CN109915068B - 近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩壁封孔技术领域，近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，包括连接管、前段止浆塞、后段止浆塞、注浆管和排气管，其中前段止浆塞和后段止浆塞之间形成注入封孔浆液的注浆空间，所述注浆管和排气管的内侧端口穿过后段止浆塞深入到注浆空间内；前段止浆塞和后段止浆塞分别包括朝向注浆空间一侧的内侧挡板、背离注浆空间一侧的外侧挡板、以及填充在内侧挡板和外侧挡板之间的遇水膨胀橡胶和吸水树脂，所述外侧挡板和内侧挡板的形状和面积与钻孔的横截面相匹配，所述外侧挡板和内侧挡板设有安装孔，所述外侧挡板和内侧挡板分别通过安装孔固定的套装在连接管外。本发明还提出了近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔方法。

Description

近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置及方法

技术领域

本发明涉及岩壁封孔领域，具体的说，是涉及一种近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置及方法。

背景技术

封孔质量的好坏直接影响瓦斯的抽采效果，理论上密封良好的钻孔瓦斯浓度应在70～90％，而目前我国煤层瓦斯抽采浓度平均不到20％，现行的封孔技术远没有达到理想的效果，尤其对于近水平煤层，钻孔漏气问题最为突出。

我国的现行封孔工艺主要有以下三种方式：接触式封孔(胶泥封孔、机械封孔器封孔、胶囊封孔器封孔、聚氨酯类化学有机材料封孔)、渗透式封孔(水泥等非金属材料注浆封孔)、组合式封孔(两堵一注式封孔)。

机械式封孔器封孔速度快、较严实，可以回收使用，但较笨重，操作不方便，用于煤层瓦斯抽采钻孔封孔时，由于钻孔形状不规则、孔壁破碎，封孔效果往往不好，一般只适用于临时封孔。

胶囊封孔采用多级橡胶密封，胶囊内可以充水、充气，具有膨胀性好、可回收多次使用的特点，缺点是装置较为昂贵，对裂隙发育钻孔的封堵几乎无用。

煤矿常用高分子有机封孔材料主要有聚氨酯，其具有发泡倍数高、发泡迅速、泡沫致密、易于渗入孔壁裂隙等优势，但存在渗透能力不强、泡孔直径较大、透气性较大、长时间放置收缩、与钻孔离壁等问题。

水泥砂浆封孔操作方便、封孔深度较长，注浆时对钻孔周围煤岩的裂隙也有一定的封堵作用。水泥封孔时凝结速度慢，固化后有开裂、收缩等现象，造成封孔段漏气，对于倾角较大的钻孔封孔效果较好，但对于近水平钻孔，由于水泥浆难以填充整个钻孔空间，水泥固结后，在孔壁上方往往会形成新月形空间，导致钻孔漏气。

“两堵一注”式封孔方法是将聚氨酯封孔袋作为止浆塞，膨胀水泥作为封孔主体材料。此方法可用于近水平钻孔的封孔，但聚氨酯封孔袋的膨胀时间控制较难、聚氨酯止浆塞的强度较低，注浆压力很难达到0.5MPa，封孔效果较难达到理想状态。

综上所述，有必要设计一种新的注浆装置，来解决上述问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，其能够有效提高浆液的密实性，避免水平钻孔水泥浆凝固形成漏气通道，保证封孔效果。本发明还提供一种近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，用于封堵钻孔，包括连接管、前段止浆塞、后段止浆塞、注浆管和排气管，其中前段止浆塞固定在连接管的前段朝向孔内一侧，后段止浆塞固定在连接管的后段朝向孔口一侧，且前段止浆塞和后段止浆塞之间形成注入封孔浆液的注浆空间，所述注浆管和排气管的内侧端口穿过后段止浆塞深入到注浆空间内，内侧端口为设置在后段止浆塞外侧的自由端口，所述排气管上设有球阀；

