CN111520102A - 一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统及其使用方法，涉及煤矿开采技术领域。其包括砂浆处理装置、钻管出浆装置、微细粉料输出装置及钻孔测压装置；砂浆处理装置，用于向钻管出浆装置提供浆液；钻管出浆装置包括位于钻管首部的第一圆柱空腔管、位于钻管中部的第二圆柱空腔管及位于钻管尾部的第三圆柱空腔管；在第一圆柱空腔管及第三圆柱空腔管内均填充有吸水膨胀剂；砂浆处理装置用于向第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管中提供浆液，微细粉料输出装置用于向第二圆柱空腔管中提供粉料；钻孔测压装置，用于对钻孔中的压力进行实时测定。本发明通过对钻孔进行三次封堵，从而达到良好的封堵效果，且操作简便。

Description

一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统。

背景技术

根据国内的地质构造条件了解到，中国的绝大多数煤矿是高瓦斯或突出矿井，因此在发生的七大矿井灾害事故——水灾、火灾、瓦斯灾害、粉尘灾害、顶板事故、高温热害、冲击地压中，瓦斯灾害占重要比例。矿井瓦斯事故严重制约着煤矿的安全生产。在瓦斯灾害中，瓦斯压力在煤与瓦斯突出事故形成和发展过程中起重要致因作用。所以，准确测定煤层瓦斯压力对于预测瓦斯灾害以及制定准确有效的瓦斯防治措施等都具有重要的意义，也是保障煤矿安全生产的重要条件之一。

在进行瓦斯测压时，现场尽可能采用成孔率较高的上向孔，但由于地质条件、巷道布置或影响生产等原因的限制，可能没有煤层底板巷打上行钻孔测压的有利条件，只能在煤巷下行打钻。

目前国内在下向钻孔测压封孔中常用技术主要有水泥砂浆封孔法、聚氨酯封孔法、“两堵一注”带压封孔法和二次封孔法。一般情况下，水泥砂浆封孔法主要针对煤层周围没有地质构造、岩层稳定且无水的情况，其适用性强、成本低、操作简单、封孔深度长。“两堵一注”带压注浆方法的优点是实现了钻孔壁注浆，浆液固结后支护钻孔；从理论上讲，如果注浆压力足够大，浆液在膨胀力的作用下进入钻孔壁裂隙进行封堵，凝固后的注浆材料的膨胀力可以接近地应力，可以使钻孔封孔段周围形成高应力区，减少漏气通道，提高封孔段的密闭性。二次封孔法的优点是：微细膨胀粉料进入钻孔周边的裂隙后，能够有效减少钻孔周边煤体的漏气通道。

现有技术中的封孔技术如：

CN109630061A公开了一种煤矿井下导水钻孔封堵器，包括空心管体、聚氨酯管、圆形金属垫片、紧固螺母、固管圆环、导向头、注液管、注浆管、水管、液体加压装置、泥浆加压装置，水压表，导向头通过螺纹固定于空心管体的前端，四个聚氨酯管通过圆形金属垫片、紧固螺母固定在空心管体上，注液管、注浆管、水管位于空心管体内部，注液管外连液体加压装置，注浆管外连泥浆加压装置，水管外连水压表。

CN209780834U公开了一种煤矿瓦斯抽采钻孔封堵结构，包括抽气管，抽气管表面的一侧开设有若干抽气孔，抽气管远离若干抽气孔的一端固定连接有螺纹接口，抽气管表面靠近若干抽气孔的一侧固定连接有固定机构，固定机构远离若干抽气孔的一侧开设有环形滑孔，环形滑孔的内部滑动连接有环形活塞。该煤矿瓦斯抽采钻孔封堵结构，通过设置了固定机构，且固定机构的表面转动连接有固定刺，能够使使用者通过将固定刺升起刺入抽采孔的内壁上来固定住固定机构，从而固定住整个封堵结构，防止了抽采孔内气压推出封堵结构问题的发生。

上述现有技术中的封堵器在一定程度上均可以实现封堵，但其还存在局限性，例如在复杂煤层条件下难以完全封堵钻孔以及其周边裂隙，浆液和水流入孔底，阻碍瓦斯正常解吸，造成测量误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：解决复杂煤层条件下封堵效果差的技术问题，且需进行下向钻孔测压的情况。

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统，其通过对钻孔进行三次封堵，从而达到良好的封堵效果，且操作简便，适用于煤层条件复杂，需进行下向钻孔测压的情况，可有效的减少孔底积水，减少由其造成的测定瓦斯压力值误差。

