專利名稱：工程礦用密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦用密封件，并且更具體地，涉及一種塞式礦用密封件、和一種設(shè)計(jì)并成形塞式礦用密封件的方法。
背景技術(shù)：
礦用密封件通常安裝在地下礦山的入口處，以把礦山的一部分與礦山的另一部分隔開。例如，礦用密封件可把采空區(qū)與生產(chǎn)礦區(qū)隔開。除其他原因之外，提供地下礦山入口的區(qū)域隔離是為了限制需要通風(fēng)的區(qū)域以及控制有毒氣體或爆炸性氣體。礦用密封件通常由木頭、混凝土塊或泵送進(jìn)框架的凝膠材料構(gòu)造而成。礦業(yè)安全和健康管理?xiàng)l例目前規(guī)定當(dāng)對(duì)密封區(qū)域的大氣進(jìn)行監(jiān)控和保持惰性時(shí)，礦用密封件能承受至少50psi的過壓，以及如果未對(duì)密封區(qū)域大氣進(jìn)行監(jiān)控和未保持惰性，以及不具備其他各種條件，那么礦用密封件必須能承受至少120psi的過壓。參看條例30C. F. R. § 75. 335。發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，用于設(shè)計(jì)和制造礦用密封件的方法包括基于預(yù)定的地下巷道確定礦用密封件的初始厚度，建立并求解礦用密封件對(duì)施加爆炸壓力響應(yīng)的數(shù)值模型，以及確定礦用密封件是否滿足預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
該方法可進(jìn)一步包括基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果確定用于礦用密封件的材料的本構(gòu)行為。建立并求解數(shù)值模型可包括模擬礦用密封件對(duì)爆炸壓力的響應(yīng)，以及基于材料破壞標(biāo)準(zhǔn)確定屈服條件和安全系數(shù)。該方法還可包括在數(shù)值模型中增加礦用密封件的初始厚度并且求解數(shù)值模型直到確定滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最小密封件厚度。可使用莫爾-庫侖強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)建立材料破壞標(biāo)準(zhǔn)。該方法可包括制造具有確定滿足預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最小密封件厚度的礦用密封件。可通過下面的方程式計(jì)算礦用密封件初始厚度。〒 Px DLh' X W xHx SF
Tim = ~---2(W+H)xa car
其中，P為爆炸壓力(psi )、DLF為動(dòng)載荷系數(shù)、W是地下巷道的寬度、H是地下巷道的高度、SF為礦用密封件和周圍巖層之間的接口安全系數(shù)、以及σ sh_為礦用密封件抵靠周圍巖層的剪切強(qiáng)度。預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可包括在礦用密封件內(nèi)側(cè)中心處不存在拉伸破壞； 沿較大跨度接口中線的最小平均安全系數(shù)為1. 5 ;最小平均接口剪切安全系數(shù)為1. 5 ;以及最小密封件厚度為地下巷道短跨度的大約50%或更高。
在又一實(shí)施例中，礦用密封件的成形方法包括安裝第一組礦柱和第二組礦柱，其中，第一組礦柱與第二組礦柱隔開以限定于二者之間的空間。 該方法進(jìn)一步包括將鐵絲網(wǎng)和風(fēng)幛布固定在第一組礦柱和第二組礦柱上，其中，各第一和第二組礦柱、鐵絲網(wǎng)和風(fēng)幛布限定了第一和第二框架。該方法還包括將凝膠灌漿供給到第一和第二框架之間的空間中。
凝膠灌漿可以是泡沫狀且可泵送的凝膠灌漿。第一組礦柱可彼此以大約4至5英尺的距離間隔開，以及第二組礦柱可彼此以大約4至5英尺的距離間隔開。可將鐵絲網(wǎng)系在第一和第二組礦柱的各礦柱上。
在另一實(shí)施例中，礦用密封件包括第一和第二框架，其中，每個(gè)框架包括多根礦柱，鐵絲網(wǎng)被固定在每根礦柱上以及風(fēng)幛布被固定在鐵絲網(wǎng)的內(nèi)表面上。將第一和第二框架間隔開以限定二者之間的空間。礦用密封件還包括定位在第一和第二框架之間空間中的凝膠灌漿。該凝膠灌漿可以是泡沫狀且可泵送的凝膠灌漿。第一框架的礦柱可彼此以大約 4至5英尺的距離間隔開，以及第二框架的礦柱可彼此以大約4至5英尺的距離間隔開。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的礦用密封件的透視圖。
圖2是圖1礦用密封件的側(cè)視圖，其示出了凝膠灌漿的安裝。
