一种地下矿山采场充填梯形封闭装置及方法

技术领域

本发明涉及采场封闭技术领域，尤其是涉及一种地下矿山采场充填梯形封闭装置及方法。

背景技术

地下矿山完成矿石回采后，将形成一定体积的开采空区。采空区由于缺乏支撑，存在垮塌风险，将威胁相邻采场的矿石回采，为矿山安全生产带来隐患。目前矿山通常采用充填法进行采空区处置，将尾砂、水泥等物料制备成充填料浆，再将其输送入采空区。料浆经养护后形成具有一定强度的充填体，可对采空区进行充填与支撑，保证相邻采场回采过程的稳定性，有效控制地表沉降。

采用充填法，料浆充入采空区前，需要对采空区底部进行封闭以避免料浆流出，堵塞生产巷道。因此，采空区底部的封闭是充填法应用的关键工序之一。采用封闭挡墙进行采空区封闭是目前应用最广泛的方式。为保证封闭效果，封闭挡墙一方面需具备一定的力学强度，避免被充填料浆冲垮。另一方面，还需具有一定的脱水能力，排出充填料浆中多余水分，促进料浆的固结与硬化。

目前，国内外使用的封闭挡墙以砖石与混凝土刚性挡墙为主。该类挡墙具有力学强度大，承载力高的技术优点，可有效抵挡充填料浆，实现采场封闭。但也存在挡墙构筑成本高、施工与养护周期长、脱水效果差以及材料无法回收等缺点。在进行小采空区充填时，矿山也采用木支架加钢筋网加土工布的柔性封闭挡墙。但这类木支架柔性挡墙存在承载能力小、可靠性差、木支架无法回收利用的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地下矿山采场充填梯形封闭装置及方法，适用于不同巷道断面尺寸，可稳定对进路巷道密封，且使用完毕可重复使用，综合使用成本低。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种地下矿山采场充填梯形封闭装置，包括边柱、骨架和第一调节组件，所述骨架包括多根沿竖直方向依次间隔设置的梯形骨架梁，多根所述梯形骨架梁的对应端部通过所述边柱连接，所述第一调节组件与所述梯形骨架梁连接，以调节所述梯形骨架梁的长度。

进一步地，所述梯形骨架梁包括弯折连接梁和直梁，所述直梁的两端分别通过所述第一调节组件连接有所述弯折连接梁，所述弯折连接梁远离所述直梁的一端与所述边柱可拆卸连接。

进一步地，所述弯折连接梁包括第一连接梁以及与所述第一连接梁呈夹角连接的第二连接梁，所述第一连接梁远离所述第二连接梁的端部与所述边柱可拆卸连接，所述第二连接梁远离所述第一连接梁的端部通过所述第一调节组件与所述直梁连接。

进一步地，所述骨架还包括固定支柱组件和支撑杆组件，所述固定支柱组件通过所述第一调节组件和第二调节组件连接于多根所述梯形骨架梁两端之间；所述支撑杆组件的一端通过第三调节组件与所述固定支柱组件连接，所述第三调节组件用于调节并锁定所述支撑杆组件相对于所述固定支柱组件的转动角度。

进一步地，所述固定支柱组件包括至少一根第一固定支柱和至少一根第二固定支柱，所述第一固定支柱通过所述第一调节组件连接于多根所述梯形骨架梁，所述第二固定支柱通过所述第二调节组件连接于多根所述梯形骨架梁；

所述支撑杆组件包括至少一根支撑杆，所述支撑杆通过第三调节组件与所述第二固定支柱连接。

进一步地，所述第二固定支柱包括立杆以及安装于所述立杆上的固定支座，所述立杆通过所述第二调节组件连接于多根所述梯形骨架梁，所述固定支座通过第三调节组件与所述支撑杆连接。

