CN105606773B - 一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法，包括密封筒、轴向加压装置、注水装置、注浆系统和气密性检测系统，密封筒由外至内包括外筒、橡胶筒和花管，橡胶筒和外筒之间构成封闭的注水室，花管和橡胶筒之间构成煤粉室，花管内构成注浆室；煤粉室内填充煤粉，注水装置和注水室连通，注水装置用于向注水室加高压水推动橡胶筒径向压缩煤粉室，轴向加压装置安装于煤粉室一端用于轴向压缩煤粉室，注浆系统和注浆室连通用于向注浆室内注入封孔材料，气密性检测系统亦和注浆室连通用于检测注浆室密封性能。本发明通过对煤粉施加轴向压力和围压，来模拟井下煤层所处的真实地应力环境，解决了因忽略地应力，而不能对材料封孔性能做出合理评估的问题。

Description

一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种材料密封性能测试技术领域，特别涉及一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法。

背景技术

瓦斯作为煤矿井下五大灾害之一，同样也是一种清洁能源。目前，治理瓦斯问题的关键是瓦斯抽采，而井下封孔质量是瓦斯抽采的关键。井下封孔是利用胶囊、聚氨酯形成一段封闭空间，然后利用注浆泵将封孔材料注入钻孔内。然而，实验室进行封孔材料密封性能测试时，浆液往往是注入到钢管或者PVC管内，利用钢管或者PVC管来代替钻孔，进而把浆液注入的管内，再利用真空泵抽气，进而检测材料的密封性能。在这方面，相关学者进行了研究。

现有文献中有记载，通过在PVC管内壁粘涂一层煤粉，模拟瓦斯抽采钻孔，进而进行聚氨酯的密封性能（李敏, 煤矿聚氨酯封孔的实验研究, 中国地质大学（北京）,2011）；利用内壁粗糙的无缝钢管模拟钻孔，钢管两端设置堵头，在堵头之间注入封孔材料，进而进行封孔参数的确定（倪冠华, 脉动水力压裂钻孔密封参数的测定及分析, 中国矿业大学学报, 2013, 42（2））；利用PVC管模拟钻孔，通过在PVC管上直径不同的孔来模拟裂隙，采用“两堵一注”的方法进行材料的封孔性能测试（成艳英, 本煤层钻孔瓦斯抽采失效机制及高效密封技术研究, 中国矿业大学, 2014年）。

通过以上分析可以发现，在密封材料密封性能测试方面，大多忽略了地应力的影响。因此，需继续研究出一种考虑地应力影响的技术方案以解决上述问题。鉴于此，本发明人为此研制出一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法，有效的解决了上述问题，本案由此产生。

发明内容

本发明提供的一种矿用封孔材料性能测试装置及其使用方法，通过对煤粉施加轴向压力和围压，来模拟井下煤层所处的真实地应力环境，解决了因忽略地应力，而不能对材料封孔性能做出合理评估的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种矿用封孔材料性能测试装置，包括密封筒、轴向加压装置、注水装置、注浆系统和气密性检测系统，密封筒由外至内包括外筒、橡胶筒和花管，橡胶筒和外筒之间构成封闭的注水室，花管和橡胶筒之间构成煤粉室，花管内构成注浆室；煤粉室内填充煤粉，注水装置和注水室连通，注水装置用于向注水室加高压水推动橡胶筒径向压缩煤粉室，轴向加压装置安装于煤粉室一端用于轴向压缩煤粉室，注浆系统和注浆室连通用于向注浆室内注入封孔材料，气密性检测系统亦和注浆室连通用于检测注浆室密封性能。

所述注水装置包括水泵、注水管、水压表和注水阀门，水泵通过注水管和注水室连通，注水管上安装有水压表。

所述轴向加压装置包括压实板、加压杆、液压装置、液压管和液压控制系统，液压控制系统通过液压管和液压装置相连，液压装置上安装有加压杆，加压杆前端安装压实板，压实板呈环形，压实板套设在花管外并压置在煤粉室的一端，加压杆推动压实板轴向压缩煤粉，压实板将该煤粉室的一端密封。

