一种矿用灾区密闭与启封装置及其使用方法
阅读说明：本技术 一种矿用灾区密闭与启封装置及其使用方法 (Mining disaster area sealing and unsealing device and using method thereof ) 是由 蒋德献 张广勋 葛亮 井婷婷 陈波 余秀清 陈于金 廖树芸 舒远 范晓容 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种矿用灾区密闭与启封装置及其使用方法,属于煤矿安全技术领域,该装置包括横断矿洞的混凝土墙、位于混凝土墙内的窗框、一侧通过铰链与窗框连接的风窗、与风窗滑动连接并控制风窗开闭的连杆驱动机构、可定时控制连杆驱动机构运动的气动控制系统,以及将风窗紧锁在窗框上的闭锁装置；所述风窗包括面向矿洞内密闭区域的弧形窗板和面向矿洞外安全通道的平面窗板。该装置采用混凝土墙与钢结构风窗相结合的方式,全部为刚性结构,抗压效果好,并提高了密闭的密封质量；采用定时气动控制操作启闭风窗,有效避免施工时二次爆炸对操作人员造成的伤害。(The invention relates to a mining disaster area sealing and unsealing device and a use method thereof, belonging to the technical field of coal mine safety, wherein the device comprises a concrete wall intersecting a mine opening, a window frame positioned in the concrete wall, an air window with one side connected with the window frame through a hinge, a connecting rod driving mechanism in sliding connection with the air window and controlling the air window to be opened and closed, a pneumatic control system capable of controlling the movement of the connecting rod driving mechanism in a timing manner, and a locking device for tightly locking the air window on the window frame; the air window comprises an arc window plate facing to a closed area in the mine hole and a plane window plate facing to the safety channel outside the mine hole. The device adopts a mode of combining the concrete wall and the steel structure air window, is of a rigid structure, has good compression resistance effect and improves the sealing quality; the timing pneumatic control operation is adopted to open and close the air window, so that the injury to operators caused by secondary explosion during construction is effectively avoided.)
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种矿用灾区密闭与启封装置及其使用方法。
背景技术
