CN109577908A - 一种粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种粉末颗粒‑高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置及方法，适用于煤矿井下使用。包括外囊袋和内囊袋，外囊袋后方在瓦斯抽采管上设有固定件内囊袋上穿过固定件设有花管、囊袋注浆管和注浆管，花管、囊袋注浆管和注浆管尾部设置在外囊袋后方，花管、囊袋注浆管和注浆管尾端分别设有阀门；采用二氧化碳裹挟生石灰粉末，通过花管将其通入封堵物之间的空间中，利用反应产物堵塞钻孔周围发育裂隙，通过注浆管注入水泥砂浆，以实现封堵裂隙及主动支护钻孔的目的。有效减轻采动带来的损伤影响，从而延长钻孔抽采瓦斯的有效抽采期，提高瓦斯抽采浓度，维持钻孔的稳定，可以显著提高煤层瓦斯抽采效果，保障井下工人的安全。

Description

一种粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装 置及方法

技术领域

本发明涉及瓦斯抽采钻孔的封孔装置及方法，特别是一种粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置及方法。

背景技术

井下煤层气抽采中，在瓦斯钻孔形成后，如果仅仅依靠煤层中瓦斯的渗流扩散，抽采效率并不理想，因此往往需要通过抽采负压来提高抽采效率。但岩/煤体属于结构体，内部存在着裂隙群，因此在抽采负压下，空气往往通过裂隙群和孔底封堵裂隙混入钻孔中。同时，在采动和打钻影响下，原生裂隙群会再发育。在钻孔深处，这种裂隙群的再发育有利于煤层增透，提高抽采效率；而在孔口附近，裂隙群的再发育会形成更多的漏气通道，使漏气现象更加严重。

为了减少钻孔漏气，对抽采钻孔进行封堵是必不可少。目前封孔方法的关注点主要集中在封堵和控制裂隙群，而瓦斯抽采钻孔的封孔方法主要分为两堵一注与二次封孔两种类型。

两堵一注封孔是通过向“两堵”间或囊袋中进行注浆工作，利用压力注浆实现浆体封堵裂隙和主动支护钻孔的作用。但由于两端封堵体或囊袋的径向稳定问题，导致现场注浆压力实际很低，因此浆体往往难以深入进入裂隙群中，封堵裂隙的效果也由此大打折扣。而且低压力浆体并不能主动支护钻孔，只能起到被动支护的效果。另一方面，两堵一注依靠主动支护可以减轻煤岩体多重损伤程度，可根据现在的封堵体处理方法，并不能达到很高的注浆压力；

二次封孔通过粉末封堵及延时封孔的方法去解决抽采过程中的发育裂隙。但钻孔内充入的粉末有着刚度方面的问题，并不能很好的起到主动支护作用，而只能起到被动支护的效果。且该方法主要依靠抽采负压使钻孔内粉末进入裂隙中，因此对钻孔周围裂隙群并未全部进行封堵，仅仅对联通的裂隙进行封堵，而在受到采动影响下的多重损伤后，原本不联通的裂隙可能会变得联通。

发明内容

发明目的：本发明的目的是要提供一种有效增加了岩/煤体的强度，同时高压力浆体对钻孔有着良好的主动支护作用，可以减轻采动带来的多重损伤，减少裂隙的再发育的粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置，包括设置在瓦斯抽采管上的外囊袋和内囊袋，外囊袋后方在瓦斯抽采管上设有固定件内囊袋上穿过固定件设有花管、囊袋注浆管和注浆管，所述花管、囊袋注浆管和注浆管的头部设置在外囊袋和内囊袋之间，花管、囊袋注浆管和注浆管尾部设置在外囊袋后方，花管、囊袋注浆管和注浆管尾端分别设有阀门；所述固定件包括中间圆盘和设在中间圆盘外侧的外环，中间圆盘与外环之间设有12根夹角互为30度的杆，其中夹角互为60度的6根杆上设有螺孔。

