井下坍塌松散体救援通道快速构建方法与流程

1.本发明涉及煤矿安全生产应急救援技术领域，具体而言，涉及一种井下坍塌松散体救援通道快速构建方法。


背景技术：

2.目前，煤炭是能源的主体来源之一，其中煤炭产量的90％依靠于井工开采。由于煤矿井下开采条件复杂，再加之施工和管理不当，在煤炭生产过程中极易诱发动力灾害，如煤与瓦斯突出、火灾和煤尘引起的爆炸和冲击地压等灾害。这些灾害会造成周围井巷不同程度的破坏、坍塌甚至完全堵塞，使得逃生路线和救援通道被阻断，从而导致被困的受灾人员不能及时撤离或救治而时刻面临生命危险。
3.煤矿井下巷道按照作用和服务范围，划分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道三种。不同种类的巷道，对应的支护方式、巷内服务设备和铺设管道会不同。此外，相较于地面隧道救援，煤矿井下救援空间狭小，无法使用大型自动化设备，造成工作效率低，煤矿井下救援难度更高，要求更高；井下埋深大，地质条件复杂，对救援通道的设备适应性要求更高；井下含有瓦斯易爆易燃气体，需使用井下专用防爆救援设备。现有技术中的煤矿井下沿坍塌巷道构建救援通道的方法主要有人工清障法和钻进法，但是人工清障法存在人员作业安全性低、开挖效率低等问题；钻进法存在钻进效率低、设备配套性差、地质条件适应性差等问题；上述两种构建方法均存在救援通道构建效率低的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种井下坍塌松散体救援通道快速构建方法，以解决现有技术中救援通道构建效率低的问题。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种井下坍塌松散体救援通道快速构建方法，包括：判断坍塌巷道的坍塌等级；根据坍塌巷道的坍塌体及覆岩状态计算坍塌巷道顶板压力pd，选定预设救援通道的位置；向预设救援通道的顶部交叉地插入多个预撑板；将两组液压支撑系统分别放置在预设救援通道内地面的两侧；将液压调节器的两端分别套设在两组液压支撑系统中的液压伸缩杆上，通过液压伸缩杆支撑预设救援通道顶部两侧的预撑板的外露悬空部分；液压调节器随着液压伸缩杆移动，以支撑位于预设救援通道中部的预撑板的悬空部分，通过液压调节器中的多个液压调节杆分别调整对应的预撑板的支撑力，以支撑位于预设救援通道中部不同高度的预撑板；通过递进式支护方式，重复进行上述支护步骤，以完成井下坍塌松散体救援通道的构建。
6.进一步地，通过多个液压调节杆分别调整对应的预撑板的支撑力包括：液压调节器包括液压调节杆、液压调节缸、液压控制管路、固定板和设置在固定板两端的两个固定孔，两个固定孔分别套设在两个液压伸缩杆上，液压调节缸和固定板连接，液压调节杆、液压控制管路均位于液压调节缸上；在构建救援通道的过程中，分别控制每个液压调节杆对相应的预撑板的支撑力，将预撑板受到的应力分布在液压调节器上。
7.进一步地，井下坍塌松散体救援通道快速构建方法还包括：向预设救援通道的顶部交叉地插入多个预撑板后，通过液压破拆工具组、顶撑装置对预撑板下方的堆积体进行破碎、拆除及支撑；在预设救援通道的延伸方向上，通过辅助支撑架将相邻的两个液压支撑系统的液压支柱连接。
8.进一步地，将相邻的两个液压支撑系统的液压支柱连接包括：采用铰接的方式将辅助支撑架的两端分别与相邻的两组液压支柱的上端、下端连接。
9.进一步地，根据坍塌巷道的坍塌体及覆岩状态计算坍塌巷道顶板压力pd包括：根据坍塌巷道坍塌的埋深、地质构造条件以及坍塌巷道未堵塞区域内坍塌体的分布形态和结构特征，将坍塌巷道划分为结构稳定区、非稳定区、应力卸压区和应力集中区；在结构稳定区和应力卸压区内选定预设救援通道的位置；采用关键层理论或经验估算法计算坍塌巷道顶板压力pd。
