基于物联网的煤矿采空区整治方法与流程

1.本发明属于矿井或隧道中的安全装置技术领域，具体涉及一种基于物联网的煤矿采空区整治方法。


背景技术：

2.在修建铁路隧道的过程中，在某些路段需要穿过一些煤矿采空区的上方，例如重庆至黔江段铁路，在正阳镇隧道段穿越已停产的龙桥煤矿，隧道下部大部分已开采，形成采空区，其隧道底板高程接近采空区高程，高程差仅有几米，为保证高速铁路通行安全，需要对相应隧道段影响范围内的采空区进行治理。
3.而煤矿采空区岩层不稳定，岩性主要为泥岩和砂质泥岩，采空区附近围岩多为煤层或煤矸石地层，邻近煤层、未开采分层及围岩等都会向采空区涌出瓦斯。如果涌出的瓦斯进入到隧道中，将严重影响铁路隧道的安全运行。针对瓦斯问题，常规的方法是采用回填注浆。但是对于隧道底板高程接近采空区高程的情况，列车运行时产生的低频振动会日积月累地对下方的岩层产生影响，日积月累后容易导致岩层产生裂缝，从而导致瓦斯从裂缝中渗入到铁路隧道，严重影响列车的运行安全。


技术实现要素：

4.本发明意在提供一种基于物联网的煤矿采空区整治方法，以解决隧道底板高程接近煤矿采空区高程的情况下采空区整治的问题。
5.为了达到上述目的，本发明的方案为：基于物联网的煤矿采空区整治方法，包括以下步骤：
6.巷道恢复：恢复既有运输巷道和既有回风巷道，封闭距离隧道竖向投影区域边界20米以外的其他巷道；
7.顶点探测：探测隧道正下方的、离隧道底板最近的采空区的高程顶点位置；
8.设集气穴：在高程顶点位置处向上挖掘不小于1m
×
1m，深度0.5m～2m的集气穴；
9.设导气孔：在高程顶点位置的采空区的侧壁上钻导气孔，导气孔倾斜向下，导气孔延伸到隧道竖向投影区域外；
10.埋设集气槽：在集气穴顶面和隧道底板之间的区域内埋设若干集气槽，集气槽内形成有空腔，集气槽四周侧壁作密封处理，每个集气槽顶部埋设有通气管，通气管向上贯穿隧道底板，通气管露出隧道部分上设有瓦斯感应器和电磁阀；
11.注浆：在埋设完集气槽后，往隧道底板下方、采空区上方的岩层里注浆；
12.标记：给每个通气管上的瓦斯感应器和电磁阀赋予位置标记信息，瓦斯感应器和电磁阀均连接到中控系统，中控系统连接报警模块；
13.连接瓦斯抽采系统：瓦斯抽采系统的输气管与电磁阀和集气穴连通，瓦斯抽采系统连接中控系统。
14.本方案的工作原理及有益效果在于：
15.巷道恢复：运输巷道用于运输后续施工所需材料、设备、人员等，回风巷道用于通风，两个通道都利于瓦斯往集气穴聚集，而封闭其他巷道则避免过多的瓦斯往集气穴聚集，尤其是避免超出隧道底板正下方投影面所覆盖的区域以外过远的区域产生的瓦斯往集气穴聚集。
16.顶点探测：瓦斯的密度比空气小，采空区内产生瓦斯后往最高处聚集。
17.设集气穴：集气穴用于收集瓦斯，并且收集在隧道底板的下方，从而便于后续集中抽采。
18.设导气孔：将隧道底板下方投影面附近区域岩层内的瓦斯导向集气穴内，该区域临近隧道，产生的瓦斯容易沿着缝隙进入到隧道中，而通过导气孔则可将其导入到集气穴内。
