一种模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置及方法与流程

本发明涉及一种充填空洞型老空区装置及方法，属地煤炭开采技术领域，具体涉及一种一种模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置及方法。

背景技术：

煤矿遗留的大空洞型老空区是一种不稳定的人工地质构造，随着形成时间推移和赋存环境变化，这种不稳定构造可能发生退化而衍生地面塌陷、矿山地震等矿山灾害。随着城市化、工业化和现代化进程的快速推进，越来越多的煤矿老空区上覆土地需要激活，或用于建造工业民用建筑，或建设公路和铁路等生命线工程，如何对大空洞老空区进行安全经济高效的注浆处理，给老空区上覆地面工程建设创造一个安全可靠的地下环境，一直都是工程难题。

老空区与充填开采中采空区不同，老空区一般是已经不进行生产的矿井残留下来的空洞式安全威胁，老空区浅则100米左右，深则1000米左右，且开采工作面封闭，人已经无法下达老空区位置，更无法向充填开采似的对井下老空区进行精准充填，属于非常难解决的“黑箱子”问题。目前，在我国对老空区的治理方法一般为注浆充填法，即通过地面钻孔对老空区进行稀浆或稀浆投砂注浆充填。该方法的缺点有：(1)稀浆流动性大，扩散远，若存在裂隙或通道，无法充满；(2)老空区充水后浆液不易凝结成型；(3)浆液结实率较低，无法做到在指定位置堆砌成形态尺寸可控的支撑体；(4)浆液有效充填较少，浪费巨大，经济成本高昂。

因此，本发明提出一种模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置及方法，精准高效充填老空区，满足部分充填设计，节约注浆成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述已有技术存在的不足，提出一种支撑范围可控、经济高效的模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置及方法，通过在地表钻孔打钻，管道中携带模袋，注浆充填，实现注浆量、注浆形态、接顶面积、充填浆液结石体的堆积角度可控，注浆成本大大降低，结实率大大提高，且可根据设计需求形成支撑体，达到老空区精准充填，有效保证老空区地表稳定性的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种模袋注浆充填装置，包括一导向管，所述导向管内设置有一可沿导向管轴向移动的环向卡箍，所述环向卡箍上连接有模袋，所述模袋的另一端在导向管内自由延伸；其中，所述模袋连接供气管与注浆管。

优选的，上述的一种模袋注浆充填装置，所述注浆管套于所述供气管内，所述环向卡箍设于所述供气管上，并且可沿所述供气管移动。

优选的，上述的一种模袋注浆充填装置，包括：

端头，其一端设置有端头凹槽，另一端设置有一用于阻挡所述环向卡箍滑动的凸起；

所述环向卡箍移动的轨道末端设置卡榫，所述卡榫外设置有一可在拉绳拉动下移动的套环；

当所述套环至少部分套于所述卡榫上时，所述卡榫锁于所述端头凹槽上。

优选的，上述的一种模袋注浆充填装置，还包括：与所述导向管铰接的支撑管；所述注浆管包括位于所述支撑管内的垂直段注浆管以及位于所述导向管内的水平段注浆管，所述垂直段注浆管与所述水平段注浆管通过软管连接。

优选的，上述的一种模袋注浆充填装置，还包括保护罩，所述模袋的另一端在导向管内自由延伸至保护罩内，所述保护罩与所述导向管之间采用热熔胶粘接.

一种利用上述任一所述的装置进行地表注浆充填空洞型老空区的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，安装端头：将环状卡箍套于供气管外部，然后由卡榫实现端头段与供气管的连接，并由套环限制卡榫张开实现闭锁结构。

