一种刚柔结合的永久密闭结构及施工方法与流程

本发明属于煤矿安全施工，特别提供了一种刚柔结合的永久密闭结构及施工方法。

背景技术：

1、在我国，绝大多数煤矿采用的是井工开采方式，即在地下进行煤炭的开采作业。由于地质条件和煤层深度等因素的限制，井下作业环境复杂，安全隐患频发。针对煤矿井下采空区的封闭问题，依据《煤矿安全规程》的规定，采煤工作面推进或开采结束后，必须及时封闭所有与采空区相连通的巷道；采区开采结束后45天内，必须在所有与采区相连通的巷道中设置防火墙，以全面封闭采区。这表明，井下采空区的封闭对于煤矿的安全生产至关重要。其主要原因在于采煤工作面回采过程中会形成采空区，而这些区域可能遗留有浮煤。在氧气充足的情况下，这些浮煤容易发生氧化自燃，进而引发火灾。通过封闭采空区，可以有效阻止空气流入，避免为浮煤提供氧化自燃的条件，从而预防采空区内自燃发火；同时，采空区内可能积聚高浓度的瓦斯和有害气体。若采空区未及时封闭，当大气压力发生改变或采空区大面积顶板垮塌时，这些有害气体可能被迅速挤压出来，进入与采空区相连通的巷道，导致人员中毒窒息，甚至可能引发瓦斯爆炸事故。

2、目前，采空区的封闭通常需要构建采空区密闭墙，一般包括两道密闭墙，通过在中间填充混凝土、黄土等材料来完成。密闭墙的类型主要分为柔性密闭墙和刚性密闭墙两种：柔性密闭墙主要由气囊体、裙形褶皱边及增稳张紧绳系等构成，通常用于临时密闭，其质量较轻，施工速度快，但承压能力和抗冲击性较弱，容易变形；刚性密闭墙则主要由木板、砖石砌筑或混凝土浇筑而成，通常用于永久密闭，其承压能力强，但构建难度较大，后期若出现开裂，补封难度大且成本高昂，通常需要重新构建密闭墙来处理。此外，若因特殊原因需要对采空区密闭墙进行启封，其危险性显著增加，通常需要清除密闭墙采空区侧的有害气体，这一过程周期长且效果不佳，现有技术尚无法完全满足需求。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种刚柔结合的永久密闭结构，包括膨胀变形单元和刚性支撑单元；

2、所述刚性支撑单元包括两个墙体组件和充填体，墙体组件由两堵密闭墙和夹层构成，两堵密闭墙平行设置，夹层设置于两堵密闭墙的间隙内，两个墙体组件分别设置于充填体的内外两侧；

3、所述膨胀变形单元包括柔性墙和高压膨胀胶囊，高压膨胀胶囊套接于充填体的中部，柔性墙设置于采空区与刚性支撑单元之间，且柔性墙与内侧的墙体组件之间留有间隙。

4、进一步地，一种刚柔结合的永久密闭结构，还包括辅助单元，所述辅助单元包括注浆管、采空区气体观测管、调压室气体观测管、输气管、输液管、放水管和注气调压管，注浆管自外至内的贯穿外侧的墙体组件，其末端延伸至充填体内，采空区气体观测管自外至内的贯穿外侧的墙体组件、充填体、内侧的墙体组件和柔性墙，其末端延伸至柔性墙的内侧，调压室气体观测管自外至内的贯穿外侧的墙体组件、充填体和内侧的墙体组件，其末端延伸至柔性墙与内侧的墙体组件之间的间隙内，输气管自外至内的贯穿外侧的墙体组件、充填体和内侧的墙体组件，其末端延伸至柔性墙的内部，输液管自外至内的贯穿外侧的墙体组件，其末端延伸至高压膨胀胶囊内部，放水管自外至内的贯穿外侧的墙体组件、充填体、内侧的墙体组件和柔性墙，其末端延伸至柔性墙的内侧，注气调压管自外至内的贯穿外侧的墙体组件、充填体和内侧的墙体组件，其末端延伸至柔性墙与内侧的墙体组件之间的间隙内。

