煤矿采空区充填系统及充填工艺

技术领域

本发明涉及井下采区填充技术领域，具体涉及一种煤矿采空区充填系统及充填工艺。

背景技术

充填开采是指随着回采工作面的推进，向采空区充填废石、尾矿、废渣、建筑废料以及专用充填合格材料等采出矿产品的开采方法。充填开采能够大量消灭煤矸石等固废、控制地表沉降、提高矿井安全生产水平。目前，我国煤矿常用的充填技术有固体充填、膏体充填、高水充填、超高水充填等，其中以固体充填应用较为广泛。相关技术中，固体充填存在充填体胶结性差、强度低、接顶效果差的问题。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

固体充填物料具有天然的散粒体特性，缺乏胶结性，导致其整体刚度与长期抗变形能力较差。上述原因导致充填过程中存在以下问题。

问题1，充填物料缺乏胶结性，充填体整体强度不足，抗变形能力差，对上覆顶板支撑能力不足，充填体产生大变形，顶板随之下沉，进而引发地表大幅下沉。

问题2，由于充填物料具有散粒体特性，整体性差，充填物料自然堆积形成坡面，在重力作用下物料具有向下滑动的趋势，不能形成直立面，充填体不能有效接触上覆顶板并支撑顶板。

问题3，传统高效胶凝剂流动性差，并且需要与骨料颗粒充分拌合后才能发挥胶凝作用，在充填材料运输到采空区前，必须提前拌合好，将拌合好的充填材料通过皮带和刮板输送机运送至采空区时，由于胶凝剂的存在，骨料颗粒会大量粘合在运输皮带或者刮板输送机上，并且充填物料在运送途中即胶凝定型，输送性差，容易导致运输系统故障。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明实施例提出一种煤矿采空区充填系统，该煤矿采空区充填系统能够对煤矿采空区进行充填，且充填物料的强度高、对顶板的支撑效果好。

本发明实施例还提出一种充填工艺。

本发明实施例的煤矿采空区充填系统包括：液压支架、刮板输送机、运输皮带、胶凝剂系统、早强剂系统和捣实机构，所述刮板输送机设置于所述液压支架靠近采空区的一侧，所述刮板输送机用于向采空区投放骨料，所述刮板输送机上设置有胶凝剂管路和早强剂管路，所述胶凝剂管路和所述早强剂管路分别用于喷洒胶凝剂和早强剂；所述运输皮带与所述刮板输送机相连，且所述运输皮带用于向所述刮板输送机运输所述骨料；所述胶凝剂系统包括制备硐室和第一输送管路，所述制备硐室用于制备所述胶凝剂，所述第一输送管路连接在所述制备硐室和所述胶凝剂管路之间并用于输送所述胶凝剂；所述早强剂系统包括容器和第二输送管路，所述第二输送管路连接在所述容器和所述早强剂管路之间并用于输送早强剂；所述捣实机构设置于所述液压支架，且所述捣实机构用于捣实所述骨料。

本发明实施例的煤矿采空区充填系统中，运输皮带和刮板输送机向采空区输送骨料和胶凝剂，胶凝剂能够将骨料粘结在一起并形成强度较高的充填体，早强剂能够降低胶凝剂的固化时间，使得充填体快速成型并具有较高的早期强度。胶凝剂由制备硐室制备完成后通过第一输送管路输送至刮板板输送机，随后通过刮板输送机的胶凝剂管路喷洒并与骨料混合。骨料在输送过程中不与胶凝剂接触，避免了粘结在运输皮带或者刮板输送机上的问题。捣实机构能够对充填体进行捣实，提高充填体的强度，同时使得充填体与顶板接触较为充分，充填体对顶板的支撑性较好。

在一些实施例中，所述胶凝剂管路包括上位胶凝剂管和下位胶凝剂管，所述早强剂管路包括上位早强剂管和下位早强剂管，所述上位胶凝剂管和所述上位早强剂管用于向采空区上部的骨料喷洒所述胶凝剂和所述早强剂，所述下位胶凝剂管和所述下位早强剂管用于向采空区下部的骨料喷洒所述胶凝剂和所述早强剂。

