一种巷道塌陷冲击气浪自动缓冲系统的制作方法

[0001]
本发明涉及一种矿山防护领域，具体涉及一种巷道塌陷冲击气浪自动缓冲系统。


背景技术：

[0002]
地下矿山开采过程中，随着矿井深度的不断增加，越来越多的矿井受到冲击地压事故威胁。多数矿井中都会形成一定规模的采空区，采空区失稳易引发各类安全事故，形成冲击地压。冲击地压指的是聚积在采煤工作面及巷道周围煤岩体中的弹性应变量瞬间释放，巨大的能量使得工作面及巷道的煤岩体瞬间崩落抛射。伴随着采空区顶板冒落，对釆空区内空气进行压缩，被压缩的空气从与釆空区连通的巷道泄出时，具有很高的速度高达以上高达100m/s以上，形成破坏性很大的气浪，而形成的空气冲击波对井下作业人员、设备将产生极大的安全威胁，甚至可使矿井报废。大面积冒顶形成的空气冲击波破坏力巨大，造成的后果难以想象。
[0003]
有记录的冲击地压事故所引起的震动强度可达到里氏4.6级地震的级别，冲击地压一旦发生，将会对井下的人员、设备造成灾难性的破坏。冲击地压的影响范围不仅局限于发生冲击地压的区域，由于大面积顶板瞬时跨落，压缩矿井内空气形成的高压高速冲击气浪可对整个矿井造成破坏，甚至井底车场也会因此遭到破坏。
[0004]
当前针对矿井冲击气流采取的措施主要是密闭墙，即通过将巷道封闭阻止气流传播，由于密闭墙阻断了巷道，因此该方法仅对于废弃工作面适用。正常生产的工作面及配套巷道由于还需正常使用巷道因此无法采用密闭墙防冲击措施。目前还没有相应的设备、方法解决使用中巷道高速冲击气浪破坏问题。
[0005]
中国实用新型专利公告号cn 208564614 u公开了一种煤与瓦斯爆炸主动防御系统，设置了冲击波感应装置和防爆门；中国发明专利公布号cn 110284927 a公开了一种基于露井联采下采空区塌陷自动防护装置，设置了传感器和防护装置，防护装置包括防护门。这两种技术都是当发生塌陷时，传感器触发，防护门关闭。这样的结构虽然可以阻挡住气流，但是由于地下矿道内巷道布置复杂，巷道往往设有很多分支岔路，该系统只能保护安装了该系统的巷道部分，而气浪的能量依然存在，能量终究会对其他设备和人员造成伤害。
[0006]
中国实用新型专利公告号cn 207583418 u公开了一种气囊式主动抑爆隔爆装置，设置探测器6，探测器触发后引爆折叠气囊15，折叠气囊15充满巷道，隔断冲击波传播。其保护性气囊18形成后，在气浪的冲击下，气囊很快就会变形，对气浪能量的吸收量有限。
[0007]
中国发明专利公布号cn 107975386 a公开了一种煤矿瓦斯爆炸缓冲装置，包括扩张减压室、机械阻隔模块和运动阻尼模块，当发生瓦斯爆炸，冲击波传播至所述扩张减压室时，扩张减压室的断面瞬间扩大，机械阻隔模块对冲击波进行阻挡，通过导轨两级液压缓冲阻尼单元，将所动能消耗。这样的结构虽然能通过阻尼吸收气浪的能量，但其装置需占据巷道多半空间，影响正常生产的工作面，影响巷道配套管道线路的安装，只能固定安装结构，被动等待，无法达到平时隐藏起来不影响生产，事故时瞬时改变缓冲装置的形状而起到缓冲的效果。


技术实现要素：

[0008]
本发明要解决的问题是提供一种能够通过吸能装置将采空区塌陷冲击气浪的能量吸收的巷道塌陷冲击气浪自动缓冲系统。
[0009]