19.埋设集气槽：密封处理的集气槽防止气体从集气槽内泄露。只有竖向延伸的裂缝才有可能让瓦斯泄露到隧道中，集气槽的设置一是阻断裂缝竖向延伸，二是即便产生了裂缝，瓦斯也会先进入到集气槽中，利用集气槽收集瓦斯，然后通过露出在隧道内的瓦斯感应器监测，瓦斯感应器和电磁阀都是用电部件，瓦斯感应器和电磁阀设置在隧道中，将其与瓦斯环境进行隔离，其供电不用采用本质安全电源，采用常规的供电电源即可，降低了成本，打开电磁阀，还可以将集气槽的瓦斯抽走，让瓦斯在进入到隧道之前即被抽采走，避免其进入隧道。
20.注浆：注浆封闭隧道底板下方、采空区上方的岩层里的缝隙。这部分是相距隧道底板最薄的岩层，也是受列车运行低频振动而影响最直接和最剧烈的岩层，在这部分区域注浆，能够在尽量低的工作量和成本内，取得最理想的治理效果，而且也便于将注浆设备设置在隧道内，便于后期产生裂缝后继续修补、治理。
21.标记：在检测到瓦斯时，中控系统能够根据给每个通气管上的瓦斯感应器和电磁阀赋予的位置标记信息，准确定位到哪个区域可能发生了裂缝，并通过报警模块告知相应人员，以备对发生了裂缝的区域再次进行注浆。
22.连接瓦斯抽采系统：当检测到瓦斯时，中控系统可以自动启动瓦斯抽采系统将集气槽和集气穴内的瓦斯抽走，更自动化，避免人工操作，在需要注浆前，人员需要进入隧道内的相应区域作业，在进入作业区域前就将瓦斯抽走，有利于保障作业人员人身安全。
23.可选地，重启负压通风系统、排水系统、供电系统、提升运输系统和人员定位系统。
24.可选地，导气孔延伸到隧道竖向投影区域外的长度不低于20m。
25.可选地，集气槽分为多层分布，每层包含多个集气槽，相邻两层的集气槽交错分布。
26.可选地，集气槽的埋设方法为：用混凝土预制形成集气槽，集气槽一侧敞口；从隧道底部向下开挖基坑，基坑底部距离集气穴顶部的距离不小于1m，基坑底面用砂浆密封，然后将集气槽敞口朝下地倒扣在基坑底面上，然后再回填基坑，并对回填部进行灌浆处理。
27.可选地，集气槽底面向外侧拱起呈圆弧面。
28.可选地，通气管的顶部呈t字形，电磁阀安装在通气管横向端的一端，通气管横向端的另一端盖合有端盖，端盖上固定有单向阀，单向阀连通有外径小于通气管内径的回气管，回气管置于通气管内，回气管远离单向阀的一端延伸到集气槽内。
29.可选地，还包括步骤：
30.瓦斯监测：瓦斯感应器检测对应通气管内的瓦斯浓度，判断瓦斯浓度是否超过安全浓度范围，如果超过，发出声光报警，并生成报警信息，将报警信息发送至中控系统；报警信息包括当前瓦斯浓度以及位置标记信息；
31.裂缝定位：中控系统接收到报警信息后，基于位置标记信息确定该瓦斯感应器的位置信息，将瓦斯感应器的位置信息以及当前瓦斯浓度发送至报警模块；
32.瓦斯抽采：报警模块接收确认信息并发送至中控系统，中控系统接收到确认信息后，基于该瓦斯感应器的位置信息确定对应的电磁阀，控制该电磁阀开启，启动瓦斯抽采系统，对瓦斯进行抽采；中控系统从瓦斯感应器实时获取当前瓦斯浓度，判断当前瓦斯浓度是否处于安全浓度范围内，如果处于安全浓度范围内，控制该电磁阀关闭，关闭瓦斯抽采系统。
33.可选地，还包括步骤：
34.裂缝治理：根据声光报警定位到该瓦斯感应器，确定裂缝的位置，通过注浆设备对该位置及周边区域进行注浆；中控系统判断指定时间内该位置对应的瓦斯浓度是否一直处于安全浓度范围内，如果一直处于安全浓度范围内，中控系统向报警模块发送治理完成信息。
35.可选地，瓦斯监测步骤中，若瓦斯浓度未超过安全浓度范围，瓦斯传感器每间隔预设时间向中控系统发送当前瓦斯浓度。
