一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置与方法

摘要

本发明公开了一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置与方法，包括阻气材料及依次连接的分级挡矸单元；分级挡矸单元包括网状的一级挡矸机构与网状的二级挡矸机构，一级挡矸机构的网孔大于二级挡矸机构的网孔，一级挡矸机构位于采空区紧邻冒落矸石，二级挡矸机构位于巷道一侧；一级挡矸机构与二级挡矸机构的上下端通过横向液压装置连接，该横向液压装置通过液压实现横向伸缩，进而实现二级挡矸机构的位移，避免大量矸石瞬时全部作用在单一挡矸结构而造成挡矸结构的弯曲损坏，实现立体、分级挡矸。分级挡矸单元外部铺设阻气材料，阻止有害气体向巷道内流动。

权利要求

1.一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，其特征在于，包括阻气材料及依次连接的分级挡矸单元；分级挡矸单元包括网状的一级挡矸机构（4）与网状的二级挡矸机构（6），一级挡矸机构（4）的网孔大于二级挡矸机构（6）的网孔，一级挡矸机构位于采空区紧邻冒落矸石，二级挡矸机构位于巷道一侧；一级挡矸机构（4）与二级挡矸机构（6）的上下端通过横向液压装置（5）连接，该横向液压装置（5）通过液压实现横向伸缩，进而实现二级挡矸机构（6）的位移，分级挡矸单元外部铺设阻气材料，阻止有害气体向巷道内流动。

2.根据权利要求1所述的一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，其特征在于，所述一级挡矸机构（4）与二级挡矸机构（6）之间填置充填材料；充填材料为木桩或废弃锚杆材料，增大矸石流动阻力。

3.根据权利要求1所述的一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，其特征在于，阻气材料上布置有注料孔，通过注料孔向一、二级挡矸机构形成的空间内充填膨胀材料，更好地阻止有害气体向巷道流动。

4.根据权利要求1所述的一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，其特征在于，所述阻气材料包括PVC塑料或合成纤维布。

5.根据权利要求1所述的一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，其特征在于，所述一级挡矸机构、二级挡矸机构分别由筛选网（41）、（61）、支撑杆（42）、（62）构成；支撑杆（42）、（62）分别固定于筛选网（41）、（61）的四周，筛选网（41）、（61）与支撑杆（42）、（62）通过焊接或钢筋搭接形式连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，其特征在于，一级挡矸机构的筛选网（41）的网孔为方形，选用3 5mm钢筋制成，网孔尺寸为400 mm×~

400mm，具有较高的强度；二级挡矸机构的筛选网（61）的网孔为菱形，网孔尺寸为150mm×

150mm，选用铁丝或高强度塑钢网制成；一级挡矸机构、二级挡矸机构的竖向支撑杆（42）、（62）上、下端头焊接有用以与液压装置耳环（91）、（92）相配套的连接耳环。

7.根据权利要求1所述的一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，其特征在于，所述分级挡矸单元沿工作面推进方向设置多组，相邻的一级挡矸机构之间、相邻的二级挡矸机构之间分别通过螺栓或卡缆连接。

8.根据权利要求1所述的一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，其特征在于，所述一级挡矸机构和二级挡矸机构之间的距离a=1500 2500mm；所述的一级挡矸机构~

（4）、二级挡矸机构（6）的长度为c，高度为b，c是指平行于工作面推进方向挡矸机构的长度；

b是指垂直方向挡矸机构的高度；b根据煤层条件与开采技术确定，b=d‑300 400mm，d为巷道~

高度；c等于液压支架移动步距为800 1000mm；单片阻气材料长度为t=3c，宽度为x=a+b+~

200mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，其特征在于，所述分级挡矸单元通过限位机构与顶板和底板固定，限位机构包括顶板限位机构（73）、（74）和底板限位机构（71）、（72），为向底板和顶板内增设固定的木桩或短锚杆。

