一种采空区气力充填系统及方法与流程

本发明涉及采空区回填作业技术领域，具体涉及一种采空区气力充填系统和方法，适用于煤矿边角煤、薄煤层及露天边帮煤等无法进人的采空区回填。

背景技术：

薄煤层是指厚度为0.8-1.3m的煤层，我国薄煤层资源分布广泛，储量丰富。然而，我国每年薄煤层产量极低，且有逐年下降的趋势，这无疑对煤炭资源造成极大的浪费，因此，薄煤层开采仍需解决很多问题。

目前，常用的一种薄煤层开采方法为钻采法。钻采法利用钻式采煤机进行薄煤层开采，在薄煤层开采中显示出极大优势。但是，使用钻采法进行薄煤层开采，需要对钻采采空区进行采后充填保护，而如何在狭小的空间中进行充填作业，是钻采法开采薄煤层推广应用的又一障碍。

传统充填方法均存在一些问题，如覆岩离层注浆的效率低和连续性不强、水砂充填用水量较大会污染地下水体、膏体(似膏体)充填成本过高、矸石自溜充填易发生充填不充分、机械化矸石充填占用井下空间较多、矸石人工充填费工费力安全性差等。而且露天煤矿含矸量较高，边角煤层开采高度小，充填工作面作业空间有限，一般充填设备难以进入采空区内部，导致充填作业不全面，存在安全隐患。

针对这一问题，公开号为cn103133031a的中国发明专利公开了一种用于井下采空区气力输送充填设备及方法，通过将矸石在井上地面通过井上对辊式破碎机进行破碎，然后将破碎后的矸石通过垂直式物料投放机输送至井下，在井下通过井下对辊式破碎机对矸石碎块进行再次破碎，以达到适应气力输送装置需要的粒径大小，最后再通过气力输送装置输送至井下采空区进行回填。

但是该专利中，其气力输送装置需要人力铺设管路，极为不方便，工人劳动强度大，机械化程度低，充填效率低，而且仅限于应用于井下矸石充填，难以适用于煤矿边角煤，薄煤层及露天边帮煤等无法进人的采空区进行充填作业。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种安全、有效的采空区充填设备，来满足煤矿边角煤、薄煤层及露天边帮煤等无法进人的采空区回填作业的需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明公开了一种采空区气力充填系统，该系统以高压空气作为动力源，通过气力充填泵输送矸石进入采空区，矸石输送效率高，易实现平行作业，占用空间小。同时该系统中气力充填管由多节充填分管首尾连接而成，管道铺设过程中可以减少劳动力，减轻劳动强度，机械化程度高，可以有效提升采空区充填作业效率。

根据本发明的目的提出的一种采空区气力充填系统，包括矸石仓、矸石破碎机构、矸石输送机构以及气力充填机构，所述气力充填机构包括入料斗、气力充填泵以及气力充填管，所述气力充填泵以高压空气作为动力源，输送入料斗中的矸石颗粒经由气力充填管进入采空区；所述气力充填管包括多节充填分管，相邻两充填分管首尾相连，所述气力充填泵出口设置有与气力充填管相匹配的连接件，所述气力充填管一端与气力充填泵可拆卸固定连接，另一端放置于采空区内。

所述气力充填机构还包括有用于将多个充填分管依次推送入采空区或移出采空区的推送液压缸，所述推送液压缸设置于气力充填泵下方，所述推送液压缸的输出端设置有与充填分管相匹配的连接件。

优选的，每一所述充填分管包括管体以及分设于管体两端的快速接头，相邻两充填分管之间通过快速接头连接、卡箍固定。

优选的，所述气力充填管还包括一首节充填管，所述首节充填管设置于气力充填管深入采空区的端部，所述首节充填管包括管体、设置于管体一端的快速接头以及设置于管体另一端的推板，所述推板上设置有将输送气流排出充填区域的通风口以及用于监测充填区域的照明摄像孔。

优选的，所述推板高度低于采空区断面高度5-10cm，所述推板宽度小于采空区断面宽度5-10cm；所述通风口成型于推板的上边缘，所述照明摄像孔为设置于推板左右两端上方的两组，每组所述照明摄像孔包括红外测距仪、监控摄像头以及led灯。

优选的，每一充填分管以及首节充填管上的管体均为双层管体，所述双层管体上设置有用于加固双层管体中外管和内管的加固盘，所述加固盘分别设置于充填分管双层管体的两端以及首节充填管双层管体远离推板的一端，每一所述加固盘下方设置有用于支撑气力充填管的支撑轮。

