矿山采空区泥浆回填的机械设备和方法技术

本发明专利技术是关于矿区地面沉陷防治、特别是矿山采空区泥浆回填的机械设备和方法的发明专利技术。它开创黄土高崖垂向机械化取土、泥土井上井下渡槽输移、泥浆跟进回填的一条龙随采(土)、随配(水)、随运、随填的直达采空区终点的机械装备、操作方法、巷道规划的发明专利技术(参阅附图1)。适用于沙漠、黄土高原地区且有水源的采空区域的沉陷防治工程。它的开发应用，对消除矿山顶板瓦斯透水事故和山区洪峰追尾叠加、破解土坝施工沉陷裂缝世界性难题、有效管控山区水土资源、创建星罗棋布的人工湖及沟台机械化农场、改善局部自然环境生态植被气温降水等状况意义重大。

Mechanical equipment and method for backfill of mud in mined out area

The invention relates to a mechanical device and a method for preventing ground subsidence in a mining area, especially a backfill of mud in a mined out area. It is a high loess cliffs vertical mechanized earth, a dragon mud wells underground aqueduct, follow up mud transport with backfill mining (soil), along with (water), with transport, with the direct filling machinery and equipment, operation method, mining goaf roadway planning end point (see Figure 1) of the invention. The utility model is suitable for the subsidence prevention and control project of the desert area, the Loess Plateau area and the water source area. The development and application of it to eliminate the roof gas mine flooding accident and mountain peak superposition, rear earth dam construction subsidence crack crack world problem, effective control of soil and water resources, create scattered farms, artificial lake and furrow mechanization to improve local natural environment and ecological significance of temperature and precipitation in major vegetation.

【技术实现步骤摘要】
矿山采空区泥浆回填的机械设备和方法
本专利技术矿山采空区泥浆回填的机械设备和方法，属于矿山(如煤矿、铁矿、铝矿等等)开采法(如水砂充填开采、膏体充填开采)中采空区沉陷防治的回填