一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统，包括砂浆处理装置、钻管出浆装置、微细粉料输出装置及钻孔测压装置；

所述的砂浆处理装置，用于向所述的钻管出浆装置提供浆液；

所述的微细粉料输出装置，用于向所述的钻管出浆装置提供粉料；

所述的钻管出浆装置，其包括钻管、位于所述钻管首部的第一圆柱空腔管、位于所述钻管中部的第二圆柱空腔管及位于所述钻管尾部的第三圆柱空腔管；

在所述的第一圆柱空腔管及第三圆柱空腔管内均填充有吸水膨胀剂；

所述的砂浆处理装置用于向所述的第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管中提供浆液，所述的微细粉料输出装置用于向所述的第二圆柱空腔管中提供粉料；

所述的钻孔测压装置，用于对钻孔中的压力进行实时测定。

作为本发明的一个优选方案，上述的砂浆处理装置包括离心除水台、支架及加压装置，上述的离心除水台位于上述支架的上方，上述的离心除水台通过浆液输入管连接有砂浆混凝装置，上述的离心除水台用于对砂浆混凝装置中的砂浆进行离心处理，经离心处理后所得浆液经上述的加压装置进行加压，并将其输送至上述的第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管。

作为本发明的另一个优选方案，上述的离心除水台包括圆盘体及位于上述圆盘体周向上的若干环形孔，当上述的离心除水台做离心运动时，废水从上述的环形孔中排出。

进一步的，上述的钻管出浆装置还包括压力感应阀门，上述的压力感应阀门设置在上述的离心除水台与上述的第一圆柱空腔管、上述的离心除水台与上述的第三圆柱空腔管连接的管道上。

进一步的，上述的钻孔测压装置包括测压管、金属钻杆、压力表及计算机，上述的测压管伸入上述的钻孔中，上述的压力表与上述的测压管连接，上述的测压管将监测到的数据传输至上述的计算机。

进一步的，上述的微细粉料输出装置提供的粉料为石灰粉、水泥、工业淀粉或石膏粉。

本发明的另一任务在于提供一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统的使用方法，其通过向第一圆柱空腔管中注入浆液的方式来实现对钻孔的初次封堵，通过向

第三圆柱空腔管中注入浆液的方式来实现对钻孔的第二次封堵，通过向第二圆柱空腔管中注入粉体的方式来实现对钻孔的第三次封堵。

进一步优选，在第一圆柱空腔管中浆液与其中的吸水膨胀剂混合后完成初次封堵，在第三圆柱空腔管中浆液与其中的吸水膨胀剂混合后完成第二次封堵。

进一步优选，上述的使用方法依次包括以下步骤：

S1、安装钻孔及辅助钻孔工具；

S2、钻眼打孔，选用煤矿常规打孔设备在煤巷道需检测瓦斯压力的煤层以一定角度进行下向钻孔，并至一定深度；

S3、初次封堵，

砂浆混凝装置将砂浆送入离心除水台中进行离心处理，处理后的浆液经加压装置迅速加压到达第一圆柱空腔管中，并与第一圆柱空腔管中的强力吸水剂混合膨胀，经压力感应阀门感应一定压力后，打开压力感应阀门，浆液与吸水剂混合物迅速排出，迅速渗入到钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，从而实现钻孔的初次封堵；

S4、第二次封堵，

初次封堵结束后，随着钻孔周边的煤层孔裂隙发育、扩张，空气经过裂隙通道进入瓦斯抽采钻孔中，使得瓦斯浓度迅速下降，此时，将经过离心除水台处理后的浆液送入第三圆柱空腔管中，并与第三圆柱空腔管中的强力吸水剂混合膨胀，经压力感应阀门感应一定压力后，打开压力感应阀门，浆液与吸水剂混合物迅速排出，迅速渗入到钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，从而实现钻孔的第二次封堵；

S5、第三次封堵，

二次封堵结束后，立即采用一定压力的空气将粉料吹入钻孔内，粉料在负压的作用下被吸入第三圆柱空腔管，从而封堵钻孔周边裂隙，完成第三次封堵。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

本发明提供的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统，其钻管出浆装置包括钻管、位于钻管首部的第一圆柱空腔管、位于钻管中部的第二圆柱空腔管及位于钻管尾部的第三圆柱空腔管，通过对第一圆柱空腔管、第二圆柱空腔管及第三圆柱空腔管的位置进行限定，其可以在钻管的首尾进行浆料与吸水膨胀剂混合封堵，在钻管的中部充入粉料实现第三次封堵。

