技术领域
[0001] 本
发明涉及充填开采技术领域，尤其是一种用于采空区矸石充填过程中喷湿和夯实的装置以及采空区矸石充填的方法。
背景技术
[0002] 随着我国对
煤炭资源的开发，“三下”压煤开采问题越来越严重，传统综采将会造成严重的地表沉陷问题，使地表
建筑物发生破坏
变形，严重影响地表生态环境。在此背景下，为解放“三下”煤炭资源，充填开采技术得到应用与发展。矸石充填开采是指利用
风力、重力机械等动力将煤矸石抛入或输入采空区的回填采煤方法，目前矸石充填开采技术存在密实度较低、充填量较少的问题，提高充填矸石密实度是保障。
[0003] 目前，新型固体充填开采技术引入了夯实机构，利用夯实机构对矸石进行夯实，中国
专利CN200920092112.9公开了一种带夯实机构的充填支护液压
支架，其工作原理是：在充填支护液压支架中增设可以顺着底座长度方向前后伸缩的横向夯实机构，当摆动夯实机构将从矸石
输送机落下的矸石夯实后，横向夯实机构进一步夯实，特别是靠近地面和支架底座尾端附近的充填区域得到有效的夯实。但此类装置仅仅是对矸石进行物理
挤压，以加大横向
载荷的技术方式提高充填矸石的密实度，采空区矸石通过该方法
压实的矸石压缩率偏低，难以达到充填要求。
[0004] 在
现有技术的
基础上需要对矸石夯实装置做进一步的改进，通过适度提高矸石的含
水率来提高矸石散体的压缩率，通过向矸石喷洒水雾使其达到最佳含水率，达到提高矸石密实度及充填量的目的，需要对水量进行定量控制，为了实现在采空区内同时进行矸石喷湿与夯实，提供一种用于采空区矸石充填过程中喷湿和夯实的装置以及采空区矸石充填的方法。
发明内容
[0005] 为解决采空区矸石充填过程中矸石压缩率低，喷湿和夯实作业不连续的技术问题，本发明提供了一种采空区矸石喷湿夯实装置及矸石充填方法，具体技术方案如下。
[0006] 一种采空区充填矸石喷湿夯实装置，包括喷湿机构、夯实机构和控制机构，所述湿喷机构包括水
泵、调节
阀和湿喷器，所述夯实机构包括机座、伸缩杆、夯矸梁、摆梁和
挡板，所述控制机构包括
控制器、
传感器和启停
开关；所述水泵通过水管和湿喷器相连，水管上设置有调节阀；所述湿喷器包括连接管、喷头和喷雾嘴，喷头和喷雾嘴组合喷射水雾；所述连接管设置在夯矸梁内，夯矸梁设置在摆梁内；所述夯矸梁前端设置有挡板，夯矸梁后端设置有伸缩杆，挡板上设置有喷放口。
[0007] 进一步的，摆梁和机座铰接，摆梁和机座之间设置有液压
连杆。
[0008] 进一步的，水管为
橡胶软管，所述连接管为金属硬管，连接管上设置有三通管，连接管上连接有两个喷头；所述连接管后端和夯矸梁连接处套设有
弹簧。
[0009] 进一步的，夯矸梁外壁和摆梁内壁均固定设置有传感器，所述传感器和控制器相连，所述启停开关控制水泵工作。
[0010] 更进一步的，水泵上游的水管上设置有
过滤器，所述调节阀下游的水管上设置有流量计。
[0011] 还进一步的，夯矸梁随伸缩杆沿摆梁伸缩，采空区矸石喷湿夯实装置工作时，当夯矸梁收缩，喷头插入喷放口，传感器动作将
信号传输至控制器，控制器控制启停开关打开水泵，水雾通
过喷放口进入矸石内部；随着夯矸梁的外伸，当喷头和挡板上的喷放口分离时，传感器动作将
信号传输至控制器，控制器控制启停开关关闭水泵，停止喷雾；夯矸梁继续外伸，夯实矸石。
[0012] 一种采空区矸石湿喷夯实充填方法，利用上述的一种采空区矸石喷湿夯实装置，步骤包括：
[0013] 步骤一.计算矸石充填用水量，具体为计算用
水体积和流量，
[0014] 用水体积V:
[0015] 流量Q：Q＝S·v＝V/t；
[0016] 其中，V为用水体积，m水为水的
质量，m矸为矸石的质量，ρ水为水的
密度，ρ矸为矸石的密度，a为夯实区域宽度，b为充填区长度，H为充填区域的高度，γ为矸石含水率，Q为流量，S为水管的截面积，v为流速，t为充填区域矸石夯实的时间；