步骤2，模袋装填：将模袋袋口由箍绳束扎于环状卡箍上，推动环状卡箍携带模袋折叠装入导向管与供气管之间的套管内，且端头段末端用保护罩封闭。

步骤3，下放定位：通过支撑管及导向管将模袋送入老空区预定位置，并由卷扬机通过拉绳提升旋转至水平方向。

步骤4，模袋扩展：通过空压机送入高压空气推动模袋顶开保护罩，并吹展至预定形状，同时带动环状卡箍向末端滑移，限止于端头凸起处。

步骤5，灌浆充填：通过注浆泵由注浆管将充填材料灌入模袋；

步骤6，模袋脱离：达到设计充填量后，通过拉绳使套环张开，卡榫解锁，实现端头脱离，最终模袋及端头段与供气管脱离。

优选的，上述的地表注浆充填空洞型老空区的方法，还包括：

步骤7，装置回收：由卷扬机将导向管下降旋转至竖直，除模袋、端头及保护罩外其余部分回收，模袋及充填材料留于原处形成支撑老空区顶板的墩柱体。

优选的，上述的地表注浆充填空洞型老空区的方法，所述步骤5中，灌浆过程中向模袋持续输送高压空气以保持模袋鼓胀形态，以维持模袋形态及注浆过程中的稳定。

一种地表注浆充填空洞型老空区的方法，包括：

将一导向管送入老空区预定位置，其中，所述导向管内设置有一可沿导向管轴向移动的环向卡箍，所述环向卡箍上连接有模袋，所述模袋的另一端在导向管内自由延伸；

利用供气管向模袋通风以带动模袋整体滑动扩展；

利用注浆管向模袋注浆以形成墩柱体。

优选的，上述的地表注浆充填空洞型老空区的方法，所述注浆管套于所述供气管内，所述环向卡箍设于所述供气管上，并且可沿所述供气管移动。

相对以现有技术，本发明的优点是：

(1)浆液流动范围可控，即使存在裂隙或通道，也可将空区按要求充填满；(2)无论老空区是否充水，膜袋不断充气后均可以为所注浆液提供一个相对独立的空间供其凝结成型；(3)浆液结实率较高，可根据设计需求，在指定位置形成形态尺寸可控的支撑体；(4)浆液有效充填高，无浪费，经济成本低。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置示意图；

图2为本发明实施例所述的一种模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置的导向管细观放大示意图；

图3为本发明实施例所述的一种模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置的端头段闭锁状态的结构示意图；

图4为本发明实施例所述的一种模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置的端头段脱离状态的结构示意图；

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1、卷扬机；2、空压机；3注浆泵；4、供气管；5、注浆管；6、钻孔；7、拉绳；8、支撑管；9、导向管；10、模袋；11、充填材料；12、老空区；13、导线轮；14、套环；15、卡榫；16、端头；17、保护罩；18、铰链；19、注浆软管；20、环状卡箍；21、弹簧；22、铰轴；23、凹槽；24、箍绳。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例采用的模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置，包括：注浆泵、空压机、卷扬机、供气管、注浆管、支撑管、导向管、套环、模袋及连接装置。

所述的供气管4、注浆管5及拉绳7均布置在支撑管8内，并通过开口连通至导向管9内；所述导向管9与支撑管8之间铰接连接，垂直段注浆管和水平段注浆管通过注浆软管连接。

所述的供气管4与导向管9之间的环形套管中设置有高强度透水透气模袋10，模袋10一端固定在至位于导向9管前段的环向卡箍20，另一端自由伸展处于保护罩17内。

所述的环状卡箍20可随模袋扩展过程向供风管末端移动，并卡止于端头处；端头段与供气管4之间由卡榫15实现闭锁与解锁，即转向拉绳通过卷扬机控制导向管由垂直方向转为水平方向，解锁拉绳通过导线论控制套环的张开与闭合，实现卡榫的闭锁与解锁。

所述空压机排气压力应≥1mpa，排气量≥3m³/min，通过注气管与注浆管之间的环状间隙注入高压气体使模袋尾部扩展，带动模袋整体滑动扩展，被吹出导向管，顶开保护罩17，并于设计位置充分扩展，模袋吹出阶段风量应≤0.5m³/h，待整体吹展完成后，排气量应保持≥2m³/h，保持模袋内部压力达到要求(见表1)。

表1模袋充填过程中气压设置(mpa)