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的礦用密封件。
圖4是根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的礦用密封件。
圖5是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的方法流程圖。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的礦用密封模型的透視圖。
圖6B是圖6A中示出的礦用密封件模型的前視圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明。下文中為了描述的目的，術(shù)語“上”、“下”、“右”、“左”、 “豎直”、“水平” “頂部” “底部”及其衍生詞應(yīng)如附圖中的朝向與本發(fā)明相關(guān)。然而，應(yīng)理解的是，除非另有明確相反的說明，本發(fā)明可采取各種替換的變型和步驟序列。應(yīng)理解的是， 在附圖中示出和在下面說明書中描述的具體裝置僅僅是本發(fā)明的示例性實(shí)施例。因此，與本文公開的實(shí)施例相關(guān)的具體尺寸和其他物理特征不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的。
參考圖1和圖2,公開了用于地下巷道的礦用密封件10的一個(gè)實(shí)施例。礦用密封件10由一對(duì)框架12、14形成，該框架12、14被定位在與頂板16和礦壁18巖層鄰近的位置， 并且彼此隔開以限定空間20?？蚣?2、14構(gòu)造為于其間接收凝膠灌漿22。各框架12、14 包括多根間隔開的柱24、多塊水平附接至柱內(nèi)表面的板26、以及固定在板26內(nèi)表面上的風(fēng)幛布28。柱24可以是4” X4”或更大尺寸的木頭柱，并定位在30” ±6”的中心上，還可利用其他合適尺寸和類型的柱。也可利用木垛30 (圖1所示)來限定框架。該木垛30可以具有6” X6” X30”的尺寸，并且以木垛之間大約36”的距離安裝。板26可以是具有I” X6” 尺寸的木頭板，其在18”±6”中心處附接至柱24。雖未示出，但前/外框架12通常包括一個(gè)或多個(gè)允許在建造過程期間進(jìn)入框架內(nèi)部的臨時(shí)艙口。此外，多個(gè)加壓填充管32穿過風(fēng)幛布28被定位在前/外框架12上。
礦用密封件10還包括用于排出密封件10內(nèi)部水的排水系統(tǒng)34。排水系統(tǒng)34包括排水管36、閥38和U形彎管40，排水管36構(gòu)造為允許密封件內(nèi)部水的重力下水。閥38 和U形彎管40定位在排水管36的外側(cè)。排水管36可以是非金屬且耐腐蝕的管,對(duì)于50psi的密封設(shè)計(jì)，該管具有至少IOOpsi的內(nèi)部壓力等級(jí)，以及對(duì)于120psi的密封設(shè)計(jì)，該管具 有至少240psi的內(nèi)部壓力等級(jí)。雖然只公開了一根排水管36，但可使用一根或多根排水 管。礦用密封件10進(jìn)一步包括用于測(cè)試密封件10內(nèi)側(cè)空氣的氣體采樣系統(tǒng)42。氣體采樣 系統(tǒng)42包括采樣管44和安裝在密封件10外部的截止閥46。采樣管44可以是非金屬且耐 腐蝕的管，對(duì)于50psi的密封設(shè)計(jì),該管具有至少IOOpsi的內(nèi)部壓力等級(jí)，以及對(duì)于120psi 的密封設(shè)計(jì)，該管具有至少240psi的內(nèi)部壓力等級(jí)?？墒褂弥T如聚氨酯泡沫等泡沫圍繞由 管32、36、44形成的環(huán)形開口并圍繞風(fēng)幛布28的周邊，以在材料加壓期間使泄露最小化。
參考圖2，示出了將凝膠灌漿22定位在框架12、14之間。放置凝膠灌漿22使得灌 漿22填滿框架12、14之間的整個(gè)空間，并且接合頂板16和礦壁18的周圍巖層。凝膠灌漿 22可以是泡沫狀、重量輕、可泵送的凝膠灌漿，其在放置之后的幾分鐘之內(nèi)膠凝并且開始硬 化，以限定一致、均勻和粘聚的灌漿體，該灌漿體在28天內(nèi)形成足夠的強(qiáng)度(包括與周圍的 巖層結(jié)合)?？墒褂蒙暗V機(jī)(未示出)將凝膠灌漿22布置在框架12、14之間的所需位置處， 該砂礦機(jī)將干材料與水、空氣結(jié)合起來并且泵送所得泡沫狀凝膠灌漿。