所述注浆系统包括注浆端、注浆泵、注浆管和注浆压力表，注浆端密封安装在花管的一端，注浆端具有和花管连通的进浆管和出浆管，进浆管和出浆管分别安装有注浆阀门和回浆阀门，注浆泵通过注浆管和进浆管连通，注浆管上安装有注浆压力表。

所述注浆系统和气密性检测系统分别安装在花管的两端，气密性检测系统包括抽真空端、真空泵、真空管、真空管阀门和真空表，抽真空端密封安装在花管的一端，花管在靠近该端的内侧安装有隔板，隔板将花管分隔成两段，一段为注浆室，另一段和抽真空端共同构成真空室，真空管一端通过抽真空端和花管连通，真空管另一端和真空泵连接，真空管上安装有真空管阀门和真空表。

所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端密封，在另一端安装有密封用的呈环形的封口盖，封口盖的内孔壁开设密封槽，密封槽用于和花管保持密封，封口盖上开设通气孔，通气孔通过安装或拆卸螺栓进行封堵或通气。

所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端安装有煤粉的加料装置，加料装置包括送料管、加料斗和加料阀门，加料斗通过送料管和煤粉室连通，加料斗下方安装有加料阀门。

一种矿用封孔材料性能测试装置的使用方法，使用步骤如下：

（1）实验准备：清理密封筒，保证花管、橡胶筒内壁干净没有残余物后，进行设备的安装；

（2）形成模拟钻孔：将煤粉装入煤粉室内，直至煤粉装满煤粉室；

（3）加载围压、轴压：利用轴向加压装置对煤粉加载轴压，利用注水装置向注水室加高压水推动橡胶筒压缩煤粉室以加载围压，待煤粉所处压力达到矿井实际条件时，保持此压力至规定时间；

（4）注浆：利用注浆系统向注浆室内注由封孔材料构成的浆液，待浆液压力达到设定压力时，停止注浆，保持该压力；

（5）封孔性能检测：带浆液凝固后，利用气密性检测系统检测注浆室的密封性能；

（6）仪器整理：实验结束后，放掉注水室内的水和煤粉室内的煤粉，将各部件拆除，清理仪器设备。

所述设备安装的步骤为：将外筒固定，将封口盖安装到煤粉室的一端，同时把封口盖上的通气孔利用螺栓密封，并将花管通过封口盖内孔送入密封筒内，将压实板套设于煤粉室另一端的花管上，压实板与轴向加压装置的加压杆连接在一起，通过轴向加压装置将压实板退至最右端，形成最大煤粉室，把注浆系统的注浆端与花管一端安装在一起，把气密性检测系统的抽真空端与花管另一端安装在一起，把注水装置的注水管和注水室连通，将加料装置的送料管和煤粉室连通；

形成模拟钻孔的具体步骤为：利用轴向加压装置将压实板退至煤粉室最右端，将送料管送入煤粉室，打开加料阀门，通过加料斗将煤粉装入煤粉室内，装入过程中，利用捣棒将煤粉捣入煤粉室，再利用轴向加压装置推动压实板将煤粉送入煤粉室内部，然后将压实板退至最右端，循环按照此步骤，直至煤粉装满煤粉室；

注浆的具体步骤为：打开注浆阀门、回浆阀门，通过注浆管向注浆室内注浆，待出浆管内有浆液流出时，关闭回浆阀门，并继续向注浆室内注浆，待浆液压力达到设定压力时，关闭注浆阀门，保持该压力；

封孔性能检测的具体步骤为：利用真空泵对真空室抽真空，待真空表示数达到-0.1MPa时，关闭真空管阀门和真空泵，观察真空表示数变化，以确定封孔材料的密封性能；

仪器整理的具体步骤为：实验结束后，首先缓缓打开注水阀门，把注水室内的水放出来，待水放完之后，打开真空管阀门，将水压表、注浆压力表和真空表取下，打开封口盖，利用轴向加压装置将煤粉推出煤粉室，将花管取出来，清理仪器设备。