[0017] 步骤二.启动采空区矸石喷湿夯实装置，包括连接水源和电源，摆梁伸至采空区内，启动电源，伸缩杆带动夯矸梁伸缩；当夯矸梁收缩时，喷头插入喷放口，传感器动作将信号传输至控制器，控制器控制启停开关打开水泵，水雾通过喷放口进入矸石内部；随着夯矸梁的外伸，当喷头和挡板上的喷放口分离时，传感器动作将信号传输至控制器，控制器控制启停开关关闭水泵，停止喷雾；
[0018] 步骤三.伸缩杆带动夯矸梁继续外伸，伸展至最大长度，夯实矸石；
[0019] 重复步骤二和步骤三，直至采空区完成矸石充填。
[0020] 本发明的有益效果包括：
[0021] (1)本发明提供的采空区充填矸石喷湿夯实装置，实现了喷湿和夯实的联动作业，通过传感器控制喷湿机构和夯实机构工作，从而实现喷湿和夯实循环作业施工的功能，提高了工作效率。
[0022] (2)喷湿机构采用喷头和喷雾嘴组合式结构作为出水口，并在挡板上设置喷放口，夯实矸石的过程中挡板和喷雾嘴分离，喷头和喷雾嘴留在夯矸梁的内腔，不
接触矸石，从而避免了出水口被矸石或沙土堵死。
[0023] (3)本发明提供的一种采空区矸石湿喷夯实充填方法，利用传感器保证采空区充填矸石喷湿夯实装置循环喷湿，喷雾嘴和挡板分离后及时停止喷雾，当夯矸梁收缩时，喷雾嘴进入喷放口向外喷雾，从而提供喷湿和夯实循环作业。
[0024] (4)湿喷夯实充填过程中，先计算矸石的充填的用水量，并根据夯实时间计算供水流量，从而准确的改善矸石含水率，通过喷雾均匀的供水，改变矸石的含水率从而提高充填矸石的压缩率，从而改善充填效果。
[0025] 另外本发明还具有施工简便，矸石含水率可控，采空区矸石充填体压缩率高等优点。
附图说明
[0026] 图1是采空区充填矸石喷湿夯实装置整体结构示意图；
[0027] 图2是夯矸梁伸缩至不同
位置的结构示意图；
[0028] 图中：1-喷湿机构；11-水泵；12-调节阀；13-湿喷器；131-连接管；132-喷头；133-喷雾嘴；134-喷放口；135-三通管；14-过滤器；15-流量计；2-夯实机构；21-机座；22-伸缩杆；23-夯矸梁；24-摆梁；25-挡板；26-液压连杆；3-控制机构；31-控制器；32-传感器；33-启停开关。
具体实施方式
[0029] 结合图1和图2所示，本发明提供的一种采空区充填矸石喷湿夯实装置及矸石充填方法，具体实施方式如下。
[0030] 一种采空区充填矸石喷湿夯实装置，包括喷湿机构1、夯实机构2和控制机构3，湿喷机构1包括水泵11、调节阀12和湿喷器13，夯实机构2包括机座21、伸缩杆22、夯矸梁23、摆梁24和挡板25，控制机构3包括控制器31、传感器32和启停开关33。实现了喷湿和夯实的联动作业，通过传感器控制喷湿机构和夯实机构工作，从而实现喷湿和夯实循环作业施工的功能，提高了工作效率。
[0031] 水泵11通过水管和湿喷器13相连，水管上设置有调节阀12和流量计15，水泵11选用高压水泵。湿喷器13包括连接管131、喷头132和喷雾嘴133，喷头132和喷雾嘴133组合喷射水雾。其中连接水泵11和湿喷器13的水管为橡胶软管，方便湿喷器13的移动，连接管131为金属硬管，连接管131上还设置有三通管，连接管131上连接有两个喷头132，连接管131后端和夯矸梁23连接处套设有弹簧，方便连接管随夯矸梁23在喷雾阶段共同移动。连接管131的后端设置有
套管，连接管的后端能够在套管内伸缩，从而保证连接管131边随挡板25移动边喷水。水泵11上游的水管上设置有过滤器14，保证水质洁净不会堵塞喷头132和喷雾嘴133，调节阀12下游的水管上设置有流量计15，从而可以准确的控制矸石充填过程的用水量。
[0032] 连接管131设置在夯矸梁23内，夯矸梁23设置在摆梁24内，安装时夯矸梁23从摆梁的后端伸入摆梁24，摆梁24的宽度大于夯矸梁23的宽度，摆梁24前端呈内凹直