10.进一步地，井下坍塌松散体救援通道快速构建方法还包括：计算完坍塌巷道顶板压力pd后，计算液压支撑系统产生的支撑力fn及上覆松散体产生的弯曲正应力σ，以满足液压支撑系统产生的支撑力fn大于坍塌巷道顶板松散体的覆压，预撑板的材质大于上覆松散体产生的弯曲正应力σ。
11.进一步地，判断坍塌巷道的坍塌等级包括：通过观察巷道坍塌区域和巷道断面堵塞程度判断坍塌巷道的坍塌等级，确定是否可以保障救援人员安全通过。
12.进一步地，液压破拆工具组包括液压剪切器、液压扩张器和液压破碎镐，通过液压剪切器、液压扩张器和液压破碎镐对地面上的堆积体进行破碎、拆除；顶撑装置包括液压千斤顶、顶杆和起重气垫，通过液压千斤顶、顶杆和起重气垫支撑松散的堆积体。
13.进一步地，预撑板的两端均具有连接孔，相邻的两个预撑板通过连接轴连接两个连接孔。
14.进一步地，预撑板包括长预撑板和短预撑板，沿预设救援通道顶部堆积体之间的缝隙，每隔一定间距交叉插入长预撑板和短预撑板。
15.应用本发明的技术方案，提供了一种井下坍塌松散体救援通道快速构建方法，包括：判断坍塌巷道的坍塌等级；根据坍塌巷道的坍塌体及覆岩状态计算坍塌巷道顶板压力pd，选定预设救援通道的位置；向预设救援通道的顶部交叉地插入多个预撑板；将两组液压支撑系统分别放置在预设救援通道内地面的两侧；将液压调节器的两端分别套设在两组液压支撑系统中的液压伸缩杆上，通过液压伸缩杆支撑预设救援通道顶部两侧的预撑板的外露悬空部分；液压调节器随着液压伸缩杆移动，以支撑位于预设救援通道中部的预撑板的悬空部分，通过液压调节器中的多个液压调节杆分别调整对应的预撑板的支撑力，以支撑位于预设救援通道中部不同高度的预撑板；通过递进式支护方式，重复进行上述支护步骤，以完成井下坍塌松散体救援通道的构建。采用该方案，由于坍塌巷道的坍塌体产生的应力的不断变化，通过设置液压调节器，且液压调节器随着液压伸缩杆移动，以支撑位于预设救援通道中部的预撑板的悬空部分，这样能够通过多个液压调节杆分别调整对应的预撑板的支撑力，避免了应力集中，从而提高了救援通道的整体性和安全性，同时也能够对不同高度的预撑板进行支护，从而提高了适用性。在构建救援通道时，首先判断坍塌巷道的坍塌等级，随后计算坍塌巷道顶板压力pd，这样能够得到坍塌巷道顶板压力pd的大致范围，以便选定对应量程的支护工具，进而选定预设救援通道的位置，然后向预设救援通道的顶部交叉
地插入多个预撑板，通过两组液压支撑系统的液压伸缩杆支撑预设救援通道顶部两侧的预撑板的外露悬空部分，这样能够增加预撑板与上方坍塌体之间的稳固性，减小救援通道构建过程中对周围坍塌松散体的扰动和破坏。并设置液压调节器随着液压伸缩杆移动，以支撑位于预设救援通道中部的预撑板的悬空部分，最后，采用递进式支护方式，重复进行上述支护步骤，即可完成井下坍塌松散体救援通道的构建，采用本方案的构建方法，简单高效、安全性和稳定性高，不需耗费大量的人力即可完成救援通道的构建，有效解决了现有技术中救援通道构建效率低的问题。
附图说明
16.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
17.图1示出了本发明的实施例提供的井下坍塌松散体救援通道快速构建方法的流程图；
18.图2示出了使用本方案的构建方法构建的井下坍塌松散体救援通道的正视图；
19.图3示出了图2中井下坍塌松散体救援通道在一种阶段下的侧视图；