在一些实施例中，所述刮板输送机间隔设置有多个放料口，所述放料口能够打开或者闭合，所述放料口打开时所述刮板输送机向所述采空区投放所述骨料。

在一些实施例中，所述胶凝剂管路和所述早强剂管路均间隔设置有多个喷洒口，且所述喷洒口处设置有阀门，所述阀门用于控制所述喷洒口的启闭。

在一些实施例中，所述煤矿采空区充填系统包括驱动电机组，所述驱动电机组包括第一电机和第二电机，所述胶凝剂输送管路和所述早强剂输送管路连接在所述第一电机和所述第二电机之间，且所述第一电机和所述第二电机能够驱动所述胶凝剂输送管路和所述早强剂输送管路移动和转动，以改变喷洒高度和角度。

在一些实施例中，所述制备硐室设置于巷道内并位于煤柱侧，所述第一输送管路铺设于所述巷道，和/或，所述容器设置于所述巷道的超前支护段，所述第二输送管路铺设于所述巷道。

在一些实施例中，所述煤矿采空区充填系统包括行程传感器和角度传感器，所述行程传感器和所述角度传感器均设置于所述捣实机构并分别用于检测所述捣实机构的行程和角度。

在一些实施例中，所述煤矿采空区充填系统包括距离传感器，所述距离传感器设置于所述液压支架，且所述距离传感器用于检测检测充填物料是否接触采空区的顶板。

本发明实施例的充填工艺基于上述任一实施例的煤矿采空区充填系统，并包括以下步骤：

S1：运输皮带将骨料输送至刮板输送机，刮板输送机向采空区投放所述骨料；

S2：打开上位胶凝剂管和上位早强剂管的阀门，并向采空区上部的骨料喷洒胶凝剂和早强剂；

S3：打开下位胶凝剂管和下位早强剂管的阀门，并向采空区下部的骨料喷洒所述胶凝剂和所述早强剂；

S4：驱动捣实机构动作，先捣实上部充填物料，然后捣实下部充填物料，当所述充填物料接触顶板时，停止驱动捣实机构；

S5：驱动液压支架前进一个割煤步距，然后重复所述步骤S1-S4。

在一些实施例中，所述步骤S4中，通过距离传感器监测所述充填物料是否接触顶板。

附图说明

图1是本发明实施例的煤矿采空区充填系统的俯视图。

图2是本发明实施例的煤矿采空区充填系统的侧视图。

图3是本发明实施例的煤矿采空区充填系统的工作原理图。

图4是本发明实施例的煤矿采空区充填系统的刮板输送机的俯视图。

图5是本发明实施例的煤矿采空区充填系统的刮板输送机的剖视图之一。

图6是本发明实施例的煤矿采空区充填系统的刮板输送机的剖视图之二。

附图标记：

1、液压支架；2、刮板输送机；21、胶凝剂管路；211、上位胶凝剂管；212、下位胶凝剂管；22、早强剂管路；221、上位早强剂管；222、下位早强剂管；23、放料口；24、喷洒口；3、运输皮带；4、胶凝剂系统；41、制备硐室；42、第一输送管路；5、早强剂系统；51、容器；52、第二输送管路；6、捣实机构；61、行程传感器；62、角度传感器；7、驱动电机组；71、第一电机；72、第二电机；8、距离传感器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-6所示，本发明实施例的煤矿采空区充填系统包括：液压支架1、刮板输送机2、运输皮带3、胶凝剂系统4、早强剂系统5和捣实机构6。

如图1-3所示，刮板输送机2设置于液压支架1靠近采空区的一侧并用于向采空区投放骨料。刮板输送机2上设置有胶凝剂管路21和早强剂管路22，胶凝剂管路21和早强剂管路22分别用于喷洒胶凝剂和早强剂；运输皮带3与刮板输送机2相连，且运输皮带3用于向刮板输送机2运输骨料。

