CN113719255A - 顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法 - Google Patents
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Abstract
顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，具体包括以下步骤：（一）、设计单孔抽采瓦斯混合量和主钻孔直径、主钻孔长度，计算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的正常抽采负压和困难情况下抽采负压；（二）、分析确定封孔段长度与高度、封孔材料；（三）、进行定向长钻孔施工，并对封孔段进行扩孔；（四）、选择封孔管和封孔材料；（五）、采用二级防溢严密封孔装置进行封孔；（六）、完成封孔后，分析封孔质量与抽采效果。本发明利用聚氨酯封孔材料及一级环形防溢挡板结合的二级防溢严密封孔装置解决了叠加动压影响下钻孔围岩裂隙发育，封堵围岩裂隙困难，抽采负压高问题，既封堵钻孔围岩裂隙、又保证封孔材料自身的致密性，封孔效果好。
Description
技术领域
本发明涉及裂隙带钻孔抽采瓦斯的封孔技术领域，具体的说，涉及一种顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法。
背景技术
目前，煤矿回采工作面回风流瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯浓度高是困扰采面安全生产的主要因素。为研究回采安全高效的采面瓦斯抽采技术，煤矿科研人员研发了煤层顶部裂隙带高位抽采瓦斯技术，一定程度缓解了采面瓦斯问题。煤层顶部裂隙带高位抽采技术依据回采工作面煤层顶板存在“竖三带、横三区”，认为弯曲下沉带和裂隙带内尺度各异的孔裂隙结构为工作面采空区，为瓦斯运移、流动、储藏提供了途径和空间，瓦斯的高扩散性、低粘滞性使采空区瓦斯在弯曲下沉带和裂隙带位得到提纯，裂隙带内瓦斯浓度明显高于下部冒落带内瓦斯浓度。如果在裂隙带内布置钻孔抽采，将抽采到浓度高、纯量大的瓦斯，有效降低工作面回风流瓦斯涌出量、上隅角瓦斯浓度。但是，受传统打钻技术工艺影响，钻孔有效长度短，轨迹无法控制，煤层顶部裂隙带高位抽采瓦斯技术存在单孔高效抽采距离短、抽采瓦斯浓度偏低的问题、抽采效果不稳定、成本高、钻孔施工工程量大，严重影响瓦斯抽采效果。
近年来我国定向长钻孔施工技术、装备得到长足发展，定向钻孔优势如下：①采用随钻测量系统，钻孔轨迹可以起伏，一直处于顶板裂隙带合适中，确保钻孔抽采有效稳定；②大幅提高单孔施工深度，减少钻孔搭接长度，以及钻孔起始与结束的不合理层位，提高了单孔瓦斯抽采范围；③钻机挪移次数少，钻进效率高，单次循环控制距离长，有效缩短施工工期，缓解采掘接替矛盾。因此，顶部定向长钻孔抽采瓦斯技术受到重视，即利用煤矿井下定向钻进技术与装备，在煤层顶板裂隙带施工长距离大直径定向钻孔，以顶板裂隙作为瓦斯流动通道来抽采工作面上覆岩层、煤层及工作面上隅角的瓦斯，改变采空区瓦斯流向分布，有效减少采空区和邻近层瓦斯向工作面上顺槽流动，从根本上解决采空区或邻近层瓦斯大量涌出造成的工作面上隅角及回风巷瓦斯超限的问题，从而保证采煤工作面安全作业，提高采面生产能力。