10.利用权利求1 9任意一项权利要求所述的立体分级挡矸阻气装置进行无煤柱自成~

巷的立体分级挡矸阻气的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1）掘进期间，通过爆破或机械掘进方式掘出回采巷道（1），设计巷道断面尺寸，巷道高度为d，宽度为e，无煤柱自成巷通风或行人或运输所需的宽度为f，一级挡矸机构和二级挡矸机构之间的距离为a；其中巷道高度为d=3.0 3.5m；宽度e=f+a+300mm；巷道掘进过程~

中，及时对巷道顶板、两帮进行锚杆和锚索加固；

步骤2）回采期间，在工作面前方100m内通过爆破或切顶锚索沿着实体煤帮顶板进行预裂；并在巷道底板上安装底板限位机构（71）；

步骤3）在工作面的端头液压支架（31）、（32）顶部铺设顶板阻气材料，并通过顶板限位机构（73）、（74）将顶板阻气材料固定在顶板上；

步骤4）工作面割煤一刀后，端头液压支架（31）、（32）前移一个步距c； 在端头液压支架（31）、（32）后掩护梁与已经固定好的顶板阻气材料的保护下，将连接好的一级挡矸机构（4）运送到采空区与回采巷道交界区域，并通过已安装的底板限位机构（71）和顶板限位机构（73）将一级挡矸机构（4）固定，并使得一级挡矸机构（4）在矸石挤压力、底板限位机构（71）和顶板限位机构（73）的作用下保持稳定；

步骤5）在一级挡矸机构（4）和顶板阻气材料的保护下，通过横向液压装置（5）的耳环（91）、（92）将二级挡矸机构（6）与一级挡矸机构（4）连接，通过向横向液压装置（5）的注入油液实现横向运动，将二级挡矸机构（6）推送至既定位置，距一级挡矸机构距离为a；

步骤6）在一级挡矸机构（4）与二级挡矸机构（6）形成的空间内，放入一些固体填充材料（8），一方面增加挡矸机构整体稳定性，另一方面进一步加大矸石涌入巷道的阻力；至此，第

1组分级挡矸单元安设完毕；

步骤7）按照上述步骤，端头液压支架（31）、（32）继续往前推进第二个步距c，完成第2组分级挡矸单元的安装；第1组与第2组分级挡矸单元中的一级挡矸机构（4）、二级挡矸机构（6）分别通过螺栓或卡缆形式进行连接；端头液压支架（31）、（32）继续推进第三个步距c，完成第3组分级挡矸单元的安装，并与第2个挡矸装置通过螺栓或卡缆形式连接；

步骤8）待3组分级挡矸单元安装完毕，将阻气材料（2）覆盖在二级挡矸机构（6）表面，在底板安装限位机构（72），将阻气材料固定；

步骤9）通过阻气材料（2）上的注料孔，向挡矸装置内注射膨胀材料，将挡杆机构内矸石中的空隙充满，阻挡气体向外渗透，至此完成一个循环；

步骤10）重复上述步骤，每安装3组分级挡矸单元为一个循环，直至工作面回采结束。

说明书

一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及矿井安全领域，具体公开了一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置与方法。

背景技术

[0002] 切顶成巷是一种新兴的无煤柱开采方式，其取消了常规沿空留巷中的充填岩柱、无需使用人工充填材料，只需对顶板进行卸压降顶，利用矿山压力和岩体的碎胀特性即可
实现无煤柱开采。随着切顶成巷技术日渐成熟，其已在薄及中厚煤层推广应用，效果明显。
但无煤柱自成巷技术在厚煤层开采、顶板破碎条件下的推广使用过程中仍存在诸多技术局
限性：一方面，由于厚煤层采出空间大，采空区顶板岩体松动范围大，形成的矸石容量大，对
巷旁挡矸结构的瞬时冲击力和长期挤压作用力较大；在薄及中厚煤层中常用的工字钢、单
体液压支柱等常规挡矸机构在厚煤层无煤柱自成巷条件下，容易出现弯曲变形、压入底板
等问题，无法再次回收利用，并使得无煤柱自成巷处于大变形状态。另一方面，当煤层形成
条件较为复杂时，煤层采出后，诸多有害气体如一氧化碳、甲烷等在矸石内游离，并逐渐向
巷道内涌出；以往多采用在单体柱或支架后加塞木背板、充填物等方式隔离采空区，但当有
害气体量大且游离性较好时，有害气体将不可避免的向巷道内涌出。最后，挡矸结构多布置
在原有巷道与采空区冒落临界区域，挡矸结构容易受到顶板沉降影响，当巷道顶板下沉量
比较大时，支护结构容易发生变形破坏。