一种粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔方法，其步骤如下：

a.根据现场实际的地质情况预设钻孔的封孔深度，并在距离钻孔孔底深度15m处改变钻孔直径，通过直径差在钻孔15m深度位置形成台阶区域，打孔后使用气流清洗干燥钻孔；

b.将内囊袋在前，外囊袋在后捆扎在瓦斯抽采管上，将外囊袋和内囊袋两囊袋之间用囊袋注浆管连接，并连接好注浆管和花管，将连接好的外囊袋和内囊袋与瓦斯抽采管一起送入钻孔中，直至内囊袋抵达台阶区域，台阶区域保障内囊袋的径向稳定；

c.调整外囊袋位置，使外囊袋正好固定在钻孔口附近，并在钻孔口上安装固定件，限制孔口外囊袋的径向位移，通过囊袋注浆管向外囊袋和内囊袋内注浆，将钻孔初步密封堵住；

d.随着瓦斯的抽采，钻孔周围裂隙群逐渐发育，此时钻孔漏气慢慢显著起来，实时记录抽采口瓦斯浓度，当瓦斯浓度下降幅度明显时，利用花管向外囊袋和内囊袋之间的钻孔空间中持续通入生石灰粉末与干燥二氧化碳气体的混合物，注气压力1.2-1.5MPa，在观测到岩(煤)壁出现轻微泻粉时，降低注入的干燥二氧化碳压力至0.2-0.4MPa，依靠钻孔内由于瓦斯抽采后形成的负压使注入的生石灰粉末在裂隙群中运移，使生石灰粉末充分进入裂隙群中并封堵裂隙群中的小型孔洞和裂痕，从而增大裂隙内气体流动阻力，减少裂隙群导致的漏气量，提高瓦斯抽采浓度；

e.通过测试仪器对抽采气体进行检测，当出现二氧化碳浓度显著升高现象后，继续保持通入干燥二氧化碳与粉末的混合物，5min后方可结束粉末注入工作；

f.通过花管通入饱和湿度二氧化碳气体，二氧化碳气体携带的水蒸气与钻孔壁裂隙群中的生石灰粉末反应，从而生成体积更大组分更稳定的碳酸钙颗粒，增强对壁裂隙群的封堵，从而有效增大裂隙群中的流动阻力，同时也使碳酸钙颗粒在裂隙群的负压作用下存在的更加稳定，充入饱和湿度二氧化碳气体结束后封死花管；

g.通过注浆管向外囊袋和内囊袋之间注入水泥砂浆进行高压封堵及支护，水泥砂浆进一步封堵裂隙，在与碳酸钙颗粒的耦合作用下，有效降低岩/煤体因采动而引起的多重损伤程度，减少裂隙群再发育，避免因采动引起漏气量的剧烈变化；当水泥砂浆无法注入5min后，停止注浆完成注浆工作。

所述台阶区域处近孔口处钻孔直径比深部钻孔直径大1/3。

外囊袋和内囊袋之间的注浆压力为3-4MPa。

外囊袋和内囊袋的注浆压力为0.4-0.6MPa，以将钻孔初步密封堵住，在浆液无法注入5min后，停止注浆完成注浆工作。

所述生石灰粉末为选用25-38μm/350-500目粒径范围的工业级生石灰；

所述步骤4中，利用花管向外囊袋和内囊袋之间的钻孔空间中持续通入生石灰粉末和干燥二氧化碳气体的混合物浓度为1000mg/m³；

所述干燥的二氧化碳气体和饱和湿度的二氧化碳气体浓度均为15％，注气压力使用范围为0-2MPa。

有益效果：采用该方法，通过在钻孔内构建台阶区域，与孔口的固定装置协同提高了封堵体的径向稳定；注入二氧化碳气体，在驱替瓦斯作用的同时，使得煤体发生膨胀，内部裂隙得到发育，有利于贮入固体颗粒，同时裂隙空间变小，有效增强了已存在固体颗粒的稳定性，；特别是在二氧化碳气体、水与生石灰粉末发生化学反应后，生成物体积增大，更加有利于粉末稳定在裂隙中，进而增加岩/煤体的内摩擦角和凝聚力；

