一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统及其工作原理的制作方法

本发明属于煤矿开采，具体涉及一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统及其工作原理。

背景技术：

1、煤矿工作面综采后会在后方形成采空区，传统综采工作面采用全部垮落法管理顶板，采空区垮落时会伴有大量瓦斯涌出，在采空垮落区内造成瓦斯积聚，此外采空垮落区还存在遗留的碎煤多、漏风大等问题，极易产生遗煤自燃，采空垮落区井下防火治理面临情况复杂，难度极大的防治现状。煤矸石是采煤过程中产生的工业固废，每年排出量达7亿多吨，累计堆存量已超70亿吨左右，煤矸石占用大量土地，对矿区生态带来巨大影响，近年来矸石充填技术在矿井中的应用较为广泛，该技术可实现矸石的大规模消纳，同时减少矿井地面采空区塌陷；但是，在煤矿采空垮落区内进行矸石充填时，由于煤矿采空垮落区充填空间狭小、可施工操作的区域狭小，造成充填难度大，充填工艺复杂，消纳矸石量少；因此，应该提供一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统及其工作原理。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统及其工作原理，其结构简单、设计合理，通过在原有工作面系统上构建矸石充填及防火系统，利用注氮风管的喷吹和瓦斯抽取管的负压抽吸，使采空垮落区产生的气压差形成循环气流，能够使携带矸石粉的气体流动跨过整个采空垮落区形成气流流动，从而使矸石粉在采空垮落区内过滤、沉降，从而完成在采空垮落区内实现矸石充填的目的，且能够有效降低采空垮落区内的瓦斯、氧气浓度，从而抑制了燃煤自燃的发生条件，便于推广应用。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统，其特征在于：包括构建在原有工作面系统上的矸石充填及防火系统，所述原有工作面系统包括采空垮落区、位于采空垮落区前方的液压支架、通过液压支架连通的运输巷道和回风巷道，运输巷道与采空垮落区之间以及回风巷道与采空垮落区之间均通过隔墙隔开，所述运输巷道内设置有沿运输巷道的长度方向敷设的注氮风管，所述注氮风管通过进风上隅角深入位于采空垮落区内部的采空区氧化带内，所述回风巷道内设置有沿回风巷道的长度方向敷设的瓦斯抽取管；所述矸石充填及防火系统包括设置在运输巷道内部的矸石粉缓冲仓、计量装置、喂料锁风装置和气力输送装置，以及设置在所述回风巷道内部的引风机，所述计量装置连接在所述矸石粉缓冲仓的出料口，所述喂料锁风装置与所述计量装置相连通，所述喂料锁风装置的进口与出口均与注氮风管相连通，所述引风机的进口与出口均与瓦斯抽取管相连通，所述的气力输送装置的进口与惰性防火气体输送管相连通，所述气力输送装置的出口通过阀门与注氮风管相连通；所述注氮风管的末端设置多个呈间距布设的喷料口，所述瓦斯抽取管位于回风巷道外部的管段上设置有多个抽吸口，所述抽吸口内部设置有过滤网，所述隔墙靠近运输巷道和回风巷道的一侧设置有挡风过滤帘。

3、上述的一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统及其工作原理，其特征在于：所述瓦斯抽取管延伸至所述采空垮落区回风上隅角顶部，所述瓦斯抽取管延伸至所述采空垮落区内长度的取值范围为15m～50m，所述采空区氧化带为工作面后方25m～60m的区域。

4、上述的一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统及其工作原理，其特征在于：多个所述抽吸口呈等间距布设在所述瓦斯抽取管位于回风巷道外部的管段上。

5、上述的一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统及其工作原理，其特征在于：所述过滤网的过滤孔径和所述挡风过滤帘的过滤孔径的不大于10μm。

6、本发明还提供了一种如上述的煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统的工作原理，其特征在于：

7、利用所述矸石充填及防火系统实现矸石粉过滤充填的工作原理为：

8、将矸石粉送入矸石粉缓冲仓内缓存，经过计量装置计量后的矸石粉进入喂料锁风装置内，再通过喂料锁风装置均匀输送至注氮风管中；

9、启动气力输送装置和引风机，利用注氮风管和多个喷料口将携带矸石粉的气流均匀分散自上而下喷吹至采空区氧化带内；

10、利用引风机增强瓦斯抽取管的抽吸力，使瓦斯抽取管和多个抽吸口对采空垮落区与采空区氧化带进行抽吸，在瓦斯抽取管和多个抽吸口的抽吸作用下，使采空垮落区回风隅角顶部区域处于负压状态，由于气压差作用，会加速从喷料口吹出携带矸石粉的气流的流入，使带有矸石粉的气流跨过整个采空区氧化带形成气流流动，进而使带有矸石粉的气流充满整个采空垮落区形成循环，由于采空垮落区内部含有岩石孔隙，当带有矸石粉的气流经过时，岩石孔隙起到过滤矸石粉的作用，其中一部分矸石粉会充入在采空垮落区的岩石间隙内，实现矸石粉的过滤充填；

11、利用所述矸石充填及防火系统实现矸石粉重力沉降充填的工作原理为：

12、利用隔墙将采空垮落区与运输巷道、回风巷道、开采工作面相隔开，使采空垮落区形成一个相对密闭的有利于输送气流循环流动的充填区域，随着开采工作面的前移，同时移动收缩注氮风管和瓦斯抽取管，使注氮区域始终保持在采空区氧化带内，采空垮落区内未被所述注氮风管覆盖的区域不再有气流流动，即无气流扰动效应，使得未过滤充填的矸石粉的气流不在悬浮，而是在重力作用下均匀沉降在采空区岩石或遗煤表面，实现矸石粉的重力沉降充填；