所述前段止浆塞和后段止浆塞分别包括朝向注浆空间一侧的内侧挡板、背离注浆空间一侧的外侧挡板、以及填充在内侧挡板和外侧挡板之间的遇水膨胀橡胶和吸水树脂，所述外侧挡板和内侧挡板的形状和面积与钻孔的横截面相匹配，所述外侧挡板和内侧挡板设有安装孔，所述外侧挡板和内侧挡板分别通过安装孔固定的套装在连接管外，所述内侧挡板具有使封孔浆液进入到遇水膨胀橡胶和吸水树脂所在区域的过水孔。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述连接管的位于孔内的端部为筛管，使封堵钻孔区域内通过连接管与外部连通。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述注浆管的内侧端口设置在注浆空间的下部的中间段；所述排气管的内侧端口设置在注浆空间的上部。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述吸水膨胀橡胶设置在靠近内侧挡板一侧，所述吸水树脂设置在靠近外侧挡板一侧。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述前段止浆塞和后段止浆塞之间的间距为8m～15m。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置还包括注浆装置，该注浆装置包括注浆软管和注浆泵，其中注浆泵的出浆液口通过注浆软管与注浆管外侧端口对接，注浆软管或注浆管上设有压力表。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述连接管为多段依次螺纹连接且可拆卸，所述连接管中前段止浆塞所在段、注浆空间所在段、后段止浆塞所在段和后段止浆塞外尾部所在段均独立。

在第二个技术方案中，近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔方法，使用如第一个技术方案中所述的近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在煤层钻孔施工形成钻孔，钻孔施工完成后，用压风装置将孔内积水、煤渣吹扫干净，将近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置放置在钻孔内；

步骤2、通过注浆管向注浆空间内注入膨胀水泥浆，初始注入，膨胀水泥浆注入速度小于10L/min，注入压力小于0.2Mpa；

步骤3、在前段止浆塞和后段止浆塞中的吸水树脂材料遇水逐渐膨胀直至与孔壁完全贴合，此时孔内的气体通过排气管排出；当排气管内流出浆液1min后，关闭球阀；

步骤4、关闭排气管的球阀后，注浆空间成为密闭空间，继续注浆，使注浆压力保持在1.2-1.5MPa之间，持续注浆10min，使得浆液渗透至钻孔孔壁裂隙中。

使用本发明的有益效果是：

1.本装置能够实现近水平钻孔水泥注浆的有效封堵，注浆的同时止浆塞开始膨胀，注浆与止浆同时进行，封孔操作简单。

2.止浆塞完全膨胀后，吸水树脂的快速吸水性与遇水膨胀橡胶的高强度，保证了注浆压力，注浆压力可达1.5MPa，浆液能够渗入孔壁内部裂隙中，同时止浆塞吸收部分水分，能够有效提高浆液的密实性，避免水平钻孔水泥浆凝固形成漏气通道，保证封孔效果。

附图说明

图1为本发明近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置的结构示意图。

图2为本发明近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置中前段止浆塞结构示意图。

图3为本发明近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置中第一前部挡板的结构示意图。

图4为本发明近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置中第一后部挡板的结构示意图。

图5为本发明近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置中后段止浆塞的结构示意图。

图6为本发明近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置中第二前部挡板的结构示意图。

图7为本发明近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置中第二后部挡板的结构示意图。

图8为本发明近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置中注浆封孔效果示意图。

附图标记包括：

图中1.筛管；2.螺纹接头；3.前段止浆塞；3-1.第一前部挡板；3-2.第一吸水树脂；3-3.第一遇水膨胀橡胶；3-4.第一后部挡板；3-5.止浆塞中部铁管；4.中部连接管；5.注浆管；6.排气管；7.后段止浆塞；7-1.第二前部挡板；7-11.第一过孔；7-12.第二过孔；7-2.第二遇水膨胀橡胶；7-3.第二吸水树脂；7-4.第二后部挡板；8.外部连接管；9.弯头；10.球阀；11.压力表；12.注浆软管；13.注浆泵。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