进一步地，还包括多个锚固件，所述边柱沿自身长度方向开设有与多个锚固件一一对应的多个调节孔，所述锚固件贯穿所述调节孔并通过连接组件可拆卸连接于所述边柱。

进一步地，还包括钢筋网和脱水织物，多根所述梯形骨架梁朝向采场的一侧依次覆盖有所述钢筋网和所述脱水织物。

第二方面，本发明还提供一种地下矿山采场充填梯形封闭方法，包括：

骨架安装：在封闭装置安装位置的两侧围岩上，插装多个锚固件，将边柱与多个所述锚固件连接，通过第一调节组件安装多根梯形骨架梁，安装固定支柱组件和支撑杆组件；

钢筋网和脱水织物安装：在骨架左下侧预留行人窗口不铺设钢筋网，其余区域采用多片所述钢筋网互相搭接，均匀铺设于骨架朝向采场的一侧，将土工布裁剪为多块，紧贴所述钢筋网朝向采场的一侧从上往下搭接铺设，完全覆盖所述钢筋网，在所述土工布外侧沿巷道一圈采用同规格所述钢筋网铺设压条。

进一步地，还包括挡墙周边密封：

采用素喷混凝土对挡墙周边的所述钢筋网与所述土工布无法密封区域进行密封，将周边以及两侧边帮上固定的锚固件均封闭于混凝土之下，形成稳定封闭结构；

在所述骨架朝向采场的一侧预先制作包裹土工布的钢筋网片，在骨架朝向巷道的一侧将所述钢筋网片覆盖于行人窗口上，并将其绑扎在周边钢筋网或所述骨架之上。

本发明提供的地下矿山采场充填梯形封闭装置及方法能产生如下有益效果：

上述地下矿山采场充填梯形封闭装置中，边柱能够实现多根梯形骨架梁的连接，可通过第一调节组件调节每根梯形骨架梁的长度，灵活适应封堵巷道断面尺寸变化。在使用时，其主要受力单元为多根梯形骨架梁，能够有效将充填料浆压力传导至两侧边柱。相较于弧形梁来说，由于梯形骨架梁呈折线形结构，便于第一调节组件的设置，连接更牢固，且调节前后梯形骨架梁整体受力状态不会改变；相较于直梁来说，梯形骨架梁朝向充填采场内凹，具有良好的承载能力与稳定性。因此，上述地下矿山采场充填梯形封闭装置适用性以及稳定性好，且使用完毕可重复使用，综合使用成本低，适用于充填采场的快速高效封闭。

相对于现有技术来说，本发明第二方面提供的地下矿山采场充填梯形封闭方法能够稳定对进路巷道密封，密封步骤简单，易操作，降低人员作业强度，提高作业效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种地下矿山采场充填梯形封闭装置的安装位置示意图；

图2为本发明实施例提供的一种地下矿山采场充填梯形封闭装置的正视图；

图3为本发明实施例提供的一种地下矿山采场充填梯形封闭装置的局部三维结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种地下矿山采场充填梯形封闭装置的局部侧视图；

图5为本发明实施例提供的第二固定支柱与支撑杆连接处的三维结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种地下矿山采场充填梯形封闭装置的局部俯视图；

图7为本发明实施例提供的一种地下矿山采场充填梯形封闭方法。

图标：1-边柱；11-调节孔；2-第一调节组件；3-梯形骨架梁；31-弯折连接梁；311-第一连接梁；312-第二连接梁；32-直梁；4-第二调节组件；5-第三调节组件；6-第一固定支柱；7-第二固定支柱；71-立杆；72-固定支座；8-支撑杆；9-锚固件；10-连接组件；011-钢筋网；012-脱水织物。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明第一方面的实施例在于提供一种地下矿山采场充填梯形封闭装置，如图1和图2所示，包括边柱1、骨架和第一调节组件2，骨架包括多根沿竖直方向依次间隔设置的梯形骨架梁3，多根梯形骨架梁3的对应端部通过边柱1连接，第一调节组件2与梯形骨架梁3连接，以调节梯形骨架梁3的长度。

在上述地下矿山采场充填梯形封闭装置中，首先其可通过第一调节组件2调整梯形骨架梁3的长度，可应用于多种截面尺寸的巷道，适用性好；其次由于梯形结构的特殊性，在调整前后，梯形骨架梁3的受力状态不会改变，可稳定对采场进行封闭；再次，使用完毕可重复使用，综合使用成本低，适用于充填采场的快速高效封闭。

在一些实施例中，如图3所示，为便于梯形骨架梁3长度的调整，梯形骨架梁3包括弯折连接梁31和直梁32，直梁32的两端分别通过第一调节组件2连接有弯折连接梁31，第一调节组件2可以调节直梁32与弯折连接梁31的连接长度，从而实现梯形骨架梁3的长度调整，弯折连接梁31远离直梁32的一端与边柱1可拆卸连接。

