CN106401522B - 一种柔塑性快速注浆封孔装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔塑性快速注浆封孔装置与方法，该装置主要由伞扣型封堵装置、开缝柔塑性注浆管线、双锥形管接头装置组成，通过利用注浆管的进出浆液流量差值，主动封存管内初期浆液压力，完成凸角伞扣的自动推出、撑开、封堵过程。采用可盘卷的柔塑性管一次塞入钻孔，满足一次快速封孔作业要求。该封孔装置与方法简化了传统封孔作业工序，操作方便快捷，成本低廉，是一种具有广泛推广和应用价值的新型封孔装置与方法。

Description

一种柔塑性快速注浆封孔装置与方法

技术领域

本发明公布了一种柔塑性快速注浆封孔装置与方法，主要用于煤岩钻孔的封孔作业，对于孔内充液承压状态下的静压(水力致裂)和动压(水力脉动、水力射流)增裂、增透、卸压以及煤岩钻孔内爆破(普通装药爆破、充液承压爆破等)工艺等具有较好地封孔效果。

背景技术

煤层坚硬顶板的预裂控制、深部矿井煤岩的高应力卸压转移及动载防治、含瓦斯煤层的高效抽放等均是我国现代化矿井安全高效开采所要面临的主要技术难题，尤其在厚层坚硬难冒顶板条件下，对煤矿安全生产的影响更为突出。针对诸如此类的矿井突出问题，工程实践中采取了系列煤岩控制方法，例如大孔径的钻孔卸压方法可以有效预防煤岩冲击矿压显现，在一定程度上起到局部卸压效果；水力(脉动)致裂依靠注入孔内的静水(脉动水)压力，压裂钻孔围岩，实现钻孔周边围岩的卸压、增裂，封孔质量直接决定着孔内高围压的封存以及围岩压裂效果；钻孔内爆破卸压作为剧烈的围岩破裂扰动卸压、增裂工艺，其封孔质量更直接制约着孔内装药爆炸能量利用率以及围岩卸压、增裂效果；对于含瓦斯煤层的高效抽放，钻孔封孔段的密封特性直接影响着煤层瓦斯的抽采率及其抽放质量。可见，在煤岩控制的诸多技术工艺实施过程中，钻孔封孔装置、封孔方法以及封孔质量等直接决定着工艺实施的最终效果。

目前，常用的封孔方法按封孔方式主要有机械式封孔、浆液凝固式封孔、黏塑性体封孔等，其中每一种封孔方式又视其封孔材料承载与否分为带压式封孔和自由式封孔两种。对于目前常用的橡胶膨胀式封孔器，主要用于含瓦斯煤层抽采、水力致裂等工艺中，操作方便，但成本较高，且难以适用于高压注水环境以及孔壁围岩破裂条件；对于浆液凝固型封孔方式，传统工艺操作过程繁杂，封孔段底部封堵困难，注浆管多段管接、定向存在较大困难，难以适用深孔快速封孔作业条件；对于传统的黏塑性体封孔，由于被动封孔的原因，对于孔内有承压液体封堵要求的煤岩控制工艺难以满足封孔要求。因此，本发明将公布一种快速的、具有广泛适用和推广价值的柔塑性封孔装置与方法，可以很好地解决以上瓶颈问题。

为了克服以上难题，研发了一种柔塑性快速注浆封孔装置与方法，通过利用注浆管的进出浆液流量差值，主动封存管内初期浆液压力，完成凸角伞扣的自动推出、撑开、封堵过程。采用可盘卷的柔塑性管一次塞入钻孔，满足一次快速封孔作业要求，解决了采用多段注浆管时的反复管接、定向以及插管难题。

发明内容

本发明为矿井煤岩控制工艺中的封孔问题，提供了一种结构简单、轻便，便于加工和操作的柔塑性快速注浆封孔装置与方法，为煤岩封孔尤其是孔内充液承压以及孔壁围岩破损条件下的封孔作业，提供了一种具有主动承压和广泛渗透封堵效果的快速封孔方法。

本发明采用的技术方案为：一种柔塑性快速注浆封孔装置，包括用于钻孔封孔段的伞扣型封堵装置、注浆管和双锥形管接头装置；

所述伞扣型封堵装置包括凸角伞扣和平滑伞扣，凸角伞扣的刚性倒爪上预先弯设凸角，减小倒爪与柔塑性注浆管内壁的摩擦，便于后期注浆过程中浆液压力将凸角伞扣推出，凸角伞扣底座为圆柱形金属底座，其直径略小于注浆管内径，同时为减小伞扣底座与注浆管壁的摩擦，底座边缘预先打磨成光滑倒角；平滑伞扣则为带有普通刚性倒爪的环形扣，环形扣内径略大于注浆管外径，其外径略小于钻孔直径。凸角伞扣和平滑伞扣倒爪间通过柔塑性片状延展材料连接成伞状；

