CN112855071A - 一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置及方法，其中利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置包括：一注浆管，伸入钻孔，且与注浆泵连接，抽采管贯穿所述注浆管的两端；至少两个囊袋，间隔套设在所述注浆管，与所述注浆管选择性地被连通，沿所述注浆管的径向扩张时，周面与所述钻孔的内壁抵接；及一注菌液管，伸入所述注浆管，且与柱塞泵连接；其中，所述注菌液管的外周均布导流管，所述导流管穿过所述注浆管，并抵接在所述钻孔的内壁，所述导流管与所述钻孔及所述囊袋选择性地被连通，所述注浆管与所述钻孔选择性地被连通。应用本发明的技术方案，能够实现均匀封堵全封孔段内离层裂隙。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采钻孔封堵领域，尤其涉及一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置及方法。
背景技术
煤矿瓦斯抽采是充分利用自然资源，防治瓦斯灾害，保护能源安全的根本性措施。钻孔封孔是煤矿瓦斯抽采工程的一个重要环节。
在煤层中利用封孔技术提高抽采瓦斯的浓度时，现有封孔方法采用水泥封孔，水泥固化后会在孔内收缩，导致封孔材料和钻孔间形成离层裂隙，并且随着抽采的进行，煤层发生变形、位移，钻孔周边孔（裂）隙发育、扩张，在抽采过程中容易出现漏气现象，导致孔内抽采浓度低，抽采效果差，影响瓦斯的抽采效果。一次封孔或者多次封孔不能很好地封堵钻孔壁与封孔浆液之间产生的离层裂隙。因为水泥浆液的粘度大，注一次水泥浆液后，存在的裂隙不能满足再次注入的水泥浆液的流动。
为了解决封堵离层裂隙和水泥浆液粘度大的问题，专利号为CN 110454115 A的专利公开了“一种瓦斯抽采钻孔封孔装置及封孔方法 ”，该方法二次封孔时采用遇水膨胀的修复料封堵裂隙，解决了水泥浆液粘度大的问题；但是该方法利用压风机注入修复料和清水，修复料管道出口处在二次注浆后便会堵塞，无法重复利用。专利号为CN101482026A的专利公开了一种“瓦斯抽采二次高压注浆封孔装置及其封孔方法”，该方法第一次低压注浆凝固后从中间进浆孔高压注入浆液封堵钻孔壁和漏气通道；但是该方法二次注浆时从中间位置注入，因封堵材料和钻孔条件限制封堵范围仅限于注浆孔周边，不能对钻孔全孔段的离层进行有效二次封堵。
发明内容
要解决的技术问题
本发明提供一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置及方法，能够均匀封堵全封孔段内的离层裂隙。
解决技术问题的手段
根据本发明的一个方面，提供了一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，包括：
一注浆管，伸入钻孔，且与注浆泵连接，抽采管贯穿所述注浆管的两端；
至少两个囊袋，间隔套设在所述注浆管，与所述注浆管选择性地被连通，沿所述注浆管的径向扩张时，周面与所述钻孔的内壁抵接；及
一注菌液管，伸入所述注浆管，且与柱塞泵连接；
其中，所述注菌液管的外周均布导流管，所述导流管穿过所述注浆管，并抵接在所述钻孔的内壁，所述导流管与所述钻孔及所述囊袋选择性地被连通，所述注浆管与所述钻孔选择性地被连通。
可选地，所述囊袋为对称设于所述注浆管两端的两个。
可选地，所述囊袋与所述注浆管同轴。
可选地，所述注菌液管与所述注浆管同轴。
可选地，所述导流管沿所述注菌液管的径向均布。
可选地，所述导流管在两所述囊袋之间等间距布置。
可选地，所述抽采管与所述注菌液管平行。
可选地，所述注浆管与所述囊袋、所述注浆管与所述钻孔、所述导流管与所述钻孔和所述导流管与所述囊袋均通过单向阀连接。
根据本发明的另一方面，还提供了一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔方法，采用上述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置对瓦斯抽采钻孔进行封堵，包括以下步骤：
步骤S1，将所述囊袋固定在所述注浆管；
步骤S2，将所述注浆管放入所述钻孔内，放置完成后，用速凝水泥封堵所述钻孔口；
步骤S3，将所述注菌液管和所述抽采管入口处球阀关闭；