优点：通过提高封堵体的径向稳定，使得注浆工作完全可以实现高压力注浆；通过浆体封堵主要裂隙，利用颗粒封堵浆体无法抵达的裂隙，可以有效的保障裂隙封堵质量；颗粒在与二氧化碳发生作用后，在一定程度上增加了岩/煤体的强度，同时高压力浆体也对钻孔有着良好的主动支护作用，可以减轻采动带来的多重损伤，减少裂隙的再发育。

通过提高封堵体径向强度，间接的提高了注浆压力，高压力浆体可以有效实现主动支护的目的，减轻多重损伤的影响，使裂隙群再发育程度下降；同时，通过颗粒和浆体对裂隙群的共同作用，可以很好的封堵裂隙群；从而延长钻孔抽采瓦斯的有效抽采期，提高瓦斯抽采浓度，增强钻孔的稳定，显著提高煤层瓦斯抽采效果，保障井下工人的安全。

附图说明

图1是本发明粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置注入浆体的施工示意图。

图2是本发明粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置充入粉末或气体的施工示意图。

图3是本发明粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置固定装置的正面结构图。

图中：1-花管，2-瓦斯抽采管，3-囊袋注浆管，3′-注浆管，4-岩/煤体，5-钻孔，6-外囊袋，6′-内囊袋，7-裂隙群，8-阀门，9-生石灰粉末，10-固定件，11-注浆浆体，12-台阶区域，13-固定螺孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1、图2和图3所示，本发明的粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置，包括设置在瓦斯抽采管2上的外囊袋6和内囊袋6′，外囊袋6后方在瓦斯抽采管2上设有固定件10内囊袋6′上穿过固定件10设有花管1、囊袋注浆管3和注浆管3′，所述花管1、囊袋注浆管3和注浆管3′的头部设置在外囊袋6和内囊袋6′之间，花管1、囊袋注浆管3和注浆管3′尾部设置在外囊袋6后方，花管1、囊袋注浆管3和注浆管3′尾端分别设有阀门8；所述固定件10包括中间圆盘和设在中间圆盘外侧的外环，中间圆盘与外环之间设有12根夹角互为30度的杆，其中夹角互为60度的6根杆上设有螺孔13。

一种粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔方法，其步骤如下：

a.根据现场实际的地质情况预设钻孔的封孔深度，并在距离钻孔孔底深度15m处改变钻孔5直径，通过直径差在钻孔5_15m深度位置形成台阶区域12，所述台阶区域12处近孔口处钻孔直径比深部钻孔直径大1/3，打孔后使用气流清洗干燥钻孔5；

b.将内囊袋6′在前，外囊袋6在后捆扎在瓦斯抽采管2上，将外囊袋6和内囊袋6′两囊袋之间用囊袋注浆管3连接，并连接好注浆管3′和花管1，将连接好的外囊袋6和内囊袋6′与瓦斯抽采管2一起送入钻孔中，直至内囊袋6′抵达台阶区域12，台阶区域12保障内囊袋6′的径向稳定；

c.调整外囊袋6位置，使外囊袋6正好固定在钻孔口附近，并在钻孔口上安装固定件10，限制孔口外囊袋6的径向位移，通过囊袋注浆管3向外囊袋6和内囊袋6′内注浆，将钻孔5初步密封堵住；外囊袋6和内囊袋6′的注浆压力为0.4-0.6MPa，以将钻孔5初步密封堵住，在浆液无法注入5min后，停止注浆完成注浆工作；