煤矿火灾是直接威胁煤矿安全和工人生命的主要灾害之一。在火灾灾情已经不可能用直接灭火方法扑灭时，或由于可燃性气体或其他情况的出现，快速有效的建立起密闭隔离墙将易自燃区、有害气体源或瓦斯聚集区进行隔离是缩短火灾延续时间、减少事故损失、避免二次灾害的主要途径和有效手段。在构建或启封火区密闭时，特别是完成封堵和初始开启的瞬间，火区内气体成分会发生巨大变化，很容易因瓦斯积聚到爆炸浓度范围而发生爆炸，伤及操作人员。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矿用灾区密闭与启封装置及其使用方法，采用混凝土墙与钢结构风窗相结合的方式，全部为刚性结构，抗压效果好，提高了密闭的密封质量；采用延时气动控制操作启闭风窗，有效避免施工时二次爆炸对操作人员造成的伤害。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种矿用灾区密闭与启封装置，包括横断矿洞的混凝土墙、位于混凝土墙内的窗框、一侧通过铰链与窗框连接的风窗、与风窗滑动连接并控制风窗开闭的连杆驱动机构、可定时控制连杆驱动机构运动的气动控制系统，以及将风窗紧锁在窗框上的闭锁装置；所述风窗包括面向矿洞内密闭区域的弧形窗板和面向矿洞外安全通道的平面窗板。
进一步，所述弧形窗板包括弧形壳板和焊接在弧形壳板上的固定板，所述弧形壳板与固定板之间设有加强板，所述弧形壳板材料为高强度合金钢。
进一步，所述固定板和平面窗板背面的四周对应窗框处均设置有密封结构，密封结构包括矩形管和与矩形管相匹配的隔板，所述固定板和平面窗板与相对应的矩形管及隔板形成密封沟槽，所述密封沟槽内设有密封条，所述密封条对应的窗框上设有金属压条，金属压条在弧形窗板和平面窗板闭合时压紧密封条。
进一步，所述连杆驱动机构位于混凝土墙中窗框形成的立体空腔中，所述连杆驱动机构包括连接块、对称铰接在连接块两端随连接块运动的多连杆机构，以及设置在弧形窗板和平面窗板上与多连杆机构配合的滑轨机构。
进一步，所述连接块的中间设置有用于连接气动控制系统的螺纹孔，所述连接块的两端设有与连接多连杆机构相连接的凹槽和销孔；
所述多连杆机构包括对称铰接在所述连接块两侧凹槽上的两短连杆、分别与两短连杆铰接的两长连杆，所述两长连杆靠近短连杆铰接处与窗框固定的螺柱铰接作为旋转支点；
所述滑轨机构包括设置在弧形窗板和平面窗板上的轨道，在轨道上滑动并与多连杆机构的两长连杆相连的滑动件，和设置在轨道靠近铰链一端的限位块。
进一步，：所述气动控制系统包括气源、与所述气源相连通的气动定时控制箱，以及与所述气动定时控制箱相连通并驱动连杆驱动机构运动的驱动气缸。
进一步，所述气源位于混凝土墙体外朝向安全通道一侧，包括压缩气瓶、设置在压缩气瓶上的气瓶阀和与压缩气瓶连通的减压器；
所述气动定时控制箱位于混凝土墙体外朝向安全通道一侧，包括箱体和固定在箱体内部表面，对输入压缩空气进行定时输出控制的阀门组合；
所述驱动气缸设于混凝土墙与窗框形成的立体空腔通道内，为双向进气的双作用气缸。
进一步，所述闭锁装置安装在平面窗板正面，包括安装在铰链相对侧窗框上的转动连杆机构，焊接在平面窗板正面上与转动连杆机构配合锁紧的楔形块和限位块。
进一步，所述转动连杆机构包括固定焊接在窗框上的转轴座、旋转安装在转轴座内的转轴、套装在转轴上并与转轴同步转动的转动块；
所述楔形块固定安装在平面窗板正面并与所述转动块对应设置，所述转动块的自由端到转轴轴心的距离大于所述楔形块靠近转轴一侧的边缘到转轴轴心的距离且小于等于楔形块远离转轴一侧的边缘到转轴轴心的距离；
所述转动块的自由端上套装有与楔形块相配合滑动的自润滑轴承。
一种矿用灾区密闭与启封的方法，采用如上文所述的矿用灾区密闭与启封装置，包括如下步骤：
S1.灾区矿洞密封；
S101.在欲构建密闭墙处矿洞四壁开槽或设置锚杆，从底部开始浇筑混凝土墙至适当高度；
S102.将矿用灾区密闭与启封装置的窗框安装到混凝土墙上，将风窗的一侧铰接在窗框上，将风窗与位于窗框形成的空腔内的连杆驱动机构连接，并通过位于混凝土墙朝向安全通道一侧的气动控制系统控制连杆驱动机构运动，将弧形窗板和平面窗板撑开至最大位置，继续在装置周围浇筑混凝土墙至充满整个矿洞断面，仅留出混凝土墙与窗框形成的立体空腔通道；
S103.按需求设置气动控制系统定时关闭时间，待人员撤离至安全区后，时间到达气动控制系统设置的定时关闭时间，气动控制系统将控制连杆驱动机构将风窗关闭；
S104.手动操作闭锁装置，将平面窗板紧锁在窗框上，完成火区密闭；
S2.灾区矿洞启封；
S201.打开闭锁装置；
S202.将气动控制系统开关旋转至开启位置，按需求设置好气动控制系统定时开启时间，操作人员离开；当达到气动控制系统设置的定时开启时间，气动控制系统控制驱动机构将风窗打开；
S203.当矿洞内空气流通一段时间，人员进入，拆除混凝土墙，完成启封。
本发明的有益效果在于：
1、本申请的风窗采用刚性结构，抗压效果好，风窗上设有密封结构，提高了密闭的密封质量。通过将风窗设置为面向矿洞内密闭区域的弧形窗板，并在弧形窗板的弧形壳板和焊接在弧形壳板上的固定板间设置加强版，且弧形窗板的弧形壳板采用高强度的合金钢，使其受力性能得到加强，而且能将作用在弧形壳板上的爆炸冲击力削弱，使得该结构整体强度好，具有较优的抵抗爆炸冲击的能力，使得火区密闭更加安全可靠。