在上述实施例的基础上，如图3所示，弯折连接梁31包括第一连接梁311以及与第一连接梁311呈夹角连接的第二连接梁312，第一连接梁311远离第二连接梁312的端部与边柱1可拆卸连接，且第一连接梁311与边柱1之间具有夹角，第二连接梁312远离第一连接梁311的端部与直梁32相叠，并通过第一调节组件2调节二者之间的连接长度，使得骨架的横向长度得到改变，通用性得以加强。

具体地，第一连接梁311、第二连接梁312和直梁32均采用U型槽钢，第二连接梁312与第一连接梁311焊接，且呈135°夹角，第一连接梁311背离第二连接梁312的端部焊接有钢蒙版，钢蒙版上开设有连接孔，边柱1对应连接位置开设有螺纹孔，螺栓可贯穿连接孔拧紧在螺纹孔内，实现第一连接梁311与边柱1的可拆卸连接。

在一些实施例中，如图4和图5所示，骨架还包括固定支柱组件和支撑杆组件，固定支柱组件通过第一调节组件2和第二调节组件4连接于多根梯形骨架梁3两端之间，固定支柱组件起到辅助连接多根梯形骨架梁3的作用，使得多根梯形骨架梁3形成一个稳固的网状骨架系统；支撑杆组件的一端通过第三调节组件5与固定支柱组件连接，第三调节组件5用于调节并锁定支撑杆组件相对于固定支柱组件的转动角度，支撑杆组件可倾斜放置于巷道地表预设支撑孔内，骨架受压时，支撑杆组件为其提供支撑力，加强封闭装置的稳定性。

其中，固定支柱组件包括至少一根第一固定支柱6和至少一根第二固定支柱7，第一固定支柱6通过第一调节组件2连接于多根梯形骨架梁3，第二固定支柱7通过第二调节组件4连接于多根梯形骨架梁3；支撑杆组件包括至少一根支撑杆8，支撑杆8通过第三调节组件5与第二固定支柱7连接。

以图2为例进行具体说明，固定支柱组件包括两根第一固定支柱6和三根第二固定支柱7，第一固定支柱6和第二固定支柱7交替设置；两根第一固定支柱6通过第一调节组件2可拆卸连接于第二连接梁312和直梁32；位于外侧的两根第二固定支柱7通过第二调节组件4与第二连接梁312可拆卸连接，位于中部的第二固定支柱7通过第二调节组件4与直梁32可拆卸连接。

上述固定支柱组件可在纵向上将多根梯形骨架梁3连接在一起，形成整体稳定结构，其包括有三根第二固定支柱7，三根第二固定支柱7对应连接有三根支撑杆8，三根支撑杆8可有效对多根梯形骨架梁3进行支撑，提高骨架结构的承载能力。

其中，如图5所示，为便于第二固定支柱7与支撑杆8的连接，第二固定支柱7包括立杆71以及安装于立杆71上的固定支座72，立杆71通过第二调节组件4连接于多根梯形骨架梁3，固定支座72通过第三调节组件5与支撑杆8连接。

具体地，第一固定支柱6和立杆71采用金属管杆件，二者长度低于巷道高度1.0m-2.0m；支撑杆8采用金属杆件；第三调节组件5包括螺栓以及与螺栓连接的锁紧螺母，螺栓贯穿固定支座72以及支撑杆8的端部，当拧松螺栓时，支撑杆8可相对于固定支座72转动，转动至合适位置后，拧紧螺母即可锁定支撑杆8的位置。

另外，第一调节组件2和第二调节组件4仅包括第一夹紧板、第二夹紧板以及连接第一夹紧板和第二夹紧板的螺栓螺母结构；如图3所示，第二连接梁312、直梁32以及第一固定支柱6通过螺栓螺母结构夹紧在第一调节组件2的第一夹紧板和第二夹紧板之间，实现三者相对位置的锁定；如图4所示，第二固定支柱7和第二连接梁312或者第二固定支柱7和直梁32通过螺栓螺母结构夹紧在第二调节组件4的第一夹紧板和第二夹紧板之间。