d.随着瓦斯的抽采，钻孔5周围裂隙群7逐渐发育，此时钻孔5漏气慢慢显著起来，实时记录抽采口瓦斯浓度，当瓦斯浓度下降幅度明显时，利用花管1向外囊袋6和内囊袋6′之间的钻孔空间中持续通入生石灰粉末9与干燥二氧化碳气体的混合物，注气压力1.2-1.5MPa，当观测到岩煤壁4出现轻微泻粉时，降低注入的干燥二氧化碳压力至0.2-0.4MPa，依靠钻孔内由于瓦斯抽采后形成的负压使注入的生石灰粉末9在裂隙群7中运移，使生石灰粉末9充分进入裂隙群7中并封堵裂隙群7中的小型孔洞和裂痕，从而增大裂隙内气体流动阻力，减少裂隙群7导致的漏气量，提高瓦斯抽采浓度；所述生石灰粉末9为选用25-38μm/350-500目粒径范围的工业级生石灰；利用花管1向外囊袋6和内囊袋6′之间的钻孔空间中持续通入生石灰粉末9和干燥二氧化碳气体的混合物浓度为1000mg/m³；所述干燥的二氧化碳气体和饱和湿度的二氧化碳气体浓度均为15％，注气压力使用范围为0-2MPa；

e.利用测试仪器对抽采气体进行检测，当出现二氧化碳浓度显著升高现象后，继续保持通入干燥二氧化碳与粉末的混合物5min后方可结束粉末注入工作；所述测试抽采气体中二氧化碳浓度的仪器为当前市场上已投产的仪器；

f.通过花管通入饱和湿度二氧化碳气体，二氧化碳气体携带的水蒸气与钻孔壁裂隙群7中的生石灰粉末9反应，从而生成体积更大组分更稳定的碳酸钙颗粒，增强对壁裂隙群7的封堵，从而有效增大裂隙群7中的流动阻力，同时也使碳酸钙颗粒在裂隙群7的负压作用下存在的更加稳定，充入饱和湿度二氧化碳气体结束后封死花管；

g.通过注浆管3′向外囊袋6和内囊袋6′之间注入水泥砂浆进行高压封堵及支护，外囊袋6和内囊袋6′之间的注浆压力为3-4MPa，水泥砂浆进一步封堵裂隙7，在与碳酸钙颗粒的耦合作用下，有效降低岩/煤体因采动而引起的多重损伤程度，减少裂隙群7再发育，避免因采动引起漏气量的剧烈变化；当水泥砂浆无法注入5min后停止注浆完成注浆工作。

实施例一：

通过附图1和附图2结合来进一步描述实施例，实施步骤包括：

1)根据钻孔5所在区域的力学特征，确定封孔深度，在岩(煤)壁4向煤层打孔；从封孔深度以外0.2m至孔口的钻孔直径(150mm)，应比深部钻孔(100mm)大1/3左右，以形成台阶区域13，打孔后使用气流清洗干燥钻孔5。

2)将外囊袋6和内囊袋6′捆扎在抽采管2上，两囊袋之间用囊袋注浆管3连接，将连接好的囊袋与其它管道一起送入钻孔中，其中内囊袋6′位于台阶区域12处，由台阶12保障径向稳定，外囊袋6位于孔口处；在孔口安装固定件10，限制孔口外囊袋6的径向位移；通过注浆管3向囊袋中注浆，注浆压力为0.4-0.6MPa，以将钻孔5初步密封堵住，在浆液无法注入5min后，停止注浆完成注浆工作。

3)打开瓦斯抽采管阀门8进行预抽采，随着瓦斯的抽采，钻孔周围裂隙群7逐渐发育，此时钻孔5漏气将慢慢显著起来，实时记录抽采口瓦斯浓度以观察抽采情况。

4)当瓦斯浓度下降幅度明显时，通过花管1采用1.2-1.5MPa左右的15％浓度干燥二氧化碳裹挟生石灰粉末9注入钻孔5内，记录实时时间t1，其中生石灰粉末浓度不宜过高，混合后粉末浓度应为1000mg/m³；当岩(煤)壁4出现轻微泻粉时，说明粉末已经完全通过钻孔口一侧的裂隙群，降低注气压力至0.2-0.4MPa，依靠抽采负压主导气体在裂隙群中的运移。