在步骤（4）之前，还进行整个装置的气密性检查，步骤为：

安装封口盖上的螺栓，关闭注浆阀门、回浆阀门、注水阀门、加料阀门，利用真空泵对真空室抽负压，待真空表示数达到-0.1MPa时，关闭真空管阀门和真空泵，保持1h，观察真空表示数变化，示数无变化，则装置气密性良好，否则对装置进行检查重新安装，再重新测试；

煤粉室连通大气：将封口盖上的螺栓取下，使煤粉室、注浆室和真空室与大气相通。

采用上述方案后，本发明的密封筒分为三层，增加煤粉室和注水室，煤粉室用于填充更多的煤粉，然后通过注水装置向注水室加高压水，推动橡胶筒径向压缩煤粉室，从而对煤粉加载围压，通过轴向加压装置轴向压缩煤粉室，从而对煤粉加载轴压，来模拟井下煤层所处的真实地应力环境，因此通过气密性检测系统检测出的封孔材料的密封性能，更加接近真实使用时的封孔材料密封性能，解决了因忽略地应力，而不能对材料封孔性能做出合理评估的问题。

附图说明

图1是本实施例的结构示意图；

图2是本实施例封口盖的主视图；

图3是图2的A-A向剖视图。

标号说明

密封筒1，外筒11，橡胶筒12，花管13，隔板14，封口盖15，密封槽151，通气孔152，轴向加压装置2，压实板21，加压杆22，液压装置23，液压管24，液压控制系统25，注水装置3，水泵31，注水管32，水压表33，注水阀门34，注浆系统4，注浆端41，进浆管411，出浆管412，注浆阀门413，回浆阀门414，注浆泵42，注浆管43，注浆压力表44，气密性检测系统5，抽真空端51，真空泵52，真空管53，真空管阀门54，真空表55，注水室6，煤粉室7，注浆室8，加料装置9，送料管91，加料斗92，加料阀门93，真空室10。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

如图1所示，是本发明揭示的一种矿用封孔材料性能测试装置，包括密封筒1、轴向加压装置2、注水装置3、注浆系统4和气密性检测系统5。

密封筒1由外至内包括外筒11、橡胶筒12和花管13，橡胶筒12和外筒11之间构成封闭的注水室6，花管13和橡胶筒12之间构成煤粉室7，花管13内构成注浆室8。煤粉室7内填充煤粉。在本行业，花管指具有很多小孔的钢管。

注水装置3和注水室6连通，注水装置3用于向注水室6加高压水推动橡胶筒12径向压缩煤粉室7。本实施例的注水装置3包括水泵31、注水管32、水压表33和注水阀门34，水泵31通过注水管32和注水室6连通，注水管32上安装有水压表33，通过水压表33显示的示数来控制加载的围压大小。

轴向加压装置2安装于煤粉室7一端，用于轴向压缩煤粉室7。本实施例的轴向加压装置2包括压实板21、加压杆22、液压装置23、液压管24和液压控制系统25。液压控制系统25通过液压管24和液压装置23相连，液压装置23上安装有加压杆22。加压杆22前端通过U型夹和压实板21固定连接，压实板21呈环形，压实板21套设在花管13外并压置在煤粉室7的一端，压实板21将该煤粉室7的一端密封。液压控制系统25为液压装置23提供压力，液压装置23带动加压杆22推动压实板21轴向压缩煤粉，通过液压控制系统25来控制加载的轴压大小。

通过调节围压和轴压即可模拟不同环境下的真实煤层。

注浆系统4和气密性检测系统5分别安装在花管13的两端。

注浆系统4和注浆室8连通，用于向注浆室8内注入封孔材料。本实施例的注浆系统4包括注浆端41、注浆泵42、注浆管43和注浆压力表44。注浆端41密封安装在花管13的一端，注浆端41具有和花管13连通的进浆管411和出浆管412，进浆管411和出浆管412分别安装有注浆阀门413和回浆阀门414。注浆泵42通过注浆管43和进浆管411连通，注浆管43上安装有注浆压力表44。通过该注浆压力表44即可读取注浆的压力，以便确定不同煤层下，注浆压力多大时才能具备良好的封孔性能。