在一些实施例中，如图6所示，上述地下矿山采场充填梯形封闭装置还包括多个锚固件9，边柱1沿自身长度方向开设有与多个锚固件9一一对应的多个调节孔11，锚固件9可嵌固于岩帮中，并预留一段长度贯穿调节孔11并通过连接组件10与边柱1可拆卸连接。

具体地，锚固件9可以为螺纹锚杆，螺纹锚杆的非螺纹段嵌入巷道岩帮预设的锚杆孔之内，螺纹段外露并穿过调节孔11，通过两个螺母与边柱1可拆卸连接，上述两个螺母分别位于边柱1两侧；多个调节孔11在边柱1上均匀布置，且如图6所示，调节孔11为条形孔，其延伸方向平行于边柱1的长度方向，允许螺纹锚杆穿过孔内时，发生一定程度的上仰或下倾，也即一定程度上允许螺纹锚杆的施工偏差。

在一些实施例中，为有效对采场进行封闭，如图6所示，上述地下矿山采场充填梯形封闭装置还包括钢筋网011和脱水织物012，多根梯形骨架梁3朝向采场的一侧依次覆盖有钢筋网011和脱水织物012。

其中，钢筋网011可以采用多块钢筋网片搭接而成。通过将钢筋网011平铺绑扎在骨架、边柱1、固定支柱组件所组成的骨架之上，可形成采场内部网状骨架。钢筋网011可在封闭完成后进行回收，重复使用。

另外，脱水织物012可以采用土工滤布，主要起封闭、脱水作用，其技术要求与尾砂性质(如粒度)相适应，通过适当的绑扎方式如金属扎丝、塑料扎带等，绑扎于钢筋网011之上，形成包裹结构。

本发明第二方面的实施例在于提供一种地下矿山采场充填梯形封闭方法，如图7所示，本发明第二方面的实施例提供的地下矿山采场充填梯形封闭方法包括：

骨架安装S101：在封闭装置安装位置的两侧围岩上，插装多个锚固件9，将边柱1与多个锚固件9连接，通过第一调节组件2安装多根梯形骨架梁3，安装固定支柱组件和支撑杆组件；

钢筋网011和脱水织物012安装S102：在骨架左下侧预留行人窗口不铺设钢筋网011，其余区域采用多片钢筋网011互相搭接，均匀铺设于骨架朝向采场的一侧，将土工布裁剪为多块，紧贴钢筋网011朝向采场的一侧从上往下搭接铺设，完全覆盖钢筋网011，在土工布外侧沿巷道一圈采用同规格钢筋网011铺设压条。

在一些实施例中，为保证上述封闭方法的封闭效果更好，还包括挡墙周边密封S103：采用素喷混凝土对挡墙周边的钢筋网011与土工布无法密封区域进行密封，将周边以及两侧边帮上固定的锚固件9均封闭于混凝土之下，形成稳定封闭结构；在骨架朝向采场的一侧预先制作包裹土工布的钢筋网011片，在骨架朝向巷道的一侧将钢筋网011片覆盖于行人窗口上，并将其绑扎在周边钢筋网011或骨架之上。

以下以某矿山采场的进路巷道封闭为例，对上述地下矿山采场充填梯形封闭方法进行具体说明：

巷道的封闭断面(宽×高)3.5m×3m(非标准三星拱形巷道断面)，封闭采场尺寸(长×宽×高)30m×3.5m×3m，巷道围岩坚硬，较完整。

1)骨架部分安装

骨架部分安装包括：锚固件9、边柱1、梯形骨架梁3、第一调节组件2、第二调节组件4、第三调节组件5、连接组件10、固定支柱组件和支撑杆组件的安装。

(1)锚固件9安装：在封闭装置安装位置的两侧围岩上，钻凿锚杆孔。锚杆孔的深度视巷道边帮超欠挖情况而定，需保证锚固件9插入锚杆孔后螺纹部分仍能够插入边柱1的调节孔11内。为保证边柱1的竖直，每一条边柱1上的调节孔11需确保在一条直线上。