所述注浆管为开缝柔塑性注浆管，兼有一定的强度和抗变形能力，方便盘卷弯折，便于整体携带；

所述双锥形管接头装置包括锥形管阳接头和锥形管阴接头，其中锥形管阴接头外设螺套，螺套与锥形管阴接头连接处有密封垫片；锥形管阳接头端部带有单向阀和外螺纹装置，锥形管阳接头尾部焊接快接阴接头，快接阴接头通过快接阳接头与注浆软管连接。

作为优选，所述柔塑性片状延展材料为帆布或塑胶片。

作为优选，所述注浆管为塑胶管、柔塑性聚酯管或柔塑性螺纹管，所选管材内壁要光滑，以利于凸角伞扣的自动推出，减少注浆阻力。

作为优选，所述注浆管开缝条数、开缝长度和宽度要根据注浆管进出流量要求设计，满足初始注浆阶段管内封存的浆液压力足以推出凸角伞扣，对应的注浆流量应按照关系式v_j＞(nldv_c)/(πr²)确定；式中，v_j为浆液注入量；v_c为浆液流出量；n为开缝条数；l为开缝长度；d为开缝宽度。

一种采用上述装置的柔塑性快速注浆封孔方法，包括以下步骤：

1)首先，根据煤岩钻孔用途，在钻孔封孔段以外的孔底空间预先布置管线(注液管、排气管、瓦斯抽放管等)或装药，并将管线沿孔壁围岩引出；

2)根据钻孔口径、封孔段长度要求，选择、截割相应类型、长度和口径的柔塑性注浆管，所选注浆管口径一般为钻孔口径的40％～60％，并根据注浆管进出流量大小，设计注浆管开缝条数、开缝长度和宽度，在注浆管的两端并不开缝。

3)开缝注浆管加工成型后，将凸角伞扣内置于注浆管的前端，伞扣凸角设置要保证刚性倒爪的尖端不要碰触注浆管内壁，防止后期注浆过程中伞扣难以自动推出。视注浆管与钻孔口径匹配关系，设计合理的凸角伞扣刚性倒爪长度，保证倒爪自行推出、撑开后，与孔壁间具有足够的防滑阻力。

4)凸角伞扣安设完毕后，将注浆管塞入孔内直至预定封孔长度位置，然后在其尾部分别套进平滑伞扣和带有螺套的锥形管阴接头，并将平滑伞扣推入孔口0.2～0.5m距离。

5)将带有单向阀和外螺纹结构的锥形管阳接头楔入柔塑性注浆管尾部，与锥形管阴接头连接，旋紧螺套直至满足注浆管密封要求。锥形管阳接头尾部焊接快接阴接头，与带有快接阳接头的孔外注浆软管连接后，开始注浆封孔作业。

6)开启注浆泵开始注浆封孔，待注浆管内压力达到一定值后，注浆管前端内置的凸角伞扣自动推出，倒爪撑开，实现封孔段底部的自动封堵，随后继续注浆封孔，直至预定注浆压力，完成钻孔的带压封孔作业。

7)注浆封孔完毕后，拔下带有快接阳接头的孔外注浆软管，孔内浆液压力自动封存，待孔内浆液凝固后，拆卸双锥形管接头装置，循环再使用。

本发明通过采用凸角伞扣装置配合注浆管进出流量差，提高注浆管内浆液初期压力，自行推出注浆管内凸角伞扣，自动封堵封孔段底部钻孔，实现了一次注浆成型封孔作业。所采用的柔塑性注浆管，其材质具有一定的柔塑性和强度，可盘卷携带，施工过程中注浆管一次塞入钻孔，避免采用多段注浆管时的反复管接和导向难题，极大简化了钻孔内的插管工序。采用的双锥形管接头，通过调整螺套的旋紧力可满足不同注浆压力条件下的管接密封要求。接头自带的单向阀装置可实现孔内注浆压力的自动封存，不用再外接截止阀装置，从而克服了繁杂的管接密封问题。锥形管阳接头尾部焊接快接阴接头，与带有快接阳接头的孔外注浆软管间可实现快速插接，且待孔内浆液凝固后，双锥形管接头装置可灵活拆卸，循环再利用。该工序主要利用注浆管的进出流量差，实现管内压力的封存，自动推出管内的凸角伞扣，因此钻孔注浆封孔作业具体实施过程中需针对具体的钻孔条件设计匹配的装置和注浆参数，装置设计改变灵活，适用范围广。