步骤S4，将所述注浆管与所述注浆泵连接；
步骤S5，打开所述注浆泵，水泥浆液沿着所述注浆管进入所述囊袋，所述囊袋膨胀，内部压力不断升高，当所述注浆管上的压力表读数大于1MPa后，所述注浆管向两所述囊袋之间的所述钻孔内注浆，当所述注浆管上压力表达到2MPa时，注浆完成，关闭所述注浆泵；
步骤S6，注浆结束48小时后所述水泥浆液凝固，利用抽采管开始进行瓦斯抽采作业；
步骤S7，将所述注菌液管与所述柱塞泵连接；
步骤S8，将微生物培养液、固定液和胶凝液分别与“FC-4432”进行混合，混合后“FC-4432”浓度为0.01%~0.10%；
步骤S9，打开所述柱塞泵，打开所述注菌液管入口处的球阀，注菌液压力为3MPa，在此压力下所述注菌液管上各个单向阀打开，通过各个支路向注浆封孔段内依次加压注所述步骤S8中的各种溶液；
步骤S10，以15-30L/min的速度注入OD600=2.0的巴氏生孢八叠球菌培养液和0.4mol/L的CaCl2溶液；
步骤S11，高压脉动注入少量清水，然后以15-30L/min的速度加压注入0.4mol/L的CaCl2和尿素的混合溶液。注浆时通过调节所述柱塞泵频率实现脉动形式注入微生物培养液、固定液和胶结液，使不稳定的碳酸钙进入裂隙更深处，避免碳酸钙沉淀在孔口堆积。注浆时根据封堵裂隙的体积控制注浆压力和流速。在注浆压力作用下，菌液经过导流管流出后沿着所述钻孔与水泥之间的裂隙向四周扩散，实现微生物诱导产生的碳酸钙均匀沉淀，封堵水泥固化收缩产生的离层裂隙和煤层产生的新裂隙，实现对封孔段全段的封堵；
步骤S12，在瓦斯抽采作业过程中，当瓦斯钻孔抽采参数发生变化，抽采效果降低到正常值以下时，重复上述修复步骤注入微生物培养液、固定液和胶结液，循环修复封孔。
发明的效果
应用本发明的技术方案，能够达到以下有益效果：
1.通过注浆管向囊袋内注入水泥浆液，囊袋膨胀后可将钻孔封闭，囊袋可支撑和固定注浆管，使注浆管稳定在钻孔内。
2.囊袋将钻孔封堵后，通过注浆管向两囊袋之间的钻孔空间注入水泥浆液，水泥浆液凝固后形成水泥封堵段，可将钻孔封闭。
3.注浆原料是加入表面活性剂的巴氏生孢八叠球菌培养液、CaCl2溶液、CaCl2和尿素的混合溶液，浆液流动性好，粘度低，渗透性强，可以有效封堵钻孔周边孔（裂）隙和水泥固化产生的离层裂隙。
4.通过在注浆管上设置多个导流管，实现对钻孔封堵段全段周边孔（裂）隙和水泥固化产生裂隙的均匀封堵。
5.注入微生物培养液和CaCl2溶液后，高压脉动注入清水，然后注入CaCl2和尿素的混合溶液，有效防止产生的碳酸钙堵塞单向阀和注菌液管，可以多次利用安全阀和注菌液管实现多次循环修复。
6.注入微生物培养液、固定液和胶结液时注浆压力高，可以有效封堵微小裂隙。
7.封孔修复可以多次循环进行，提高钻孔的利用率，在瓦斯抽采过程中可以进行封孔修复。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置的示意图；
图2是图1中注浆管的示意图；
图3是图1中注菌液管的示意图；
图4是图1中注菌液管的安装示意图；
图5是图1的剖视示意图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施例，以使本发明所属领域的技术人员容易实施本发明。本发明可以以各种不同的方式实施，不限定于下面说明的实施例。
需要说明的是，附图是示例性的，未按照比例示出。为了清楚性以及便利性，有时夸张或减小示出附图中示出的部分之间的相对尺寸以及比例，任意的尺寸只是示例性的，并不是用于限定本发明。另外，为了表示类似的特征，对于在两个以上的附图中示出的相同的构成物、元素或者部件标注相同的标记。
本发明的实施例具体示出了本发明的优选的实施例。其结果，可以预见附图示出的各种变形。因此，实施例不限定于示出的区域的特定方式，包括例如制造导致的方式的变形。
下面，参照图1至图5明根据本发明的实施例的一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置101。
如图1至5示出，一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置包括注浆管100、囊袋200和注菌液管300。
其中，注浆管100伸入钻孔800，且与注浆泵170连接，抽采管400贯穿注浆管100的两端。