技术介绍
充填开采的缘由和路径。矿藏开采之后，采空区上部的地面相继出现土地开裂、地表泉水断流、房屋倒塌、山体滑坡等地质灾害。引发村矿矛盾，导致移民搬迁、修复治理等诸多社会经济问题。充填开采就是利用外来材料如矸石、沙子、碎石、粉煤灰等物料充填采空区，达到控制岩层移动、地面沉陷的目的。充填开采方法的分类。按充填位置，分为采空区充填、冒落区充填、离层区充填；按充填量，分为全部充填、部分充填；按充填动能，分为(重力)自溜充填、风力充填、机械(内燃、电力、人工)充填、水力充填；按充填材料，分为水砂充填、矸石充填、膏体充填、高水充填。充填开采的历史和现状。早在100年前，澳大利亚北莱尔矿的工人就将全部废弃矸石排弃至采空区充填。充填真正作为煤矿减沉开采的一个计划工序是在20世纪30年代以后。它经历了干式充填开采、水力充填开采、膏体充填开采三个阶段。20世纪50年代，加拿大和澳大利亚等国开发了水力采空区充填技术。水力充填材料通常是河沙、煤矸石和电厂粉煤灰，在波兰、德国应用较多。据1955年阜新、鹤岗两矿的资料，用水砂充填法采煤与同期采用垮落法采煤成本相比较，前者较后者成本高40％-120％。加之工序多且复杂、机械化程度低、劳动强度大及充填材料泌水恶化了工作面采煤作业环境等缺点，水砂充填采煤法在我国没有得到推广应用。膏体充填技术在国外金属矿山已有近30年的发展历史。世界上首次膏体充填试验于1979年在德国格隆铅锌矿进行。我国金川有色金属公司一矿区、大冶有色金属公司铜绿山矿，近年成功试验并应用了膏体充填技术。德国瓦尔苏蒙(walsum)煤矿采用长壁工作面采煤，以工业废弃细物料(煤泥、粉煤灰)制备膏体充填采空区。目前，膏体充填是金属矿山正在推广的一项相当有前景的新技术。我国煤矿2004年开始膏体充填技术的试验研究。膏体充填料浆在管道输送中的一个重要特点是：无临界流速，可以在很低的流速条件下长距离输送。在似膏体的组成中，煤矸石粒径小于5mm。选用235#水泥，水泥、粉煤灰和煤矸石的质量比为1∶4∶15，质量浓度在70％-72％之间，一般膏体充填系统设计流速0.7-1.0m/s。有一种赤泥胶结充填技术，于20世纪90年代在山东湖田铝土矿应用成功，并在山东莱芜铁矿开展了赤泥金属沙胶结充填工业试验，其主要组分包括赤泥、粉煤灰、石灰和减水剂。采用主、副管道输送工艺，主管道输送赤泥粉煤灰浆；副管道输送石灰浆。两种料浆在排出口附近经气流混合器进行混合，最终排入采空区，形成不需要脱水的膏状物料。充填料浆质量分数为58％-60％，充填体密度1.5g/cm3。莱芜铁矿工业试验装备耗资1090万元，充填成本40元/t。相对于其他充填开采方法需要水泥、河沙等充填料来说，大大降低了成本。赤泥胶结充填体进入采场后呈膏状，能顺利流入采空区，并能严密接顶，且具有凝固快的突出优点。近年来，随着煤矿绿色开采技术的不断发展，我国学者提出了固体废物置换充填技术，对矿山开采产生的各种废弃物进行有效的处理与利用。研究出了能与传统综合机械化采煤技术相适应的综合机械化矸石固体充填技术。存在的主要问题：一、采煤生产能力与充填生产能力均衡问题。目前，充填生产能力一般小于100m3/h。而年产100万吨煤炭的矿井生产能力超过100m3/h；二、充填材料供需均衡问题突出。金属矿山采用掘进废石、尾沙(约占矿石开采量的60％-99％)、冶炼炉渣等采矿废弃物作为充填料，完全可以解决充填材料供需问题。煤矿的矸石一般为煤炭开采量的15％，采空区全部充填材料难以解决。三、充填成本与采矿效益均衡问题突出。只有当充填成本小于因开采引起的土地破坏和村庄搬迁赔偿费用，充填成本与采矿效益才能实现均衡。
技术实现思路
针对现行充填技术中存在的缺陷，本专利技术从四个方面加以改进：一、坑口就地取材切割剥卸黄土山体，以土代沙作为主要充填材料。二、稠泥回填，在免除废水循环利用的程序和装备的同时，消除充填体泌水。三、省掉充填材料仓储程序和设施，随采(土)、随配(水)、随运、随填直达采空区终点。四、为了减小阻力消除堵塞，除竖井垂直区段外，充填材料在井上井下的输送以槽代管。在继承水砂充填、膏体充填工艺优点的同时，减少工序、降低充填成本。本专利技术旨在提供一种黄土山体垂向层层切削、土料连续均匀供给、动态依土恒比配水、地面渡槽输移泻卸、竖井管道输送、井下渡槽补水造膜输移、井下弹性扭转渡槽换向、退占式水平弧摆充填渡槽回填、巷道分隔模板架设、直达采空区终点的一条龙作业的机械装备和协调运行方法。为了便于泥浆回填作业，亦须遵循上行回采水砂充填采煤法的基本原则，并在井口的选址和巷道的规划设计上做出相应的调整。井口要选在采区矿层高低走向上方顶部的中间位置；左、右大巷要沿着矿脉高低走向齐头并进开拓，每条大巷从高向低一直打到采区边界，然后两巷并行作业，从低往高采掘回填，左巷向左斜45度、右巷向右斜45度向两边扩展。在宏观平面上，矿山回填工作面、采空区域、回采工作面合呈一个不断地扩大着的正三角形。各巷采掘、回填作业互不干扰。在最底部充填体上留出一条总风巷来。在泥浆充填体内的高低走向上每隔一段距离留出一条联络通道，装风门临时封闭。以黄土山区煤炭井下采掘回填为例，其技术解决方案如下：设计制造双轴互逆式(顺、反时針转动)三向(径向、端向、斜向)旋转割土机土体切割剥卸机械，选购或改装升降速度可调的提升机械与之配套，组成黄土山体土料采掘装备；设计制造开道侧卸式喂土机，将切割滑落到崖底场地的松散土料均匀地喂入渡槽输移装备；渡槽输移装备则由首部摆动渡槽、弹性扭转渡槽、固定渡槽、尾部摆动渡槽、渡槽衬里、供水机械、转动依次启闭返回式多位多通分流阀、若干弧形喷头共同组成。渡槽分井上井下，构造功能本质上无异，差别在于所处的作业区位、架设连接方式、槽长尺寸。它们都是借助水膜润滑、势能驱动输送泥土进行回填作业的。所有渡槽其内表面尺寸一致，以减小滑移阻力。渡槽断面是一个两端沿切线向上拉长一些的半圆形。每节渡槽的两个端面均设有半圈法兰，以便于渡槽间前后连接。在地面，首、尾摆动渡槽与固定渡槽的两个相交会的活动节点上，装有以槽形弹簧为筋为骨、浇裹橡胶为肉为皮的弹性扭转渡槽(或用高性能弹性塑料制造)，以适应首、尾摆动渡槽的摆动需求。若干弧形喷头与转动依次启闭返回式多位多通分流阀、供水机械相通，装在首部摆动渡槽端部附近的内表面、呈弧状排列(各喷头喷水方向朝前朝下朝着尾部摆动渡槽。在展开图中，喷水射流聚焦圆心)，使进入首部摆动渡槽的土料在贴近渡槽的内表面上形成一层致密的泥水滑动层。渡槽架设从首至尾保持5度以上的前倾角度。在重力加速度水平分力的驱动下，泥水滑动层上部的土料被驮运到槽尾泻卸到入井漏斗内。泥浆通过固定在井壁上的竖井输泥管入井，其上端与入井漏斗相接，下端与转向弯头、顶板延伸渡槽、井下弹性扭转渡槽、恒长退占式水平弧摆充填渡槽、渐缩退占式水平弧摆充填渡槽连接。在顶板延伸渡槽端部、转向弯头下部，还装一套与供水机械、转动依次启闭返回式多位多通分流阀相联的若干弧形喷头来重造泥水滑动层，这样将泻进本文档来自技高网...

