CN105545290A - 一种旋喷固化封孔模拟试验平台及试验方法 - Google Patents

一种旋喷固化封孔模拟试验平台及试验方法 Download PDF

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Abstract

一种旋喷固化封孔模拟试验平台及试验方法，主要由煤/岩体固定台、旋喷钻机、高压注浆泵、浆液搅拌设备、密封效果考察设备等组成。经过筛选的煤(岩)粉、水及其他配料均匀混合后倒入煤/岩体固定台。当试块凝固成型后，利用旋喷钻机在试块中施工一钻孔，在钻杆回撤的过程中，一边提拉一边旋喷密封浆液，均匀的喷抹在钻孔内壁并形成密封层，浆液渗入周边的裂/孔隙中并固化，且隔绝了钻孔与周边的裂/孔隙的连通。为了获得最佳的密封效果，需要调整设备参数及浆液的配比并进行反复的实验。最后利用特制的考察设备对其进行效果检验，检验的结果对提拉速度、旋转速度、旋喷压力、旋喷流量和浆液的配比的选择有着重要的现实意义。

Description

一种旋喷固化封孔模拟试验平台及试验方法
技术领域
本发明涉及一种试验平台及试验方法，尤其是一种适用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔的旋喷固化封孔模拟试验平台及试验方法。
背景技术
对于瓦斯抽采钻孔封孔的研究有很多方式，如理论分析、数值模拟等，而试验方法也是一种非常重要的科学方法，对于高瓦斯或突出矿井，必须先进行瓦斯抽采，即通过打钻，利用钻孔将煤层或采空区内的瓦斯抽出。针对目前封孔技术的不足，需要进行技术创新，而目前进行的瓦斯抽采钻孔密封性能的考察基本上都在井下进行，由于井下条件的限制导致很多试验不能保质保量的完成。现有的地面钻孔密封试验，只是在密封一个类似于钻孔的管道，与实际打钻后形成有大量裂隙的钻孔区别较大，目前并没有一种专门用于模拟瓦斯抽采钻孔密封实验的装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋喷固化封孔模拟试验平台及试验方法，通过在煤/岩体试块上模拟钻孔、旋喷、加压等措施，考察封孔材料与煤/岩体粘结情况及渗透性能，在对密封性能的考察同时，对试块的强度进行测试，对钻孔密封后的稳定性进行考察。
本发明的旋喷固化封孔模拟试验平台，包括煤/岩体固定台、旋喷钻机、高压注浆泵、浆液搅拌设备和密封效果考察设备；所述的煤/岩体固定台设在旋喷钻机的前部，所述的高压注浆泵与浆液搅拌设备相连设在旋喷钻机的后部；
所述的旋喷钻机包括支撑架、设在支撑架上的主机，主机的前部设有钻杆，钻杆头部设有钻头和喷嘴，主机的后部设有与高压注浆泵管线相连的分流器，主机一侧设有钻进及提拉速度操作杆和旋转速度操纵杆；
所述的浆液搅拌设备包括搅拌桶和设在搅拌桶内的搅拌器；
所述的密封效果考察设备包括孔口管、设在孔口管端面的圆形铁板，圆形铁板上设有穿过圆形铁板的铁管，铁管经真空泵胶管连接有真空泵，真空泵的出口管路上依次设在流量计和压力表。
所述的煤/岩体固定台包括支架和设在支架上的箱体，箱体由六块均可独立拆装的固定板构成，板与板之间采用螺栓螺母连接固定。
本发明的旋喷固化封孔模拟试验平台的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
a.打开煤/岩体固定台(1)的盖板，将经过筛选的煤/岩粉、水及粘结胶均匀混合后倒入煤/岩体固定台中，关闭盖板并拧紧板与板之间的螺母，使混合物凝固成型构成煤/岩体试块；