如图1-图8所示，本实施例提出近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，用于封堵钻孔，包括连接管、前段止浆塞3、后段止浆塞7、注浆管5和排气管6，其中前段止浆塞3固定在连接管的前段朝向孔内一侧，后段止浆塞7固定在连接管的后段朝向孔口一侧，且前段止浆塞3和后段止浆塞7之间形成注入封孔浆液的注浆空间，注浆管5和排气管6的内侧端口穿过后段止浆塞7深入到注浆空间内，内侧端口为设置在后段止浆塞7外侧的自由端口，排气管6上设有球阀10；前段止浆塞3和后段止浆塞7分别包括朝向注浆空间一侧的内侧挡板、背离注浆空间一侧的外侧挡板、以及填充在内侧挡板和外侧挡板之间的遇水膨胀橡胶和吸水树脂，外侧挡板和内侧挡板的形状和面积与钻孔的横截面相匹配，外侧挡板和内侧挡板设有安装孔，外侧挡板和内侧挡板分别通过安装孔固定的套装在连接管外，内侧挡板具有使封孔浆液进入到遇水膨胀橡胶和吸水树脂所在区域的过水孔。

具体的，如图1所示，本装置中连接管包括筛管1、前段止浆塞3内部的管体、中部连接管4、后段止浆塞7内部的管体以及外部连接管8。如图2-图5所示，前段止浆塞3包括第一前部挡板3-1、第一吸水树脂3-2、第一遇水膨胀橡胶3-3和第一后部挡板3-4，其中第一前部挡板3-1和第一后部挡板3-4分别固定安装在连接管外部，第一吸水树脂3-2、第一遇水膨胀橡胶3-3填充在第一前部挡板3-1和第一后部挡板3-4之间，第一吸水树脂3-2靠近第一前部挡板3-1、第一遇水膨胀橡胶3-3靠近第一后部挡板3-4，第一吸水树脂3-2的长度与第一遇水膨胀橡胶3-3的长度比为1：1-2：1。第一前部挡板3-1为金属实心板，第一后部挡板3-4为花洒状板材，使得浆液可通过孔洞进入到第一吸水树脂3-2和第一遇水膨胀橡胶3-3处。

如图5-图7所示，后段止浆塞7包括第二前部挡板7-1、第二膨胀橡胶7-2、第二吸水树脂7-3和第二后部挡板7-4，其结构和原理与前段止浆塞3类似，不再赘述。后段止浆塞7和前段止浆塞3的区别点在于，第二前部挡板7-1上设有用于安装排气管6的第一过孔7-11和用于安装注浆管5的第二过孔7-12，类似的第二后部挡板7-4上也对应开设过孔。

连接管的位于孔内的端部为筛管1，使封堵钻孔区域内通过连接管与外部连通。当外部连接管8对接瓦斯抽采装置时，孔内封闭段内部的混合气体可通过筛管1、内部连接管和外部连接管8吸出。

注浆管5的内侧端口设置在注浆空间的下部的中间段，方便浆液填充到注浆空间；排气管6的内侧端口设置在注浆空间的上部，方便注浆空间内气体通过排气管6排出。

本实施例中，遇水膨胀橡胶设置在靠近内侧挡板一侧，吸水树脂设置在靠近外侧挡板一侧，符合遇水膨胀橡胶和吸水树脂封闭孔端的技术要求。

在本实施例中，前段止浆塞3和后段止浆塞7之间的间距为8m～15m。

另外，在对接注浆装置时，该注浆装置包括注浆软管12和注浆泵13，其中注浆泵13的出浆液口通过注浆软管12与注浆管5外侧端口对接，注浆软管12或注浆管5上设有压力表11。

为方便拆卸运输，本装置的连接管为多段依次螺纹连接且可拆卸，连接管中前段止浆塞3所在段、注浆空间所在段、后段止浆塞7所在段和后段止浆塞7外尾部所在段均独立，使用时可随时装配组合。

实施例2

本实施例提出了近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔方法，使用如实施例1中提出的近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在煤层钻孔施工形成钻孔，钻孔施工完成后，用压风装置将孔内积水、煤渣吹扫干净，将近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置放置在钻孔内；

步骤2、通过注浆管5向注浆空间内注入膨胀水泥浆，初始注入，膨胀水泥浆注入速度小于10L/min，注入压力小于0.2Mpa；

步骤3、在前段止浆塞3和后段止浆塞7中的吸水树脂材料遇水逐渐膨胀直至与孔壁完全贴合，此时孔内的气体通过排气管6排出；当排气管6内流出浆液1min后，关闭球阀10；