參考圖3，公開了用于地下巷道的礦用密封件50的又一實(shí)施例。本實(shí)施例的礦用 密封件50類似于在圖1和圖2中示出并且在上文描述的礦用密封件10。在圖3所示的礦 用密封件50中，一對(duì)框架52、54中每一個(gè)由多根間隔開的礦柱56、系在礦柱56上的焊接鐵 絲網(wǎng)58、以及固定在鐵絲網(wǎng)58內(nèi)表面上的風(fēng)幛布60形成?？墒褂娩摻z系材或任何其他合 適的固定裝置將焊接鐵絲網(wǎng)58固定在礦柱56上。礦柱56可以以大約4’-5’的距離間隔 開。礦柱56可以是快速安裝的支柱，諸如市場(chǎng)上可從Jennmar公司買到的RIP50礦柱，也 可利用其他合適的支柱。焊接鐵絲網(wǎng)58可以是12規(guī)格、4” X4”網(wǎng)格的鐵絲網(wǎng)，也可利用 其他合適的鐵絲網(wǎng)。礦用密封件50還包括如上文所討論的、與在圖1和圖2中所示礦用密 封件10相關(guān)的填充管32、排水系統(tǒng)34以及采樣系統(tǒng)42。雖未示出，礦用密封件50還包括 如上文所討論的、與圖1和圖2中所示礦用密封件10相關(guān)的、位于框架52、54之間的凝膠 灌漿22。
再一次參考圖3，通過安裝第一組62礦柱56和第二組64礦柱56來形成礦用密封 件50。第一和第二組礦柱56被間隔開以限定其間的空間66。鐵絲網(wǎng)58和風(fēng)幛布60被固 定在第一和第二組62、64礦柱56上。特別是，鐵絲網(wǎng)58和風(fēng)幛布60被固定在第一組62礦 柱56上，并且另外的鐵絲網(wǎng)58和風(fēng)幛布60被固定在第二組64礦柱56上。風(fēng)幛布60向 內(nèi)朝向空間66。第一和第二組62、64礦柱56、鐵絲網(wǎng)58和風(fēng)幛布60限定了如上文所討論 的這對(duì)框架52、54。然后，以如圖2所示及上述相同的方式將凝膠灌漿22供給到這對(duì)框架 52,54之間的空間66中。凝膠灌漿22固化并且形成一致、均勻和粘聚的灌漿體。
參考圖4，公開了用于地下巷道的礦用密封件70的另一實(shí)施例。礦用密封件70類 似于在圖1至圖3中示出并且在上文討論的礦用密封件10、50。礦用密封件70包括各自分 別由壁部76、78形成的一對(duì)框架72、74。壁部76、78包括多個(gè)塊80，塊80彼此連接以形成 壁部76、78。塊80可以是4”X8”X 16”的互鎖塊，該互鎖塊具有用于將塊彼此固定的榫槽 裝置。每個(gè)壁部76、78的外表面還包括覆蓋塊80整個(gè)表面的密封劑82層。還可利用木垛 30來限定如上文所提到的、與圖1中所示礦用密封件10相關(guān)的框架。礦用密封件70還包 括如上文關(guān)于圖1和圖2中示出的礦用密封件10所討論的填充管32、排水系統(tǒng)34以及采 樣系統(tǒng)42。雖未示出，礦用密封件70還包括如上文關(guān)于圖1和圖2中示出的礦用密封件10所討論的、位于框架72、74之間的凝膠灌漿22。
參考圖5，公開了一種根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的礦用密封件的設(shè)計(jì)和制造方法。該方法通 常包括以下步驟對(duì)于給定的巷道，確定初始礦用密封件的厚度；建立并求解礦用密封件 對(duì)爆炸壓力響應(yīng)的數(shù)值模型；以及確定礦用密封件是否滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)確定礦用 密封件設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可制造已確定滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的具有最小厚度的礦用密封件。 礦用密封件設(shè)計(jì)是基于使用專業(yè)軟件和三維礦用密封件模型的數(shù)值模擬。該模型代表安裝 在各種尺寸礦山入口處的礦用密封件結(jié)構(gòu)。該模型模擬密封件充分經(jīng)受由于地下爆炸施加 在密封件內(nèi)側(cè)面上的爆炸過壓。礦用密封件的最小厚度是各種因素的函數(shù)，主要包括爆炸 過壓、動(dòng)載荷系數(shù)、安全系數(shù)、入口尺寸以及密封材料的工程屬性。礦用密封件結(jié)構(gòu)的可能 破壞模式包括(1)如果最大的拉應(yīng)力超過材料的拉伸強(qiáng)度，那么拉伸破壞將會(huì)發(fā)生在內(nèi) 側(cè)的中心處或外側(cè)的巖石-密封件的接口周邊；(2)莫爾-庫侖剪切破壞通過巷道較長(zhǎng)跨 度處的接口傳播；以及(3)塞式剪切破壞。取決于礦用密封件厚度和巷道尺寸，厚度小于巷 道(短跨度)一半的薄密封件可能以第一模式破壞。厚密封件(厚度大于巷道較短跨度的一 半)可能以第二或第三模式破壞。因此，設(shè)計(jì)和制造礦用密封件的本方法利用組合的方法 論，該組合的方法論用如下文所討論的塞流理論和結(jié)構(gòu)數(shù)值分析評(píng)估所有三種可能的破壞 模式。