与钻管出浆装置配合使用的砂浆处理装置，其通过离心除水台将砂浆混凝装置输送的砂浆进行离心处理，其中的废水从离心除水台的环形孔中排出，剩余的浆液可用于第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管中，经过离心除水台处理后的浆液其更加紧固，封堵效果更好。

本发明提供的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统的使用方法中，首先安装钻孔及辅助钻孔工具，设置钻杆，准备用于封闭钻孔的硬件设施，将已经混合好的砂浆注入离心除水台中，随即开启电动机，离心除水台开始工作，将粉料所需材料按照一定比例在粉料产生器中进行调配。钻眼打孔，并至一定深度。砂浆进行处理后进入输送管，经加压装置加压按照时间差迅速到达位于钻杆两端的第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管中，并与强力吸水剂混合膨胀。压力感应阀门感应一定压力后，打开阀门，砂浆与吸水剂混合物迅速排出，渗入到钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，从而实现钻孔的初次封孔，第二次封孔。二次封孔结束后，立即采用一定压力的空气将微细粉料吹入钻孔内，微细粉料在负压的作用下被吸入第三圆柱空腔管中，进而封堵钻孔周边裂隙，完成第三次封孔阶段。

本发明一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统具有良好的封堵效果，其操作简便、适用于煤层条件复杂，需进行下向钻孔测压的情况，可有效减少孔底积水，加强封堵密闭效果，减少由其造成的测定瓦斯压力值误差。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统的结构示意图；

图2为本发明离心除水台的结构示意图；

图3为本发明钻杆结构示意图；

图中：

1-砂浆处理装置；2-钻管出浆装置；3-微细粉料输出装置；4-钻孔测压装置；5-离心除水台；6-支架；7-浆液输出管；8-圆柱空腔管；9，10-浆液膨胀室；11-微细粉料膨胀室；12-过渡室；13-微细粉料输出管；14-第二圆柱空腔管；15-吸水膨胀剂；16-测压管；17-压力感应阀门；18-压力表；19-煤层；20-电机；21-旋转盘；22-砂浆处理盘；23-砂浆输入管；24-砂浆过渡室；25-钻杆；26-螺旋纹。

具体实施方式

本发明提出了一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统及其使用方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”等等将被理解为包括所陈述的部件或组成部分，而并未排除其他部件或其他组成部分。

如图1所示，本发明一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统主要包括砂浆处理装置1、钻管出浆装置2、微细粉料输出装置3及钻孔测压装置4。

上述砂浆处理装置1包括离心除水台5、支架6、浆液输出管7、电机20、旋转盘21、砂浆处理盘22、砂浆输入管23及砂浆过渡室24；其中，离心除水台5位于支架6的上方，支架6为三角支撑腿，这样更加稳固，当离心除水台工作时，其离心作用下也可以保证是稳固的。

如图2所示，离心除水台5包括圆盘体，砂浆进入圆盘体中，在圆盘体的侧壁有若干个环形孔，当启动电机20后，离心除水台开始工作，砂浆中的废水从环形孔中甩出，经离心处理所得砂浆进入砂浆过渡室24中。

作为本发明的主要改进点，钻管出浆装置2包括圆柱空腔管8，该圆柱空腔管分别为位于钻管首部的第一圆柱空腔管、位于钻管中部的第二圆柱空腔管14及位于钻管尾部的第三圆柱空腔管，第一圆柱空腔管、第三圆柱空腔管通过浆液输出管7与过渡室12连接，经过离心除水台5处理后的浆液进入砂浆过渡室中，从砂浆过渡室经过浆液输出管将浆液送至第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管中，并与这两个圆柱空腔管中预先设置的吸水膨胀剂15混合后，形成浆液膨胀室9和浆液膨胀室10。

压力感应阀门17设置在上述的离心除水台与上述的第一圆柱空腔管、上述的离心除水台与上述的第三圆柱空腔管连接的管道上。

微细粉料输出装置包括微细粉料输出管13，其中的微细粉料如石灰粉、水泥、工业淀粉或石膏粉，通过微细粉料输出管13向第二圆柱空腔管中输入粉料，粉料注入第二圆柱空腔管中形成微细粉料膨胀室11。