分析顶部定向长钻孔抽采瓦斯技术关键技术，除顶板定向长钻孔在设计层位、坡度、平面位置完成施工外，封孔质量是关系到抽采效果的另一关键技术。如果封孔方法与工艺不足以支撑抽采钻孔受动压影响下长期保持高负压抽采需要的密封效果，顶部定向长钻孔难以实现高浓度、高纯量、长距离长期抽采的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，本发明利用聚氨酯封孔材料及环形防溢挡板结合的二级防溢严密封孔装置解决了叠加动压影响下钻孔围岩裂隙发育，封堵围岩裂隙困难，抽采负压高问题，既封堵钻孔围岩裂隙、又保证封孔材料自身的致密性，封孔效果好。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，具体包括以下步骤：
（一）、设计单孔抽采瓦斯混合量和主钻孔直径、主钻孔长度，计算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的正常抽采负压和困难情况下抽采负压；
（二）、分析确定封孔段长度与高度、封孔材料；
（三）、进行定向长钻孔施工，并对封孔段进行扩孔；
（四）、选择封孔管和封孔材料；
（五）、采用二级防溢严密封孔装置进行封孔；
（六）、完成封孔后，分析封孔质量与抽采效果。
步骤（五）中的二级防溢严密封孔装置包括封孔管和两个环形防溢挡板，封孔管由若干节有缝钢管通过丝扣依次首尾对接连接而成，封孔管同中心插入到定向长钻孔的封孔段，以定向长钻孔的里侧为前向，环形防溢挡板的内径与封孔管的外径相同，环形防溢挡板的外径与定向长钻孔的封孔段内径相同，两个环形防溢挡板前后间隔分别固定套在封孔管上，前侧的环形防溢挡板邻近封孔管里侧端口设置，后侧的环形防溢挡板邻近封孔管外侧端口设置，封孔管的外管壁前侧部和后侧部沿周向均胶粘固定有至少一个快速反应聚氨酯袋，前侧的快速反应聚氨酯袋靠近前侧的环形防溢挡板设置且位于前侧的环形防溢挡板的后侧，后侧的快速反应聚氨酯袋靠近后侧的环形防溢挡板设置且位于后侧的环形防溢挡板的前侧，封孔管的外管壁上沿前后方向间隔胶粘固定有若干个位于前侧的快速反应聚氨酯袋和后侧的快速反应聚氨酯袋之间的常速反应聚氨酯袋，各个快速反应聚氨酯袋和各个常速反应聚氨酯袋均通过胶带缠绕绑扎固定在封孔管上。
步骤（一）具体为：根据瓦斯抽采实际需要设计单孔抽采瓦斯混合量和主钻孔直径、主钻孔长度，考虑钻孔变形情况，计算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的正常抽采负压和困难情况下抽采负压，为抽采系统选型、封孔提出了明确要求；
钻孔抽采负压是抽采瓦斯气体克服流动阻力进入孔口管，进入抽采管道，被抽进抽采泵的动力；顶部定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯与正常顺煤层穿煤层抽采钻孔不同的是，后者煤层瓦斯处于几百KPa至数千KPa，甚至更高的正压状态，为钻孔内瓦斯流动提供了部分动力；而前者需要抽采的瓦斯处于与采场连通微量负压状态，顶部定向长钻孔抽采负压在克服钻孔摩擦阻力与局部阻力后，残余的负压要明显低于采场负压，改变采空区瓦斯流场，才能实现大流量抽采的目标；
根据设计单孔抽采瓦斯混合量和钻孔直径、钻孔长度，以及钻孔变形情况，可以估算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的抽采负压，由于定向长钻孔初始截面形状为圆形，抽采瓦斯需要克服的阻力值可参考抽放管路阻力计算公式，对部分参数进行修正完成；局部阻力采用概算法，按直管阻力损失的15%计算；
抽放管路阻力计算公式：
式中：Hm——管路摩擦阻力，Pa；
L ——负压段管路长度，m；
Q——抽放管内混合瓦斯流量，m3/h；
γ——混合瓦斯对空气的密度比，本设计取0.889；
