CN112814609B - 一种用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置，包括膨胀胶塞、提升装置、充气装置、工控机和高压水供水装置，膨胀胶塞同中心滑动设置在注浆管道内，提升装置通过提升缆绳与膨胀胶塞的顶部固定连接，充气装置通过第一气体管路与膨胀胶塞内部连通，膨胀胶塞的底部安装有压力传感器，膨胀胶塞内设置有与压力传感器连接的第一信号导线，第一信号导线的上端伸出膨胀胶塞的顶部，工控机通过第二信号导线与第一信号导线的上端连接，高压水供水装置通过高压水管与注浆管道内部连通。本发明的膨胀胶塞与注浆管道内壁密封性自下而上阶梯递增，密封效果好，膨胀胶塞与注浆管道内壁压力能够动态调节，而且膨胀胶塞能够回收和重复使用。
Description
技术领域
本发明涉及煤层开采技术领域，具体的说，涉及一种用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置。
背景技术
煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是最廉价的能源，同时也是重要的战略资源，广泛的应用于钢铁、电力、化工等工业生产及居民生活领域，在世界一次能源消费量中占25%。近年来我国国民经济持续快速发展，电力、冶金、建材、化工等行业的高速发展导致了对煤炭需求的大幅度增加，消费逐年递增。而我国煤炭探明可采储量应在2000亿吨以上，资源量可达3万亿吨。其中，无烟煤和烟煤5094.91亿吨，次烟煤和褐煤4747.20亿吨。在目前和未来很长的一段时间内，煤炭还是我们生产生活中必不可少的能源之一，煤炭的供应也关系到我国的工业乃至整个社会方方面面的发展的稳定，因此必要对煤炭资源的开采技术与装备进行深入的研究。
在煤层工作面的上层存在承压水层，由于地质变动和裂隙的存在，承压水易通过断层断裂面造成工作面漏顶严重，以致煤炭开采无法进行，针对这种情况，工程中必要开展对煤层顶板的断裂区域和缝隙加固工作，在对目标区域完成灌注水泥后，为了对注浆管道内水泥进行清理，通常采用胶塞装入注浆管道中，并在水压的作用下沿着注浆管道下行，从而刮净贴附在注浆管道上的水泥。然而，目前常用的胶塞在使用中密封效果不好导致混浆的情况出现，且使用后不再取回，后续由钻头钻进，不具备重复使用功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置，本发明的膨胀胶塞与注浆管道内壁密封性自下而上阶梯递增，密封效果好，膨胀胶塞与注浆管道内壁压力能够动态调节，而且膨胀胶塞能够回收和重复使用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置，包括膨胀胶塞、提升装置、充气装置、工控机和高压水供水装置，地层钻设有通到煤层顶板层的竖直井，竖直井内同中心固定设置有注浆管道，膨胀胶塞内部中空，膨胀胶塞同中心滑动设置在注浆管道内，膨胀胶塞的外圆与注浆管道的内圆滑动密封接触，竖直井的井口固定安装有井盖，提升装置固定设置在井盖的正上方，提升装置通过提升缆绳与膨胀胶塞的顶部固定连接，提升缆绳穿过井盖并与井盖密封滑动连接，充气装置、工控机和高压水供水装置均设置在地面上，充气装置通过第一气体管路与膨胀胶塞内部连通，第一气体管路穿过井盖并与井盖密封滑动连接，膨胀胶塞的底部安装有压力传感器，膨胀胶塞内设置有第一信号导线，第一信号导线的下端与压力传感器连接，第一信号导线的上端伸出膨胀胶塞的顶部，工控机通过第二信号导线与第一信号导线的上端连接，第二信号导线穿过井盖并与井盖密封滑动连接，高压水供水装置通过高压水管与注浆管道内部连通。