具体地，骨料可以为煤矸石，煤矸石骨料在地面加工车间制备，通过垂直投料井输送至井下，或者可以在煤矿井下直接分选出煤矸石骨料，煤矸石骨料储存在储备仓中。刮板输送机2为底卸式，底卸式刮板输送机2悬挂在工作面液压支架1的后部，并向后部的采空区投放骨料。运输皮带3一端与刮板输送机2搭接，另一端与储备仓连接，用于将储备仓内的煤矸石骨料输送至刮板输送机2。

如图1-3所示，胶凝剂系统4包括制备硐室41和第一输送管路42，制备硐室41用于制备胶凝剂，第一输送管路42连接在制备硐室41和胶凝剂管路21之间并用于输送胶凝剂。早强剂系统5包括容器51和第二输送管路52，第二输送管路52连接在容器51和早强剂管路22之间并用于输送早强剂。

具体地，胶凝剂可以为自密实混凝土，在煤矸石骨料上覆喷自密实混凝土浆液后，浆液利用自重自流充填入煤矸石骨料间的缝隙，自密实混凝土在充填体中的体积分数一般在8-15％。自密实混凝土用量小，并且一般泵送距离在200米左右。因此，如图1所示，可以在回风巷内，距离工作面200米处的煤柱侧开掘制备硐室41，在制备硐室41内进行胶凝剂的制备。且由于回风巷内只是行人、运料和回风，制备工作对生产的干扰很小。制备硐室41内可以配置搅拌机、输送泵，并在巷道内铺设第一输送管路42，第一输送管路42一端连接输送泵，一端与底卸式刮板输送机2上的胶凝剂管路21连接。第一输送管路42为柔性管路，便于移动。

早强剂能够降低自密实混凝土的胶凝硬化时间，使充填物料快速胶结为充填体，迅速提升充填体的早期强度，快速成型。早强剂对自密实混凝土后期强度并无显著影响。早强剂的用量较小，可以采用流动性较好液体早强剂。具体地，如图1所示，在回风巷道超前支护段内布置干净的水桶，水桶即构成所述容器51，超前支护段一般距离开采工作面30～50m，在水桶内放置早强剂及输送泵，在巷道内布置第二输送管路52，第二输送管路52一端连接输送泵，一端与底卸式刮板输送机2上的早强剂管路22连接。

如图1-3所示，捣实机构6设置于液压支架1，且捣实机构6用于捣实骨料。具体地，捣实机构6可以固定在液压支架1的底座上。

本发明实施例的煤矿采空区充填系统中，运输皮带3和刮板输送机2向采空区输送骨料和胶凝剂，胶凝剂能够将骨料粘结在一起并形成强度较高的充填体，早强剂能够降低胶凝剂的固化时间，使得充填体快速成型并具有较高的早期强度。胶凝剂由制备硐室41制备完成后通过第一输送管路42输送至刮板板输送机，随后通过刮板输送机2的胶凝剂管路21喷洒并与骨料混合。骨料在输送过程中不与胶凝剂接触，避免了粘结在运输皮带3或者刮板输送机2上的问题。捣实机构6能够对充填体进行捣实，提高充填体的强度，同时使得充填体与顶板接触较为充分，充填体对顶板的支撑性较好。

在一些实施例中，如图2-6所示，胶凝剂管路21包括上位胶凝剂管211和下位胶凝剂管212，早强剂管路22包括上位早强剂管221和下位早强剂管222，上位胶凝剂管211和上位早强剂管221用于向采空区上部的骨料喷洒胶凝剂和早强剂，下位胶凝剂管212和下位早强剂管222用于向采空区下部的骨料喷洒胶凝剂和早强剂。

具体地，如图2、3所示，上位胶凝剂管211和上位早强剂管221通过托架设置在刮板输送机2的上侧，用于对A、B区域喷洒胶凝剂和早强剂；下位胶凝剂管212和下位早强剂管222通过托架设置在刮板输送机2的下侧，用于对B、C区域喷洒胶凝剂和早强剂。上述设置能够极大的提升向采空区堆积煤矸石骨料的喷洒面积，同时胶凝剂及早强剂避免喷洒至刮板和液压支架1的底座，防止物料粘连机械构件，也不会干扰刮板及液压支架1的机械动作。