K——与管径有关的系数，本次取0.69；
D——抽放管内径，cm；
根据上述公式，按钻孔长度600m，钻孔直径按ф110mm，抽采瓦斯混量按8 m3/min计算，在钻孔不垮孔、不变形、无堵塞、无积水的情况下，考虑局部阻力，需要克服的阻力约4.5Kpa，但是，由于钻孔较长，需要穿过许多岩层，可能在部分孔段发生各种形状变形收缩；由于钻孔坡度难以保证稳定，可能在低洼处积水减少瓦斯流动面积，这些都将增加瓦斯流动阻力，计算显示如果钻孔截面积缩小为原来的0.5倍，孔口负压可能需要25KPa，面积进一步缩小，需要的抽采负压更高，甚至可能达到40~50Kpa；
顶部定向长钻孔高负压抽采工况增加了封孔的难度，对封孔质量提出了更高的要求，正常顺煤层穿煤层抽采钻孔需要满足的抽采负压为13 KPa，需要的封孔长度为5~8m，比较而言顶部定向长钻孔抽采需要的封孔长度应为20~32m。
步骤（二）具体为：采用理论分析、数值模拟的方法联合分析钻场掘进、钻孔施工造成的钻孔围岩裂隙发育范围，采面超前采动应力造成的钻场与钻孔围岩裂隙进一步发育范围，对封孔材料的影响、破坏程度与范围，结合钻孔各项参数和困难情况下抽采负压参数，确定封孔段长度与高度既要满足钻场掘进、钻孔施工应力叠加形成的围岩变形破坏区，又要求封孔材料与封孔长度应满足高负压抽采条件气密性要求，还要超过采面超前采动应力造成的钻场与钻孔围岩裂隙进一步发育范围，即需要实施长距离封孔，同时，提出封孔材料应在连续动压破坏下不产生裂隙，不降低封孔质量得要求，应考虑选择有机材料。
步骤（三）具体为：根据定向长钻孔施工工艺，封孔段范围内实施精准控制钻进，保证钻孔的方位与坡度无大的偏转，以此为基础在完成全部钻孔施工后对封孔段扩孔，使封孔段孔径超过主孔40~50 mm，为长距离封孔硬质孔口管，如有缝钢管安装时不因钻孔坡度与方位的改变受阻，能够安装到位，为封孔材料充填在封孔管与钻孔直径的环状裂隙提供了空间，同时，封孔段孔径超过主孔直径的数值不宜太大，扩孔工作能够顺利进行。
步骤（四）具体为：选用总长度不小于30m有缝钢管作为封孔管，有缝钢管设置若干节，各节有缝钢管之间通过丝扣连接，封孔段长度略小于封孔管总长度；选择反应前、反应中为液体，反应后为固体，反应时间可控，防渗、密封、抗震性能好的聚氨酯封孔材料，使该封孔方法与工艺既满足了工程实践需要，又符合理论要求和相关技术标准，具有一定的普适性。
步骤（五）的具体封孔步骤如下：
（1）、钻孔施工完成后，用提前加工好的可连接探管，检查钻孔封孔段是否顺直，扩孔长度是否满足设计要求；
（2）、准备封孔材料和设备、工具：封孔管，环形防溢挡板，常速反应聚氨酯袋，快速反应聚氨酯袋，粘合剂；钻机、扳手、丝锥、胶带等，为方便运输、安装，封孔管包括若干节有缝钢管，有缝钢管的长度按每节2~3m加工；为保证封孔质量，防止连接处脱节、缝隙漏气，各节有缝钢管之间采用丝扣连接，提前将上述物质运输到现场，并码放整齐；
（3）、构建一级里侧防溢装置：在距封孔管里侧端口约1m处，用粘合剂将环形防溢挡板安装固定好，为防止二级防溢物质聚氨酯膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管里侧口打下基础；
（4）、构建二级里侧防溢装置：选取1~2袋快速反应聚氨酯袋，把用于分离聚氨酯氧化剂和还原剂的间隔层撕开，快速揉搓使二者混合均匀后，用胶带绑在环形防溢挡板外侧的封孔管上，为防止二级主体防溢装置的聚氨酯封孔材料膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管里侧口打下基础；