发明内容

[0003] 本发明提出了一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置与方法，可以实现对冒落矸石的分流、立体阻挡及对有害气体的有效封堵。

[0004] 本发明采用的技术方案是：一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，包括阻气材料及依次连接的分级挡矸单元；分级挡矸单元包括网状的一级挡矸机构与网状的
二级挡矸机构，一级挡矸机构的网孔大于二级挡矸机构的网孔，一级挡矸机构位于采空区
紧邻冒落矸石，二级挡矸机构位于巷道一侧；一级挡矸机构与二级挡矸机构的上下端通过
横向液压装置连接，该横向液压装置通过液压实现横向伸缩，进而实现二级挡矸机构的位
移，分级挡矸单元外部铺设阻气材料，阻止有害气体向巷道内流动。

[0005] 特别地，所述一级挡矸机构与二级挡矸机构之间填置充填材料；充填材料为木桩、废弃锚杆材料、具有一定形状的器物等，增大矸石流动阻力。

[0006] 特别地，位于巷道侧的阻气材料上布置有注料孔，通过注料孔向一、二级挡矸机构形成的空间内充填膨胀材料，更好地阻止有害气体向巷道流动。

[0007] 特别地，所述阻气材料为密度较高的，具有防火、耐磨等特性的材料，包括但不仅限于PVC塑料、玻璃纤维布、合成纤维布。

[0008] 特别地，所述一级挡矸结构、二级挡矸机构分别由筛选网、支撑杆构成；支撑杆分别固定于筛选网的四周，筛选网与支撑杆通过焊接或钢筋搭接形式连接。

[0009] 特别地，一级挡矸结构的筛选网的网孔为方形，选用3～5mm钢筋制成，网孔尺寸为400mm×400mm，具有较高的强度；二级挡矸结构的筛选网的网孔为菱形，网孔尺寸为150mm
×150mm，选用铁丝、高强度塑钢网制成。

[0010] 特别地，一级挡矸结构、二级挡矸机构的竖向支撑杆上、下端头焊接有用以与液压装置耳环相配套的连接耳环。

[0011] 所述分级挡矸单元沿工作面推进方向设置多组，相邻的一级挡矸机构之间、相邻的二级挡矸机构之间分别通过螺栓或卡缆连接。

[0012] 所述一级挡矸结构和二级挡矸结构之间的距离a＝1500～2500mm。

[0013] 所述的一级挡矸结构、二级挡矸结构的长度为c，高度为b，c是指平行于工作面推进方向、挡矸机构的长度；b是指垂直方向，挡矸机构的高度。b根据煤层条件与开采技术确
定，b＝d‑300～400mm，d为巷道掘进高度；c等于液压支架移动步距，800～1000mm。所述单片
阻气材料长度为t＝3c，宽度为x＝a+b+200mm。

[0014] 所述分级挡矸单元通过限位机构与顶板或底板固定，限位机构包括顶板限位机构和底板限位机构，为向底板或顶板内增设固定的木桩或短锚杆。

[0015] 所述横向液压装置为液压缸，由耳环、油缸、活塞、活塞杆、缸盖、密封垫、进油口15、进油口组成。通过在进油口或中输入液体，可实现活塞双向运动。一种用于无煤柱自成
巷的立体分级挡矸阻气的方法，包括以下步骤：