步骤4、关闭排气管6的球阀10后，注浆空间成为密闭空间，继续注浆，使注浆压力保持在1.2-1.5MPa之间，持续注浆10min，使得浆液渗透至钻孔孔壁裂隙中。

在步骤1中，在将近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置放置在钻孔内后，将后段止浆塞7送入钻孔距离孔口5～10m的位置，保证止浆塞及注浆段避开巷道应力集中区，并避免浆液通过大的裂隙流出孔外。

总体来说，本装置能够实现近水平钻孔水泥注浆的有效封堵，注浆的同时止浆塞开始膨胀，注浆与止浆同时进行，封孔操作简单。止浆塞完全膨胀后，吸水树脂的快速吸水性与遇水膨胀橡胶的高强度，保证了注浆压力，注浆压力可达1.5MPa，浆液能够渗入孔壁内部裂隙中，同时止浆塞吸收部分水分，能够有效提高浆液的密实性，避免水平钻孔水泥浆凝固形成漏气通道，保证封孔效果。

如下详细说明本装置的结构，以及使用本装置的风度方法。

本装置中，筛管1与前段止浆塞3通过螺纹接头2连接，前段止浆塞3如图2所示，包括第一前部挡板3-1，为实体铁板，焊接于止浆塞中部铁管3-5上，第一前部挡板3-1的作用是固定限制第一吸水树脂3-2的膨胀范围，第一吸水树脂3-2与第一遇水膨胀橡胶3-3缠绕在止浆塞中部铁管3-5上，第一后部挡板3-4为带有筛孔的铁板，起到限制第一遇水膨胀橡胶3-3膨胀范围以及允许浆液通过的作用。

前段止浆塞3与中部连接管4通过螺纹接头2连接，中部连接管4的长度可以根据现场需要调整，一般长度在8-15m左右，中部连接管4与孔壁之间的空间即为注浆空间，用于水泥浆充填加压。

中部连接管4连接后段止浆塞7，后段止浆塞7的与前段止浆塞3的区别在于，其上部安装了排气管6、下部安装了注浆管5，注浆管5端头位于两止浆塞中部，第二吸水树脂7-3位于钻孔外侧，第二遇水膨胀橡胶7-2位于钻孔内侧。

后段止浆塞7通过外部连接管8至孔外，排气管6接至孔外，通过弯头9连接球阀10，球阀10安装时处于打开状态，注浆管5接至孔外，连接三通，三通一头连接压力表11，一头连接注浆软管12，然后连接注浆泵13。

本封堵方法施工时在煤层钻孔施工完成后，用压风装置将孔内积水、煤渣吹扫干净；按照顺序安装封孔装置，筛管1、前段止浆塞3、中部连接管4、后段止浆塞7、排气管6、注浆管5、抽放铁管，注浆管5头位于两止浆塞中间位置，排气管6安装球阀10，注浆管5安装压力表11，连接注浆泵13；打开注浆泵13开始注浆，泥浆为膨胀水泥浆，初始注入，应控注入速度小于10L/min，注入压力小于0.2Mpa；随着泥浆的注入，前后段止浆塞7中的吸水树脂材料遇水逐渐膨胀，直至与孔壁完全贴合，此时孔内的气体通过排气管6排出，当排气管6内流出浆液1min后，关闭排气管6球阀10；关闭排气管6球阀10后，注浆段基本成为密闭空间，此时遇水膨胀橡胶不断膨胀与孔壁贴合，继续注浆，并观察压力表11数值，使注浆压力保持在1.2-1.5MPa之间，持续注浆10min，使得浆液渗透至孔壁裂隙中。

