一种用于煤矿井下地面钻孔远程构筑隔离墙的系统和方法

本发明属于煤矿安全及井下灾害治理，具体涉及一种用于煤矿井下地面钻孔远程构筑隔离墙的系统和方法。

背景技术：

1、煤炭作为我国主体能源，在开采过程中遗留有大量采空区及废弃巷道。这些区域极易积聚高浓度瓦斯及有毒有害气体，且遗留的碎煤在漏风供氧条件下会发生低温氧化，诱发煤自燃火灾。特别是在采空区大空洞、联络巷及开切眼区域，由于顶板垮落不充分，常形成巨大的非压实空间（即空洞区）。这些空洞区不仅构成了瓦斯爆炸的潜在危险源，更因其内部裂隙发育且贯通性好，极易形成稳定漏风通道，导致自燃发火期大幅缩短。

2、目前广泛采用的地面钻孔注浆技术，在用于压实或半压实区域时，浆液受围岩限制尚能堆积成墙；但在大空洞区域，浆液失去约束，呈“漫流”状态无序扩散。若浆液过稀，则流失至远处无法固结；若浆液过稠，则流动半径极小，需加密布孔（孔间距常需缩小至3~5m）才能实现搭接，导致钻孔工程量成倍增加，综合治理成本飙升。

3、传统解决方案是派人下井砌筑密闭墙。然而，在具有爆炸性危险（瓦斯浓度超标或存在自燃明火）的区域，人员进入作业本身就违反了安全生产的根本原则。即便采用现有的井下机械化注浆设备，操作人员仍需近距离接触危险区域，无法从根本上杜绝伤亡事故。

4、针对上述需求，已有相关专利和技术探索。专利cn109209498a公开了“煤矿井下远距离火区封闭方法”，该方法利用精确定位钻孔技术从地面向火区工作面的进风巷和回风巷进行定向钻孔施工，通过管路灌注高分子充填材料形成密闭墙，实现火区的远距离安全封闭。另有某公司提出矿用防爆六关节工业机械臂，可在井下替代人工完成喷浆作业和3d打印密闭墙，施工效率提升60%，工期缩短一半，墙体平整度误差可控制在10mm以内，实现了高危场景下“人退机进”。在设备封堵方面，专利cn121576130a公开了一种用于充填工作面的自移式挡墙装置，通过液压动力实现挡墙的自动支撑、密封与前移，将传统“人工筑墙”转变为“机械化封堵”。然而，现有注浆技术大多仅能实现裂隙充填，无法在开放的大空洞空间内主动构筑起一道具有一定厚度、连续且致密的隔离墙。

5、因此，研发一种能够集“地面远程控制、井下无人化展开、大范围空间喷洒成墙”于一体的新型系统，已成为煤矿防灭火领域的迫切需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种用于煤矿井下地面钻孔远程构筑隔离墙的系统和方法，通过地面遥控实现井下危险区域隔离墙的远程、安全、快速构筑，避免了人员进入爆炸性等危险环境作业，且能够留滞于井下形成永久隔离结构，适用于煤矿巷道封闭及采空区空洞治理。

2、采用的技术方案为：

3、一种用于煤矿井下地面钻孔远程构筑隔离墙的系统，包括地面控制系统、钻孔注浆组件和末端注浆构筑装置；

4、所述地面控制系统包括电磁控制器、铠装电缆及参数监测仪表；

5、所述钻孔注浆组件包括注浆泵和钻孔注浆管柱，所述钻孔注浆管柱包括至少一节注浆管，管内安装有用于传输控制信号与电能的铠装电缆，所述铠装电缆采用双芯复用结构，地面电磁控制器通过直流脉冲编码方式寻址井下防爆电磁阀；

6、所述末端注浆构筑装置通过可分离连接接口安装于所述注浆管柱底端；所述末端注浆构筑装置包括：

7、径向折叠展开臂组：包括至少2组铰链臂架，所述铰链臂架周向均布，每组臂架包括弹性储能驱动构件、水平托架及电磁限位器，能够在解锁后提供水平支撑力；

8、可伸缩注浆管网：包括一根中心骨管及至少两根可伸缩注浆分管；

9、防爆电磁锁紧机构：集成于装置顶部，包含矿用防爆电磁阀及机械锁合件，该锁紧机构被配置为响应于地面控制信号以释放所述径向折叠展开臂组；

10、可分离连接接口：配置为在承受轴向推力时保持连接，在承受旋转扭矩时发生相对转动以使装置与管柱脱开；

11、井下控制开关，设置于中心骨管的末端内部，包括矿用防爆电磁阀、卡套及弹簧，通过敷设于中心骨管内壁的铠装电缆与地面电磁控制器连接。

12、优选的，所述可分离连接接口为旋脱式机械接口，其配合面构造有单向棘齿或反向螺纹结构；当下放装置时，管柱向下的轴向推力使接口自锁；当注浆完成后，地面施加的旋转扭矩迫使接口沿解锁方向转动，实现装置的留滞与管柱的分离。

13、优选的，所述可伸缩注浆分管由一级固定管段与二级伸缩管段嵌套构成，二级伸缩管段响应于浆液压力而相对于固定管段滑移伸长。

14、优选的，所述弹性储能驱动构件为液压弹簧支柱，其一端安装在注浆管柱上，另一端安装在水平托架上；所述液压弹簧支柱由密封柱体、内置滑动活塞杆及承压弹簧构成；；所述水平托架上设有沿臂展方向的滑槽，所述二级伸缩管段的管壁设有导向筋，以在浆液压力作用下引导二级伸缩管段沿直线滑移，并防止喷洒过程中发生扭转。