气密性检测系统5用于检测整个装置的气密性，从而间接检测封孔材料的密封性能。本实施例的气密性检测系统5包括抽真空端51、真空泵52、真空管53、真空管阀门54和真空表55，抽真空端51密封安装在花管13异于注浆系统4的一端。花管13在靠近该端的内侧安装有隔板14，隔板14将花管13分隔成两段，一段为注浆室8，另一段和抽真空端51共同构成真空室10。真空管53一端通过抽真空端51和花管13连通，真空管53另一端和真空泵52连接，真空管53上安装有真空管阀门54和真空表55。通过将真空室10抽真空，然后观察真空表55的示数变化即可确定密封性能

在安装完整个装置后，最好进行整个装置的气密性检测，以保证试验的准确性。为此煤粉室7在位于轴向加压装置2的一端密封，可通过压实板21进行密封，在另一端安装有密封用的呈环形的封口盖15（如图2-3所示）。封口盖15的内孔壁开设密封槽151，密封槽151用于和花管13保持密封。封口盖15上开设通气孔152，通气孔152通过安装或拆卸螺栓进行封堵或通气，即安装上螺栓后完成密封，拆下螺栓后煤粉室7即可连通大气。

为了方便加料，煤粉室7在位于轴向加压装置2的一端安装有煤粉的加料装置9，加料装置9包括送料管91、加料斗92和加料阀门93，加料斗92通过送料管91和煤粉室7连通，加料斗92下方安装有加料阀门93。

本实施例的矿用封孔材料性能测试装置的使用方法，使用步骤如下：

（1）实验准备：清理密封筒1，保证花管13、橡胶筒12内壁干净没有残余物后，进行设备的安装。

设备安装的步骤为：将外筒11固定，将封口盖15安装到煤粉室7的一端，同时把封口盖15上的通气孔152利用螺栓密封，并将花管13通过封口盖15的内孔送入密封筒1内，将压实板21套设于煤粉室7另一端的花管13上，压实板21与轴向加压装置2的加压杆22连接在一起，通过轴向加压装置2将压实板21退至最右端，形成最大煤粉室7。把注浆系统4的注浆端41与花管13一端安装在一起，把气密性检测系统5的抽真空端51与花管13另一端安装在一起。把注水装置3的注水管32和注水室6连通。将加料装置9的送料管91和煤粉室7连通。

（2）形成模拟钻孔：将煤粉装入煤粉室7内，直至煤粉装满煤粉室7；

形成模拟钻孔的步骤为：利用轴向加压装置2将压实板21退至煤粉室7最右端，将送料管91送入煤粉室7，打开加料阀门93，通过加料斗92将煤粉装入煤粉室7内，装入过程中，利用捣棒将煤粉捣入煤粉室7，再利用轴向加压装置2推动压实板21将煤粉送入煤粉室7内部，然后将压实板21退至最右端，循环按照此步骤，直至煤粉装满煤粉室7。

（3）加载围压、轴压：利用轴向加压装置2对煤粉加载轴压，利用注水装置3向注水室6加高压水推动橡胶筒12压缩煤粉室7以加载围压，待煤粉所处压力达到矿井实际条件时，保持此压力至规定时间。

进行整个装置的气密性检查，步骤为：

安装封口盖15上的螺栓，关闭注浆阀门413、回浆阀门414、注水阀门34、加料阀门93，利用真空泵52对真空室10抽负压，待真空表55示数达到-0.1MPa时，关闭真空管阀门54和真空泵52，保持1h，观察真空表55示数变化，示数无变化，则装置气密性良好，否则对装置进行检查重新安装，再重新测试。