本发明的有益效果：

1.采用的柔塑性注浆管，具有一定的柔性和强度，施工过程中注浆管可适当盘卷弯曲，一方面方便携带，另一方面采用单根注浆管，克服了采用多段注浆管时的反复管接、定向以及插管难题，便于一次施工作业。

2.采用凸角伞扣装置充分利用注浆管自身浆液压力条件，实现了伞扣的自动推出、撑开和封堵功能，不用额外单独装设钻孔封堵装置，避免了反复安装工序，简化了封孔作业操作步骤。

3.根据浆液进出注浆管的流量差值，设计注浆管开缝条数、开缝长度和宽度，调控注浆管初期注浆封存压力，保证凸角伞扣的顺利推出，有利于实现封孔作业的自动化控制。

4.采用的双楔形管接头带有单向阀结构可以实现管内浆液压力的自动封存，避免外接浆液截止阀所带来的复杂管接和密封问题。同时，通过采用不同的螺套旋紧力度，可以满足不同注浆压力条件下的浆液封堵密封要求。

5.锥形管阳接头尾部焊接快接阴接头，与孔外注浆软管的快接阳接头之间可快速连接，工艺操作简单方便。注浆封孔完毕后，拔下孔外注浆软管，孔内浆液压力可实现自动封存，且待孔内浆液凝固后，双锥形管接头装置可灵活拆卸和循环再利用。

附图说明

图1是柔塑性快速注浆封孔装置装配总图。

图2是注浆管插孔前的凸角伞扣安装图。

图3是凸角伞扣撑开结构图。

图4是平滑伞扣撑开结构图。

图5是锥形管阴接头结构剖面图。

图6是锥形管阳接头结构剖面图。

图7是孔外注浆软管结构剖面图。

图中：1-钻孔，2-钻孔封孔段，3-注浆管，4-管缝，5-凸角伞扣，6-倒爪，7-凸角，8-平滑伞扣，9-环形扣，10-螺套，11-双锥形管接头装置，12-锥形管阴接头，13-单向阀装置，14-锥形管阳接头外螺纹，15-锥形管阳接头，16-快接阳接头，17-注浆软管，18-快接阴接头，19-伞状柔塑性延展材料。

具体实施方式

以煤层钻孔内充水承压爆破卸压封孔作业为例，结合附图对本发明作进一步描述：

如图1-7所示，假定煤层预爆破卸压钻孔1深度为25m，钻孔1直径为100mm。鉴于煤岩孔内充水承压爆破条件下的炸药爆炸能量利用率高，封孔材料冲孔可能性较大，因此设计钻孔封孔段2长度为15m。选择柔塑性树脂管作为注浆管3，每18m截割一段，按照设计的管缝4参数进行开缝作业。开缝完成后，将加工好的柔塑性注浆管盘卷带入井下。

为便于插管作业，注浆管口径应在40～60mm左右为宜，本案例中选定注浆管口径为50mm。该条件下，预制的凸角伞扣5底座直径设定为47mm，凸角伞扣倒爪6长度55mm，凸角7高度10mm，凸角位置距倒爪尖端30mm；平滑伞扣8倒爪长度30mm，环形扣9内径为52mm，外径90mm。设计注浆管开缝条数为2条，开缝长度为10m，开缝宽度为10mm。为满足均匀封孔要求，孔内浆液流速不宜过大，初定孔内浆液出口流量为0.05m³/s，则对应的注浆流量至少应高于1.28m³/s。

煤层钻孔注浆封孔作业前，首先遵循煤岩钻孔内的充水承压爆破装药工序，将预先做好防水的炸药装入孔内，同时沿孔壁分别引出注水和排气管线；其次，将预制好的凸角伞扣5塞入注浆管3前端，联同注浆管3一并塞入孔内，直至预定封孔长度；然后，在注浆管尾部分别套装平滑伞扣8和带有螺套10的双锥形管接头装置11的锥形管阴接头12；再者，将带有单向阀装置13和外螺纹14的锥形管阳接头15插入注浆管尾部，旋紧螺套10，密封注浆管路；最后，将带有快接阳接头16的孔外注浆软管17插入锥形管阳接头15尾部焊接的快接阴接头18，连接完成整个注浆管路。