优选的，所述气力充填机构还包括设置于气力充填机构一侧用于吊送充填分管和首节充填管的吊车、设置于气力充填机构前部用于支撑和固定气力充填管的机械抱爪以及设置于气力充填机构下方用于固定气力充填机构的四组支撑液压缸。

优选的，所述矸石破碎机构为履带破碎机，所述矸石输送机构包括入料皮带机以及螺旋输送机；所述入料皮带机连通矸石仓和履带破碎机，其入料端设置于矸石仓出料口的下方，出料端设置于履带破碎机入料口的上方；所述螺旋输送机连通履带破碎机和入料斗，其入料端设置于履带破碎机出料口下方，出料端设置于入料斗上方；所述履带破碎机出料口下方还设置有物料输送螺旋，所述物料输送螺旋的出料端设置于螺旋输送机入料端的上方；所述矸石仓下方设置有入料振动筛。

本发明另外公开的一种使用上述气力充填系统进行采空区气力充填的方法，包括以下步骤：

步骤一：履带破碎机通过拖车钩拖动气力充填机构至采空区外部，两组前支撑液压缸和两组后支撑液压缸伸出，支撑地面以固定气力充填机构。

步骤二：吊车将首节充填管吊送入气力充填机构内，首节充填管上快速接头与推送液压缸输出端的快速接头相连，并通过卡箍固定，首节充填管上推板对准所充填采空区。

步骤三：向推送液压缸供油，推送液压缸伸出并推动首节充填管进入采空区，待首节充填管进入采空区后，推送液压缸停止供油。

步骤四：解除卡箍使推送液压缸和首节充填管上的快速接头脱离，同时推送液压缸回缩至原位。

步骤五：吊车将充填分管吊入气力充填机构内，充填分管的尾端与推送液压缸输出端通过快速接头相连，充填分管前端与上一节充填分管尾端通过快速接头相连，前后均通过卡箍来固定。

步骤六：向推送液压缸供油，推送液压缸伸出并推动充填分管进入采空区，待充填分管进入采空区后，推送液压缸停止供油，通过红外测距仪及监控摄像头判断首节充填管的位置，重复步骤五，直至推送液压缸回缩至原位时，首节充填管与采空区底端之间的距离为一节充填分管长度。

步骤七：启动入料振动筛、履带破碎机以及矸石输送机构，将矸石从矸石仓通过入料皮带机运送至履带破碎机的入料口，进行矸石破碎，破碎后的矸石再经由螺旋输送机输送至气力充填机构的入料斗中。

步骤八：连接气力充填泵和气力充填管，向气力充填机构的高压气力进口通入高压空气，开启气力充填泵将入料斗中的矸石颗粒通过多组充填分管输送至首节充填管内，并最终充填至采空区。

步骤九：持续气力充填作业，同时通过红外测距仪及监控摄像头判断采空区充填情况，所留采空区即将充满时，停止螺旋输送机，将矸石颗粒暂时存储在履带破碎机内。

步骤十：当首节充填管无大量矸石颗粒喷出时，关闭高压气力进口并暂停气力充填泵，推送液压缸缓慢向前伸出，以推动多组充填分管和首节充填管压实充填区域。

步骤十一：待充填区域压实后，推送液压缸回缩至原位，解除与推送液压缸连接的充填分管两端的卡箍，使其两端的快速接头脱离，采用吊车吊离该充填分管后，推送液压缸伸出与下一节充填分管相连，并用卡箍固定后，推送液压缸拖动剩余的充填分管和首节充填管退出采空区。

步骤十二：待推送液压缸回缩至原位后，重复步骤十一，直至所有充填分管和首节充填管退出采空区，完成充填作业。

步骤十三：气力充填机构的两组后支撑液压缸和两组前支撑液压缸退回，解除气力充填机构固定状态，重复步骤一，直至完成所有边帮煤采空区的充填工作。

与现有技术相比，本发明公开的一种采空区气力充填系统及方法的优点是：

本发明将露天开采的大量矸石破碎后，采用气力充填系统输送充填至采空区，具有易实现平行作业，占用较小的空间、物料输运和各种设备配置方便等优点。

本发明可以将多节充填分管快速连接，可减少劳动力，减轻劳动强度，机械化程度高，可以有效提升采空区充填作业效率。

本发明适用于煤矿边角煤、薄煤层及露天边帮煤等无法进人的采空区。

本发明能有效地兼顾开采经济效益与环境效益，增强钻采法开采安全性，预防采空区垮塌等安全事故，提高煤炭资源的回收率、降低充填成本，是一种兼顾露天采煤经济效益和安全性的绿色开采充填技术方法，具有较强的创新性和广泛的实用性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明公开的一种采空区气力充填系统的结构图。