（5）、构建二级主体防溢装置：选若干袋常速反应聚氨酯袋，按每米两袋使用，直到外侧一级防溢装置，把用于分离聚氨酯氧化剂和还原剂的间隔层撕开，快速揉搓使二者混合均匀后，用胶带绑在二级里侧防溢装置外侧的封孔管上；
（6）、构建二级外侧防溢装置：选取1~2袋快速反应聚氨酯袋，把用于分离聚氨酯氧化剂和还原剂的间隔层撕开，快速揉搓使二者混合均匀后，用胶带绑在二级主体防溢装置外侧的封孔管上，为防止二级主体防溢装置的聚氨酯封孔材料膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管外侧口打下基础；
（7）、构建一级外侧防溢装置：在距封孔管外侧端口0.3～0.5m处，用粘合剂将环形防溢挡板安装固定好，为防止二级防溢物质聚氨酯膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管外侧口打下基础；
（8）、将有缝钢管逐节连接好，用钻机将有缝钢管依次送入钻孔中，等到将外侧一级、二级防溢装置安装固定好后再安装最后一根有缝钢管；
（9）、有缝钢管全部安装完毕后，等待聚氨酯材料氧化剂和还原剂反应、膨胀完成，在封孔管外侧和内侧的环形防溢挡板限制作用下，聚氨酯材料氧化剂和还原剂在固定长度钻孔内高压下径向膨胀，并渗透填充到钻孔围岩裂隙中，实现严密封孔的目的。
步骤（六）具体为：封孔完成后将封孔管的外端与现场压风管路连接，采用压风方法检测封孔效果；现场压风管路内风压一般为0.05~0.07MPa，可以形成的内外压力差高于钻孔抽采时需要的0.03~0.05 MPa压力差，能够用于检测封孔效果，具体方法：向钻孔内注入适量高压空气，因此时钻孔还没有与采场裂隙沟通，钻孔是一个相对封闭的空间，如果封孔质量合格，钻孔内空气压力将相对稳定，空气压力值利用压风管路上的压力表读出；检测合格后，将封孔管的外端连接抽采管路，完成整个封孔工作，等待采面推到后开始抽采，对抽采数据进行收集、整理、分析，对比一段时间内抽采瓦斯浓度及抽采纯量的数值变化，判断抽采效果。
两个环形防溢挡板的内圈与封孔管的外管壁之间均通过胶粘固定连接，前侧的环形防溢挡板通过沉头螺栓紧固在封孔管上，前侧的环形防溢挡板的外圆包括圆柱防溢段和圆锥导向段，圆锥导向段位于圆柱防溢段的前侧且前小后大，沉头螺栓设置在圆柱防溢段。
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，本发明选择反应前、反应中为液体，反应后为固体，反应时间可控，防渗、密封、抗震性能好的聚氨酯封孔材料，解决了服务周期长，叠加动压影响下封孔材料变形、破坏、漏气，以及长距离封孔操作困难等问题，本发明的二级防溢严密封孔装置解决了叠加动压影响下钻孔围岩裂隙发育，封堵围岩裂隙困难，抽采负压高问题；利用体型较小，方便安装的环形防溢挡板（塑料或塑胶板）对靠近封孔管外侧端口和内侧端口的常速反应聚氨酯袋反应膨胀后所处位置进行了约束，使其成为主要封孔材料的二级有效防溢物，为聚氨酯相对密闭的空间条件下反应提供了条件，提高了固结前聚氨酯压力与向钻孔围岩裂隙渗透的能力，既封堵钻孔围岩裂隙、又保证封孔材料自身的致密性，还可以防止聚氨酯不受限制膨胀溢出封孔管里面，堵塞封孔管造成钻孔抽采能力降低甚至报废，保证了封孔效果。
本发明利用聚氨酯封孔材料及环形防溢挡板结合的二级防溢严密封孔装置解决了叠加动压影响下钻孔围岩裂隙发育，封堵围岩裂隙困难，抽采负压高问题，既封堵钻孔围岩裂隙、又保证封孔材料自身的致密性，封孔效果好。
附图说明
图1是本发明的聚氨酯封孔材料未膨胀时的封孔效果示意图。