【技术保护点】
地下矿藏开采之后，采空区顶部的地面相继出现土地开裂、地表泉水断流、房倒屋塌、山体滑坡等地质灾害，引发村矿矛盾，带来诸多移民搬迁、修复治理等社会经济问题；对此，矿山运用水砂充填、膏体充填技术加以解决：国内曾采用倾斜分层上行水砂充填走向长壁采煤法和倾斜分层水砂“v”型倾斜长壁采煤法；国外采用了上行充填机械化采煤法；由于诸多缺点，水砂充填在我国没有得到推广，膏体充填也面临材料短缺、成本昂贵等问题，采煤大省沉陷区治理欠账愈积愈多；针对现行充填技术存在的困难和问题，本专利技术从以下四个方面加以改进：(1)、坑口就地取材，切割剥卸黄土山体以土代沙；(2)、稠泥回填，免除水砂充填废水循环利用的程序、设施和装备；(3)、省掉充填材料仓储设施和程序，随采(土)、随配(水)、随运、随填直达采空区终点；(4)、除竖井垂直区段外，充填混合材料(土、水)在井上井下的输送以槽代管：矿山采空区泥浆回填的施工方法，其特征是：运用双轴互逆式(顺、反时针转动)三向(径向、端向、斜向)旋转割土机(4)把原状土从黄土山体掘土面(2)高崖上垂向、一批一批地切割下来，卸落堆积到不断抬升、呈扇形扩张的场地上；用开道侧卸式喂土机(6)将这些松散土料(5)由正面连续均匀地刮提起来，从后上侧抛入同步随行摆动的前倾(5度以上)的首部摆动渡槽(11)内；同时在整套首部摆动渡槽(11)端部内表面，由供水机械(10)、转动依次启闭返回式多位多通分流阀(9)为若干弧形喷头(8)根据进土量按比配水，于是上部泥土得以借助底部泥水层进行滑移，经弹性扭转渡槽(13)、若干节固定渡槽(12)、整套尾部摆动渡槽(14)到达入井漏斗(16)、若干节竖井输泥管(21)、转向弯头(22)中进入井下渡槽；从转向弯头(22)泻出的泥浆已经混和，须经二次补水造膜后方可通过若干节顶板延伸渡槽(23)、井下弹性扭转渡槽(26)、若干节恒长退占式水平弧摆充填渡槽(27)、若干节渐缩退占式水平弧摆充填渡槽(28)等送达泥浆回填工作面(30)堆积起来，从而实现采空区域(128)泥浆回填的目的；它充分利用黄土山区得天独厚的自然条件，辅以新的巷道规划设计，是泥浆借助重力输移、自然堆积凝固、一条龙随采(土)、随配(水)、随运、随填的矿山(煤矿、铝矿、铁矿等)采空区泥浆回填的机械化施工方法。...