图2为矸石破碎机构和气力充填机构主视图。

图3为矸石破碎机构和气力充填机构俯视图。

图4为充填分管结构图。

图5为首节充填管主视图。

图6为首节充填管左视图。

图7为首节充填管俯视图。

图中的数字或字母所代表的零部件名称为：

1-矸石仓；2-入料振动筛；3-入料皮带机；4-履带破碎机；5-气力充填机构；6-螺旋输送机；51-后支撑液压缸；52-气力充填泵；53-推送液压缸；54-气力充填管；55-入料斗；56-吊车；57-机械抱爪；58-前支撑液压缸；59-首节充填管；541-卡箍；542-加固盘；543-支撑轮；544-双层管；545-快速接头；591-推板；592-照明摄像孔；593-通风口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1-图7示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其结构进行了详细的剖析。

如图1-3所示的一种采空区气力充填系统，包括矸石仓1、矸石破碎机构、矸石输送机构以及气力充填机构5。

矸石仓1下方设置有入料振动筛2。矸石破碎机构为履带破碎机4，其具体的结构、原理为现有技术，在此不做赘述。

矸石输送机构包括入料皮带机3以及螺旋输送机6。入料皮带机3连通矸石仓1和履带破碎机4，其入料端设置于矸石仓1下方入料振动筛2出料口的下方，出料端设置于履带破碎机4入料口的上方。螺旋输送机6连通履带破碎机4和入料斗55，其入料端设置于履带破碎机4出料口下方，出料端设置于入料斗55上方。同时，履带破碎机4出料口下方还设置有物料输送螺旋，该物料输送螺旋的出料端设置于螺旋输送机6入料端的上方，经由履带破碎机4破碎的矸石，由物料输送螺旋输送至螺旋输送机6。而为方便设备输送，螺旋输送机6与履带破碎机4可拆卸连接，并置于履带破碎机4的车架平台上。履带破碎机4有拖车钩，可拖动气力充填机构5运动。

气力充填机构5包括入料斗55、气力充填泵52以及气力充填管54。气力充填泵52以高压空气作为动力源，输送入料斗55中的矸石颗粒经由气力充填管54进入采空区。

气力充填管54包括多节充填分管，相邻两充填分管首尾相连，从而铺设完整的充填管路。同时，气力充填机构5还包括有用于将多个充填分管依次推送入采空区或移出采空区的推送液压缸53，充填分管在推送液压缸53的作用下依次进入或退出采空区，避免人工进入采空区铺设管路，减少人员参与度，且机械化程度更高。具体的，气力充填泵52设置于推送液压缸53上方，可以推动气力充填泵52一起运动。

推送液压缸53的输出端设置有与充填分管相匹配的连接件；气力充填泵52出口设置有与气力充填管54相匹配的连接件，气力充填管54一端与气力充填泵52可拆卸固定连接，另一端放置于采空区内。具体的，推送液压缸53和气力充填泵52上连接件，均为快速接头545，推送液压缸53与充填分管通过快速接头545连接，卡箍541固定；气力充填泵52与气力充填管54同样通过快速接头545连接，卡箍541固定。

进一步的，气力充填机构5还包括设置于气力充填机构5一侧用于吊送充填分管和首节充填管59的吊车56、设置于气力充填机构5前部用于支撑和固定气力充填管54的机械抱爪57以及设置于气力充填机构5下方用于固定气力充填机构5的四组支撑液压缸。四组支撑液压缸包括两组位于气力充填机构5后方的后支撑液压缸51以及两组位于气力充填机构5前方的前支撑液压缸58。气力充填机构5在履带破碎机4的拖动下移动至采空区外部，其各组成部分的具体位置与连接关系在此不做限制。