在爆炸事件期間施加在密封件上的過壓發(fā)生變化并且在很短的時(shí)段內(nèi)被施加。不 考慮與時(shí)間相關(guān)的由于過重地層導(dǎo)致的沉降載荷，爆炸壓力很可能引起在密封件上的動(dòng)態(tài) 響應(yīng)。為了分析該動(dòng)態(tài)響應(yīng)，應(yīng)求解包括慣性和阻尼效應(yīng)的完整運(yùn)動(dòng)方程，如由下面方程式所述
M*a+C*u+K*y=F (方程式 I)
M為密封件結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；
a為加速度向量；
C為阻尼矩陣；
U為速度矩陣；
K為剛度矩陣；
I為位移矢量；以及
F為力矢量。
近似的數(shù)值模型技術(shù)可在礦用密封件設(shè)計(jì)中使用。特別是，為了避免真實(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬的某些缺陷，利用等效動(dòng)態(tài)(ED)模擬方法。通過使用動(dòng)載荷系數(shù)(DLF)，靜態(tài)模型可 提供類似于完全動(dòng)態(tài)模型的響應(yīng)。
在具有給定邊界和載荷條件、作為輸入的真實(shí)材料工程屬性、以及適當(dāng)?shù)钠茐臉?biāo) 準(zhǔn)的條件下，數(shù)值模型通過這樣的方式執(zhí)行分析將真實(shí)的對(duì)象分解成大量的元素，并且 使用一組數(shù)學(xué)方程式數(shù)值方式計(jì)算每個(gè)元素的應(yīng)力和應(yīng)變。一旦每個(gè)元素達(dá)到平衡，然后 軟件程序集合所有單個(gè)元素的應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)，并且預(yù)測(cè)整個(gè)結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。數(shù)值模型允許 在莫爾-庫侖破壞標(biāo)準(zhǔn)下的真實(shí)響應(yīng)和材料屈服、在實(shí)驗(yàn)室獲得的實(shí)際材料工程屬性的并 入、以及密封件內(nèi)關(guān)鍵破壞區(qū)域的確認(rèn)及密封件響應(yīng)和材料屈服的可靠信息。此外，數(shù)值模 型允許進(jìn)行參數(shù)化礦用密封件設(shè)計(jì)的靈活性以適應(yīng)大多數(shù)礦山入口的尺寸。
為滿足政府規(guī)定，密封件設(shè)計(jì)必須能夠抵抗特定持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的爆炸，其以壓力-時(shí)間曲線為特征。例如，相對(duì)于120psi的主線密封件，認(rèn)為在爆炸之后可能的爆炸過壓瞬時(shí)上升到120psi。假定壓力存在至少四秒以確保密封件能負(fù)載而不在DLF為2時(shí)破壞。假定過壓載荷的瞬時(shí)釋放提供用以處理在除去爆炸載荷之后發(fā)生在密封件中的反彈效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。用于諸如上文所描述凝膠灌漿22等礦用密封件的材料工程屬性可通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲得。
巖石材料、混凝土或凝膠材料的破壞通常由莫爾-庫侖強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)描述，其假定如果由正限制ση、內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ生成的剪切強(qiáng)度τ不能抵抗實(shí)際最大剪應(yīng)力τ_， 那么剪切破壞平面在巖體中形成。當(dāng)破壞發(fā)生時(shí)，在破壞面上形成的應(yīng)力位于強(qiáng)度包絡(luò)線上。莫爾-庫侖強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)假定當(dāng)滿足下面的方程式時(shí)，巖石材料進(jìn)入破壞狀態(tài)。
T=c+antanq^ (方程式 2)
權(quán)利要求