具体地，注浆管100的一段短管，注浆管100的两端口封闭，且具有用于水泥浆液流动的空腔110，在注浆管100的外端具有与注浆泵170连接的进料口140，在注浆管100的外端的中心处开设有用于注菌液管300穿过的第一连接口150，注菌液管300与第一连接口150密封连接，同时，在注浆管100的两端还开设有相对应的、用于抽采管400穿过的第二连接口160，抽采管400与第二连接口160也是密封连接。
注浆管100作为水泥浆液的流动通道，在注浆管100的外周设有多个单向阀，其中，注浆管100与囊袋200之间通过第一单向阀120单向连通，即水泥浆液由注浆管100通过第一单向阀120流入囊袋200内部；注浆管100与封堵段820之间通过第二单向阀130单向连通，即水泥浆液由注浆管100通过第二单向阀130流入封堵段820。
第一单向阀120和第二单向阀130均沿注浆管100的周向均匀布置，且第二单向阀130位于两囊袋200之间。
第一单向阀120的阈值小于第二单向阀130的阈值，可实现注浆管100先向囊袋200内注入水泥浆液，然后再向封堵段820内注入水泥浆液。
作为一例，当注浆管100上的第一压力表180读数达到0.2Mpa时，第一单向阀120开启，注浆管100向囊袋200内注入水泥浆液；第一压力表180读数达到1Mpa时，囊袋200注浆完成，同时，第二单向阀130打开，注浆管100向封堵段820注入水泥浆液，当第一压力表180读数达到2Mpa时，封堵段820注浆完成，关闭注浆泵170。
另外，两个囊袋200间隔套设在注浆管100，与注浆管100选择性地被连通，沿注浆管100的径向扩张时，周面与钻孔800的内壁抵接。
具体地，囊袋200为环状结构，囊袋200的内周面与注浆管100的周面密封连接，囊袋200可沿注浆管100的径向涨缩，第一单向阀120位于囊袋200的内侧面处，且与囊袋200单向连通，当注浆管100上的第一压力表180读数达到0.2Mpa时，第一单向阀120开启，注浆管100向囊袋200内注入水泥浆液，囊袋200在水泥浆液的撑涨下膨胀，当囊袋200内充满水泥浆液时，囊袋200的外周面与钻孔800的内壁紧贴，完成对钻孔800的封堵。
两个囊袋200在注浆管100上间隔一定距离，该间距形成封堵段820。
两囊袋200完全膨胀后，可将注浆管100固定在钻孔800的端口处，囊袋200对注浆管100起到支撑和定位作用。
此外，注菌液管300伸入注浆管100，且与柱塞泵350连接，注菌液管300的外周均布导流管310，导流管310穿过注浆管100，并抵接在钻孔800的内壁，导流管310与钻孔800及囊袋200选择性地被连通，注浆管100与钻孔800选择性地被连通。
具体地，注菌液管300的内端为封闭端，导流管310分布在两囊袋200之间的封堵段820，且各导流管310的端部均设有第三单向阀311，各导流管310的端部均与钻孔800的内壁抵接，位于注浆液管300两端处的导流管310通过连接管320与囊袋200单向连通，在连接管320的端口处设有第三单向阀311，连接管320贴靠钻孔800的内壁设置。
作为一例，第三单向阀311的开启阈值为3Mpa，即当注菌液管300上的第二压力表360的读数达到3Mpa时，各第三单向阀311开启，微生物浆液通过注菌液管300分别注入囊袋200和封堵段820处的离层裂隙610；当第二压力表360的读数达到4Mpa时，微生物浆液浇注完成，关闭柱塞泵350。
如图2所示，囊袋200为对称设于注浆管100两端的两个。
具体地，囊袋200垂直于注浆管100，且囊袋200与注浆管100同轴，环形结构的囊袋200包覆在注浆管100的外周，囊袋200的内径等于注浆管100的外径，囊袋200的外径等于钻孔800的内径，当囊袋200内充满水泥浆液时，囊袋200处于完全膨胀状态，以将钻孔800封闭，两囊袋200之间形成封堵段820。
作为一例，囊袋200由耐高压材料制成，囊袋200与注浆管100之间的连接方式可采用粘接。
如图1所示，注菌液管300与注浆管100同轴。
具体地，囊袋200垂直于钻孔800的轴线，注浆管100与钻孔800同轴，注菌液管300与注浆管100同轴，同时，抽采管400与注菌液管300平行设置。
如图3、图4和图5所示，导流管310沿注菌液管300的径向均布。