为解决上述技术问题，本发明的巷道塌陷冲击气浪自动缓冲系统，包括安装在巷道内的传感器、信号处理控制装置和缓冲装置，所述传感器连接信号处理控制装置，信号处理控制装置连接缓冲装置，其特征在于：所述缓冲装置包括弹出杆、气囊装置、连接在弹出杆上的气囊承接装置和连接气囊承接装置的阻尼装置，-所述弹出杆包括第一弹出杆和第二弹出杆，分别安装在巷道的第一侧的两端，所述弹出杆包括垂直或基本垂直于的埋设在巷道侧壁内并与巷道侧壁固定的中空套杆、套装在所述中空套杆内并可沿中空套杆滑动的内杆，所述中空套杆底部设置能将内杆弹出的弹出机构，所述内杆的长度与巷道宽度相匹配，所述内杆尾端外缘设置限位块，所述中空套杆外端内缘设置与所述限位块相匹配的限位环；-在巷道的第一侧和第二侧的上下两端设置轨道，所述轨道上安装滑动装置，所述滑动装置连接阻尼装置；-所述气囊承接装置包括设置在四个角上的连接点和网绳，其中靠近巷道第一侧的两个连接点之间设置连接杆，所述连接杆的两端连接第一侧轨道上的滑动装置，所述连接杆上间隔的连接网绳的一端，网绳的另一端分别连接在另外两个连接点上；另外两个连接点连接转接装置，所述转接装置可脱落的安装在所述内杆的顶端；-巷道的第二侧的滑动装置上固定安装与所述转接装置相匹配的承接装置；-所述气囊装置设置在气囊承接装置的至少一侧。
[0010]
当传感器感受到冲击气浪时，处理控制装置发出信号，通过触发装置使得弹出装置触发，内杆被弹出，内杆顶端带着气囊承接装置的连接点向巷道第二侧运动，使得安装在内杆顶端的转接装置与所述承接装置相连接，转接装置从内杆顶端脱落，并与承接装置一起与阻尼装置连接。
[0011]
气囊承接装置的两侧的至少一侧设置气囊，处理控制装置发出信号，通过触发装置使得弹出装置触发的同时，触发装置也使得气囊装置打开。由于气囊承接装置有两个连接点与巷道的第一侧连接阻尼装置，被内杆带到第二侧的另外两个连接点与内杆脱离后，与阻尼装置连接，当气浪到来时，气囊打开充满巷道，被气浪推动，气囊倚靠在气囊承接装置上，四个连接点拉动阻尼装置，阻尼装置可以将气浪的能量消耗掉。可以通过计算设计合适的缓冲行程和缓冲力，使气囊承接装置本身、气囊与阻尼装置连接都可以承受住冲击，并能持续一段时间，从而达到消耗气浪能量的效果。
[0012]
气囊承接装置由连接杆与内杆顶端相连的网绳组成，内杆弹出时，只需要牵引几条绳索，阻力最小，弹出杆的稳定性更高，可以确保每次触发都能完全打开。而气囊只需在几条绳索组成的网状结构的支撑，也可以将冲击力传递到阻尼装置上。
[0013]
巷道的四个角上设置轨道，轨道上设置滑块或者套环，气囊承接装置的四个角上的连接点连在滑块上，这样可以使气囊承接装置在运动时四个角的连接点始终紧贴在巷道的四个角上，使得气囊承接装置的张开度始终最大。
[0014]
所述气囊装置包括与信号处理控制装置连接的触发装置、气体发生单元和气囊。
[0015]
作为进一步的改进，所述内杆包括最内层杆和至少一层套装在中空套杆和最内层杆之间的中层杆，所述中层杆内端和外端开口，所述中层杆的内端设置与中空套杆外端内缘的限位环相匹配的限位块，所述最内层杆的尾端设置限位块，所述中层杆外端的内沿设置与所述限位块相匹配的限位环。
[0016]
弹出杆可以由多级柱塞组成， 最内层杆和中层杆都套装在中空套杆内，当弹出装置触发后，最内层杆弹出，通过最内层杆尾端的限位装置，带动中层杆也弹出，中层杆可以设置多级，最后所有中层杆都弹出，使得弹出杆在未使用时长度较短，探出时长度能够与巷道的宽度相匹配。
[0017]
所述弹出机构是设置与所述中空套杆底部连通的气体发生单元，所述气体发生单元内设有气体发生剂，所述气体发生剂连接触发装置，所述触发装置连接信号处理控制装置，所述内杆封闭。
[0018]
触发时引爆气体发生剂，高压气体将内杆推出，弹出杆的速度非常快，可以对气浪原发地距离很短的情况也做出及时的反应。