15、优选的，所述二级伸缩管段与一级固定管段之间设有限位环，用于在伸缩到位时卡止；所述二级伸缩管段端头处布置花管，花管孔径从电磁限位器处到端头逐渐减小；作为进一步的优选，花管上开有2-6排孔径逐渐变小的孔。

16、优选的，所述末端注浆构筑装置整体收拢后的外径小于或等于所述钻孔注浆管柱的外径，以便在下放过程中顺利通过钻孔及套管，且在展开后形成远大于管柱直径的覆盖面积。

17、一种用于煤矿井下地面钻孔远程构筑隔离墙的方法，采用本发明的一种用于煤矿井下地面钻孔远程构筑隔离墙的系统，包括以下步骤：

18、s1、钻孔与下放：在地面施工垂直钻孔至目标封闭区域，将末端注浆构筑装置通过可分离连接接口连接于钻孔注浆管柱的底端，并将所述末端注浆构筑装置沿钻孔下放至预定标高；其中，所述目标封闭区域包括具有爆炸性危险的巷道或采空区空洞；

19、s2、远程解锁与径向展开：地面操作人员通过敷设于钻孔注浆管内壁的铠装电缆向井下矿用防爆电磁阀发送控制信号，所述防爆电磁阀动作以解除对径向折叠展开臂组的机械锁定；所述径向折叠展开臂组在预置的弹性储能构件驱动下，由贴靠钻孔注浆管柱的收拢态转为水平放射态，并带动联动的可伸缩注浆分管同步展开；

20、s3、注浆驱动二次伸长：启动地面注浆泵，浆液经钻孔注浆管柱及末端注浆构筑装置的中心骨管进入各可伸缩注浆分管；利用浆液泵送压力推动分管内的二级伸缩管段向外滑移，直至被限位环止挡，实现喷洒半径的二次扩展；

21、s4、空间喷洒与沉积成墙：浆液经由二级伸缩管段端头的花管向四周喷洒，在巷道断面或大空洞空间内形成立体网状沉积结构；当注浆压力达到预设阈值时停止注浆，浆液固化后与径向折叠展开臂组结合形成物理隔离墙；

22、s5、旋脱与管柱回收：在地面旋转所述钻孔注浆管柱，利用所述可分离连接接口的机械结构使末端注浆构筑装置与管柱脱开；将钻孔注浆管柱提出钻孔，所述末端注浆构筑装置留置于目标封闭区域内。

23、优选的，步骤s2中还包括通过电磁限位器对展开角度进行自适应调节：当目标封闭区域为巷道断面时，控制所述径向折叠展开臂组展开至全展开状态，展开夹角为75°~90°；当目标封闭区域为采空区空洞时，控制所述径向折叠展开臂组展开至半展开状态，展开夹角为30°~60°。

24、优选的，步骤s4中所述花管的孔径沿远离中心的端头方向呈梯度变化，具体为：沿浆液流向方向，花管孔口总面积从靠近中心骨管一侧向端头逐渐减小，以补偿管内沿程压降，使浆液在喷洒全长范围内保持均匀流出。

25、优选的，步骤s4中使用的注浆液为快凝膏体材料，该材料的初凝时间大于步骤s2至s4的总作业时长，且小于现场单孔作业的安全窗口期，以确保浆液在喷洒沉积后形成自承式结构。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

27、（1）本发明实现了“地面远程控制、井下无人化”的隔离墙构筑。通过地面控制系统经铠装电缆对井下控制开关进行远程指令控制，实现了注浆启停、装置展开等关键动作的全地面操控。彻底避免了人员进入爆炸性危险巷道，严格符合《煤矿安全规程》关于“地面钻孔注浆封闭或井下远距离控制”的要求，从根本上解决了传统下井砌墙或近距离操作设备带来的人员安全风险。

28、（2）本发明解决了在大空洞、开放空间内浆液“漫流”失序的难题。末端注浆构筑装置能够下放至目标巷道后，通过水平托架主动展开并支撑于巷道两帮，人为构筑出一个封闭的、受限的注浆空间，将开放的大空洞环境转变为封闭的模具化空间，使得注入的浆液被强制约束在该空间内凝固成型，避免了传统注浆在大空洞中因浆液“漫流”而无法堆积成墙、流失浪费或需极端加密钻孔的弊端。并且将喷洒点从单一管柱扩展到整个断面空间，解决了大空洞无法成墙的难题。

29、（3）本发明显著提升了隔离墙的致密性与结构强度。利用花管渐变孔径的设计，实现了沿注浆方向的均匀、缓释注浆，确保了墙体材料的密实填充。同时，注浆结束后整个末端装置永久留置于墙体内部，作为骨架增强材料。相比传统注浆仅能进行裂隙充填，该方法构建的隔离墙不仅连续、致密，而且具有内置的金属骨架，成墙质量高，抗压和抗变形能力远超普通浆液凝固体，有效提高了火区封闭的可靠性。

30、（4）本发明实现了注浆装置的可靠脱卸与重复利用。通过设计反向螺纹结构的可分离连接接口，地面人员仅需按特定方向旋转注浆管，即可在井下实现注浆管与末端装置的精准、可控分离。一方面，价格较高的注浆管（3）可以顺利起拔、清洗并重复使用，大幅降低了单个钻孔的材料成本；另一方面，末端装置可脱卸，避免了因强行起拔破坏未完全凝固墙体的风险，确保了隔离墙的完整性。

31、（5）本发明增强了系统对井下复杂环境的适应性。整套系统纯机械结构为主，电气部分本质安全，对井下崎岖、狭窄的巷道空间及爆炸性气体环境具有极强的适用性。