20.图4示出了图3中井下坍塌松散体救援通道在另一种阶段下的侧视图；
21.图5示出了图2中液压调节器的俯视图；
22.图6示出了图5中液压调节器收缩状态下的侧视图；
23.图7示出了图5中液压调节器伸展状态下的侧视图；
24.图8示出了图2中支护过程中的侧面受力分析示意图；
25.图9示出了图2中井下坍塌松散体救援通道的俯视图。
26.其中，上述附图包括以下附图标记：
27.10、坍塌巷道；
28.20、救援通道；
29.30、预撑板；31、连接孔；32、长预撑板；33、短预撑板；34、尖端；
30.40、液压支撑系统；41、液压伸缩杆；42、液压支柱；
31.50、液压调节器；51、液压调节杆；52、液压调节缸；53、液压控制管路；54、固定板；55、固定孔；
32.60、辅助支撑架；
33.70、堆积体。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
35.如图1至图9所示，本发明的实施例提供了一种井下坍塌松散体救援通道快速构建方法，包括：判断坍塌巷道10的坍塌等级；根据坍塌巷道10的坍塌体及覆岩状态计算坍塌巷
道10顶板压力pd，选定预设救援通道20的位置；向预设救援通道20的顶部交叉地插入多个预撑板30；将两组液压支撑系统40分别放置在预设救援通道20内地面的两侧；将液压调节器50的两端分别套设在两组液压支撑系统40中的液压伸缩杆41上，通过液压伸缩杆41支撑预设救援通道20顶部两侧的预撑板30的外露悬空部分；液压调节器50随着液压伸缩杆41移动，以支撑位于预设救援通道20中部的预撑板30的悬空部分，通过液压调节器50中的多个液压调节杆51分别调整对应的预撑板30的支撑力，以支撑位于预设救援通道20中部不同高度的预撑板30；通过递进式支护方式，重复进行上述支护步骤，以完成井下坍塌松散体救援通道20的构建。
36.采用该方案，由于坍塌巷道10的坍塌体产生的应力的不断变化，通过设置液压调节器50，且液压调节器50随着液压伸缩杆41移动，以支撑位于预设救援通道20中部的预撑板30的悬空部分，这样能够通过多个液压调节杆51分别调整对应的预撑板30的支撑力，避免了应力集中，从而提高了救援通道20的整体性和安全性，同时也能够对不同高度的预撑板30进行支护，从而提高了适用性。在构建救援通道20时，首先判断坍塌巷道10的坍塌等级，随后计算坍塌巷道10顶板压力pd，这样能够得到坍塌巷道10顶板压力pd的大致范围，以便选定对应量程的支护工具，进而选定预设救援通道20的位置，然后向预设救援通道20的顶部交叉地插入多个预撑板30，通过两组液压支撑系统40的液压伸缩杆41支撑预设救援通道20顶部两侧的预撑板30的外露悬空部分，这样能够增加预撑板30与上方坍塌体之间的稳固性，减小救援通道20构建过程中对周围坍塌松散体的扰动和破坏。并设置液压调节器50随着液压伸缩杆41移动，以支撑位于预设救援通道20中部的预撑板30的悬空部分，最后，采用递进式支护方式，重复进行上述支护步骤，即可完成井下坍塌松散体救援通道20的构建，采用本方案的构建方法，不同于传统的矩形/方形等采用横梁或者大断面支撑板，需要将坍塌体断面修成为规则断面才能进行支护的方式，本方案能够为不规则断面进行支护，从而提高了适用性，并且简单高效、安全性和稳定性高，不需耗费大量的人力即可完成救援通道20的构建，有效解决了现有技术中救援通道20构建效率低的问题。