[0019]
所述弹出机构是设置在所述中空套杆底部的弹簧和弹簧触发机构，所述弹簧触发机构连接信号处理控制装置。
[0020]
所述阻尼装置是液压装置、连接绳索的重物块或弹簧。
[0021]
所述阻尼装置连接减速装置。减速装置可以将缓冲的行程加大，从而减小缓冲力，使气囊承接装置本身、气囊承接装置与阻尼装置连接都可以承受住冲击，并能持续一段时间，从而达到消耗气浪能量的效果。
[0022]
所述减速装置是滑轮组或减速机。
[0023]
本发明的系统还包括设置在巷道的顶部和/或底部内杆轨道，所述内杆顶端安装与所述内杆轨道相匹配的内杆滑块。设置轨道和滑动块可以使内杆弹出时方向更确定，更准确的使转接装置和承接装置更可靠的准确对接。
[0024]
采用这样的结构后，本发明的系统在当传感器感受到冲击气浪时，处理控制装置发出信号，通过触发装置使得弹出装置触发，内杆被弹出，内杆顶端带着气囊承接装置的连接点向巷道第二侧运动，使得安装在内杆顶端的转接装置与所述承接装置相连接，转接装置从内杆顶端脱落，并与承接装置一起与阻尼装置连接，由于气囊承接装置有两个连接点与巷道的第一侧连接阻尼装置，被内杆带到第二侧的另外两个连接点与内杆脱离后，与阻尼装置连接，当气浪到来时，气囊带动气囊承接装置被气浪吹起，四个连接点拉动阻尼装置，阻尼装置可以将气浪的能量消耗掉。可以通过计算设计合适的缓冲行程和缓冲力，使气囊承接装置本身、气囊承接装置与阻尼装置连接都可以承受住冲击，并能持续一段时间，从而达到消耗气浪能量的效果，从而保护矿井内的人员和设备不受伤害。
附图说明
[0025]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0026]
图1是本发明的巷道塌陷冲击气浪自动缓冲系统的侧视图。
[0027]
图2是巷道的截面图，图中自动缓冲防护系统未触发。
[0028]
图3是巷道的截面图，图中自动缓冲防护系统已触发。
[0029]
图4是弹出杆的结构示意图，图中弹出杆未弹出。
[0030]
图5是弹出杆的结构示意图，图中弹出杆已弹出。
[0031]
图6是本发明的巷道塌陷冲击气浪自动缓冲系统的立体图，图中自动缓冲防护系统未触发。
[0032]
图7是本发明的巷道塌陷冲击气浪自动缓冲系统的立体图，图中自动缓冲防护系统已触发。
[0033]
图8是本发明的巷道塌陷冲击气浪自动缓冲系统的立体图，图中冲击气浪抵达防护系统。
[0034]
图9是缓冲装置的结构示意图，图中自动缓冲防护系统未触发。
[0035]
图10是缓冲装置的结构示意图，图中自动缓冲防护系统已触发。
[0036]
图11是转接装置和承接装置的结构示意图，图中两者未结合。
[0037]
图12是转接装置和承接装置的结构示意图，图中两者已经结合。
[0038]
图13是转接装置和承接装置的结构示意图，图中两者已经脱离。
具体实施方式
[0039]
如图1所示，本发明的巷道塌陷冲击气浪自动缓冲系统，包括安装在巷道1内的传感器2、信号处理控制装置3和缓冲装置4，传感器2通过传输线缆5连接信号处理控制装置3，信号处理控制装置3连接缓冲装置4。当传感器2感受到冲击气浪时，信号处理控制装置3发出信号，缓冲装置4开始运行，将气浪的能量缓冲掉至少一部分。传感器2可以是超声波测距传感器、3d加速度传感器、压力传感器中的一种或多种，只要能够探知巷道1内产生了具有破坏性的冲击气浪即可，可通过多种类的传感器综合判断，信号处理控制装置3通过预先设定的程序，判断该冲击气浪的大小、方向、破坏性的强弱等指标，来决定是否是缓冲装置4运行和如何运行，并将命令信号传送给缓冲装置4。缓冲装置4可以在巷道内设置多组，形成多级缓冲。传感器2可以设置在缓冲装置4的两面，缓冲装置4对两面的传感器传来的信号都可以做出反应，可以对两侧来的气浪都起到缓冲作用。