5)当检测到瓦斯抽采管2中二氧化碳增多时，记录实时时间t2，此时二氧化碳已经成功驱替了裂隙群7的瓦斯，并使得煤体内裂隙得到发展，5min后结束注入粉末工作。

6)待粉末注入完毕时，继续保持充入干燥15％浓度二氧化碳时间t3，以保证生石灰粉末9充分进入裂隙群7中，以增大裂隙内气体流动阻力，从而减少漏气量，提高瓦斯抽采浓度。

7)随后改为注入正常湿度的15％浓度二氧化碳气体t4，与生石灰粉末9通过化学反应转换为体积更大，组分更稳定的碳酸钙颗粒，一方面增大流动阻力，另一方面也使碳酸钙颗粒在孔隙内存在更加稳定；其中注气压力保持0.2-0.4MPa不变。

8)注气完成后，通过注浆管3′进行注浆工作，此时水泥砂浆的注浆压力可以提高至3-4MPa，通过高压力注浆，进一步封堵裂隙7，并起到主动支护作用，在与孔隙内碳酸钙颗粒的耦合作用下，可以降低岩/煤体因采动而引起的多重损伤程度，减少裂隙群再发育，避免因采动引起漏气量的剧烈变化；在浆液无法注入5min后，停止注浆完成注浆工作；在注浆浆体11和孔隙内碳酸钙颗粒稳定以后，钻孔5受注浆浆体11主动支护，裂隙被碳酸钙颗粒和注浆浆体11共同封堵，保证了钻孔5在采动下的稳定和漏气量的降低，因此能够提高瓦斯抽采浓度，实现很好的抽采效率和抽采质量。

上述实例中，时间t3为实时t2与实时t1之间的时间差，这个时间差完全可以实现气流在裂隙中循环一周，t4取为t3的1.2倍，这个时间差不仅需要保证化学反应充分进行，同时还要避免因过反应而得到不稳定产物，导致封孔时间变长的问题。

其工作原理是：通过在钻孔内构建台阶区域和固定件协同提高封堵物的径向稳定，以此达到高压力注浆的条件要求，高压力浆体更有利于浆体进入裂隙进行封堵和主动支护；同时，粉末颗粒进入并稳定存在于浆体无法抵达的裂隙群中，能够增加裂隙内气流的流动阻力，进一步削弱钻孔漏气；由此，以浆体为主，颗粒为辅，并在其相互作用下，是可以达到提高抽采瓦斯的浓度的目的。

Claims (7)

1.一种粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置，其特征在于：它包括设置在瓦斯抽采管(2)上的外囊袋(6)和内囊袋(6′)，外囊袋(6)后方在瓦斯抽采管(2)上设有固定件(10)内囊袋(6′)上穿过固定件(10)设有花管(1)、囊袋注浆管(3)和注浆管(3′)，所述花管(1)、囊袋注浆管(3)和注浆管(3′)的头部设置在外囊袋(6)和内囊袋(6′)之间，花管(1)、囊袋注浆管(3)和注浆管(3′)尾部设置在外囊袋(6)后方，花管(1)、囊袋注浆管(3)和注浆管(3′)尾端分别设有阀门(8)；所述固定件(10)包括中间圆盘和设在中间圆盘外侧的外环，中间圆盘与外环之间设有12根夹角互为30度的杆，其中夹角互为60度的6根杆上设有螺孔(13)。