所述的注浆管3包含于供气管4中，供气管4包含于导向管9中，其中供气管与导向管之间的环状空隙左端闭合，注浆管与供气管之间的环状空隙敞开。

所述的模袋10袋口由箍绳束扎于环状卡箍20上并套于供气管外部，端头末端有保护罩封闭，防止堵管。环状卡箍20内径稍大于套圈外径，外径小于端头凸起处的直径。所述保护罩为一次性装置，与导向管之间采用热熔胶粘接，材料为abs塑料或铁皮。

所述模袋高度应为拟充填老空区高度的1.1～1.2倍，材料为210d、420d或600d牛津布，内部设有拉筋带，袋口位于其膨胀后所成形态的侧方顶部。

所述环状卡箍套于供气管外部后，由卡榫15将端头与供气管固定连接，并由套环限制其张开。

所述的供风管在灌浆充填过程中持续供风，保持压力使模袋处于鼓胀形态，以维持模袋形态及注浆过程中的稳定性。

所述端头凹槽23由卡榫15与供气管固定连接后，由套环将卡榫15锁死，限制其张开，待达到设计充填量之后，通过拉绳7拉动套环14，卡榫15张开，端头在注浆压力下与供气管脱离。

所述充填材料为纯水泥浆、水泥粉煤灰浆、水泥砂浆或水泥粉煤灰砂浆、高水材料或超高水材料。

其于以上装置，本实施例的模袋法地表注浆充填空洞型老空区包括如下步骤：

第一步，采用钻探、钻孔电视、三维激光扫描等技术进行老空区形态探查，结合治理区资料信息，确定老空区分布、形态，并计算保证老空区顶板稳定所需墩柱体尺寸；

第二步，根据老空区分布、形态及尺寸，以及上述装置中模袋要求制作模袋；

第三步，将环状卡箍套于供气管外部，然后由卡15榫实现端头段与供气管的连接，并由套环14限制卡榫张开实现闭锁结构，安装端头；

第四步，将模袋袋口由箍绳束扎于环状卡箍20上，推动环状卡箍20携带模袋折叠装入导向管与供气管之间的套管内，且端头段末端用保护罩17封闭，管中装填模袋；

第五步，以钻杆作为注浆管，将支撑管8及导向管9送入预定深度，通过支撑管及导向管将模袋送入老空区预定位置，导向管9经卷扬机提升旋转后水平朝向预设充填方位；支撑管8位于老空区上方钻孔内，作用是保证下部装置稳定，防止导向管提升时重心偏移导致弯曲变形；

第六步，通过空压机经供气管4与注浆管5之间的套管注入高压气体使模袋尾部扩展，并带动模袋整体滑动扩展，被吹出导向管，顶开保护罩，于设计位置充分扩展至预定形状，同时带动环状卡箍20向末端滑移，限止于端头16凸起处；