钻孔测压装置4，其包括测压管16、压力表18；其中测压管16伸入到钻孔中，通过压力表18观察其压力数值。

图3示出了钻杆25和螺旋纹26。本发明通过对第一圆柱空腔管、第二圆柱空腔管及第三圆柱空腔管的位置进行限定，其可以在钻管的首尾进行浆料与吸水膨胀剂混合封堵，在钻管的中部充入粉料实现第三次封堵。

下面对上述一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统的使用方法做如下说明。

第一步、安装钻孔及辅助钻孔工具；准备用于封闭钻孔的硬件设施，包括砂浆处理装置、钻管出浆装置、微细粉料输出装置、钻孔测压装置，将离心除水台搭建在支架上，连接好砂浆输入管及压力感应阀门，将第二圆柱空腔管与粉料输出管相连，将第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管与钻管出浆装置连接；

第二步、钻眼打孔，选用煤矿常规打孔设备在煤巷道需检测瓦斯压力的煤层19以一定角度进行下向钻孔，并至一定深度；

第三步、初次封堵，

砂浆混凝装置将砂浆送入离心除水台中进行离心处理，处理后的浆液经加压装置迅速加压到达第一圆柱空腔管中，并与第一圆柱空腔管中的强力吸水剂混合膨胀，经压力感应阀门感应一定压力后，打开压力感应阀门，浆液与吸水膨胀剂混合物迅速排出，迅速渗入到钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，从而实现钻孔的初次封堵；

第四步、第二次封堵，

初次封堵结束后，随着钻孔周边的煤层孔裂隙发育、扩张，空气经过裂隙通道进入瓦斯抽采钻孔中，使得瓦斯浓度迅速下降，此时，将经过离心除水台处理后的浆液送入第三圆柱空腔管中，并与第三圆柱空腔管中的吸水膨胀剂混合膨胀，经压力感应阀门感应一定压力后，打开压力感应阀门，浆液与吸水膨胀剂混合物迅速排出，迅速渗入到钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，从而实现钻孔的第二次封堵；

第五步、第三次封堵，

二次封堵结束后，立即采用一定压力的空气将粉料吹入钻孔内，粉料在负压的作用下被吸入第三圆柱空腔管，从而封堵钻孔周边裂隙，完成第三次封堵。

上述的离心除水台形状为圆盘形，工作方式为持续进行离心运动。离心除水台的容器体壁四周均匀分布有若干环形细孔，容器体做离心运动时，废水从细孔排出。

下面以某煤矿为例对本发明做详细说明。

实施例1：

此次试验选在某矿井6煤层进行。由于建设原因，此矿井6煤当时还没有底板巷,只得向下打钻孔测定煤层瓦斯压力。而6煤顶板较为松软，构造裂隙发育，顶板岩石封闭性差，渗水比较严重。鉴于此，在17236高抽巷不同地点的4个下向钻孔，按照如下步骤进行测压：

具体包括以下步骤：

步骤1、安装钻孔及辅助钻孔工具，设置钻杆，准备用于封闭钻孔的硬件设施。

步骤2、将已经混合好的砂浆通过砂浆输入管注入离心除水机中，随即开启电机，离心除水台开始工作，将粉料所需材料按照一定比例在粉料产生器中进行调配。

步骤3、钻眼打孔，并至一定深度。

步骤4、砂浆进行处理后进入浆液输出管，经加压装置加压按照时间差迅速到达位于钻杆两端的第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管，并与吸水膨胀剂混合膨胀。压力感应阀门感应一定压力后，打开阀门，砂浆与吸水膨胀剂混合物迅速排出，渗入到钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，从而实现钻孔的初步封孔，二次封孔。

步骤5、二次封孔结束后，立即采用一定压力的空气将微细粉料吹入钻孔内，微细粉料在负压的作用下被吸入第二圆柱空腔管，进而封堵钻孔周边裂隙，完成第三次封孔阶段。

对4个下向钻孔运用本发明方法测6煤的瓦斯压力。压力观测值如表1所示。

表1 6煤不同标高处瓦斯压力值

从表1中可知，在该煤矿17236高抽巷运用下向钻孔瓦斯压力测定封堵器测出了瓦斯压力，压力测定过程中并无异常现象，瓦斯压力均匀上升，随着标高的不同瓦斯，压力呈现出正相关。符合甲烷带内瓦斯压力梯度的关系，测定结果是正确有效的。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。