附图说明
36.图1为本发明实施例中煤矿采空区的示意图；
37.图2为本发明实施例中基于物联网的煤矿采空区整治方法的流程图。
具体实施方式
38.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
39.说明书附图中的标记包括：岩层1、隧道2、采空区3、集气穴4、集气槽5、通气管6、导气孔7、投影区域8。
40.实施例
41.本实施例基本如附图1所示，基于物联网的煤矿采空区整治方法，如图2所示，包括以下步骤：
42.巷道恢复：恢复既有运输巷道和既有回风巷道，构筑隔墙封闭距离隧道2竖向投影区域8边界20米以外的其他巷道，并且将既有运输巷道和既有回风巷道中除了保证人员和空气能够到达采空区3高程顶点位置的其余部分，也用隔墙隔断封闭。
43.顶点探测：测量队从运输巷道进入，探测隧道2正下方的、离隧道2底板最近的采空区3的高程顶点位置，并用喷漆将高程顶点位置显眼地标出。
44.重启和修复必要的维持系统：重启和修复运输巷道和既有回风巷道从入口到高程顶点位置的负压通风系统、排水系统、供电系统、提升运输系统和人员定位系统。
45.设集气穴：施工队进入，在高程顶点位置处向上挖掘10m
×
10m，深度1.5m的集气穴4。
46.设导气孔：在高程顶点位置的采空区3的侧壁上用防爆岩石电钻倾斜向下钻导气
孔7，导气孔7阵列分布，导气孔7延伸到隧道2竖向投影区域8外至少50m。
47.预制集气槽：用混凝土预制3m
×
3m的集气槽5，集气槽5一侧敞口，集气槽5底面向外侧拱起呈圆弧面，集气槽5内形成有空腔。
48.埋设集气槽：从隧道2底部向下开挖若干基坑，基坑的深度分为两种深度并且两种深度的基坑交错分布，深度最深的基坑底部距离集气穴4顶部的距离不小于1m，基坑底面用砂浆密封，然后将集气槽5敞口朝下地倒扣在基坑底面上，每个集气槽5顶部中心开通孔，通孔埋设通气管6，通气管6向上贯穿隧道2底板。然后回填基坑，并对回填部进行灌浆处理。通气管6露出隧道2部分上设有瓦斯感应器和电磁阀，本实施例中，瓦斯感应器采用ly851-ch4型固定式甲烷气体报警器(声光报警)，不仅能够对瓦斯进行检测，而且能够提供声光报警；通气管6露出隧道2部分呈t字形，电磁阀安装在通气管6横向端的一端，通气管6横向端的另一端盖合有端盖，端盖上固定有单向阀，单向阀连通有外径小于通气管6内径的回气管，回气管置于通气管6内，回气管远离单向阀的一端延伸到集气槽5内。
49.注浆：在埋设完集气槽5后，往隧道2底板下方、采空区3上方的岩层1里注浆。
50.标记：给每个通气管6上的瓦斯感应器和电磁阀赋予位置标记信息，瓦斯感应器和电磁阀均连接到中控系统，中控系统连接报警模块，报警模块为移动终端；
51.连接瓦斯抽采系统：瓦斯抽采系统的输气管与电磁阀和集气穴4连通，瓦斯抽采系统连接中控系统，本实施例中瓦斯抽查系统采用地面固定瓦斯抽采泵站，泵站设置在露天区域。
52.瓦斯监测：瓦斯感应器检测对应通气管6内的瓦斯浓度，判断瓦斯浓度是否超过安全浓度范围，如果超过，发出声光报警，并生成报警信息，将报警信息发送至中控系统；报警信息包括当前瓦斯浓度以及位置标记信息；若瓦斯浓度未超过安全浓度范围，瓦斯传感器每间隔预设时间向中控系统发送当前瓦斯浓度，本实施例中，预设时间为5分钟。