37.其中，坍塌体产生的应力变化主要是随着构建救援通道20的过程中的逐渐推进而发生变化的，因此，在推进过程中应力发生变化，利用液压调节器50和液压支撑系统40实现对液压调节杆51和液压伸缩杆41长度的调整，以避免应力集中，防止因应力集中而导致支护装置破坏失效，体现了本方案具有自稳定调节、自适应的自主调控特色。
38.具体地，采用递进式支护方式是在预撑板30前端支护完毕后，继续进行巷道的挖掘工作，当挖掘至预撑板30后端0.5-1米时，再次在原有预撑板30下方插入新的预撑板30，再次布置液压支撑系统40和液压调节器50进行支护。依此类推，直至完成救援通道20的贯通和构建。
39.其中，通过多个液压调节杆51分别调整对应的预撑板30的支撑力包括：液压调节器50包括液压调节杆51、液压调节缸52、液压控制管路53、固定板54和设置在固定板54两端的两个固定孔55，两个固定孔55分别套设在两个液压伸缩杆41上，液压调节缸52和固定板54连接，液压调节杆51、液压控制管路53均位于液压调节缸52上；在构建救援通道20的过程中，分别控制每个液压调节杆51对相应的预撑板30的支撑力，将预撑板30受到的应力分布在液压调节器50上。采用上述设置方式，将两个固定孔55分别套设在两个液压伸缩杆41上，这样通过液压伸缩杆41能够带动液压调节器50移动；通过分别控制每个液压调节杆51对相
应的预撑板30的支撑力，从而将预撑板30受到的应力分布在液压调节器50上，有效避免了应力集中，提高了救援通道20的整体性和安全性。当某一预撑板30上方发生应力集中现象时，可以增加周围其他预撑板30下方的支撑力来分散该应力，避免因应力集中而导致整个救援通道20受损、失效。
40.可选地，井下坍塌松散体救援通道快速构建方法还包括控制器和多个感应器，感应器和控制器电连接，感应器安装在液压调节杆51上，多个感应器和多个液压调节杆51一一对应设置，感应器用于检测液压调节杆51受到的压力值。感应器将检测到液压调节杆51受到的压力值信号传输到控制器上，然后通过控制器分别控制每个液压调节杆51对相应的预撑板30的支撑力，从而实现将预撑板30受到的应力分布在液压调节器50上。
41.其中，可以设置成每个液压调节杆51对应一个预撑板30，实现一一对应，以方便后期智能调控，进行自调节、自适应的功能。(每个液压调节器50均可以进行编号，其上方的液压调节杆51从左往右进行变化，如：一个预撑板30和相对应的一个液压调节杆51编号为00101，前三位表示液压调节器50的编号，后两位表示液压调节杆51的编号)，每个液压调节杆51均布置有感应器，可以检测液压调节杆51承受的压力，可实时进行不同位置伸缩状态的调节，实现一个动态监测、控制的功能。
42.具体地，井下坍塌松散体救援通道快速构建方法还包括：向预设救援通道20的顶部交叉地插入多个预撑板30后，通过液压破拆工具组、顶撑装置对预撑板30下方的堆积体70进行破碎、拆除及支撑；在预设救援通道20的延伸方向上，通过辅助支撑架60将相邻的两个液压支撑系统40的液压支柱42连接。在本方案中，可以通过液压破拆工具组、顶撑装置对预撑板30下方的堆积体70进行破碎、拆除及支撑，从而保证预撑板30能够顺利插入预设救援通道20的顶部。其中，可采用插板法的方式向预设救援通道20的顶部交叉地插入多个预撑板30。并且通过辅助支撑架60将相邻的两个液压支撑系统40的液压支柱42连接，这样进一步保证了救援通道20的稳定性和安全性。其中，插板法主要是沿着堆积体70的裂缝将预撑板30插入，而当插入过程中受到阻碍，则利用液压破拆工具组、顶撑装置进行破拆，保证预撑板30的顺利插入。利用插板法进行救援通道20的构建，大量节省了堆积体70的破拆和搬运的工作量，提高救援效率。