本发明未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统，包括砂浆处理装置、钻管出浆装置、微细粉料输出装置及钻孔测压装置；

所述的砂浆处理装置，用于向所述的钻管出浆装置提供浆液；

所述的微细粉料输出装置，用于向所述的钻管出浆装置提供粉料；

所述的钻管出浆装置，其包括钻管、位于所述钻管首部的第一圆柱空腔管、位于所述钻管中部的第二圆柱空腔管及位于所述钻管尾部的第三圆柱空腔管；

在所述的第一圆柱空腔管及第三圆柱空腔管内均填充有吸水膨胀剂；

所述的砂浆处理装置用于向所述的第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管中提供浆液，所述的微细粉料输出装置用于向所述的第二圆柱空腔管中提供粉料；

所述的钻孔测压装置，用于对钻孔中的压力进行实时测定。

2.根据权利要求1所述的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统，其特征在于：所述的砂浆处理装置包括离心除水台、支架及加压装置，所述的离心除水台位于所述支架的上方，所述的离心除水台通过浆液输入管连接有砂浆混凝装置，所述的离心除水台用于对砂浆混凝装置中的砂浆进行离心处理，经离心处理后所得浆液经所述的加压装置进行加压，并将其输送至所述的第一圆柱空腔管和第三圆柱空腔管。

3.根据权利要求2所述的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统，其特征在于：所述的离心除水台包括圆盘体及位于所述圆盘体周向上的若干环形孔，当所述的离心除水台做离心运动时，废水从所述的环形孔中排出。

4.根据权利要求2所述的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统，其特征在于：所述的钻管出浆装置还包括压力感应阀门，所述的压力感应阀门设置在所述的离心除水台与所述的第一圆柱空腔管、所述的离心除水台与所述的第三圆柱空腔管连接的管道上。

5.根据权利要求2所述的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统，其特征在于：所述的钻孔测压装置包括测压管、金属钻杆、压力表及计算机，所述的测压管伸入所述的钻孔中，所述的压力表与所述的测压管连接，所述的测压管将监测到的数据传输至所述的计算机。

6.根据权利要求2所述的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统，其特征在于：所述的微细粉料输出装置提供的粉料为石灰粉、水泥、工业淀粉或石膏粉。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统的使用方法，其特征在于：通过向第一圆柱空腔管中注入浆液的方式来实现对钻孔的初次封堵，通过向第三圆柱空腔管中注入浆液的方式来实现对钻孔的第二次封堵，通过向第二圆柱空腔管中注入粉体的方式来实现对钻孔的第三次封堵。

8.根据权利要求7所述的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统的使用方法，其特征在于：在第一圆柱空腔管中浆液与其中的吸水膨胀剂混合后完成初次封堵，在第三圆柱空腔管中浆液与其中的吸水膨胀剂混合后完成第二次封堵。

9.根据权利要求7所述的一种下向钻孔瓦斯压力测定封堵系统的使用方法，其特征在于：所述的使用方法依次包括以下步骤：

S1、安装钻孔及辅助钻孔工具；

S2、钻眼打孔，选用煤矿常规打孔设备在煤巷道需检测瓦斯压力的煤层以一定角度进行下向钻孔，并至一定深度；

S3、初次封堵，

砂浆混凝装置将砂浆送入离心除水台中进行离心处理，处理后的浆液经加压装置迅速加压到达第一圆柱空腔管中，并与第一圆柱空腔管中的强力吸水剂混合膨胀，经压力感应阀门感应一定压力后，打开压力感应阀门，浆液与吸水剂混合物迅速排出，迅速渗入到钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，从而实现钻孔的初次封堵；

S4、第二次封堵，

初次封堵结束后，随着钻孔周边的煤层孔裂隙发育、扩张，空气经过裂隙通道进入瓦斯抽采钻孔中，使得瓦斯浓度迅速下降，此时，将经过离心除水台处理后的浆液送入第三圆柱空腔管中，并与第三圆柱空腔管中的强力吸水剂混合膨胀，经压力感应阀门感应一定压力后，打开压力感应阀门，浆液与吸水剂混合物迅速排出，迅速渗入到钻孔壁的缝隙以及钻孔周边一定深度的煤体裂隙，从而实现钻孔的第二次封堵；

S5、第三次封堵，

二次封堵结束后，立即采用一定压力的空气将粉料吹入钻孔内，粉料在负压的作用下被吸入第三圆柱空腔管，从而封堵钻孔周边裂隙，完成第三次封堵。

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