[0016] 步骤1)掘进期间，通过爆破或机械掘进方式掘出回采巷道，设计巷道断面尺寸，巷道高度为d，宽度为e，无煤柱自成巷通风、行人、运输所需的宽度为f，分级挡矸机构的宽度
为a；其中巷道高度为d＝3.0～3.5m；宽度e＝f+a+300mm；巷道掘进过程中，及时对巷道顶
板、两帮进行锚杆索加固；

[0017] 步骤2)回采期间，在工作面前方100m内通过爆破或切顶锚索、沿着实体煤帮顶板进行预裂；并在巷道底板上安装底板限位机构；

[0018] 步骤3)在工作面的端头液压支架顶部铺设阻气材料，并通过顶板限位机构将阻气材料固定在顶板上；

[0019] 步骤4)工作面割煤一刀后，端头液压支架前移一个步距c；在端头液压支架后掩护梁与已经固定好的阻气材料的保护下，将连接好的一级挡矸结构运送到采空区与回采巷道
交界区域，并通过已安装的底板限位机构和顶板限位机构将一级挡矸结构固定，并使得一
级挡矸机构在矸石挤压力、底板限位机构和顶板限位机构的作用下保持稳定；

[0020] 步骤5)在一级挡矸结构和顶板阻气材料的保护下，通过横向液压装置的耳环将二级挡矸机构与一级挡矸结构连接，通过向横向液压装置的注入油液实现横向运动，将二级
挡矸结构推送至既定位置，距一级挡矸机构距离为a；

[0021] 步骤6)在一级挡矸机构与二级挡矸机构形成的空间内，放入一些固体填充材料，如废弃木材、钢材等，一方面增加挡矸结构整体稳定性，另一方面进一步加大矸石涌入巷道
的阻力；至此，第1组分级挡矸单元安设完毕；

[0022] 步骤7)按照上述步骤，端头液压支架继续往前推进第二个步距c，完成第2组分级挡矸单元的安装；第1组与第2组分级挡矸单元中的一级挡矸机构、二级挡矸机构分别通过
螺栓或卡缆形式进行连接；端头液压支架继续推进第三个步距c，完成第3组分级挡矸单元
的安装，并与第2个挡矸装置通过螺栓或卡缆形式连接；

[0023] 步骤8)待3组分级挡矸单元安装完毕，将阻气材料覆盖在二级挡矸机构表面，分别在底板安装限位机构，将阻气材料固定。

[0024] 步骤9)通过阻气材料上的注料孔，向挡矸装置内注射膨胀材料，将挡杆机构内矸石中的空隙充满，阻挡气体向外渗透，至此完成一个循环；

[0025] 步骤10)重复上述步骤，每安装3组分级挡矸单元为一个循环，直至工作面回采结束。

[0026] 本发明的有益效果：

[0027] 1、对矸石进行分流、分级、立体挡矸。该挡矸装置具有一级、二级挡矸结构，可对不同孔径大小的矸石进行分流作用：粒径在400mm×400mm以上的矸石被一级挡矸结构阻挡，
矸石粒径小于400mm×400mm将被二级挡矸结构阻挡；从而避免大量矸石瞬时全部作用在单
一挡矸结构而造成挡矸结构的弯曲损坏，实现立体、分级挡矸。

[0028] 2、全方位阻隔气体涌入巷道。阻气材料采用高密度、耐磨、阻燃材料制成，从挡矸装置顶部覆盖至二级挡矸结构表面，实现对挡矸结构的整体覆盖，后期通过注入特制膨胀
材料进一步限制气体的流动，避免气体涌入。

[0029] 3、挡矸结构原位设计，避免不利变形。从巷道掘进开始，对巷道断面进行拓宽设计，使得在工作面回采过程中，分级挡矸结构位于设计巷道断面内部，使其受到顶板锚杆索
的保护作用，避免立体挡矸结构受到顶板下沉的过多影响而发生变形。