5、进一步地，所述注浆管的长度及其所在高度均与高压膨胀胶囊膨胀的位置相匹配，当高压膨胀胶囊膨胀时，注浆管的端口与高压膨胀胶囊相抵接，使注浆管的端口被完全封堵。

6、进一步地，所述柔性墙和高压膨胀胶囊的内外端面上均等间距的设置有多个固定翼，两个墙体组件与高压膨胀胶囊之间通过固定翼定位。

7、进一步地，所述夹层的材料采用黄土、粉煤灰或混凝土中任意一种或几种的混合。

8、一种刚柔结合的永久密闭结构的施工方法，具体步骤如下：

9、步骤一、构筑柔性墙，隔离采空区；

10、在巷道内施工第四掏槽，将柔性墙构筑于第四掏槽内；

11、同时，部署放水管和采空区气体观测管；

12、步骤二、构筑位于内侧的墙体组件，形成调压室；

13、在巷道内施工第三掏槽，将墙体组件构筑于第三掏槽内；

14、同时，延长放水管、输气管和采空区气体观测管，部署注气调压管和调压室气体观测管；

15、步骤三、安装高压膨胀胶囊；

16、在巷道内施工第二掏槽，将高压膨胀胶囊装配于第二掏槽内，并进行一次试压；

17、步骤四、构筑位于外侧的墙体组件；

18、在巷道内施工第一掏槽，将墙体组件构筑于第一掏槽内；

19、同时，进一步延长注气调压管、放水管、输液管、输气管、调压室气体观测管和采空区气体观测管，部署注浆管；

20、步骤五、向两道墙体组件之间注浆，形成充填体；

21、注浆管与外部注浆设备连接后打开相关阀门，将浆体注入两道墙体组件之间；

22、在浆体充满两道墙体组件之间后，启动外部注液设备，向高压膨胀胶囊内注入高压液体，直至高压膨胀胶囊膨胀到极限状态时停止注液；

23、随后，对注浆管内的浆体进行卸压，并冲洗注浆管；

24、步骤六、调整调压室的内压，隔绝采空区气体与墙体组件的接触。

25、进一步地，一种刚柔结合的永久密闭结构的施工方法，还包括：

26、步骤七、循环补封充填体内部裂隙及巷道周边岩体的裂隙；

27、当巷道周边及充填体内部出现裂缝时，实施步骤七。

28、进一步地，所述步骤七的具体实施过程为：

29、控制高压膨胀胶囊收缩，并通过注浆管再次向两道墙体组件之间注入浆体，直到充满与之相连的裂隙，随后控制高压膨胀胶囊膨胀。

30、进一步地，一种刚柔结合的永久密闭结构的施工方法，还包括：

31、步骤八、密闭启封，拆除密闭结构；

32、当出现特殊工况，需要对刚柔结合的密闭结构进行启封时，实施步骤八。

33、进一步地，所述步骤八的具体实施过程为：

34、维持柔性墙稳定的情况下，先拆除外部的墙体组件，再降低采空区气体压力，同时控制柔性墙的收缩增加进入采空区新鲜风流，逐步拆除柔性墙。

35、使用本发明的有益效果是：

36、1、本发明采用刚柔结合的方式进行密闭处理，先构筑柔性墙先行封闭巷道，再构筑墙体组件进行刚性密闭，实现采空区的高质量封闭；

37、2、在柔性墙与内侧的墙体组件之间设置有调压室，能够通过向调压室内注入氮气对调压室内的气压进行微调，进而有利于隔绝采空区与巷道内的空气交流；

38、3、在两个墙体组件之间布置高压膨胀胶囊，通过控制高压膨胀胶囊的收缩与膨胀，控制高压膨胀胶囊脱离或支撑充填体，进而实现循环补封充填体及其周边裂隙的功能；同时，高压膨胀胶囊能够封闭注浆管，使注浆管具备复用性，降低施工成本。

39、4、墙体组件主要由砖块和黄土组成，其原料供应充足且价格便宜；两道密闭之间的充填体主要由粉煤灰、水泥、砂子、矸石及生石灰组成，成本低，同时达到废物利用的效果。