的破坏标 准的条件下，数值模型通过这样的方式执行分析将真实的对象分解成大量的元素，并且 使用一组数学方程式数值方式计算每个元素的应力和应变。一旦每个元素达到平衡，然后 软件程序集合所有单个元素的应力和应变响应，并且预测整个结构的表现。数值模型允许 在莫尔-库仑破坏标准下的真实响应和材料屈服、在实验室获得的实际材料工程属性的并 入、以及密封件内关键破坏区域的确认及密封件响应和材料屈服的可靠信息。此外，数值模 型允许进行参数化矿用密封件设计的灵活性以适应大多数矿山入口的尺寸。
为满足政府规定，密封件设计必须能够抵抗特定持续时间和强度的爆炸，其以压力-时间曲线为特征。例如，相对于120psi的主线密封件，认为在爆炸之后可能的爆炸过压瞬时上升到120psi。假定压力存在至少四秒以确保密封件能负载而不在DLF为2时破坏。假定过压载荷的瞬时释放提供用以处理在除去爆炸载荷之后发生在密封件中的反弹效应的标准。用于诸如上文所描述凝胶灌浆22等矿用密封件的材料工程属性可通过实验室试验获得。
岩石材料、混凝土或凝胶材料的破坏通常由莫尔-库仑强度标准描述，其假定如果由正限制ση、内聚力c和内摩擦角φ生成的剪切强度τ不能抵抗实际最大剪应力τ_， 那么剪切破坏平面在岩体中形成。当破坏发生时，在破坏面上形成的应力位于强度包络线上。莫尔-库仑强度标准假定当满足下面的方程式时，岩石材料进入破坏状态。
T=c+antanq^ (方程式 2)
权利要求
1.一种用于设计和制造矿用密封件的方法，该方法包括基于预定的地下巷道确定所述矿用密封件的初始厚度；建立并求解所述矿用密封件对施加爆炸压力响应的数值模型；以及确定所述矿用密封件是否满足预定设计标准。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于实验室试验结果确定用于所述矿用密封件的材料的本构行为。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，建立并求解所述数值模型包括模拟所述矿用密封件对所述爆炸压力的响应；以及基于材料破坏标准确定屈服条件和安全系数。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括在所述数值模型中增加所述矿用密封件的所述初始厚度并且求解所述数值模型，直到确定满足所述设计标准的最小密封件厚度。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，使用莫尔-库仑强度标准和拉伸强度标准建立所述材料破坏标准。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括制造具有确定满足所述预定设计标准的最小密封件厚度的矿用密封件。
7.根据权利要求4所述的方法，进一步包括制造具有确定满足所述预定设计标准的最小密封件厚度的矿用密封件。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，通过下面的方程式计算所述矿用密封件的初始厚度，
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定设计标准包括在所述矿用密封件内侧中心处不存在拉伸破坏；沿较大跨度接口中线的最小平均安全系数为1. 5 ；最小平均接口剪切安全系数为1. 5 ;以及最小密封件厚度为地下巷道短跨度的大约50%或更高。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述预定设计标准包括在所述矿用密封件内侧中心处不存在拉伸破坏；沿较大跨度接口中线的最小平均安全系数为1. 5 ；最小平均接口剪切安全系数为1. 5 ;以及最小密封件厚度为地下巷道短跨度的大约50%或更高。
11.一种矿用密封件的成形方法，其包括安装第一组矿柱和第二组矿柱，所述第一组矿柱与所述第二组矿柱隔开以在二者之间限定空间；将铁丝网和风幛布固定在所述第一组矿柱和所述第二组矿柱上，各所述第一和第二组矿柱、所述铁丝网和所述风幛布限定了第一和第二框架；以及将凝胶灌浆供给到所述第一和第二框架之间的空间中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述凝胶灌浆是泡沫状且可泵送的凝胶灌浆。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一组矿柱彼此以大约4至5英尺的距离间隔开，以及所述第二组矿柱彼此以大约4至5英尺的距离间隔开。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述铁丝网连接在所述第一和第二组矿柱的各矿柱上。
15.—种矿用密封件,其包括第一和第二框架，每个框架包括多根矿柱，铁丝网被固定在每根矿柱上，并且风幛布被固定在所述铁丝网的内表面上，所述第一和第二框架间隔开以在二者之间限定空间；以及凝胶灌浆，其定位在所述第一和第二框架之间的空间中。
16.根据权利要求15所述的矿用密封件，其中，所述凝胶灌浆是泡沫状且可泵送的凝胶灌浆。
17.根据权利要求15所述的矿用密封件，其中，所述第一框架的矿柱彼此以大约4至5 英尺的距离间隔开，以及所述第二框架的矿柱彼此以大约4至5英尺的距离间隔开。
全文摘要
一种用于设计和制造矿用密封件的方法，其包括基于预定的地下巷道确定矿用密封件的初始厚度，建立并求解矿用密封件对施加爆炸压力响应的数值模型，并确定矿用密封件是否满足预定设计标准。在确定矿用密封件满足预定设计标准之后，可制造具有最小密封件厚度的矿用密封件。
文档编号E21F17/103GK103069110SQ201180037553
公开日2013年4月24日 申请日期2011年7月28日 优先权日2010年7月30日
发明者约翰·C·斯坦库斯, 马金荣, 马鲁闽 申请人:Fci特拉华控股有限公司