在施工时，止浆塞制作时，注意止浆塞内侧为遇水膨胀橡胶，外侧为吸水树脂，即在注浆开始时，遇水膨胀橡胶先接触到水泥浆，吸水树脂后接触水泥浆，吸水树脂和遇水膨胀橡胶的先后顺序不能接反，否则难以起到有效的封堵效果；前段止浆塞3、后段止浆塞7及连接管的型号根据钻孔实际情况具体调整，但要保证止浆塞与孔壁的空隙既能保证止浆塞顺利送入钻孔，用能保证止浆塞膨胀后紧密的贴合孔壁；注浆管5安装位置应位于钻孔下部、前段止浆塞3、后段止浆塞7中间位置，这样能够保证泥浆在相同的时间内接触两止浆塞，保证前段止浆塞3、后段止浆塞7膨胀时间同步；应将后段止浆塞7送入钻孔距离孔口5～10m的位置，保证前段止浆塞3、后段止浆塞7及注浆段避开巷道应力集中区，避免浆液通过大的裂隙流出孔外；在注浆初始阶段，应慢速注浆，随着浆液慢慢的注入钻孔，浆液与前段止浆塞3、后段止浆塞7充分接触，待前段止浆塞3、后段止浆塞7完全膨胀，与孔壁紧密贴合后，开始加快注浆速度，提高注浆压力。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (7)

1.近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，用于封堵钻孔，其特征在于：包括连接管、前段止浆塞、后段止浆塞、注浆管和排气管，其中前段止浆塞固定在连接管的前段朝向孔内一侧，后段止浆塞固定在连接管的后段朝向孔口一侧，且前段止浆塞和后段止浆塞之间形成注入封孔浆液的注浆空间，所述注浆管和排气管的内侧端口穿过后段止浆塞深入到注浆空间内，内侧端口为设置在后段止浆塞外侧的自由端口，所述排气管上设有球阀；

所述前段止浆塞和后段止浆塞分别包括朝向注浆空间一侧的内侧挡板、背离注浆空间一侧的外侧挡板、以及填充在内侧挡板和外侧挡板之间的遇水膨胀橡胶和吸水树脂，所述外侧挡板和内侧挡板的形状和面积与钻孔的横截面相匹配，所述外侧挡板和内侧挡板设有安装孔，所述外侧挡板和内侧挡板分别通过安装孔固定的套装在连接管外，所述内侧挡板具有使封孔浆液进入到遇水膨胀橡胶和吸水树脂所在区域的过水孔；

所述遇水膨胀橡胶设置在靠近内侧挡板一侧，所述吸水树脂设置在靠近外侧挡板一侧。

2.根据权利要求1所述的近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，其特征在于：所述连接管位于孔内的端部为筛管，使封堵钻孔区域内通过连接管与外部连通。

3.根据权利要求1所述的近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，其特征在于：所述注浆管的内侧端口设置在注浆空间的下部的中间段；所述排气管的内侧端口设置在注浆空间的上部。

4.根据权利要求1所述的近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，其特征在于：所述前段止浆塞和后段止浆塞之间的间距为8m～15m。

5.根据权利要求1所述的近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，其特征在于：所述近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置还包括注浆装置，该注浆装置包括注浆软管和注浆泵，其中注浆泵的出浆口通过注浆软管与注浆管外侧端口对接，注浆软管或注浆管上设有压力表。

6.根据权利要求1所述的近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，其特征在于：所述连接管为多段依次螺纹连接且可拆卸，所述连接管中前段止浆塞所在段、注浆空间所在段、后段止浆塞所在段和后段止浆塞外尾部所在段均独立。

7.近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔方法，使用如权利要求1-6任一项所述的近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在煤层钻孔施工形成钻孔，钻孔施工完成后，用压风装置将孔内积水、煤渣吹扫干净，将近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动吸水封堵封孔装置放置在钻孔内；

步骤2、通过注浆管向注浆空间内注入膨胀水泥浆，初始注入，膨胀水泥浆注入速度小于10L/min，注入压力小于0.2Mpa；

步骤3、在前段止浆塞和后段止浆塞中的吸水树脂材料遇水逐渐膨胀直至与孔壁完全贴合，此时孔内的气体通过排气管排出；当排气管内流出浆液1min后，关闭球阀；

步骤4、关闭排气管的球阀后，注浆空间成为密闭空间，继续注浆，使注浆压力保持在1.2-1.5MPa之间，持续注浆10min，使得浆液渗透至钻孔孔壁裂隙中。

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