[0040]
如图2所示，缓冲装置4包括弹出杆6、气囊承接装置7、气囊装置18和阻尼装置8。
[0041]
弹出杆6包括第一弹出杆和第二弹出杆，分别安装在巷道1的第一侧1a的两端。所述巷道1的第一侧1a是安装弹出杆6的一侧，可以是左侧或右侧，也可以是上侧或底部，即图2中居于巷道1左侧的弹出杆，也可以安装在右侧，也可以是顶棚或地面，可根据实际情况和安装难度选择。
[0042]
在本实施例中，第一弹出杆和第二弹出杆被称为上弹出杆6a和下弹出杆6b，如图2所示，分别安装在巷道1的第一侧1a的顶部和底部，弹出杆6包括垂直或基本垂直于的埋设在巷道1侧壁内并与巷道侧壁固定的中空套杆61、套装在中空套杆61内并可沿中空套杆61滑动的内杆62，如图3、图4、图5所示，中空套杆61底部设置能将内杆弹出的弹出机构，内杆62的长度与巷道1宽度相匹配，内杆62尾端外缘设置限位块63，中空套杆61外端内缘设置与限位块63相匹配的限位环64。
[0043]
在巷道1的第一侧和第二侧的顶部和底部设置平行于巷道方向的轨道14，也就是在巷道横截面的四个角上设置轨道14，如图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，气囊承接装置7的靠近巷道的第一侧的两个连接点71连接在可沿所述轨道滑动的滑动装置15上，滑动装置15连接缓冲装置4，或者说滑动装置15连接气囊承接装置7。
[0044]
具体的说，气囊承接装置7包括设置在四个角上的连接点71和网绳73，巷道1第一侧1a一侧的两个连接点71之间设置连接杆16，连接杆16上连接网绳73的一端，网绳73的另一端连接内杆62的顶端。网绳73在连接杆16上可以设置多条。另外两个连接点71连接转接装置9，转接装置9可脱落的安装在所述内杆62的顶端。
[0045]
内杆弹出时，只需要牵引几条绳索，阻力最小，弹出杆的稳定性更高，可以确保每次触发都能完全打开。而气囊72只需在几条网绳73组成的网状结构的支撑，也可以将冲击力传递到阻尼装置上。
[0046]
安装在滑动装置15上的承接装置10可沿轨道14滑动，承接装置10连接缓冲装置4。滑动装置15可以是设置在轨道14内的滑块，或者轨道是滑竿，滑动装置15是套环；承接装置10可以直接安装在轨道14上，或者承接装置10也通过滑动装置15连接轨道14。
[0047]
巷道1的第二侧1b的顶部和底部安装与转接装置9相匹配的承接装置10，承接装置10连接阻尼装置8。
[0048]
当传感器2感受到冲击气浪时，处理控制装置3发出信号，通过触发装置使得弹出装置65触发，内杆62被弹出，内杆62顶端带着气囊承接装置7的连接点71向巷道第二侧运动，使得安装在内杆71顶端的转接装置9与承接装置10相连接，转接装置9从内杆顶端脱落，并与承接装置10一起与阻尼装置连接，如图3、图4、图5、图6、图7、图8所示。
[0049]
气囊承接装置7的两侧的至少一侧设置气囊装置18，处理控制装置发出信号，通过触发装置使得弹出杆6触发的同时，触发装置也使得气囊装置18打开。
[0050]