【技术特征摘要】
1.地下矿藏开采之后，采空区顶部的地面相继出现土地开裂、地表泉水断流、房倒屋塌、山体滑坡等地质灾害，引发村矿矛盾，带来诸多移民搬迁、修复治理等社会经济问题；对此，矿山运用水砂充填、膏体充填技术加以解决：国内曾采用倾斜分层上行水砂充填走向长壁采煤法和倾斜分层水砂“v”型倾斜长壁采煤法；国外采用了上行充填机械化采煤法；由于诸多缺点，水砂充填在我国没有得到推广，膏体充填也面临材料短缺、成本昂贵等问题，采煤大省沉陷区治理欠账愈积愈多；针对现行充填技术存在的困难和问题，本发明从以下四个方面加以改进：(1)、坑口就地取材，切割剥卸黄土山体以土代沙；(2)、稠泥回填，免除水砂充填废水循环利用的程序、设施和装备；(3)、省掉充填材料仓储设施和程序，随采(土)、随配(水)、随运、随填直达采空区终点；(4)、除竖井垂直区段外，充填混合材料(土、水)在井上井下的输送以槽代管：矿山采空区泥浆回填的施工方法，其特征是：运用双轴互逆式(顺、反时针转动)三向(径向、端向、斜向)旋转割土机(4)把原状土从黄土山体掘土面(2)高崖上垂向、一批一批地切割下来，卸落堆积到不断抬升、呈扇形扩张的场地上；用开道侧卸式喂土机(6)将这些松散土料(5)由正面连续均匀地刮提起来，从后上侧抛入同步随行摆动的前倾(5度以上)的首部摆动渡槽(11)内；同时在整套首部摆动渡槽(11)端部内表面，由供水机械(10)、转动依次启闭返回式多位多通分流阀(9)为若干弧形喷头(8)根据进土量按比配水，于是上部泥土得以借助底部泥水层进行滑移，经弹性扭转渡槽(13)、若干节固定渡槽(12)、整套尾部摆动渡槽(14)到达入井漏斗(16)、若干节竖井输泥管(21)、转向弯头(22)中进入井下渡槽；从转向弯头(22)泻出的泥浆已经混和，须经二次补水造膜后方可通过若干节顶板延伸渡槽(23)、井下弹性扭转渡槽(26)、若干节恒长退占式水平弧摆充填渡槽(27)、若干节渐缩退占式水平弧摆充填渡槽(28)等送达泥浆回填工作面(30)堆积起来，从而实现采空区域(128)泥浆回填的目的；它充分利用黄土山区得天独厚的自然条件，辅以新的巷道规划设计，是泥浆借助重力输移、自然堆积凝固、一条龙随采(土)、随配(水)、随运、随填的矿山(煤矿、铝矿、铁矿等)采空区泥浆回填的机械化施工方法。2.矿山采空区泥浆回填的机械设备，其特征是：采用双轴互逆式(顺、反时针转动)三向(径向、端向、斜向)旋转割土机(4)、起吊钢丝绳(3)、调速式提升机(1)，协同进行黄土山体掘土面(2)高崖的垂向切割卸土；运用开道侧卸式喂土机(6)从正面连续均匀地刮提松散土料(5)、再从后上侧喂入同步随行的整套首部摆动渡槽(11)；半碗型渡槽堵口(7)、若干弧形喷头(8)、转动依次启闭返回式多位多通分流阀(9)、供水机械(10)、整套首部摆动渡槽(11)、弹性扭转渡槽(13)、若干节固定渡槽(12)、整套尾部摆动渡槽(14)、若干节渡槽衬里(15)，借助势能协同进行小倾角、低含水量、无动力泥土输移；入井漏斗(16)、若干节竖井输泥管(21)、转向弯头(22)、井下供水机械(17)、井下转动依次启闭返回式多位多通分流阀(18)、井下若干弧形喷头(19)、若干节顶板延伸渡槽(23)、井下弹性扭转渡槽(26)、若干节恒长退占式水平弧摆冲填渡槽(27)、若干节渐缩退占式水平弧摆冲填渡槽(28)、若干节井下渡槽衬里(29)、若干付双脚顶紧可调式固定支架(24)、若干付三轮三角摆动支架(25)、若干块巷道分隔模板(33)共同完成接纳泥浆、补水造膜、贴顶输移、接顶充填等工作，实现矿山回填工作面(129)泥浆及时充填、预防矿区沉陷的目的。3.按照权利要求2的机械设备，其高崖切割卸土的特征是：在双轴互逆式(顺、反时针转动)三向(径向、端向、斜向)旋转割土机(4)上，两条割土转轴(36)按一定轴距，水平、平行地装置；两条割土转轴(36)上按一定盘踞、均匀地装着若干弹压割土刀盘(38)；在每片弹压割土刀盘(38)的外径边缘沿径向均匀地分布着若干径向割土刀(39)；此外，在贴近黄土山体掘土面(2)的两片弹压割土刀盘(38)上，还加装着若干端向割土刀(41)、若干斜向剔角割土刀(40)，且均匀分布；径向割土刀(39)形如双头宝剑，正反两面四周全部倒角，中部打一对孔，正反、上下、左右对称，可调换着使用；端向割土刀(41)、斜向剔角割土刀(40)构造相同，形如宝剑、三面倒角、柄部攻丝用以固定；端向割土刀(41)固定在弹压割土刀盘端面、且与割土转轴(36)平行；斜向剔角割土刀(40)装在弹压割土刀盘(38)边缘部位，与径向割土刀(39)、端向割土刀(41)各夹45度的角；两条割土转轴(36)带着若干弹压割土刀盘(38)及其三个方向上的径向割土刀(39)、端面割土刀(41)、斜向剔角割土刀(40)一起转动切割山崖土体；切割得从底部开始，两条割土转轴(36)先水平钻进，达到额定厚度后，由调速式提升机(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：高希贤，高峰峰，高原原，高宇宇，
申请(专利权)人：吕梁市希贤治黄研究所，
类型：发明
国别省市：山西,14