具体地，导流管310沿注菌液管300的轴向均匀设置多组，每组导流管310均沿注菌液管300的径向均匀布置，且位于同一截面上，各导流管310伸出注菌液管300外部的长度相同，且端部抵接在钻孔800的内壁，防止封堵段820内的水泥将导流管310端部的第三单向阀311堵住。
导流管310在两囊袋200之间等间距布置。
通过这样的构成，根据本发明的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，注浆原料是加入表面活性剂的巴氏生孢八叠球菌培养液、CaCl2溶液、CaCl2和尿素的混合溶液，浆液流动性好，粘度低，渗透性强，可以有效封堵钻孔周边孔（裂）隙和水泥固化产生的离层裂隙；通过在注浆管上设置多个支路，实现对钻孔封堵段全段周边孔（裂）隙和水泥固化产生裂隙的均匀封堵；注入微生物培养液和CaCl2溶液后，高压脉动注入清水，然后注入CaCl2和尿素的混合溶液，有效防止产生的碳酸钙堵塞安全阀和注浆管，可以多次利用安全阀和注浆管实现多次循环修复；注入微生物培养液、固定液和胶结液时注浆压力高，可以有效封堵微小裂隙；封孔修复可以多次循环进行，提高钻孔的利用率。瓦斯抽采过程中可以进行封孔修复。
本发明还提供了一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔方法，采用上述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置对瓦斯抽采钻孔进行封堵，包括以下步骤：
步骤S1，将囊袋200固定在注浆管100；
步骤S2，将注浆管100放入钻孔800内，放置完成后，用速凝水泥810封堵钻孔口；
步骤S3，将注菌液管300和抽采管400入口处球阀（370和410）关闭；
步骤S4，将注浆管100与注浆泵170连接；
步骤S5，打开注浆泵170，水泥浆液沿着注浆管100进入囊袋200，囊袋200膨胀，内部压力不断升高，当注浆管100上的第一压力表180读数大于1MPa后，注浆管100向两囊袋200之间的封堵段820内注浆，当注浆管100上第一压力表180读数达到2MPa时，注浆完成，关闭注浆泵170；
步骤S6，注浆结束48小时后封堵段820和囊袋200内的水泥浆液凝固，打开抽采管400上的第一球阀410，利用抽采管400开始进行瓦斯抽采作业；
步骤S7，将注菌液管300与柱塞泵350连接；
步骤S8，将微生物培养液、固定液和胶凝液分别与“FC-4432”进行混合，混合后“FC-4432”浓度为0.01%~0.10%；
步骤S9，打开柱塞泵350，打开注菌液管300入口处的第二球阀370，注菌液压力为3MPa，在此压力下注菌液管300上各个第三单向阀311打开，通过各个支路向注浆封堵段820和囊袋200内依次加压注步骤S8中的各种溶液；
步骤S10，以15-30L/min的速度注入OD600=2.0的巴氏生孢八叠球菌培养液和0.4mol/L的CaCl2溶液；
步骤S11，高压脉动注入少量清水，然后以15-30L/min的速度加压注入0.4mol/L的CaCl2和尿素的混合溶液。注浆时通过调节柱塞泵350频率实现脉动形式注入微生物培养液、固定液和胶结液，使不稳定的碳酸钙进入裂隙更深处，避免碳酸钙沉淀在孔口堆积。注浆时根据封堵裂隙的体积控制注浆压力和流速。在注浆压力作用下，菌液经过导流管310流出后沿着钻孔800与水泥之间的裂隙向四周扩散，菌液流动方向如图5中箭头700所示，实现微生物诱导产生的碳酸钙均匀沉淀，封堵水泥固化收缩产生的离层裂隙610和煤层产生的新裂隙，实现对封堵段820全段的封堵；
步骤S12，在瓦斯抽采作业过程中，当瓦斯钻孔抽采参数发生变化，抽采效果降低到正常值以下时，重复上述修复步骤注入微生物培养液、固定液和胶结液，循环修复封孔。
以上，参照附图说明了本发明的实施例，但是，本发明所属领域的技术人员可以理解在不变更本发明的技术构思或必要特征的情况下可以以其他方式实施本发明。因此，上述说明的实施例在所有的方面均为示例性的实施例，不应该解释为限定本发明，本发明的保护范围应该基于发明的权利要求书来表示，基于权利要求书的意义以及范围和等同概念导出的所有的变更或变形方式均包括在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，其特征在于，包括：
一注浆管，伸入钻孔，且与注浆泵连接，抽采管贯穿所述注浆管的两端；