膨胀胶塞整体为上粗下细的中空圆锥结构，膨胀胶塞的内圆沿轴向一体成型固定设置有若干个上下等间距设置的圆环盘，各个圆环盘将膨胀胶塞内部分隔为若干个空腔，各个圆环盘的外圆均沿周向开设有外侧敞口的环形凹槽，各个环形凹槽中均固定套装有圈形膨胀气囊，各个圆环盘的内圆上均沿径向开设有一个与环形凹槽连通的充气通孔，各个圈形膨胀气囊的内圆上均设有一个与相应的充气通孔外端对应连接的注气孔，膨胀胶塞的顶部中心开设有出线口，出线口上安装有密封盖，密封盖上固定安装有与膨胀胶塞内部连通的进气管路，第一气体管路的出气口与进气管路的进气口连接，第一信号导线沿膨胀胶塞的中心线设置并穿过各个圆环盘的中心孔，第一信号导线的上端向上穿过密封盖并伸出膨胀胶塞，膨胀胶塞的底部下表面开设有底部敞口的圆槽，压力传感器固定安装圆槽中，压力传感器的下表面与膨胀胶塞的下端齐平，第一信号导线的下端穿过膨胀胶塞底部并与压力传感器连接，膨胀胶塞的顶部固定设置有两个径向对称的耳座，两个耳座之间铰接有提升连接架。
提升装置包括卷扬机，井口正上方设置有固定支座，固定支座的底部四周通过支腿固定在井口四周的地面上，固定支座的中部开设有圆孔，卷扬机固定安装在固定支座上，提升缆绳的一端缠绕并固定连接在卷扬机的卷盘上，提升缆绳的另一端垂直向下依次穿过圆孔和井盖伸入到注浆管道内并绑定连接在提升连接架上。
充气装置包括气泵和储气罐，气泵和储气罐均设置在地面上，气泵的进气口与外界大气连通，气泵的出气口通过第二气体管路与储气罐的进气口连接，储气罐的出气口与第一气体管路的进气口连接，第一气体管路上靠近储气罐的位置安装有稳压阀，工控机与稳压阀信号连接。
高压水供水装置包括储水箱和高压水泵，储水箱和高压水泵均设置在地面上，储水箱的出水口与高压水管的进水口连接，高压水管的出水口向下穿过井盖并位于注浆管道的内顶部，高压水管固定安装在井盖上，高压水泵设置在高压水管上。
充气通孔内同轴固定设有定位注气管，定位注气管外端穿过注气孔伸入到圈形膨胀气囊内部。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明的工作过程为：在对煤层顶板层注浆完成后，使提升缆绳、第二信号导线和第一气体管路均穿过井盖，提升缆绳绑定连接在膨胀胶塞顶部的提升连接架上，第二信号导线的下端与第一信号导线的上端连接，第一气体管路的出气口与进气管路的进气口连接，然后将膨胀胶塞整体放入到注浆管道中，井盖固定安装封堵在竖直井的井口位置，将高压水管的出水口向下穿过井盖并位于注浆管道的内顶部，高压水管固定安装在井盖上，启动气泵，气泵将空气通过第二气体管路压入储气罐中进行储存，形成高压气体，高压气体再经第一气体管路和进气管路注入到膨胀胶塞内部，稳压阀实现对气体压力的控制，高压气体再经相应的各个充气通孔、、定位注气管和注气孔进入各个圈形膨胀气囊中，使各个圈形膨胀气囊膨胀，各个圈形膨胀气囊的外圆与注浆管道内壁紧密贴合，其中定位注气管起到通气和定位圈形膨胀气囊的作用，保证圈形膨胀气囊不沿圆环盘的圆周方向转动，而且，膨胀胶塞整体为上粗下细的中空圆锥结构，则各个圈形膨胀气囊与注浆管道内壁的挤压程度自下而上逐渐增大，各个圈形膨胀气囊与注浆管道内壁的压力自下而上阶梯递增，各个圈形膨胀气囊与注浆管道内壁密封性也自下而上阶梯递增，如此，可保证膨胀胶塞与注浆管道之间具备良好的密封性，启动高压水泵，高压水泵将储水箱中的水抽出并通过高压水管泵入到注浆管道中，泵入到注浆管道内的高压水向下冲击驱使膨胀胶塞整体沿注浆管道下行，卷扬机的卷盘放卷将提升缆绳下放保持松散状态，同时第二信号导线和第一气体管路均处于松散状态随膨胀胶塞下行，膨胀胶塞的底部向下挤压注浆管道内的水泥，将注浆管道内的水泥向下挤压排出注浆管道，并对注浆管道内壁上的水泥进行刮除清理，其中高压水对注浆管道内壁与各个圈形膨胀气囊之间具有润滑和冷却的作用，压力传感器实时检测膨胀胶塞的底部受到的压力并反馈给工控机，工控机再控制稳压阀实现对气体压力的调整，随着膨胀胶塞继续下行，膨胀