2、本申请通过延时气动控制系统控制风窗关闭和开启，其延时时间可在一定范围内任意设置，在完成风窗关闭和开启前人员可撤离至安全区域，有效避免密闭封堵和开启瞬间发生二次爆炸对操作人员造成的伤害。
3、本申请通过设置闭锁装置不仅能够有效锁紧风窗，而且操作快捷方便，通过设置限位机构能够防止闭锁装置运行过度而导致闭锁失效。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为一种矿用灾区密闭与启封装置的安装结构示意图；
图2为图1中A-A截面风窗闭合时一种矿用灾区密闭与启封装置剖视图；
图3为图1中A-A截面风窗开启时一种矿用灾区密闭与启封装置剖视图；
图4为图2中B处密封结构放大示意图；
图5为图2中C处闭锁装置放大示意图；
附图标记：窗框1、金属压条11、风窗2、弧形窗板21、弧形壳板211、固定板212、加强板213、平面窗板22、矩形管23、隔板24、密封沟槽25、密封条26、密封结构3、气动控制系统4、气源41、压缩气瓶411、气瓶阀412、减压器413、气动定时控制箱42、驱动气缸43、活塞杆431、连杆驱动机构5、连接块51、螺纹孔511、凹槽512、销孔513、多连杆机构52、短连杆521、长连杆522、旋转支点523、滑轨机构53、光滑杆件滑轨531、限位块532、闭锁装置6、转动连杆机构61、转轴座611、转轴612、转动块613、自润滑轴承614、手柄615、楔形块62、限位块63、铰链7、铰链转轴71、混凝土墙8。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1-5，一种矿用灾区密闭与启封装置，包括位于横断矿洞混凝土墙8内的窗框1、一侧通过铰链7与窗框1连接的风窗2，与风窗2滑动连接并控制风窗2开闭的连杆驱动机构5、可定时控制连杆驱动机构5运动的气动控制系统4，以及将风窗2紧锁在窗框1上的闭锁装置6；风窗2包括面向矿洞内密闭区域的弧形窗板21和面向矿洞外安全通道的平面窗板22，弧形窗板21包括弧形壳板211和焊接在弧形壳板211上的固定板212，弧形壳板211与固定板212之间设有加强板213，弧形壳板211材料为高强度合金钢。
固定板212和平面窗板22背面的四周对应窗框处均设置有密封结构3，密封结构3包括矩形管23和与矩形管23相匹配的隔板24，固定板212和平面窗板22与相对应的矩形管23及隔板24形成密封沟槽25，密封沟槽25内设有密封条26，密封条26对应的窗框1上设有金属压条11，金属压条11在弧形窗板21和平面窗板22闭合时压紧密封条26。连杆驱动机构5位于混凝土墙8中窗框1形成的立体空腔中，包括连接块51，对称铰接在连接块51两端随连接块51运动的多连杆机构52，设置在弧形窗板21和平面窗板22上与多连杆机构52配合的滑轨机构53。连接块51的中间设置有与驱动气缸43的活塞杆431相匹配的螺纹孔511，连接块51的两端设有连接多连杆机构52相连接的凹槽512和销孔513；多连杆机构52包括对称铰接在连接块51两侧凹槽512上的两短连杆521、分别与两短连杆521铰接的两长连杆522，两长连杆522靠近短连杆521铰接处设置与窗框1固定的螺柱作为旋转支点523；滑轨机构53包括设置在弧形窗板21和平面窗板22上的轨道，在轨道内上滑动并与多连杆机构52的两长连杆522相连的滑动件，和设置在轨道靠近铰链一端限位块532；
在本施例中，设置在弧形窗板21和平面窗板22上的轨道为光滑杆件滑轨531，在光滑杆件滑轨531上的滑动件由垂直于光滑杆件滑轨531的支杆和支杆上的两套润滑轴承组成，支杆和套装在支杆上的润滑轴承与光滑杆件滑轨531相匹配，当支杆在在光滑杆件滑轨531上平行移动时，带动风窗2沿铰链转轴71转动。该滑动件和轨道也可是其他能实现该功能的机械结构，如滑块和导轨。
当弧形窗板21和平面窗板22处于闭合状态，滑动件在轨道上位于远离弧形窗板21和平面窗板22与窗框1铰接处的一端，整个多连杆机构52呈“M”形；在弧形窗板21受到爆炸冲击等外力时，该驱动连杆机构形成的自紧结构会使弧形窗板21紧锁在窗框1上。
气动控制系统4包括气源41，与气源41相连通的气动定时控制箱42，以及与气动定时控制箱42相连通并驱动连杆驱动机构5运动的驱动气缸43；气源41位于混凝土墙体外朝向安全通道一侧，包括压缩气瓶411、设置在压缩气瓶上的气瓶阀412和压缩气瓶连通的减压器413；气动定时控制箱42也位于混凝土墙体外朝向安全通道一侧，包括箱体和固定在箱体内部表面，对输入压缩空气进行定时输出控制的阀门组合；驱动气缸43为双向均可进气的双作用气缸，其设置在所述窗框1形成的立方体空腔下表面。