角形对夯矸梁23进行限位。夯矸梁23前端还设置有挡板25，夯矸梁23后端设置有伸缩杆22，伸缩杆22可以选用
液压千斤顶并提供足够的压力，挡板25上设置有喷放口134，喷头132和喷雾嘴233的组合与喷放口134相对应插接分离方便。另外在挡板25前表面的喷放口处还可以设置小凸起，进一步的防止喷放口被沙土封堵。摆梁24和机座21铰接，方便转动，摆梁24和机座21之间设置有液压连杆26，液压连杆26可以选用液压千斤顶控制摆梁移动。夯矸梁23外壁和摆梁24内壁均固定设置有传感器32，传感器32和控制器31相连，启停开关33控制水泵11工作。
[0033] 控制机构包括控制器31、传感器32和启停开关33，利用设置在摆梁24内的
位置传感器32，优选红外
定位传感器收发信号，另外传感器32还可以设置在伸缩杆22上，根据伸缩杆22的伸缩长度作为反馈信号调整水泵的启闭。启停开关33控制水泵的工作，具体是启停开关33通过
电磁阀控制水泵11工作，来控制水雾的喷放和停止，从而精确的控制用水量。
[0034] 夯矸梁23随伸缩杆22沿摆梁24伸缩，采空区矸石喷湿夯实装置工作时，当夯矸梁23收缩，喷头插入喷放口134，传感器动作将信号传输至控制器，控制器31控制启停开关33打开水泵11，水雾通过喷放口134进入矸石内部；随着夯矸梁23的外伸，当喷头和挡板上的喷放口134分离时，传感器31动作将信号传输至控制器，控制器31控制启停开关关闭水泵，停止喷雾；夯矸梁23继续外伸，夯实矸石。其中传感器的设置位置根据前述步骤中夯矸梁和摆梁的位置关系计算确定，利用传感器保证采空区充填矸石喷湿夯实装置循环喷湿，喷雾嘴和挡板分离后及时停止喷雾，当夯矸梁收缩时，喷雾嘴进入喷放口向外喷雾，从而提供喷湿和夯实循环作业。
[0035] 一种采空区矸石湿喷夯实充填方法，利用上述的一种采空区矸石喷湿夯实装置，具体施工步骤包括：
[0036] 步骤一.计算矸石充填用水量，具体为计算用水体积和流量，
[0037] 用水体积V:
[0038] 流量Q：Q＝S·v＝V/t；
[0039] 其中，V为用水体积，m水为水的质量，m矸为矸石的质量，ρ水为水的密度，ρ矸为矸石的密度，a为夯实区域宽度，b为充填区长度，H为充填区域的高度，γ为矸石含水率，Q为流量，S为水管的截面积，v为流速，t为充填区域矸石夯实的时间。
[0040] 由于原始矸石的含水率处于较低水平，适度提高含水率能够提高矸石散体的压缩率。通过本步骤先计算矸石的充填的用水量，并根据夯实时间计算供水流量，从而准确的改善矸石含水率，通过喷湿装置定量喷雾，将采空区充填矸石含水率提高至最佳，喷雾均匀的供水，改变矸石的含水率从而提高充填矸石的压缩率。提高充填体的压缩率，再利用夯实装置对充填矸石进行夯实，增加了充填量，从而改善充填效果。
[0041] 步骤二.启动采空区矸石喷湿夯实装置，包括连接水源和电源，摆梁24伸至采空区内，启动电源，伸缩杆22带动夯矸梁23伸缩；当夯矸梁23收缩时，喷头232插入喷放口134，传感器31动作将信号传输至控制器32，控制器32控制启停开关打开水泵11，水雾通过喷放口134进入矸石内部；随着夯矸梁23的外伸，当喷头和挡板上的喷放口134分离时，传感器31动作将信号传输至控制器，控制器32控制启停开关关闭水泵，停止喷雾。
[0042] 步骤三.伸缩杆22带动夯矸梁23继续外伸，伸展至最大长度，夯实矸石；从喷头和挡板25分离至夯矸梁23伸出至极限状态，这段时间内水泵在在控制器31的控制下处于关闭状态。
[0043] 重复步骤二和步骤三，直至采空区完成矸石充填。根据计算的用水体积和流量监控实际充填效果，实现了充填过程中喷湿和夯实的连续循环作业。
[0044] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，
本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