煤粉室7连通大气：将封口盖15上的螺栓取下，使煤粉室7、注浆室8和真空室10与大气相通。

（4）注浆：利用注浆系统4向注浆室8内注由封孔材料构成的浆液，待浆液压力达到设定压力时，停止注浆，保持该压力；

注浆的具体步骤为：打开注浆阀门413、回浆阀门414，通过注浆管43向注浆室8内注浆，待出浆管412内有浆液流出时，关闭回浆阀门414，并继续向注浆室8内注浆，待浆液压力达到设定压力时，关闭注浆阀门413，保持该压力。

（5）封孔性能检测：带浆液凝固后，利用气密性检测系统5检测注浆室8的密封性能；

封孔性能检测的具体步骤为：利用真空泵52对真空室10抽真空，待真空表55示数达到-0.1MPa时，关闭真空管阀门54和真空泵52，观察真空表55示数变化，以确定封孔材料的密封性能。

（6）仪器整理：实验结束后，首先缓缓打开注水阀门34，把注水室6内的水放出来，待水放完之后，打开真空管阀门54，将水压表33、注浆压力表44和真空表55取下，打开封口盖15，利用轴向加压装置2将煤粉推出煤粉室7，将花管13取出来，清理仪器设备。

本发明的密封筒1分为三层，增加煤粉室7和注水室6，煤粉室7用于填充更多的煤粉，然后通过注水装置3向注水室6加高压水，推动橡胶筒12径向压缩煤粉室7，从而对煤粉加载围压，通过轴向加压装置2轴向压缩煤粉室7，从而对煤粉加载轴压，来模拟井下煤层所处的真实地应力环境，因此通过气密性检测系统5检测出的封孔材料的密封性能，更加接近真实使用时的封孔材料密封性能，避免因忽略地应力，而不能对材料封孔性能做出合理评估的问题。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (10)

1.一种矿用封孔材料性能测试装置，其特征在于：包括密封筒、轴向加压装置、注水装置、注浆系统和气密性检测系统，密封筒由外至内包括外筒、橡胶筒和花管，橡胶筒和外筒之间构成封闭的注水室，花管和橡胶筒之间构成煤粉室，花管内构成注浆室；煤粉室内填充煤粉，注水装置和注水室连通，注水装置用于向注水室加高压水推动橡胶筒径向压缩煤粉室，轴向加压装置安装于煤粉室一端用于轴向压缩煤粉室，注浆系统和注浆室连通用于向注浆室内注入封孔材料，气密性检测系统亦和注浆室连通用于检测注浆室密封性能。

2.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置，其特征在于：所述注水装置包括水泵、注水管、水压表和注水阀门，水泵通过注水管和注水室连通，注水管上安装有水压表。

3.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置，其特征在于：所述轴向加压装置包括压实板、加压杆、液压装置、液压管和液压控制系统，液压控制系统通过液压管和液压装置相连，液压装置上安装有加压杆，加压杆前端安装压实板，压实板呈环形，压实板套设在花管外并压置在煤粉室的一端，加压杆推动压实板轴向压缩煤粉，压实板将该煤粉室的一端密封。

4.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置，其特征在于：所述注浆系统包括注浆端、注浆泵、注浆管和注浆压力表，注浆端密封安装在花管的一端，注浆端具有和花管连通的进浆管和出浆管，进浆管和出浆管分别安装有注浆阀门和回浆阀门，注浆泵通过注浆管和进浆管连通，注浆管上安装有注浆压力表。

5.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置，其特征在于：所述注浆系统和气密性检测系统分别安装在花管的两端，气密性检测系统包括抽真空端、真空泵、真空管、真空管阀门和真空表，抽真空端密封安装在花管的一端，花管在靠近该端的内侧安装有隔板，隔板将花管分隔成两段，一段为注浆室，另一段和抽真空端共同构成真空室，真空管一端通过抽真空端和花管连通，真空管另一端和真空泵连接，真空管上安装有真空管阀门和真空表。

6.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置，其特征在于：所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端密封，在另一端安装有密封用的呈环形的封口盖，封口盖的内孔壁开设密封槽，密封槽用于和花管保持密封，封口盖上开设通气孔，通气孔通过安装或拆卸螺栓进行封堵或通气。