第七步，通过注浆泵由注浆管将充填材料灌入模袋，灌浆过程中通过注浆管与其外供气管间的环状间隙持续输送高压空气以保持模袋形态；

第八步，达到设计充填量后，通过拉绳使套环张开，卡榫解锁，实现端头脱离，最终模袋及端头段与供气管脱离，将模袋及充填材料留于原处形成支撑老空区顶板的墩柱体；

第九步，由卷扬机将导向管下降旋转至竖直，除模袋、端头及保护罩外其余部分回收。

下面基于某小窑老空区为例，对该实施例的方案进行验证。

该小窑老空区深度163m，经钻探、钻孔电视、三维激光扫描等技术进行老空区形态探查，发现目前空区高度6.7m，形态为椭球形，长边12m，短边8m，模袋高度为7.4m，材料为210d牛津布，内部设有拉筋带，袋口位于其膨胀后所成形态的侧方顶部。老空区附近配制模袋法地表注浆充填空洞型老空区装置，包括：注浆泵、空压机、卷扬机、供气管、注浆管、支撑管、导向管、套环、模袋及连接装置。其中，所述的供气管、注浆管及拉绳均布置在支撑管内，并通过开口连通至导向管内；所述导向管与支撑管之间铰接连接，垂直段注浆管和水平段注浆管通过注浆软管连接。所述的供气管与导向管之间的环形套管中设置有高强度透水透气模袋，模袋一端固定在至位于导向管前段的环向卡箍，另一端自由伸展处于保护罩内。所述的环状卡箍可随模袋扩展过程向供风管末端移动，并卡止于端头处；端头段与供风管之间由卡榫实现闭锁与解锁，即转向拉绳通过卷扬机控制导向管由垂直方向转为水平方向，解锁拉绳通过导线论控制套环的张开与闭合，实现卡榫的闭锁与解锁。所述通过空压机经注气管与注浆管之间的套管注入高压气体使模袋尾部扩展，并带动模袋整体滑动扩展，被吹出导向管，顶开保护罩，并于设计位置充分扩展。所述的注浆管包含于供气管中，供气管包含于导向管中，其中供气管与导向管之间的环状空隙左端闭合，注浆管与供气管之间的环状空隙敞开。所述的模袋袋口由箍绳束扎于环状卡箍上并套于供气管外部，端头末端有保护罩封闭，防止堵管。环状卡箍内径稍大于套圈外径，外径小于端头凸起处的直径。所述保护罩为一次性装置，与导向管之间采用热熔胶粘接，材料为abs塑料或铁皮。所述环状卡箍套于供气管外部后，由卡榫将端头与供气管固定连接，并由套环限制其张开。所述的供风管在灌浆充填过程中持续供风，保持压力使模袋处于鼓胀形态，以维持模袋形态及注浆过程中的稳定性。所述端头凹槽部位由卡榫与供气管固定连接后，由套环将卡榫锁死，限制其张开，待达到设计充填量之后，通过拉绳拉动套环，卡榫张开，端头在注浆压力下与供气管脱离。所述充填材料为纯水泥浆、水泥粉煤灰浆、水泥砂浆、水泥粉煤灰砂浆、高水材料或超高水材料。

具体小窑老空区治理步骤如下：

第一步，采用钻探、钻孔电视、三维激光扫描等技术进行老空区形态探查，结合治理区资料信息，确定老空区分布、形态，并计算保证老空区顶板稳定所需墩柱体尺寸；

第二步，根据老空区分布、形态及尺寸，以及上述装置中膜袋要求制作模袋；

第三步，将环状卡箍套于供气管外部，然后由卡榫实现端头段与供气管的连接，并由套环限制卡榫张开实现闭锁结构，安装端头；

第四步，将模袋袋口由箍绳束扎于环状卡箍上，推动环状卡箍携带模袋折叠装入导向管与供气管之间的套管内，且端头段末端用保护罩封闭，管中装填模袋；

第五步，以钻杆作为注浆管，将支撑管及导向管送入预定深度，通过支撑管及导向管将模袋送入老空区预定位置，导向管经卷扬机提升旋转后水平朝向预设充填方位；支撑管位于老空区上方钻孔内，作用是保证下部装置稳定，防止导向管提升时重心偏移导致弯曲变形；

第六步，通过空压机经注气管与注浆管之间的套管注入高压气体使模袋尾部扩展，并带动模袋整体滑动扩展，被吹出导向管，顶开保护罩，于设计位置充分扩展至预定形状，同时带动环状卡箍向末端滑移，限止于端头凸起处；

第七步，通过注浆泵由注浆管将充填材料灌入模袋，灌浆过程中通过注浆管与其外供气管间的环状间隙持续输送高压空气以保持模袋形态；

第八步，达到设计充填量后，通过拉绳使套环张开，卡榫解锁，实现端头脱离，最终模袋及端头段与供气管脱离，将模袋及充填材料留于原处形成支撑老空区顶板的墩柱体；

第九步，由卷扬机将导向管下降旋转至竖直，除模袋、端头及保护罩外其余部分回收，以备下一个老空区治理。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。