闭锁装置6安装在平面窗板正面，包括安装在铰链相对侧窗框1上的转动连杆机构61，焊接在平面窗板22正面上与转动连杆机构61配合锁紧的楔形块62和限位块63；转动连杆机构61包括固定焊接在窗框1上的转轴座611、旋转安装在转轴座611内的转轴612、套装在转轴612上并与转轴612同步转动的转动块613；楔形块62固定安装在平面窗板22正面并与转动块613对应设置，转动块613的自由端到转轴612轴心的距离大于所述楔形块62靠近转轴612一侧的边缘到转轴612轴心的距离且小于等于楔形块62远离转轴612一侧的边缘到转轴612轴心的距离；转动块613的自由端上套装有与楔形块62相配合滑动的自润滑轴承614。通过设置自润滑轴承614减小转动块613在楔形块62表面上滑动时的摩擦阻力，使得闭锁时的闭锁力分布更加均匀，且使得闭锁装置6操作起来更加灵活省力；转动块613的中部焊接有用于推动转运块旋转的手柄615，通过设置手柄615可减小转动块613转动时的驱动力，使得闭锁装置6操作起来更加灵活省力。
一种矿用灾区密闭与启封的方法，如上述的矿用灾区密闭与启封装置，包括如下步骤：
S1.灾区矿洞密封；
S101.在欲构建密闭墙处矿洞四壁开槽或设置锚杆，从底部开始浇筑混凝土墙8至适当高度；
S102.将上文所述的矿用灾区密闭与启封装置的窗框1、风窗2、连杆驱动机构5、气动控制系统4的驱动气缸43等装置安装到未浇筑完成的混凝土墙8上部，将驱动气缸43的活塞杆431缩回，使连杆驱动机构5的长连杆522绕旋转支点523运动，将弧形窗板21和平面窗板22撑开至最大位置，让风流能够顺畅地通过风窗2，保证密闭建造过程中通过矿洞断面的风流不产生较大变化，继续在装置周围浇筑混凝土墙8至充满整个矿洞断面，仅留出窗框1形成的立体空腔通道；
S103.连接好气动控制系统4，按需求设置气动控制系统4定时开启时间，待人员撤离至安全区后，时间到达气动控制系统4设置的定时开启时间，气动控制箱开始向驱动气缸43供气，驱动气缸43的活塞杆431伸出，弧形窗板21和平面窗板22在驱动气缸43的驱动下迅速关闭，阻断巷道风流；
S104.手动操作闭锁装置6，转动闭锁装置6上的手柄615，将转动块613旋转至楔形块62上的锁紧位置，将平面窗板22紧锁在窗框1上，完成火区密闭；
S2.灾区矿洞启封；
S201.打开闭锁装置6；转动闭锁装置6上的手柄615，将转动块613旋转远离楔形块62；
S202.连接好气动控制系统4，将气动控制系统4开关旋转至开启位置，按需求设置好气动控制系统4定时开启时间，打开气瓶阀412门，操作人员离开；当达到气动控制系统4设置的定时开启时间，气动控制箱开始向驱动气缸43供气，驱动气缸43的活塞杆431回缩，弧形窗板21和平面窗板22在驱动气缸43驱动下迅速开启，使其连通密闭墙两侧空间。
S203.当矿洞内空气流通一段时间，人员进入，拆除混凝土墙8，完成启封。
本申请通过将风窗2设置为面向矿洞内密闭区域的弧形窗板21和位于密闭区域外侧的平面窗板22，弧形窗板21包括弧形壳板211和焊接在弧形壳板211上的固定板212，并在弧形窗板21的弧形壳板211和焊接在弧形壳板211上的固定板212间设置加强版，且弧形窗板21的弧形壳板211采用高强度的合金钢，使其受力性能得到加强。任意方向作用在弧形壳板211上的爆炸冲击力可以分解为两个分力，一个是垂直于弧形壳板211的分力，另一个是平行于弧形壳板211切线的分力，平行于弧形切线的分力由于对称，互相抵消，垂直作用于门体的力小于原来的作用力，削弱了爆炸冲击力，使得该结构整体强度好，具有较优的抵抗爆炸冲击的能力。面向矿洞内密闭区域的弧形窗板21能够承受不低于0.5MPa的冲击压力，面向矿洞外安全通道的平面窗板22能够承受不低于0.1MPa的冲击压力，因此，风窗2承受爆炸冲击波的性能得到大大加强，使得火区密闭更加安全可靠。
本申请还通过定时气动控制系统4控制风窗2关闭和开启，其定时时间可在(1～999)s之间任意设置，在完成风窗2关闭和开启前人员可撤离至安全区域，有效避免密闭封堵和开启瞬间发生二次爆炸对操作人员造成的伤害。
本申请通过设置闭锁装置6不仅能够有效锁紧风窗2，而且操作快捷方便，通过设置限位机构能够防止闭锁装置6运行过度而导致闭锁失效。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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