胶塞的底部压力逐渐增大，则工控机通过稳压阀控制气体压力逐渐增大，使各个圈形膨胀气囊逐渐膨胀，使各个圈形膨胀气囊与注浆管道的内壁之间压力逐渐增大，保证膨胀胶塞与注浆管道之间密封性更好，直到膨胀胶塞下行至预定位置，其中通过提升缆绳可以测得膨胀胶塞下行的深度，当注浆管道下部的水泥固化完成后，关掉气泵和高压水泵，则注浆管道内的水便会卸压，同时控制稳压阀将气体压力减小，各个圈形膨胀气囊内的气体向外释放，各个圈形膨胀气囊便会收缩，各个圈形膨胀气囊的外圆与注浆管道的内壁之间压力减小，卷扬机的卷盘收卷提升缆绳，提升缆绳将膨胀胶塞整体从注浆管道中逐步上提，同时第二信号导线和第一气体管路也逐步向上拉出，打开井盖，将膨胀胶塞提出地面，完成一个作业流程，实现对膨胀胶塞的回收，从而便于下次重复使用。
综上所述，本发明的膨胀胶塞与注浆管道内壁密封性自下而上阶梯递增，密封效果好，膨胀胶塞与注浆管道内壁压力能够动态调节，而且膨胀胶塞能够回收和重复使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的膨胀胶塞的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1 和2所示，一种用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置，包括膨胀胶塞1、提升装置、充气装置、工控机2和高压水供水装置，地层3钻设有通到煤层顶板层4的竖直井5，竖直井5内同中心固定设置有注浆管道6，膨胀胶塞1内部中空，膨胀胶塞1同中心滑动设置在注浆管道6内，膨胀胶塞1的外圆与注浆管道6的内圆滑动密封接触，竖直井5的井口固定安装有井盖7，提升装置固定设置在井盖7的正上方，提升装置通过提升缆绳8与膨胀胶塞1的顶部固定连接，提升缆绳8穿过井盖7并与井盖7密封滑动连接，充气装置、工控机2和高压水供水装置均设置在地面上，充气装置通过第一气体管路9与膨胀胶塞1内部连通，第一气体管路9穿过井盖7并与井盖7密封滑动连接，膨胀胶塞1的底部安装有压力传感器10，膨胀胶塞1内设置有第一信号导线11，第一信号导线11的下端与压力传感器10连接，第一信号导线11的上端伸出膨胀胶塞1的顶部，工控机2通过第二信号导线12与第一信号导线11的上端连接，第二信号导线12穿过井盖7并与井盖7密封滑动连接，高压水供水装置通过高压水管13与注浆管道6内部连通。
膨胀胶塞1整体为上粗下细的中空圆锥结构，膨胀胶塞1的内圆沿轴向一体成型固定设置有若干个上下等间距设置的圆环盘14，各个圆环盘14将膨胀胶塞1内部分隔为若干个空腔15，各个圆环盘14的外圆均沿周向开设有外侧敞口的环形凹槽，各个环形凹槽中均固定套装有圈形膨胀气囊16，各个圆环盘14的内圆上均沿径向开设有一个与环形凹槽连通的充气通孔17，各个圈形膨胀气囊16的内圆上均设有一个与相应的充气通孔17外端对应连接的注气孔，膨胀胶塞1的顶部中心开设有出线口，出线口上安装有密封盖19，密封盖19上固定安装有与膨胀胶塞1内部连通的进气管路20，第一气体管路9的出气口与进气管路20的进气口连接，第一信号导线11沿膨胀胶塞1的中心线设置并穿过各个圆环盘14的中心孔，第一信号导线11的上端向上穿过密封盖19并伸出膨胀胶塞1，膨胀胶塞1的底部下表面开设有底部敞口的圆槽，压力传感器10固定安装圆槽中，压力传感器10的下表面与膨胀胶塞1的下端齐平，第一信号导线11的下端穿过膨胀胶塞1底部并与压力传感器10连接，膨胀胶塞1的顶部固定设置有两个径向对称的耳座21，两个耳座21之间铰接有提升连接架22。
提升装置包括卷扬机23，井口正上方设置有固定支座24，固定支座24的底部四周通过支腿25固定在井口四周的地面上，固定支座24的中部开设有圆孔26，卷扬机23固定安装在固定支座24上，提升缆绳8的一端缠绕并固定连接在卷扬机23的卷盘上，提升缆绳8的另一端垂直向下依次穿过圆孔26和井盖7伸入到注浆管道6内并绑定连接在提升连接架22上。