b.当试块凝固成型后，打开煤/岩体固定台与旋喷钻机相对一侧的挡板，利用旋喷钻机在试块中施工一钻孔,在钻杆(3)回撤的过程中，通过钻杆上的喷嘴旋喷出密封浆液，均匀的喷抹在钻孔内壁并形成密封层，浆液渗入周边的裂/孔隙中并固化，隔绝了钻孔与周边的裂/孔隙的连通；
c.将密封胶将孔口管固定在钻孔端口，打开真空泵进行抽气直到压力表负压示数稳定后，停止抽气，之后每隔两分钟记录压力表的示数，直到压力表再一次稳定下来，由此得到钻孔内负压变化情况，并绘制成负压P随着时间t变化的曲线；
d.通过压力试验机对试块进行加压，直至试块被破坏，记录测试过程中的抗压强度，在被破坏的试块中选取钻孔壁面处大小约为1cm3的样品，进行扫描电镜分析；
e.改变钻孔提拉速度、旋转速度、旋喷压力、旋喷流量和浆液的配比旋喷参数，重复步骤a-d，获取下一试块样品数据；
f.将得到的所有P-t曲线放在同一坐标进行比较，选取密封效果最好的曲线，并结合抗压测试和扫描电镜的结果选择最佳的旋喷参数。
所述煤/岩体固定台的内部空间为250mm×250mm×2000mm，即凝固成型后试件的尺寸，所述钻头与钻杆的直径不超过80mm，所述钻孔深度为500mm～8000mm。
所述高压注浆泵最大压力为10Mpa，注浆压力通过压力表显示，注浆流量通过流量计显示。
有益效果：采用上述技术方案，可在实验室内进行瓦斯抽采钻孔封孔密封实验，通过实际的打钻，可以产生在钻孔周围产生许多的裂/孔隙，这是用管道代替钻孔所不能产生的效果，通过实际在煤/岩上封孔，可以考察出材料与煤/岩体粘结情况及渗透性能，在对密封性能的考察同时，也能对试块的强度进行测试，以对钻孔密封后的稳定性进行考察。该发明不仅能够对封孔效果进行考察，还能通过对效果的考察选择出最佳的旋喷参数，确保了前期提出的一种瓦斯抽采钻孔旋喷固化可多次封孔的方法能够进行更加深入的研究。
附图说明
图1是本发明的旋喷固化封孔模拟试验平台及试验方法打钻示意图。
图2是本发明的旋喷固化封孔模拟试验平台及试验方法旋喷封孔示意图。
图3是本发明的旋喷固化封孔模拟试验平台及试验方法考察密封效果示意图。
图中：Ⅰ－旋喷钻机，Ⅱ－浆液搅拌设备，Ⅲ－密封效果考察设备，1－煤/岩体固定台，2－钻头，3－钻杆，4－喷嘴，5－主机，6－分流器，7－钻进及提拉速度操作杆，8－旋转速度操纵杆，9－支撑架，10－高压注浆泵，11－搅拌桶，12－搅拌器，13—钻孔，14－密封层，15－孔口管，16－圆形铁板，17－铁管，18－压力表，19－流量计，20－真空泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
本发明的旋喷固化封孔模拟试验平台，包括煤/岩体固定台1、旋喷钻机Ⅰ、高压注浆泵10、浆液搅拌设备Ⅱ和密封效果考察设备Ⅲ；所述的煤/岩体固定台1设在旋喷钻机Ⅰ的前部，所述的高压注浆泵10与浆液搅拌设备Ⅱ相连设在旋喷钻机Ⅰ的后部；
所述的旋喷钻机Ⅰ包括支撑架9、设在支撑架9上的主机5，主机5的前部设有钻杆3，钻杆3头部设有钻头2和喷嘴4，主机5的后部设有与高压注浆泵10管线相连的分流器6，主机5一侧设有钻进及提拉速度操作杆7和旋转速度操纵杆8；
所述的浆液搅拌设备Ⅱ包括搅拌桶11和设在搅拌桶11内的搅拌器12；
所述的密封效果考察设备Ⅲ包括孔口管15、设在孔口管15端面的圆形铁板16，圆形铁板16上设有穿过圆形铁板16的铁管17，铁管17经真空泵胶管连接有真空泵20，真空泵(20)的出口管路上依次设在流量计19和压力表18。