53.裂缝定位：中控系统接收到报警信息后，基于位置标记信息确定该瓦斯感应器的位置信息，将瓦斯感应器的位置信息以及当前瓦斯浓度发送至报警模块；位置标记信息可以是设备编号，也可以是自定义的位置代码等，例如将设备编号与瓦斯感应器的实际安装位置进行关联，存入数据库中，通过设备编号，可以在数据库中查询到关联的实际安装位置，即该瓦斯感应器的位置信息。
54.瓦斯抽采：报警模块接收确认信息并发送至中控系统，中控系统接收到确认信息后，基于该瓦斯感应器的位置信息确定对应的电磁阀，控制该电磁阀开启，启动泵站，对瓦斯进行抽采；中控系统从瓦斯感应器实时获取当前瓦斯浓度，判断当前瓦斯浓度是否处于安全浓度范围内，如果处于安全浓度范围内，控制该电磁阀关闭，关闭泵站。
55.裂缝治理：注浆人员根据声光报警定位到该瓦斯感应器，确定裂缝的位置，通过注浆设备对该位置及周边区域进行注浆；中控系统判断指定时间内该位置对应的瓦斯浓度是否一直处于安全浓度范围内，如果一直处于安全浓度范围内，中控系统向报警模块发送治理完成信息；即完成治理，人员和注浆设备可撤离。本实施例中，指定时间为15天。
56.充分利用煤矿既有的巷道和系统，保证设备、人员和材料等的进出，并保证供水、供电、通风、人员定位，保障人员作业安全。探测到隧道2正下方的、离隧道2底板最近的采空区3的高程顶点位置，将其余无关的巷道和区域封闭，主要是整治隧道2正下方及其临近区域，在尽量低的工作量和成本内，取得最理想的治理效果。
57.由于瓦斯的密度比空气的密度低，采空区3内的瓦斯产生后会往高处聚集。将隧道2正下方投影区域8及周边至少50m范围内产生的瓦斯，导入到采空区3中，然后通过设置在采空区3高程顶点位置处的集气穴4将这部分瓦斯聚集起来，然后定期启动泵站进行抽采。
58.对于列车运行振动可能导致的裂缝，呈两层交错分布的集气槽5阻断竖向裂缝的延伸，被阻断竖向裂缝会出现在集气槽5的底面，即基坑的底面上产生裂缝，通过裂缝流动的瓦斯，最终进入到集气槽5中，瓦斯通过通气管6扩散到通气管6的顶端，被固定式甲烷气体报警器检测到超过安全浓度范围，固定式甲烷气体报警器发出声光报警，中控系统检测到固定式甲烷气体报警器的报警信号，获取该固定式甲烷气体报警器的位置标记信息，向报警模块发送该固定式甲烷气体报警器的位置信息，即确定是哪个区域可能产生了裂缝。监测人员确认收到的信息，中控系统接到确认信息后，自动打开对应通气管6上的电磁阀和泵站，对瓦斯进行抽采。抽采的过程中，隧道2内的空气通过单向阀和回气管进入到集气槽5内，平衡集气槽5内的气压，降低瓦斯浓度。抽采的过程中通过对应的固定式甲烷气体报警器持续监测甲烷气体浓度数据，当数据下降到安全范围后，关闭泵站和相应的电磁阀。期间中控系统持续对该固定式甲烷气体报警器的检测数据进行监测。注浆人员带着注浆设备进入隧道2，根据固定式甲烷气体报警器的声光报警信号迅速定位到该固定式甲烷气体报警器，进而确定裂缝的大致位置，然后对该位置及周边区域进行注浆，然后观测，在15天内该固定式甲烷气体报警器不再发生报警后，即可完成治理，人员和注浆设备撤离。
59.以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。