13、利用所述矸石充填及防火系统实现防火治理的优化改善的工作原理为：

14、隔墙将采空垮落区与运输巷道、回风巷道、开采工作面相隔开，使采空垮落区形成一个相对密闭的充填区域，能够有效对空气隔绝，防止空气中氧气进入；

15、向所述惰性防火气体输送管内连续注入氮气、二氧化碳等惰性防火气体，利用气力输送装置将氮气、二氧化碳等惰性防火气体通过注氮风管输送至采空区氧化带，氮气、二氧化碳等惰性防火气体沉积在采空区氧化带下方，使低密度的瓦斯上溢，实现利用氮气、二氧化碳等惰性防火气体驱除置换瓦斯的目的，另外，采空垮落区中的氧气含量不断降低，同时注氮区域始终保持在采空区氧化带内，使采空区氧化带内瓦斯、氧气的浓度降低；

16、利用气力输送装置向采空氧化带内输入阻化剂，阻化剂附着在遗煤表面上，阻止煤氧接触，起到隔氧阻化作用，同时矸石粉热值低，充填时均匀散落在遗煤表面上的矸石粉可起到低功效阻化剂的作用。

17、上述的一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统的工作原理，其特征在于：所述矸石粉的粒径的取值范围为0.08mm～1mm，所述矸石粉的热值不大于800kcal。

18、上述的一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统的工作原理，其特征在于：随着开采工作面的前移，需要同时移动收缩注氮风管和瓦斯抽取管，使注氮区域始终保持在采空区氧化带内，及时重新施工隔墙与挡风过滤帘。

19、上述的一种煤矿采空垮落区矸石充填与防火系统的工作原理，其特征在于：所述氮气、二氧化碳等惰性防火气体的温度和所述阻化剂的温度均低于10℃，所述氮气、二氧化碳等惰性防火气体对采空垮落区内的遗煤进行降温，使煤层温度≤30℃。

20、本发明与现有技术相比具有以下优点：

21、1、本发明通过在原有工作面系统上构建矸石充填及防火系统，且矸石充填及防火系统包括矸石粉缓冲仓、计量装置、喂料锁风装置、气力输送装置和引风机，通过在注氮风管的末端设置多个喷料口，在瓦斯抽取管位于回风巷道外部的管段上设置多个抽吸口，且抽吸口内部设置有过滤网，所述隔墙靠近运输巷道和回风巷道的一侧设置有挡风过滤帘，实际使用时，通过充分利用采空垮落区的原有工作面系统，新增设备少，利用原有工作面系统与矸石充填及防火系统将整个所述采空跨落区形成了一个相对封闭、并有合理气流循环的流通通道。利用注氮风管的喷吹和瓦斯抽取管的负压抽吸，使采空垮落区产生的气压差形成循环气流，能够使携带矸石粉的气体流动跨过整个采空垮落区形成气流流动，从而使矸石粉在采空垮落区内过滤、沉降，从而完成在采空垮落区内实现矸石充填的目的。

22、2、本发明通过在采空垮落区内采用矸石粉进行充填，且利用注氮风管的喷吹实现矸石粉的输送与充填，与矸石膏体或浆体充填技术相比较，矸石粉易于输送，在采空垮落区内的流动性好，解决了现有采空垮落区充填空间小，充填难度大的问题，矸石粉充填时不需要添加其他材料，充分消纳煤矸石、充填量大，且不存在矸石膏体或浆体充填技术中带来的管道堵塞、井下溢流、排水等问题；利用隔墙和挡风过滤帘能够防止粉尘溢出至工作面、运输巷道和回风巷道，不会影响工作面、运输巷道和回风巷道的正常通风。

23、3、本发明利用所述矸石充填及防火系统实现矸石粉过滤充填的过程中，采空垮落区内部的岩石孔隙大量且微小，大量且微小的岩石孔隙形成一个天然过滤筛，大量且微小的岩石孔隙能够起到过滤矸石粉的作用，其中不能通过大量且微小的岩石孔隙的矸石粉会充填在岩石间隙内，从而实现矸石粉的过滤充填。在矸石粉过滤充填和矸石粉重力沉降充填相结合的情况下，能够实现矸石粉在采空垮落区内的均匀充填。

24、4、本发明利用该矸石充填及防火系统在完成矸石粉大规模充填消纳的同时，能够优化改善井下防火治理，通过隔墙将采空垮落区与运输巷道、回风巷道、开采工作面相隔开，使采空垮落区形成一个相对密闭的充填区域，能够有效对空气隔绝，防止空气中氧气进入，可有效降低采空垮落区内的瓦斯、氧气浓度，从而抑制了燃煤自燃的发生条件。

25、综上所述，本发明通过在原有工作面系统上构建矸石充填及防火系统，利用注氮风管的喷吹和瓦斯抽取管的负压抽吸，使采空垮落区产生的气压差形成循环气流，能够使携带矸石粉的气体流动跨过整个采空垮落区形成气流流动，从而使矸石粉在采空垮落区内过滤、沉降，从而完成在采空垮落区内实现矸石充填的目的，且能够有效降低采空垮落区内的瓦斯、氧气浓度，从而抑制了燃煤自燃的发生条件，便于推广应用。

26、下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。