气囊装置18包括与信号处理控制装置连接的触发装置、气体发生单元（图中未画出）和折叠气囊72本体。气囊72的触发装置，气体发生单元一体连接，弹出去，气囊装置18安装在巷道壁上，尤其是安装在巷道上壁上，与信号处理控制装置3连接，当在弹出后，触发装置、气体发生单元与折叠气囊72本体一起从巷道壁上脱落，当气浪冲击时，气囊72可以随气囊承接装置一起运动。气囊设置在气囊承接装置7的至少一侧。
[0051]
由于气囊承接装置7有两个连接点71与巷道的第一侧连接阻尼装置8，被内杆62带到第二侧1b的另外两个连接点71与内杆62脱离后，与阻尼装置8连接，当气浪到来时，气囊72打开充满巷道，被气浪推动，气囊72倚靠在气囊承接装置7上，四个连接点71拉动阻尼装置8，阻尼装置8做功，可以将气浪的能量消耗掉。可以通过计算设计合适的缓冲行程和缓冲力，使气囊承接装置7本身、气囊承接装置7与阻尼装置8连接都可以承受住冲击，并能持续一段时间，从而达到消耗气浪能量的效果。
[0052]
气囊承接装置7的这种结构可以使其结构最轻，尤其是需要在弹出杆6带动下弹出的部分，较之使用缓冲帆，弹出杆6连接多条交错的网绳73的技术方案更加可靠，由于弹出杆6的直径很难做到很大，装药量也有限，导致弹出杆6的力量较小，如果携带的气囊承接装置7重量过大，有可能在某些情况下不能完全打开，导致弹出杆6的内杆62无法到达巷道的另一侧，导致缓冲系统无法工作。多条交错的网绳73的结构重量小容易打开，但其无法阻挡气浪。在多条交错的网绳73组成的网状结构前面设置气囊72，气囊72可以阻挡气浪，气囊72在运动时，以多条交错的网绳73组成的网状结构为依托，与阻尼装置连接，可以起到缓冲作用。
[0053]
如图3至图5所示，内杆62包括最内层杆621和至少一层套装在中空套杆61和最内层杆621之间的中层杆622，中层杆622内端和外端开口，中层杆622的内端设置与中空套杆
61外端内缘的限位环64相匹配的限位块63，最内层杆621的尾端设置限位块63，中层杆622外端的内沿设置与限位块63相匹配的限位环64。
[0054]
弹出杆6可以由多级柱塞组成， 最内层杆621和中层杆622都套装在中空套杆61内，当弹出装置65触发后，最内层杆621弹出，通过最内层杆621尾端的限位装置，带动中层杆622也弹出，中层杆622可以设置多级，最后所有中层杆622都弹出，使得弹出杆6在未使用时长度较短，探出时长度能够与巷道1的宽度相匹配。最内层杆621、中层杆622和中空套杆61之间设置通过密封圈密封。
[0055]
转接装置9可以是套接在内杆62顶端的凸起的结构，其上连接气囊承接装置7的连接点71，当弹性杆6未弹出时，如图11所示，转接装置9安装在内杆62顶端，当弹性杆6弹出后，跟随内杆62一起运动到巷道1的另一侧1b，与承接装置10对接，如图12所示，内杆62与转接装置9之间通过设置较弱的弹性卡箍91等，确保系统不工作时，和弹性杆6弹出过程中，转接装置9与内杆62不脱落，而转接装置9与承接装置10结合后，不影响转接装置9和承接装置10的连接和下一步动作，也就是说，在当弹性杆6弹出完毕后，气浪开始冲击到装置后，转接装置9和承接装置10能够顺利脱离，如图13所示。承接装置10的结构可以是一个空腔球体，在面对弹出杆的方向上设置与转接装置9相匹配的开口101，开口外设置向内收敛的导向板102，转接装置9的导向斜面92相匹配，与开口101内处设置强度足够的单向门103、棘轮棘爪等，转接装置9设有与单向门相匹配的凸起挡块93，使得转接装置9被内杆62顶入承接装置10后，并且在气囊承接装置7承受气浪冲击过程中，不会从承接装置10中脱落出来。承接装置10与内杆62顶端相接触的位置上设置限位挡块，使得内杆62在恰当的位置停止，确保将转接装置9送入承接装置10的同时，防止内杆62剩余的动能将承接装置10撞坏。