所述的煤/岩体固定台1包括支架和设在支架上的箱体，箱体由六块均可独立拆装的固定板构成，板与板之间采用螺栓螺母连接固定。
本发明的旋喷固化封孔模拟试验平台的试验方法，包括如下步骤：
a.打开煤/岩体固定台1的盖板，将经过筛选的煤/岩粉、水及粘结胶均匀混合后倒入煤/岩体固定台1中，关闭盖板并拧紧板与板之间的螺母，使混合物凝固成型构成煤/岩体试块；
b.当试块凝固成型后，打开煤/岩体固定台1与旋喷钻机相对一侧的挡板，利用旋喷钻机Ⅰ在试块中施工一钻孔13,在钻杆3回撤的过程中，通过钻杆3上的喷嘴4旋喷出密封浆液，均匀的喷抹在钻孔13内壁并形成密封层14，浆液渗入周边的裂/孔隙中并固化，隔绝了钻孔13与周边的裂/孔隙的连通；
c.将密封胶将孔口管15固定在钻孔13端口，打开真空泵20进行抽气直到压力表18负压示数稳定后，停止抽气，之后每隔两分钟记录压力表18的示数，直到压力表18再一次稳定下来，由此得到钻孔13内负压变化情况，并绘制成负压P随着时间t变化的曲线；
d.通过压力试验机对试块进行加压，直至试块被破坏，记录测试过程中的抗压强度，在被破坏的试块中选取钻孔壁面处大小约为1cm3的样品，进行扫描电镜分析；
e.改变钻孔提拉速度、旋转速度、旋喷压力、旋喷流量和浆液的配比旋喷参数，重复步骤a-d，获取下一试块样品数据；
f.将得到的所有P-t曲线放在同一坐标进行比较，选取密封效果最好的曲线，并结合抗压测试和扫描电镜的结果选择最佳的旋喷参数。
所述煤/岩体固定台1的内部空间为250mm×250mm×2000mm，即凝固成型后试件的尺寸，所述钻头2与钻杆(3)的直径不超过80mm，所述钻孔深度为500mm～8000mm。
所述高压注浆泵10最大压力为10Mpa，注浆压力通过压力表18显示，注浆流量通过流量计19显示。
实施例1：按照附图1所示搭建好模拟平台后，打开煤/岩体固定台1的盖板，将经过筛选的煤(岩)粉、水及其他配料均匀混合后倒入煤/岩体固定台1中，关闭盖板并拧紧板与板之间的螺母，使试块凝固成型；当试块凝固成型后，打开煤/岩体固定台1的左侧挡板，利用旋喷钻机Ⅰ在试块中施工一钻孔13,在钻杆3回撤的过程中，钻杆3上的喷嘴4旋喷出密封浆液，均匀的喷抹在钻孔13内壁并形成密封层14，浆液渗入周边的裂/孔隙中并固化，隔绝了钻孔13与周边的裂/孔隙的连通；按照附图3所示利用密封胶将孔口管15固定在钻孔13端口，打开真空泵20进行抽气直到压力表18负压示数稳定下来，此时停止抽气，而后每隔两分钟记录压力表18的示数，直到压力表18再一次稳定下来，由此反映钻孔13内负压变化情况，并绘制成负压P随着时间t变化的曲线。最后对试块进行加压，测试其抗压强度，在被破坏的试块中选取钻孔壁面处大小约为1cm3的样品，进行扫描电镜分析；改变提拉速度、旋转速度、旋喷压力、旋喷流量和浆液的配比等旋喷参数，重复以上步骤；将得到的所有P-t曲线放在同一坐标进行比较，选取密封效果最好的曲线，并结合抗压测试和扫描电镜的结果选择最佳的旋喷参数。
实施例2：按照附图1所示搭建好模拟平台后，打开煤/岩体固定台1的盖板，将经过筛选的煤(岩)粉、水及其他配料均匀混合后倒入煤/岩体固定台1中，关闭盖板并拧紧板与板之间的螺母，使试块凝固成型；当试块凝固成型后，再一次打开煤/岩体固定台1的盖板，将与盖板大小相同的钢制压板覆盖在试块的上表面，并将整个煤/岩体固定台放置于压力试验机下，模拟不同应力(对应着煤岩的埋藏深度)条件下的成孔、封孔情况，后续操作步骤同实施例1。