[0030] 4、该立体分级挡矸阻气装置的制作简单、施工方便、不影响工作面推进。

附图说明

[0031] 图1—分级挡矸阻气装置现场应用俯视图。

[0032] 图2—分级挡矸阻气装置现场应用主视图。

[0033] 图3—分级挡矸单元。

[0034] 图4—横向液压装置结构图。

[0035] 图5—横向液压装置和一级挡矸机构、级挡矸机构的爆炸示意示意图。

[0036] 图6横向液压装置和一级挡矸机构、级挡矸机构的连接结构示意图。

[0037] 图中，1—巷道，2—阻气材料，31、32—端头液压支架，4—一级挡矸机构，41—筛选网，42—支撑杆，5—横向液压装置，6—二级挡矸机构，61—筛选网，62—支撑杆，71、72—底
板限位机构，73、74—顶板限位机构，8—固体填充材料，91、92—耳环，93、94—连接耳环，
10—油缸，11—活塞，12—活塞杆，13—缸盖，14—密封垫，15、16—进油口，a—分级挡矸装
置宽度，b—分级挡矸装置高度，c—分级挡矸装置长度，d—巷道掘进断面高度，e—巷道掘
进断面宽度，f—无煤柱自成巷断面宽度。

具体实施方式

[0038] 如图1‑6示，一种用于无煤柱自成巷的立体分级挡矸阻气装置，包括阻气材料2及依次连接的分级挡矸单元；分级挡矸单元包括网状的一级挡矸机构4与网状的二级挡矸机
构6，一级挡矸机构4的网孔大于二级挡矸机构6的网孔，一级挡矸机构位于采空区紧邻冒落
矸石，二级挡矸机构位于巷道一侧；一级挡矸机构4与二级挡矸机构6的上下端通过横向液
压装置5连接，该横向液压装置5通过液压实现横向伸缩，进而实现二级挡矸机构6的位移，
分级挡矸单元外部铺设阻气材料，阻止有害气体向巷道内流动。

[0039] 所述一级挡矸机构4与二级挡矸机构6之间填置充填材料；充填材料为木桩、废弃锚杆材料、具有一定形状的器物等，增大矸石流动阻力。

[0040] 位于巷道侧的阻气材料2上布置有注料孔，通过注料孔向一、二级挡矸机构4、6形成的空间内充填膨胀材料，更好地阻止有害气体向巷道流动。

[0041] 所述阻气材料2为密度较高的，具有防火、耐磨等特性的材料，包括但不仅限于PVC塑料、玻璃纤维布、合成纤维布。

[0042] 如图3所示，所述一级挡矸结构4、二级挡矸机构6分别由筛选网41、61、支撑杆42、62构成；支撑杆42、62分别固连于筛选网41、61的四周，筛选网41、61与支撑杆42、62通过焊
接或钢筋搭接形式连接。

[0043] 如图3所示，一级挡矸结构的筛选网41的网孔为方形，选用3～5mm钢筋制成，网孔尺寸为400mm×400mm，具有较高的强度；二级挡矸结构6的筛选网61的网孔为菱形，网孔尺
寸为150mm×150mm，选用铁丝、高强度塑钢网制成。

[0044] 如图4、图5和图6所示，一级挡矸结构4、二级挡矸机构6的竖向支撑杆42、62上、下端头焊接有用以与液压装置耳环91、92相配套的连接耳环93、94。

[0045] 所述分级挡矸单元沿工作面推进方向设置多组，相邻的一级挡矸机构4之间、相邻的二级挡矸机构6之间分别通过螺栓或卡缆连接。

[0046] 所述一级挡矸结构4和二级挡矸结构6之间的距离a＝1500～2500mm。

[0047] 如图3所示，所述的一级挡矸结构4、二级挡矸结构6的长度为c，高度为b，c是指平行于工作面推进方向挡矸机构的长度；b是指垂直方向，挡矸机构的高度。b根据煤层条件与
开采技术确定，b＝d‑300～400mm，d为巷道掘进高度；c等于液压支架移动步距，800～
1000mm。所述单片阻气材料长度为t＝3c，宽度为x＝a+b+200mm。