充气装置包括气泵27和储气罐28，气泵27和储气罐28均设置在地面上，气泵27的进气口与外界大气连通，气泵27的出气口通过第二气体管路29与储气罐28的进气口连接，储气罐28的出气口与第一气体管路9的进气口连接，第一气体管路9上靠近储气罐28的位置安装有稳压阀30，工控机2与稳压阀30信号连接。
高压水供水装置包括储水箱31和高压水泵32，储水箱31和高压水泵32均设置在地面上，储水箱31的出水口与高压水管13的进水口连接，高压水管13的出水口向下穿过井盖7并位于注浆管道6的内顶部，高压水管13固定安装在井盖7上，高压水泵32设置在高压水管13上。
充气通孔17内同轴固定设有定位注气管18，定位注气管18外端穿过注气孔伸入到圈形膨胀气囊16内部。注气孔在图中未示。
本发明的工作过程为：在对煤层顶板层4注浆完成后，使提升缆绳8、第二信号导线12和第一气体管路9均穿过井盖7，提升缆绳8绑定连接在膨胀胶塞1顶部的提升连接架22上，第二信号导线12的下端与第一信号导线11的上端连接，第一气体管路9的出气口与进气管路20的进气口连接，然后将膨胀胶塞1整体放入到注浆管道6中，井盖7固定安装封堵在竖直井5的井口位置，将高压水管13的出水口向下穿过井盖7并位于注浆管道6的内顶部，高压水管13固定安装在井盖7上，启动气泵27，气泵27将空气通过第二气体管路29压入储气罐28中进行储存，形成高压气体，高压气体再经第一气体管路9和进气管路20注入到膨胀胶塞1内部，稳压阀30实现对气体压力的控制，高压气体再经相应的各个充气通孔17、定位注气管18和注气孔进入各个圈形膨胀气囊16中，使各个圈形膨胀气囊16膨胀，各个圈形膨胀气囊16的外圆与注浆管道6内壁紧密贴合，其中定位注气管18起到通气和定位圈形膨胀气囊16的作用，保证圈形膨胀气囊16不沿圆环盘14的圆周方向转动，，而且，膨胀胶塞1整体为上粗下细的中空圆锥结构，则各个圈形膨胀气囊16与注浆管道6内壁的挤压程度自下而上逐渐增大，各个圈形膨胀气囊16与注浆管道6内壁的压力自下而上阶梯递增，各个圈形膨胀气囊16与注浆管道6内壁密封性也自下而上阶梯递增，如此，可保证膨胀胶塞1与注浆管道6之间具备良好的密封性，启动高压水泵32，高压水泵32将储水箱31中的水抽出并通过高压水管13泵入到注浆管道6中，泵入到注浆管道6内的高压水向下冲击驱使膨胀胶塞1整体沿注浆管道6下行，卷扬机23的卷盘放卷将提升缆绳8下放保持松散状态，同时第二信号导线12和第一气体管路9均处于松散状态随膨胀胶塞1下行，膨胀胶塞1的底部向下挤压注浆管道6内的水泥，将注浆管道6内的水泥向下挤压排出注浆管道6，并对注浆管道6内壁上的水泥进行刮除清理，压力传感器10实时检测膨胀胶塞1的底部受到的压力并反馈给工控机2，工控机2再控制稳压阀30实现对气体压力的调整，随着膨胀胶塞1继续下行，膨胀胶塞1的底部压力逐渐增大，则工控机2通过稳压阀30控制气体压力逐渐增大，使各个圈形膨胀气囊16逐渐膨胀，使各个圈形膨胀气囊16与注浆管道6的内壁之间压力逐渐增大，保证膨胀胶塞1与注浆管道6之间密封性更好，直到膨胀胶塞1下行至预定位置，其中通过提升缆绳8可以测得膨胀胶塞1下行的深度，当注浆管道6下部的水泥固化完成后，关掉气泵27和高压水泵32，则注浆管道6内的水便会卸压，同时控制稳压阀30将气体压力减小，各个圈形膨胀气囊16内的气体向外释放，各个圈形膨胀气囊16便会收缩，各个圈形膨胀气囊16的外圆与注浆管道6的内壁之间压力减小，卷扬机23的卷盘收卷提升缆绳8，提升缆绳8将膨胀胶塞1整体从注浆管道6中逐步上提，同时第二信号导线12和第一气体管路9也逐步向上拉出，打开井盖7，将膨胀胶塞1提出地面，完成一个作业流程，实现对膨胀胶塞1的回收，从而便于下次重复使用。