在一些实施例中，如图4所示，刮板输送机2间隔设置有多个放料口23，放料口23能够打开或者闭合，放料口23打开时刮板输送机2向采空区投放骨料。具体地，可以通过控制系统使刮板输送机2底部的放料口23打开或闭合，放料口23的间距可以为两米。

在一些实施例中，如图5、6所示，胶凝剂管路21和早强剂管路22均间隔设置有多个喷洒口24，且喷洒口24处设置有阀门，阀门用于控制喷洒口24的启闭。煤矿采空区充填系统包括驱动电机组7，驱动电机组7包括第一电机71和第二电机72，胶凝剂输送管路和早强剂输送管路连接在第一电机71和第二电机72之间，且第一电机71和第二电机72能够驱动胶凝剂输送管路和早强剂输送管路移动和转动，以改变喷洒高度和角度。

具体地，喷洒口24的间距与放料口23的间距相同，阀门可以为电控阀并通过控制系统控制启闭。在阀门开启时，第一电机71和第二电机72能够驱动上位胶凝剂管211和上位早强剂管221移动和转动，并对A、B区域喷洒胶凝剂和早强剂；第一电机71和第二电机72能够驱动下位胶凝剂管212和下位早强剂管222移动和转动，并对B、C区域喷洒胶凝剂和早强剂。

在一些实施例中，如图1所示，制备硐室41设置于巷道内并位于煤柱侧，第一输送管路42铺设于巷道，容器51设置于巷道的超前支护段，第二输送管路52铺设于巷道。

在一些实施例中，如图2、3所示，煤矿采空区充填系统包括行程传感器61和角度传感器62，行程传感器61和角度传感器62均设置于捣实机构6并分别用于检测捣实机构6的行程和角度。具体地，角度传感器62、行程传感器61负责实时监测捣实机构6的角度和行程，捣实机构6的伸出长度和角度可以根据监测数据通过油压进行调整。通过角度传感器62和行程传感器61记录捣实机构6的运动规律，通过对比确定最优的捣实路径，包括捣实频率、次数、力度、行程等。

在一些实施例中，如图2、3所示，煤矿采空区充填系统包括距离传感器8，距离传感器8设置于液压支架1，且距离传感器8用于检测检测充填物料是否接触采空区的顶板。具体地，距离传感器8安装在液压支架1的顶梁处，负责监测充填物料是否有效接顶，达到预期接顶效果了就可以停止捣实，如果未达到接顶效果，则一直捣实至预期接顶效果。

下面描述本发明实施例的充填工艺。

本发明实施例的充填工艺基于上述实施例的煤矿采空区充填系统，并包括以下步骤：

S1：运输皮带3将骨料输送至刮板输送机2，刮板输送机2向采空区投放骨料。骨料通过运输皮带3和刮板输送机2的运输到达待填充位置后，控制系统开启放料口23，骨料被投放至采空区，当充填物料堆积达到3/4工作面高度时，停止投放煤矸石骨料。

S2：打开上位胶凝剂管211和上位早强剂管221的阀门，并向采空区上部的骨料喷洒胶凝剂和早强剂。

S3：打开下位胶凝剂管212和下位早强剂管222的阀门，并向采空区下部的骨料喷洒胶凝剂和早强剂。胶凝剂和早强剂在喷洒的过程中混合或者落到骨料上后混合，早强剂能够使胶凝剂缩短胶凝时间，进而使得采空区的充填物料迅速胶结。

S4：驱动捣实机构6动作，先捣实上部充填物料，然后捣实下部充填物料，当充填物料接触顶板时，停止驱动捣实机构6。通过液压控制系统控制捣实机构6动作，捣实机构6首先压实中上部充填物料，然后压死中下部充填物料。采用距离传感器8监测充填体是否接顶，并一直捣实，直至达到预定的接顶效果。这一过程中可以采用角度传感器62和行程传感器61记录捣实机构6的运动规律，通过对比确定最优的捣实路径，包括捣实频率、次数、力度、行程等。

S5：驱动液压支架1前进一个割煤步距，然后重复步骤S1-S4。充填物料压实成理想充填体后，进行下一个充填循环。

在一些实施例中，步骤S4中，通过距离传感器8监测充填物料是否接触顶板。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。