开启注浆泵，调控注浆泵流量参数满足设计流量要求，顺利推出凸角伞扣5后，继续注浆封孔，直至浆液完全充满钻孔封孔段2，达到预设封孔压力后，关闭注浆泵，拔下孔外注浆软管17。孔内注浆管液压力自动封存，待浆液凝固后，拆卸双锥形管接头装置11，循环使用。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种柔塑性快速注浆封孔装置，其特征在于：包括用于钻孔封孔段的伞扣型封堵装置、注浆管和双锥形管接头装置；

所述伞扣型封堵装置包括凸角伞扣和平滑伞扣，凸角伞扣的刚性倒爪上预先弯设凸角，凸角伞扣底座为圆柱形金属底座，其直径小于注浆管内径，底座边缘预先打磨成光滑倒角；平滑伞扣则为带有普通刚性倒爪的环形扣，环形扣内径大于注浆管外径，环形扣外径小于钻孔直径，凸角伞扣和平滑伞扣倒爪间通过柔塑性片状延展材料连接成伞状；

所述注浆管为开缝柔塑性注浆管；

所述双锥形管接头装置包括锥形管阳接头和锥形管阴接头，其中锥形管阴接头外设螺套，螺套与锥形管阴接头连接处有密封垫片；锥形管阳接头端部带有单向阀和外螺纹装置，锥形管阳接头尾部焊接快接阴接头，快接阴接头通过快接阳接头与注浆软管连接。

2.根据权利要求1所述的一种柔塑性快速注浆封孔装置，其特征在于：所述柔塑性片状延展材料为帆布或塑胶片。

3.根据权利要求1所述的一种柔塑性快速注浆封孔装置，其特征在于：所述注浆管为塑胶管、柔塑性聚酯管或柔塑性螺纹管，所选管材内壁要光滑。

4.根据权利要求1所述的一种柔塑性快速注浆封孔装置，其特征在于：所述注浆管开缝条数、开缝长度和宽度要根据注浆管进出流量要求设计，满足初始注浆阶段管内封存的浆液压力足以推出凸角伞扣，对应的注浆流量应按照关系式v_j＞(nldv_c)/(πr²)确定；式中，v_j为浆液注入量；v_c为浆液流出量；n为开缝条数；l为开缝长度；d为开缝宽度，r为注浆管管内半径。

5.一种采用权利要求1、2、3或4所述的柔塑性快速注浆封孔装置的封孔方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)首先，根据煤岩钻孔用途，在钻孔封孔段以外的孔底空间预先布置管线并将管线沿孔壁围岩引出，或在钻孔封孔段以外的孔底空间预先装药；

2)根据钻孔口径、封孔段长度要求，选择、截割相应类型、长度和口径的柔塑性注浆管，所选注浆管口径为钻孔口径的40％～60％，并根据注浆管进出流量大小，设计注浆管开缝条数、开缝长度和宽度，在注浆管的两端并不开缝；

3)开缝注浆管加工成型后，将凸角伞扣内置于注浆管的前端，伞扣凸角设置要保证刚性倒爪的尖端不要碰触注浆管内壁，防止后期注浆过程中伞扣难以自动推出；视注浆管与钻孔口径匹配关系，设计凸角伞扣刚性倒爪长度，保证倒爪自行推出、撑开后，与孔壁间具有足够的防滑阻力；

4)凸角伞扣安设完毕后，将注浆管塞入孔内直至预定封孔长度位置，然后在其尾部分别套进平滑伞扣和带有螺套的锥形管阴接头，并将平滑伞扣推入孔口0.2～0.5m距离；

5)将带有单向阀和外螺纹结构的锥形管阳接头楔入柔塑性注浆管尾部，与锥形管阴接头连接，旋紧螺套直至满足注浆管密封要求；锥形管阳接头尾部焊接快接阴接头，与带有快接阳接头的孔外注浆软管连接后，开始注浆封孔作业；

6)开启注浆泵开始注浆封孔，待注浆管内压力达到一定值后，注浆管前端内置的凸角伞扣自动推出，倒爪撑开，实现封孔段底部的自动封堵，随后继续注浆封孔，直至预定注浆压力，完成钻孔的带压封孔作业；

7)注浆封孔完毕后，拔下带有快接阳接头的孔外注浆软管，孔内浆液压力自动封存，待孔内浆液凝固后，拆卸双锥形管接头装置，循环再使用。