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置，其特征在于：包括膨胀胶塞、提升装置、充气装置、工控机和高压水供水装置，地层钻设有通到煤层顶板层的竖直井，竖直井内同中心固定设置有注浆管道，膨胀胶塞内部中空，膨胀胶塞同中心滑动设置在注浆管道内，膨胀胶塞的外圆与注浆管道的内圆滑动密封接触，竖直井的井口固定安装有井盖，提升装置固定设置在井盖的正上方，提升装置通过提升缆绳与膨胀胶塞的顶部固定连接，提升缆绳穿过井盖并与井盖密封滑动连接，充气装置、工控机和高压水供水装置均设置在地面上，充气装置通过第一气体管路与膨胀胶塞内部连通，第一气体管路穿过井盖并与井盖密封滑动连接，膨胀胶塞的底部安装有压力传感器，膨胀胶塞内设置有第一信号导线，第一信号导线的下端与压力传感器连接，第一信号导线的上端伸出膨胀胶塞的顶部，工控机通过第二信号导线与第一信号导线的上端连接，第二信号导线穿过井盖并与井盖密封滑动连接，高压水供水装置通过高压水管与注浆管道内部连通；
膨胀胶塞整体为上粗下细的中空圆锥结构，膨胀胶塞的内圆沿轴向一体成型固定设置有若干个上下等间距设置的圆环盘，各个圆环盘将膨胀胶塞内部分隔为若干个空腔，各个圆环盘的外圆均沿周向开设有外侧敞口的环形凹槽，各个环形凹槽中均固定套装有圈形膨胀气囊，各个圆环盘的内圆上均沿径向开设有一个与环形凹槽连通的充气通孔，各个圈形膨胀气囊的内圆上均设有一个与相应的充气通孔外端对应连接的注气孔，膨胀胶塞的顶部中心开设有出线口，出线口上安装有密封盖，密封盖上固定安装有与膨胀胶塞内部连通的进气管路，第一气体管路的出气口与进气管路的进气口连接，第一信号导线沿膨胀胶塞的中心线设置并穿过各个圆环盘的中心孔，第一信号导线的上端向上穿过密封盖并伸出膨胀胶塞，膨胀胶塞的底部下表面开设有底部敞口的圆槽，压力传感器固定安装圆槽中，压力传感器的下表面与膨胀胶塞的下端齐平，第一信号导线的下端穿过膨胀胶塞底部并与压力传感器连接，膨胀胶塞的顶部固定设置有两个径向对称的耳座，两个耳座之间铰接有提升连接架。
2.根据权利要求1所述的用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置，其特征在于：提升装置包括卷扬机，井口正上方设置有固定支座，固定支座的底部四周通过支腿固定在井口四周的地面上，固定支座的中部开设有圆孔，卷扬机固定安装在固定支座上，提升缆绳的一端缠绕并固定连接在卷扬机的卷盘上，提升缆绳的另一端垂直向下依次穿过圆孔和井盖伸入到注浆管道内并绑定连接在提升连接架上。
3.根据权利要求2所述的用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置，其特征在于：充气装置包括气泵和储气罐，气泵和储气罐均设置在地面上，气泵的进气口与外界大气连通，气泵的出气口通过第二气体管路与储气罐的进气口连接，储气罐的出气口与第一气体管路的进气口连接，第一气体管路上靠近储气罐的位置安装有稳压阀，工控机与稳压阀信号连接。
4.根据权利要求3所述的用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置，其特征在于：高压水供水装置包括储水箱和高压水泵，储水箱和高压水泵均设置在地面上，储水箱的出水口与高压水管的进水口连接，高压水管的出水口向下穿过井盖并位于注浆管道的内顶部，高压水管固定安装在井盖上，高压水泵设置在高压水管上。
5.根据权利要求3或4所述的用于煤层顶板加固作业的可回收式密封胶塞装置，其特征在于：充气通孔内同轴固定设有定位注气管，定位注气管外端穿过注气孔伸入到圈形膨胀气囊内部。
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