1.一種用于設(shè)計(jì)和制造礦用密封件的方法，該方法包括基于預(yù)定的地下巷道確定所述礦用密封件的初始厚度；建立并求解所述礦用密封件對(duì)施加爆炸壓力響應(yīng)的數(shù)值模型；以及確定所述礦用密封件是否滿足預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果確定用于所述礦用密封件的材料的本構(gòu)行為。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，建立并求解所述數(shù)值模型包括模擬所述礦用密封件對(duì)所述爆炸壓力的響應(yīng)；以及基于材料破壞標(biāo)準(zhǔn)確定屈服條件和安全系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括在所述數(shù)值模型中增加所述礦用密封件的所述初始厚度并且求解所述數(shù)值模型，直到確定滿足所述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最小密封件厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，使用莫爾-庫侖強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)建立所述材料破壞標(biāo)準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括制造具有確定滿足所述預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最小密封件厚度的礦用密封件。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括制造具有確定滿足所述預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最小密封件厚度的礦用密封件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過下面的方程式計(jì)算所述礦用密封件的初始厚度，
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括在所述礦用密封件內(nèi)側(cè)中心處不存在拉伸破壞；沿較大跨度接口中線的最小平均安全系數(shù)為1. 5 ；最小平均接口剪切安全系數(shù)為1. 5 ;以及最小密封件厚度為地下巷道短跨度的大約50%或更高。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括在所述礦用密封件內(nèi)側(cè)中心處不存在拉伸破壞；沿較大跨度接口中線的最小平均安全系數(shù)為1. 5 ；最小平均接口剪切安全系數(shù)為1. 5 ;以及最小密封件厚度為地下巷道短跨度的大約50%或更高。
11.一種礦用密封件的成形方法，其包括安裝第一組礦柱和第二組礦柱，所述第一組礦柱與所述第二組礦柱隔開以在二者之間限定空間；將鐵絲網(wǎng)和風(fēng)幛布固定在所述第一組礦柱和所述第二組礦柱上，各所述第一和第二組礦柱、所述鐵絲網(wǎng)和所述風(fēng)幛布限定了第一和第二框架；以及將凝膠灌漿供給到所述第一和第二框架之間的空間中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述凝膠灌漿是泡沫狀且可泵送的凝膠灌漿。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一組礦柱彼此以大約4至5英尺的距離間隔開，以及所述第二組礦柱彼此以大約4至5英尺的距離間隔開。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，將所述鐵絲網(wǎng)連接在所述第一和第二組礦柱的各礦柱上。
15.—種礦用密封件,其包括第一和第二框架，每個(gè)框架包括多根礦柱，鐵絲網(wǎng)被固定在每根礦柱上，并且風(fēng)幛布被固定在所述鐵絲網(wǎng)的內(nèi)表面上，所述第一和第二框架間隔開以在二者之間限定空間；以及凝膠灌漿，其定位在所述第一和第二框架之間的空間中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的礦用密封件，其中，所述凝膠灌漿是泡沫狀且可泵送的凝膠灌漿。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的礦用密封件，其中，所述第一框架的礦柱彼此以大約4至5 英尺的距離間隔開，以及所述第二框架的礦柱彼此以大約4至5英尺的距離間隔開。
全文摘要
一種用于設(shè)計(jì)和制造礦用密封件的方法，其包括基于預(yù)定的地下巷道確定礦用密封件的初始厚度，建立并求解礦用密封件對(duì)施加爆炸壓力響應(yīng)的數(shù)值模型，并確定礦用密封件是否滿足預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在確定礦用密封件滿足預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之后，可制造具有最小密封件厚度的礦用密封件。
文檔編號(hào)E21F17/103GK103069110SQ201180037553
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者約翰·C·斯坦庫斯, 馬金榮, 馬魯閩 申請(qǐng)人:Fci特拉華控股有限公司