43.可选地，预撑板30的端部为尖端34，这样便于预撑板30的插入。
44.其中，将相邻的两个液压支撑系统40的液压支柱42连接包括：采用铰接的方式将辅助支撑架60的两端分别与相邻的两组液压支柱42的上端、下端连接。通过铰接的方式，便于快速安装和拆卸；并且将辅助支撑架60的两端分别与相邻的两组液压支柱42的上端、下端连接，这样能够形成稳定的支撑结构，提高了救援通道20的稳定性和安全性。
45.具体地，根据坍塌巷道10的坍塌体及覆岩状态计算坍塌巷道10顶板压力pd包括：根据坍塌巷道10坍塌的埋深、地质构造条件以及坍塌巷道10未堵塞区域内坍塌体的分布形态和结构特征，将坍塌巷道10划分为结构稳定区、非稳定区、应力卸压区和应力集中区；在结构稳定区和应力卸压区内选定预设救援通道20的位置；采用关键层理论或经验估算法计算坍塌巷道10顶板压力pd。在本方案中，主要是在结构稳定区和应力卸压区内选定预设救援通道20，然后采用关键层理论或经验估算法计算坍塌巷道10顶板压力pd。其中，
46.pd＝(∑h-z)γ (4～8)hγ；
47.式中：pd—坍塌巷道顶板压力，单位为mpa；
48.∑h—原巷道直接顶厚度，单位为m；
49.h—原巷道高度，单位为m；
50.z—坍塌高度，单位为m；
51.γ—体积力，单位为mn/m3。
52.具体地，井下坍塌松散体救援通道快速构建方法还包括：计算完坍塌巷道10顶板压力pd后，计算液压支撑系统40产生的支撑力fn及上覆松散体产生的弯曲正应力σ，以满足液压支撑系统40产生的支撑力fn大于坍塌巷道10顶板松散体的覆压，预撑板30的材质大于上覆松散体产生的弯曲正应力σ。通过上述公式计算完坍塌巷道10顶板压力pd后，需要满足液压支撑系统40产生的支撑力fn大于坍塌巷道10顶板松散体的覆压，预撑板30的材质大于上覆松散体产生的弯曲正应力σ，从而确保救援通道20的稳定性和安全性。其中，
[0053][0054][0055][0056]
式中：fn—液压支撑系统产生的支撑力，单位为mn；
[0057]
pd—坍塌巷道顶板压力，单位为mpa；
[0058]
l—预撑板长度，单位为m；
[0059]
y—预撑板宽度，单位为m；
[0060]
a—预撑板倾斜角度，单位为
°
；
[0061]
wz—抗弯截面系数，单位为m3；
[0062]
σ—弯曲正应力，单位为mpa；
[0063]
m—弯矩，单位为mn*m。
[0064]
如图8所示，x＝1/2l，即在预撑板30的中点处产生的弯矩最大，预撑板30的材质需要大于上覆松散体对预撑板30产生弯曲正应力σ，以保障救援通道20的可靠性，确保救援人员在进行清理作业时的人身安全。其中，f
ax
是指在a点处x方向上的液压支撑系统产生的支撑力；f
ay
是指在a点处y方向上的液压支撑系统产生的支撑力；f
by
是指在b点处y方向上的液压支撑系统产生的支撑力。
[0065]
其中，液压支撑系统的支撑压力pz可根据理论计算得到，沿着垂直于预设救援通道20构建方向，进行受力分析，其理论计算公式为：
[0066][0067]
式中：pz—液压支撑系统支撑压力，单位为mpa；
[0068]
d—清理距离，单位为m；
[0069]
y—预撑板宽度，单位为m；
[0070]
a—液压伸缩杆支撑面积，单位为m2；
[0071]
为了保证救援通道20的稳定性，液压支撑系统的支撑压力pz要大于坍塌巷道顶板压力pd，则需满足下式：
[0072]
[0073]