2.一种使用权利要求1所述的粉末颗粒-高注浆压力封堵裂隙的瓦斯抽采钻孔封孔装置的封孔方法，其特征在于步骤如下：

a.根据现场实际的地质情况预设钻孔的封孔深度，并在距离钻孔孔底深度15m处改变钻孔(5)直径，通过直径差在钻孔(5)15m深度位置形成台阶区域(12)，打孔后使用气流清洗干燥钻孔(5)；

b.将内囊袋(6′)在前，外囊袋(6)在后捆扎在瓦斯抽采管(2)上，将外囊袋(6)和内囊袋(6′)两囊袋之间用囊袋注浆管(3)连接，并连接好注浆管(3′)和花管(1)，将连接好的外囊袋(6)和内囊袋(6′)与瓦斯抽采管(2)一起送入钻孔中，直至内囊袋(6′)抵达台阶区域(12)，台阶区域(12)保障内囊袋(6′)的径向稳定；

c.调整外囊袋(6)位置，使外囊袋(6)正好固定在钻孔口附近，并在钻孔口上安装固定件(10)，限制孔口外囊袋(6)的径向位移，通过囊袋注浆管(3)向外囊袋(6)和内囊袋(6′)内注浆，将钻孔(5)初步密封堵住；

d.随着瓦斯的抽采，钻孔(5)周围裂隙群(7)逐渐发育，此时钻孔(5)漏气慢慢显著起来，实时记录抽采口瓦斯浓度，当瓦斯浓度下降幅度明显时，利用花管(1)向外囊袋(6)和内囊袋(6′)之间的钻孔空间中持续通入生石灰粉末(9)与干燥二氧化碳气体的混合物，注气压力1.2-1.5MPa，在观测到岩(煤)壁(4)出现轻微泻粉时，降低注入的干燥二氧化碳压力至0.2-0.4MPa，依靠钻孔内由于瓦斯抽采后形成的负压使注入的生石灰粉末(9)在裂隙群(7)中运移，使生石灰粉末(9)充分进入裂隙群(7)中并封堵裂隙群(7)中的小型孔洞和裂痕从而增大裂隙内气体流动阻力，减少裂隙群(7)导致的漏气量，提高瓦斯抽采浓度；

e.利用测试仪器对抽采气体进行检测，当出现二氧化碳浓度显著升高现象后，继续保持通入干燥二氧化碳与粉末的混合物5min后方可结束粉末注入工作；

f.通过花管通入饱和湿度二氧化碳气体，二氧化碳气体携带的水蒸气与钻孔壁裂隙群(7)中的生石灰粉末(9)反应，从而生成体积更大组分更稳定的碳酸钙颗粒，增强对壁裂隙群(7)的封堵，从而有效增大裂隙群(7)中的流动阻力，同时也使碳酸钙颗粒在裂隙群(7)的负压作用下存在的更加稳定，充入饱和湿度二氧化碳气体结束后封死花管；

g.通过注浆管(3′)向外囊袋(6)和内囊袋(6′)之间注入水泥砂浆进行高压封堵及支护，水泥砂浆进一步封堵裂隙(7)，在与碳酸钙颗粒的耦合作用下，有效降低岩/煤体因采动而引起的多重损伤程度，减少裂隙群(7)再发育，避免因采动引起漏气量的剧烈变化；当水泥砂浆无法注入5min后，停止注浆完成注浆工作。

3.根据权利要求2所述的封孔方法，其特征在于：所述台阶区域(12)处近孔口处钻孔直径比深部钻孔直径大1/3。

4.根据权利要求2所述的封孔方法，其特征在于：外囊袋(6)和内囊袋(6′)之间的注浆压力为3-4MPa。

5.根据权利要求2所述的封孔方法，其特征在于：外囊袋(6)和内囊袋(6′)的注浆压力为0.4-0.6MPa，以将钻孔(5)初步密封堵住，在浆液无法注入5min后，停止注浆完成注浆工作。

6.根据权利要求2所述的封孔方法，其特征在于：所述生石灰粉末为选用25-38μm/350-500目粒径范围的工业级生石灰；步骤d中利用花管(1)向外囊袋(6)和内囊袋(6′)之间的钻孔空间中持续通入生石灰粉末(9)和干燥二氧化碳气体的混合物浓度为1000mg/m³。

7.根据权利要求2所述的封孔方法，其特征在于：所述干燥的二氧化碳气体和饱和湿度的二氧化碳气体浓度均为15％，注气压力使用范围为0-2MPa。