[0048] 所述分级挡矸单元通过限位机构与顶板或底板固定，限位机构包括顶板限位机构73、74和底板限位机构71、72，为向底板或顶板内增设固定的木桩或短锚杆。

[0049] 所述横向液压装置5为液压缸，由耳环91、92、油缸10、活塞11、活塞杆12、缸盖13、密封垫14、进油口15、进油口16组成。通过在进油口15或16中输入液体，可实现活塞双向运
动。

[0050] 实施步骤：

[0051] 1、掘进期间，通过爆破或机械掘进方式掘出回采巷道1，设计巷道断面尺寸，巷道高度为d，d根据煤层赋存条件及开采技术条件确定，一般地，d＝3.0～3.5m；宽度为e，e＝f+
a+300mm，f为无煤柱自成巷通风、行人、运输所需的宽度，a为分级挡矸机构的宽度。巷道掘
进过程中，及时对巷道顶板、两帮进行锚杆索加固。

[0052] 2、回采期间，在工作面前方100m内通过爆破或切顶锚索、沿着实体煤帮顶板进行预裂；并在巷道底板上安装底板限位机构71。限位机构71可以通过向底板内增设木桩、短锚
杆形式实现。

[0053] 3、在工作面端头两支架31、32顶部铺设阻气材料2，并通过限位机构73、74将端头架31上部阻气材料固定在顶板上。限位机构73、74可以通过向顶板内增设木桩、短锚杆形式
实现。

[0054] 4、工作面割煤一刀后，端头液压支架前移一个步距c；在工作面的端头液压支架后掩护梁与顶板已经固定好的阻气材料2的保护下，将连接好的一级挡矸结构41、42运送到采
空区与回采巷道交界区域，并通过已安装的底板限位机构71和顶板限位机构73将一级挡矸
结构4固定，并使得一级挡矸机构4在矸石挤压力、限位机构71、73的作用下保持稳定。

[0055] 5、在一级挡矸结构41、42和顶板阻气材料2的保护下，通过横向液压装置5的耳环91、92将二级挡矸机构61、62与一级挡矸结构41、42连接。通过向横向液压装置5的注入油液
实现横向运动，将二级挡矸结构61、62推送至既定位置(距一级挡矸机构距离为a)。

[0056] 6、在一级挡矸机构与二级挡矸机构形成的空间内，放入一些固体填充材料8如废弃木材、钢材等，一方面增加挡矸结构整体稳定性，另一方面进一步加大矸石涌入巷道的阻
力。

[0057] 7、至此，第1组分级挡矸单元安设完毕。

[0058] 8、按照上述步骤，支架继续往前推进第二个步距c，完成第2组分级挡矸单元的安装；第1组与第2组分级挡矸单元中的一级挡矸机构、二级挡矸机构分别通过螺栓或卡缆形
式进行连接；支架继续推进第三个步距c，完成第3组分级挡矸单元的安装，并将与第2个挡
矸装置通过螺栓或卡缆形式连接。

[0059] 9、待3组分级挡矸装置安装完毕，将阻气材料2覆盖在二级挡矸机构61、62表面，分别在底板安装限位机构72，将阻气材料固定。限位机构72可以通过向底板内增设木桩、短锚
杆形式实现。

[0060] 10、通过阻气材料2上的注料孔，向挡矸装置内注射膨胀材料，将挡矸机构内矸石中的空隙充满，阻挡气体向外渗透。至此完成一个循环。

[0061] 11、重复上述步骤，每安装3组挡矸装置为一个循环，直至工作面回采结束。