在本实施例中，判断坍塌巷道10的坍塌等级包括：通过观察巷道坍塌区域和巷道断面堵塞程度判断坍塌巷道10的坍塌等级，确定是否可以保障救援人员安全通过。在本方案中，可以根据观察巷道坍塌区域和巷道断面堵塞程度来判断坍塌巷道10的坍塌等级，从而确定救援人员是否能够安全通过。具体地，当坍塌巷道10难以保证救援人员安全通过时，必须通过构建救援通道20的方式确保救援过程的安全性。即在保证救援人员安全通过的情况下，才能开展后续的救援工作。
[0074]
具体地，液压破拆工具组包括液压剪切器、液压扩张器和液压破碎镐，通过液压剪切器、液压扩张器和液压破碎镐对地面上的堆积体70进行破碎、拆除；顶撑装置包括液压千斤顶、顶杆和起重气垫，通过液压千斤顶、顶杆和起重气垫支撑松散的堆积体70。其中，液压剪切器包括重型、轻型和微型三种系列，能够剪切坍塌松散体内变形的锚杆(索)、金属网和管道等硬度较高的金属结构；液压扩张器主要由重型扩张器、剪切扩张两用器和开缝器组成，能够移动和举升障碍物、破坏金属结构，快速清理障碍物；液压破碎镐，能够对体积较大的坍塌岩体进行局部破碎作业，以便清理和输运；液压千斤顶及顶杆由多级液压千斤顶和双向伸缩液压顶杆组成；顶撑装置主要用于顶撑松散垮落体，起到维持救援通道20空间的作用。
[0075]
具体地，预撑板30的两端均具有连接孔31，相邻的两个预撑板30通过连接轴连接两个连接孔31。这样设置，能够避免预撑板30之间的滑移现象的发生，增加救援通道20的整体性和安全性。在本方案中，同一排的预撑板30通过液压调节器50和液压支撑系统40中的液压伸缩杆41以顶撑的方式已经形成一个固定的整体。设置连接孔31是为了连接前后两个预撑板30的后端与前端，使前后两个预撑板30固定连接，最后形成一个相互连接的整体，增加救援通道20整体的结构强度。
[0076]
在本实施例中，预撑板30包括长预撑板32和短预撑板33，沿预设救援通道20顶部堆积体70之间的缝隙，每隔一定间距交叉插入长预撑板32和短预撑板33。将长预撑板32和短预撑板33每隔一定间距交叉插入预设救援通道20顶部，这样能够减少体积较小的破碎松散体的掉落，避免影响下方堆积体70的清理工作。其中，采用长预撑板32和短预撑板33交叉插入的方式，是为了保证在递进支护过程中的安全性和稳定性。因为长度不一，使得在进行插板过程中始终有一半的预撑板30处于堆积体深处，提供稳定的支护作用，保证结构的稳定，防止后续通过液压支撑系统40和液压调节器50支护的过程中发生坍塌现象。
[0077]
可选地，预撑板30的宽度和厚度分别小于200mm和50mm，长预撑板32和短预撑板33在交叉插入预设救援通道20顶部的过程中，其间隔小于20mm。
[0078]
采用本方案的有益效果如下：
[0079]
1、本发明使用的装置为高性能的便携、轻型装备，同时本发明施工方法简单高效，方便救援人员快速施工，劳动强度低、作业效率高，有效缩短了救援时间；
[0080]
2、本发明采用插板方法在堆积坍塌体内插入预撑板，无需在坍塌松软体中开挖出规则形状的通道即可进行安全高效的支护作业，通过在同侧相邻的两个液压支柱之间使用辅助支撑架连接，具有其适用范围广、自稳支护效果好、构建速度快的优势；
[0081]
3、本发明所采用液压调节器对预撑板的受力情况进行均衡分布，防止单个预撑板因应力集中导致破坏受损，能够对上覆坍塌体产生的压力进行调整，实现了支护过程的自适应、自稳定，进而保证救援通道构建过程的安全性和稳定性；
[0082]
4、本发明所采用先插板后清理的支护方式，在预撑板的掩护作用下进行堆积体的破碎、清理和支护，作业工作量减小，且安全性高。
[0083]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。