如图4所示，每一充填分管包括管体以及分设于管体两端的快速接头545，相邻两充填分管之间通过快速接头545连接、卡箍541固定。

如图5-7所示，气力充填管54还包括一首节充填管59，该首节充填管59设置于气力充填管54深入采空区的端部，首节充填管59包括管体、设置于管体一端的快速接头545以及设置于管体另一端的推板591，推板591上设置有将输送气流排出充填区域的通风口593以及用于监测充填区域的照明摄像孔592。具体的，该推板591高度低于采空区断面高度5-10cm，宽度小于采空区断面宽度5-10cm。通风口593成型于推板591的上边缘，照明摄像孔592为设置于推板591左右两端上方的两组，每组照明摄像孔592包括红外测距仪、监控摄像头以及led灯。

进一步的，每一充填分管以及首节充填管59上的管体均为双层管体544，双层管体544的内管用于气力输送矸石颗粒，外管用于拖动及连接。具体的，双层管体544上设置有用于加固双层管体544中外管和内管的加固盘542，加固盘542分别设置于充填分管双层管体544的两端以及首节充填管59双层管体544远离推板591的一端，每一加固盘542下方设置有用于支撑气力充填管54的支撑轮543。

本发明另外公开的一种使用上述气力充填系统进行采空区气力充填的方法，包括以下步骤：

步骤一：履带破碎机4通过拖车钩拖动气力充填机构5至采空区外部，两组前支撑液压缸58和两组后支撑液压缸51伸出，支撑地面以固定气力充填机构5。

步骤二：吊车56将首节充填管59吊送入气力充填机构5内，首节充填管59上快速接头545与推送液压缸53输出端的快速接头545相连，并通过卡箍541固定，首节充填管59上推板59对准所充填采空区。

步骤三：向推送液压缸53供油，推送液压缸53伸出并推动首节充填管59进入采空区，待首节充填管59进入采空区后，推送液压缸53停止供油。

步骤四：解除卡箍541使推送液压缸53和首节充填管59上的快速接头545脱离，同时推送液压缸53回缩至原位。

步骤五：吊车56将充填分管吊入气力充填机构5内，充填分管的尾端与推送液压缸53输出端通过快速接头545相连，充填分管前端与上一节充填分管尾端通过快速接头545相连，前后均通过卡箍541来固定。

步骤六：向推送液压缸53供油，推送液压缸53伸出并推动充填分管进入采空区，待充填分管进入采空区后，推送液压缸53停止供油，通过红外测距仪及监控摄像头判断首节充填管59的位置，重复步骤五，直至推送液压缸53回缩至原位时，首节充填管59与采空区底端之间的距离为一节充填分管长度。

步骤七：启动入料振动筛2、履带破碎机4以及矸石输送机构，将矸石从矸石仓1通过入料皮带机3运送至履带破碎机4的入料口，进行矸石破碎，破碎后的矸石再经由螺旋输送机6输送至气力充填机构5的入料斗中。

步骤八：连接气力充填泵52和气力充填管54，向气力充填机构5的高压气力进口通入高压空气，开启气力充填泵52将入料斗55中的矸石颗粒通过多组充填分管输送至首节充填管59内，并最终充填至采空区。

步骤九：持续气力充填作业，同时通过红外测距仪及监控摄像头判断采空区充填情况，所留采空区即将充满时，停止螺旋输送机6，将矸石颗粒暂时存储在履带破碎机内。

步骤十：当首节充填管59无大量矸石颗粒喷出时，关闭高压气力进口并暂停气力充填泵52，推送液压缸53缓慢向前伸出，以推动多组充填分管和首节充填管59压实充填区域。

步骤十一：待充填区域压实后，推送液压缸53回缩至原位，解除与推送液压缸53连接的充填分管两端的卡箍541，使其两端的快速接头545脱离，采用吊车56吊离该充填分管后，推送液压缸53伸出与下一节充填分管相连，并用卡箍541固定后，推送液压缸53拖动剩余的充填分管和首节充填管59退出采空区。

步骤十二：待推送液压缸53回缩至原位后，重复步骤十一，直至所有充填分管和首节充填管59退出采空区，完成充填作业。

步骤十三：气力充填机构5的两组后支撑液压缸51和两组前支撑液压缸58退回，解除气力充填机构5固定状态，重复步骤一，直至完成所有边帮煤采空区的充填工。

综上所述，本发明公开的一种采空区气力充填系统及方法，通过气力充填机构输送矸石至采空区进行充填作业，具有易实现平行作业，占用较小的空间，物料输运和各种设备配置方便等优点，满足钻采法采空区充填需求。且该气力充填系统中，气力充填管由多节充填分管首尾连接而成，方便管道的铺设，减少劳动力，减轻劳动强度，大大提升采空区充填作业效率，具有较强的创新性和广泛的实用性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。