[0056]
弹出机构65有两种实施方式，一种是设置与中空套杆61底部连通的气体发生单元，气体发生单元内设有气体发生剂，气体发生剂连接触发装置，触发装置连接信号处理控制装置。最内层杆621尾端或者顶端封闭，中空套杆尾端封闭，如图4和图5所示，中层杆622两端都通。触发时引爆气体发生剂，高压气体将内杆62推出，弹出杆的速度非常快，可以对气浪原发地距离很短的情况也做出及时的反应。
[0057]
气体发生单元可以使用类似于汽车安全气囊的原理的气体发生器。气体发生器里面的气药的爆炸力，足以将内杆及中间杆快速顶出。经计算，气体发生器中装填5到6克左右的气药，气药可以为硝酸盐系的气体发生剂，一般可以包括还原剂和氧化剂，还原剂可以是碳酰肼配合物，氧化剂为kclo4或kno3，具体用量可根据实际情况，根据实验和计算得到。
[0058]
第二种弹出机构是设置在所述中空套杆底部的弹簧和弹簧触发机构(图中未画出)，弹簧触发机构连接信号处理控制装置。
[0059]
如图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，在巷道1的顶部和/或底部设置内杆轨道11，内杆轨道11垂直于巷道方向，内杆62顶端安装与内杆轨道11相匹配的内杆滑块12。设置内杆轨道11和内杆滑块12可以是内杆62弹出时方向更确定，更准确的使转接装置和承接装置更可靠的准确对接。
[0060]
阻尼装置8是用来耗减运动能量的装置，也可以称作耗能装置、吸能装置，连接在其上的气囊承接装置7在运动一段距离时，能够将冲击气浪的动能吸收的装置即可。阻尼装置8可以是各种阻尼器，或者液压装置、连接绳索的重物块或弹簧等。阻尼装置8连接减速装置13。减速装置13可以将缓冲的行程加大，从而减小缓冲力，使气囊承接装置本身、气囊承
接装置与阻尼装置连接都可以承受住冲击，并能持续一段时间，从而达到消耗气浪能量的效果。减速装置13是滑轮组或减速机。
[0061]
阻尼装置8和减速装置13可以安装在巷道壁上，通过绳索连接缓冲装置。阻尼装置8和减速装置13可以安装在上弹出杆6a和下弹出杆6b中间的位置。
[0062]
在一个实施例中，如图9和图10所示，阻尼装置8是重物81，减速装置13是滑轮组，通过绳索连接，再通过多个滚轮、分线轮、起重滑车等连接气囊承接装置7的四个角。通过分线轮17将连接阻尼装置8和减速装置13的至少两条绳索分成上下两路，分布连接上下两个连接点71，在接近连接点71的地方，设置第二分线轮19，气囊承接装置7的连接点71可以往左右两个方向运动，可以适应两个方向来的冲击气浪。
[0063]
阻尼装置8和减速装置13的其他形式可以是液压装置，减速器等，如图6至图8所示。连接点71一端的绳索连接在减速器的输出轴上（图中未画出），输出轴上可以通过缠绕多圈绳索，当气囊承接装置7动作时，通过输出轴转动，释放绳索，输出轴也通过齿轮齿条机构连接绳索。液压装置通过绳索或链条，或者齿轮齿条机构连接减速机的输入轴。
[0064]
阻尼装置8设置在巷道1的第一侧1a和第二侧1b。也可以只设置在一侧，通过一系列的转向滚轮将巷道第一侧和第二侧的连接点71连接起来。当弹出杆6不是在巷道1侧面安装，而是在顶棚或地面安装时，可以根据情况调整阻尼装置8的位置，并通过一系列转向滚轮使得阻尼装置8与气囊承接装置7相连（图中未画出）。
[0065]
本发明的防护系统在安装好后，外部可设置外保护膜，保护膜可以防止在防护系统不工作的时候被损坏。