至少两个囊袋，间隔套设在所述注浆管，与所述注浆管选择性地被连通，沿所述注浆管的径向扩张时，周面与所述钻孔的内壁抵接；及
一注菌液管，伸入所述注浆管，且与柱塞泵连接；
其中，所述注菌液管的外周均布导流管，所述导流管穿过所述注浆管，并抵接在所述钻孔的内壁，所述导流管与所述钻孔及所述囊袋选择性地被连通，所述注浆管与所述钻孔选择性地被连通。
2.如权利要求1所述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，其特征在于，所述囊袋为对称设于所述注浆管两端的两个。
3.如权利要求2所述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，其特征在于，所述囊袋与所述注浆管同轴。
4.如权利要求3所述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，其特征在于，所述注菌液管与所述注浆管同轴。
5.如权利要求4所述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，其特征在于，所述导流管沿所述注菌液管的径向均布。
6.如权利要求5所述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，其特征在于，所述导流管在两所述囊袋之间等间距布置。
7.如权利要求1所述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，其特征在于，所述抽采管与所述注菌液管平行。
8.如权利要求1所述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置，其特征在于，所述注浆管与所述囊袋、所述注浆管与所述钻孔、所述导流管与所述钻孔和所述导流管与所述囊袋均通过单向阀连接。
9.一种利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔方法，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的利用微生物矿化循环封堵瓦斯抽采钻孔装置对瓦斯抽采钻孔进行封堵，包括以下步骤：
步骤S1，将所述囊袋固定在所述注浆管；
步骤S2，将所述注浆管放入所述钻孔内，放置完成后，用速凝水泥封堵所述钻孔口；
步骤S3，将所述注菌液管和所述抽采管入口处球阀关闭；
步骤S4，将所述注浆管与所述注浆泵连接；
步骤S5，打开所述注浆泵，水泥浆液沿着所述注浆管进入所述囊袋，所述囊袋膨胀，内部压力不断升高，当所述注浆管上的压力表读数大于1MPa后，所述注浆管向两所述囊袋之间的所述钻孔内注浆，当所述注浆管上压力表达到2MPa时，注浆完成，关闭所述注浆泵；
步骤S6，注浆结束48小时后所述水泥浆液凝固，利用抽采管开始进行瓦斯抽采作业；
步骤S7，将所述注菌液管与所述柱塞泵连接；
步骤S8，将微生物培养液、固定液和胶凝液分别与“FC-4432”进行混合，混合后“FC-4432”浓度为0.01%~0.10%；
步骤S9，打开所述柱塞泵，打开所述注菌液管入口处的球阀，注菌液压力为3MPa，在此压力下所述注菌液管上各个单向阀打开，通过各个支路向注浆封孔段内依次加压注所述步骤S8中的各种溶液；
步骤S10，以15-30L/min的速度注入OD600=2.0的巴氏生孢八叠球菌培养液和0.4mol/L的CaCl2溶液；
步骤S11，高压脉动注入少量清水，然后以15-30L/min的速度加压注入0.4mol/L的CaCl2和尿素的混合溶液，注浆时通过调节所述柱塞泵频率实现脉动形式注入微生物培养液、固定液和胶结液，使不稳定的碳酸钙进入裂隙更深处，避免碳酸钙沉淀在孔口堆积，注浆时根据封堵裂隙的体积控制注浆压力和流速，在注浆压力作用下，菌液经过导流管流出后沿着所述钻孔与水泥之间的裂隙向四周扩散，实现微生物诱导产生的碳酸钙均匀沉淀，封堵水泥固化收缩产生的离层裂隙和煤层产生的新裂隙，实现对封孔段全段的封堵；
步骤S12，在瓦斯抽采作业过程中，当瓦斯钻孔抽采参数发生变化，抽采效果降低到正常值以下时，重复上述修复步骤注入微生物培养液、固定液和胶结液，循环修复封孔。
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