(2)边柱1安装：锚固件9插入边柱1的调节孔11后，旋转调节孔11两侧的两个螺母，直至边柱1直立，拧紧螺母，使得边柱1与锚固件9紧密连接，如图3所示。

(3)梯形骨架梁3安装：

a)弯折连接梁31与边柱1的连接

边柱1安装完成后，将弯折连接梁31上的连接孔对准边柱1上的螺纹孔，通过螺栓连接弯折连接梁31与边柱1，螺栓使得弯折连接梁31与边柱1紧密连接成一个整体，如图3所示。

b)直梁32安装

两侧弯折连接梁31均安装后，安装直梁32。将直梁32安置于两侧弯折连接梁31之上，在弯折连接梁31与直梁32搭接处放置第一固定支柱6，并通过第一调节组件2进行连接组装，需要说明的是，弯折连接梁31与直梁32的搭接长度需超过40cm。此时，第一调节组件2的组装作用，两侧的弯折连接梁31与中间的直梁32组成一根横跨两侧边柱1的完整梯形骨架梁结构。调节弯折连接梁31与直梁32的搭接长度，可实现梯形骨架梁3的伸缩，以确保梯形骨架梁3的横向长度满足封闭断面3.5m宽的要求。横向骨架梁的安装如图2与图3所示。

(4)第二固定支柱7安装：第二固定支柱7的长度低于封闭巷道的断面高度1m。为满足3m高巷道封闭要求，采用2m的第二固定支柱7。待多根梯形骨架梁3均安装完成后，于各直梁32的正中，紧贴直梁32，放置第二固定支柱7，并通过第二调节组件4进行连接组装，将多根梯形骨架梁3进行整合，形成竖向框架。同时，在两侧各弯折连接梁31靠近弯折位置，紧贴各弯折连接梁31，放置第二固定支柱7，并通过第二调节组件4进行连接组装，将多根梯形骨架梁3进行整合，形成竖向框架。通过第二固定支柱7的安装，将竖向分布的多根梯形骨架梁3进行统一整合，形成骨架网状结构，如图2所示。

(5)支撑杆8安装：通过第三调节组件5调节支撑杆8端部相对于固定支座72的位置，并通过第三调节组件5将多根支撑杆8固定于对应的立杆71上。将支撑杆8倾斜插入预先钻凿的固定孔中，形成斜撑结构，支撑横向骨架梁所受压力，如图4与图5所示。

2)钢筋网与脱水织物安装

(1)钢筋网011安装：封闭挡墙骨架部分安装完成后，在金属骨架左下侧留空500×800mm范围不铺设钢筋网011，作为行人窗口，其余工序完成后单独封闭。其余区域采用多片钢筋网片互相搭接，均匀铺设于骨架朝向采场一侧。采用金属丝绑扎钢筋网片，将其余多根梯形骨架梁3以及固定支柱组件形成整体结构，如图6所示。

(2)脱水织物012安装：本实施例采用土工布作为脱水织物012，选择脱水合格的规格，并将土工布裁剪为多块，紧贴钢筋网011朝采场一侧从上往下搭接铺设，完全覆盖钢筋网011。铺设完成后，在土工外侧沿巷道一圈采用同规格钢筋网011铺设压条，采用金属丝可靠绑扎，将土工布进行固定如图6所示。

3)挡墙周边密封

(1)挡墙周边岩帮密封：采用素喷混凝土对挡墙周边钢筋网011与土工布无法密封区域进行密封，将周边包括钢筋网011、土工布、两侧边帮上固定的锚固件9均封闭于混凝土之下，形成稳定封闭结构。

(2)行人窗孔密封：钢筋网011与土工布的铺设需在采场内侧进行，因此预留有行人窗口，其密封在封闭挡墙外侧实施。本实施例中，在内侧预先制作面积规格大于窗口尺寸的钢筋网片，其上包裹土工布，并绑扎牢靠。内侧各项工作检查完毕、材料人员全部由行人窗孔穿过回到封闭装置外侧后，将预先制作包裹土工布的钢筋网片覆盖于人行窗孔上，采用金属丝穿过窗口附近钢筋网011，于外侧将其牢固的绑扎在周边钢筋网011或骨架之上，完成密封。

综上所述，本发明提供的地下矿山采场充填梯形封闭装置及方法具有以下优点：

1、骨架能够有效将充填料浆压力传导至两侧边柱1，支撑杆8可有效对梯形骨架梁3进行支撑，封闭装置具有良好的承载能力与稳定性；

2、梯形骨架梁3的长度可调，可应用于多种截面尺寸的巷道，适用性好；

3、安装便捷，使用完毕各部件可重复使用，综合使用成本低，适用于充填采场的快速高效封闭。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。