7.如权利要求1所述的一种矿用封孔材料性能测试装置，其特征在于：所述煤粉室在位于轴向加压装置的一端安装有煤粉的加料装置，加料装置包括送料管、加料斗和加料阀门，加料斗通过送料管和煤粉室连通，加料斗下方安装有加料阀门。

8.一种矿用封孔材料性能测试装置的使用方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的矿用封孔材料性能测试装置，使用步骤如下：

（1）实验准备：清理密封筒，保证花管、橡胶筒内壁干净没有残余物后，进行设备的安装；

（2）形成模拟钻孔：将煤粉装入煤粉室内，直至煤粉装满煤粉室；

（3）加载围压、轴压：利用轴向加压装置对煤粉加载轴压，利用注水装置向注水室加高压水推动橡胶筒压缩煤粉室以加载围压，待煤粉所处压力达到矿井实际条件时，保持此压力至规定时间；

（4）注浆：利用注浆系统向注浆室内注由封孔材料构成的浆液，待浆液压力达到设定压力时，停止注浆，保持该压力；

（5）封孔性能检测：带浆液凝固后，利用气密性检测系统检测注浆室的密封性能；

（6）仪器整理：实验结束后，放掉注水室内的水和煤粉室内的煤粉，将各部件拆除，清理仪器设备。

9.如权利要求8所述的一种矿用封孔材料性能测试装置的使用方法，其特征在于：

所述设备安装的步骤为：将外筒固定，将封口盖安装到煤粉室的一端，同时把封口盖上的通气孔利用螺栓密封，并将花管通过封口盖内孔送入密封筒内，将压实板套设于煤粉室另一端的花管上，压实板与轴向加压装置的加压杆连接在一起，通过轴向加压装置将压实板退至最右端，形成最大煤粉室，把注浆系统的注浆端与花管一端安装在一起，把气密性检测系统的抽真空端与花管另一端安装在一起，把注水装置的注水管和注水室连通，将加料装置的送料管和煤粉室连通；

形成模拟钻孔的具体步骤为：利用轴向加压装置将压实板退至煤粉室最右端，将送料管送入煤粉室，打开加料阀门，通过加料斗将煤粉装入煤粉室内，装入过程中，利用捣棒将煤粉捣入煤粉室，再利用轴向加压装置推动压实板将煤粉送入煤粉室内部，然后将压实板退至最右端，循环按照此步骤，直至煤粉装满煤粉室；

注浆的具体步骤为：打开注浆阀门、回浆阀门，通过注浆管向注浆室内注浆，待出浆管内有浆液流出时，关闭回浆阀门，并继续向注浆室内注浆，待浆液压力达到设定压力时，关闭注浆阀门，保持该压力；

封孔性能检测的具体步骤为：利用真空泵对真空室抽真空，待真空表示数达到-0.1MPa时，关闭真空管阀门和真空泵，观察真空表示数变化，以确定封孔材料的密封性能；

仪器整理的具体步骤为：实验结束后，首先缓缓打开注水阀门，把注水室内的水放出来，待水放完之后，打开真空管阀门，将水压表、注浆压力表和真空表取下，打开封口盖，利用轴向加压装置将煤粉推出煤粉室，将花管取出来，清理仪器设备。

10.如权利要求8所述的一种矿用封孔材料性能测试装置的使用方法，其特征在于：在步骤（4）之前，还进行整个装置的气密性检查，步骤为：

安装封口盖上的螺栓，关闭注浆阀门、回浆阀门、注水阀门、加料阀门，利用真空泵对真空室抽负压，待真空表示数达到-0.1MPa时，关闭真空管阀门和真空泵，保持1h，观察真空表示数变化，示数无变化，则装置气密性良好，否则对装置进行检查重新安装，再重新测试；

煤粉室连通大气：将封口盖上的螺栓取下，使煤粉室、注浆室和真空室与大气相通。