Claims (5)

1.一种旋喷固化封孔模拟试验平台，其特征在于：它包括煤/岩体固定台（1）、旋喷钻机（Ⅰ）、高压注浆泵（10）、浆液搅拌设备（Ⅱ）和密封效果考察设备（Ⅲ）；所述的煤/岩体固定台（1）设在旋喷钻机（Ⅰ）的前部，所述的高压注浆泵（10）与浆液搅拌设备（Ⅱ）相连设在旋喷钻机（Ⅰ）的后部；
所述的旋喷钻机（Ⅰ）包括支撑架（9）、设在支撑架（9）上的主机（5），主机（5）的前部设有钻杆（3），钻杆（3）头部设有钻头（2）和喷嘴（4），主机（5）的后部设有与高压注浆泵（10）管线相连的分流器（6），主机（5）一侧设有钻进及提拉速度操作杆（7）和旋转速度操纵杆（8）；
所述的浆液搅拌设备（Ⅱ）包括搅拌桶（11）和设在搅拌桶（11）内的搅拌器（12）；
所述的密封效果考察设备（Ⅲ）包括孔口管（15）、设在孔口管（15）端面的圆形铁板（16），圆形铁板（16）上设有穿过圆形铁板（16）的铁管（17），铁管（17）经真空泵胶管连接有真空泵（20），真空泵（20）的出口管路上依次设在流量计（19）和压力表（18）。
2.根据权利要求1所述的一种旋喷固化封孔模拟试验平台，其特征在于：所述的煤/岩体固定台（1）包括支架和设在支架上的箱体，箱体由六块均可独立拆装的固定板构成，板与板之间采用螺栓螺母连接固定。
3.根据权利要求1所述的旋喷固化封孔模拟试验平台的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
a.打开煤/岩体固定台（1）的盖板，将经过筛选的煤/岩粉、水及粘结胶均匀混合后倒入煤/岩体固定台（1）中，关闭盖板并拧紧板与板之间的螺母，使混合物凝固成型构成煤/岩体试块；
b.当试块凝固成型后，打开煤/岩体固定台（1）与旋喷钻机相对一侧的挡板，利用旋喷钻机（Ⅰ）在试块中施工一钻孔（13）,在钻杆(3)回撤的过程中，通过钻杆（3）上的喷嘴（4）旋喷出密封浆液，均匀的喷抹在钻孔（13）内壁并形成密封层（14），浆液渗入周边的裂/孔隙中并固化，隔绝了钻孔（13）与周边的裂/孔隙的连通；
c.将密封胶将孔口管（15）固定在钻孔（13）端口，打开真空泵（20）进行抽气直到压力表（18）负压示数稳定后，停止抽气，之后每隔两分钟记录压力表（18）的示数，直到压力表（18）再一次稳定下来，由此得到钻孔（13）内负压变化情况，并绘制成负压P随着时间t变化的曲线；
d.通过压力试验机对试块进行加压，直至试块被破坏，记录测试过程中的抗压强度，在被破坏的试块中选取钻孔壁面处大小约为1cm3的样品，进行扫描电镜分析；
e.改变钻孔提拉速度、旋转速度、旋喷压力、旋喷流量和浆液的配比旋喷参数，重复步骤a-d，获取下一试块样品数据；
f.将得到的所有P-t曲线放在同一坐标进行比较，选取密封效果最好的曲线，并结合抗压测试和扫描电镜的结果选择最佳的旋喷参数。
4.根据权利3所述的一种旋喷固化封孔模拟试验平台的试验方法，其特征在于：所述煤/岩体固定台（1）的内部空间为250mm×250mm×2000mm，即凝固成型后试件的尺寸，所述钻头（2）与钻杆（3）的直径不超过80mm，所述钻孔深度为500mm~8000mm。
5.根据权利3所述的一种旋喷固化封孔模拟试验平台的试验方法，其特征在于：所述高压注浆泵（10）最大压力为10Mpa，注浆压力通过压力表（18）显示，注浆流量通过流量计（19）显示。
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