图2是本发明的封孔后聚氨酯封孔材料完全膨胀后的封孔效果示意图。
图3是本发明的定向长钻孔轨迹示意图。
图4是本发明的聚氨酯封孔材料未膨胀时封孔管和定向长钻孔围岩截面示意图。
图5是本发明的聚氨酯封孔材料完全膨胀后封孔管和定向长钻孔围岩截面示意图。
图6是本发明的前侧的环形防溢挡板和封孔管装配的剖视图。
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1-6所示，顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，具体包括以下步骤：
（一）、设计单孔抽采瓦斯混合量和主钻孔直径、主钻孔长度，计算定向长钻孔1裂隙带抽采瓦斯需要的正常抽采负压和困难情况下抽采负压；
（二）、分析确定封孔段长度与高度、封孔材料；
（三）、进行定向长钻孔1施工，并对封孔段进行扩孔；
（四）、选择封孔管2和封孔材料；
（五）、采用二级防溢严密封孔装置进行封孔；
（六）、完成封孔后，分析封孔质量与抽采效果。
步骤（五）中的二级防溢严密封孔装置包括封孔管2和两个环形防溢挡板3，封孔管2由若干节有缝钢管通过丝扣依次首尾对接连接而成，封孔管2同中心插入到定向长钻孔1的封孔段，以定向长钻孔1的里侧为前向，环形防溢挡板3的内径与封孔管2的外径相同，环形防溢挡板3的外径与定向长钻孔1的封孔段内径相同，两个环形防溢挡板3前后间隔分别套在封孔管2，前侧的环形防溢挡板3邻近封孔管2里侧端口设置，后侧的环形防溢挡板3邻近封孔管2外侧端口设置，封孔管2的外管壁前侧部和后侧部沿周向均胶粘固定有至少一个快速反应聚氨酯袋5，前侧的快速反应聚氨酯袋5靠近前侧的环形防溢挡板3设置且位于前侧的环形防溢挡板3的后侧，后侧的快速反应聚氨酯袋5靠近后侧的环形防溢挡板3设置且位于后侧的环形防溢挡板3的前侧，封孔管2的外管壁上沿前后方向间隔胶粘固定有若干个位于前侧的快速反应聚氨酯袋5和后侧的快速反应聚氨酯袋5之间的常速反应聚氨酯袋4，各个快速反应聚氨酯袋5和各个常速反应聚氨酯袋4均通过胶带（图未示）缠绕绑扎固定在封孔管2上。图6中前头表示封孔管2的插入方向。
步骤（一）具体为：根据瓦斯抽采实际需要设计单孔抽采瓦斯混合量和主钻孔直径、主钻孔长度，考虑钻孔变形情况，计算定向长钻孔1裂隙带抽采瓦斯需要的正常抽采负压和困难情况下抽采负压，为抽采系统选型、封孔提出了明确要求；
钻孔抽采负压是抽采瓦斯气体克服流动阻力进入孔口管，进入抽采管道，被抽进抽采泵的动力；顶部定向长钻孔1裂隙带抽采瓦斯与正常顺煤层穿煤层抽采钻孔不同的是，后者煤层瓦斯处于几百KPa至数千KPa，甚至更高的正压状态，为钻孔内瓦斯流动提供了部分动力；而前者需要抽采的瓦斯处于与采场连通微量负压状态，顶部定向长钻孔1抽采负压在克服钻孔摩擦阻力与局部阻力后，残余的负压要明显低于采场负压，改变采空区瓦斯流场，才能实现大流量抽采的目标；
根据设计单孔抽采瓦斯混合量和钻孔直径、钻孔长度，以及钻孔变形情况，可以估算定向长钻孔1裂隙带抽采瓦斯需要的抽采负压，由于定向长钻孔1初始截面形状为圆形，抽采瓦斯需要克服的阻力值可参考抽放管路阻力计算公式，对部分参数进行修正完成；局部阻力采用概算法，按直管阻力损失的15%计算；
抽放管路阻力计算公式：
式中：Hm——管路摩擦阻力，Pa；
L ——负压段管路长度，m；
Q——抽放管内混合瓦斯流量，m3/h；
γ——混合瓦斯对空气的密度比，本设计取0.889；
K——与管径有关的系数，本次取0.69；
D——抽放管内径，cm；
根据上述公式，按钻孔长度600m，钻孔直径按ф110mm，抽采瓦斯混量按8 m3/min计算，在钻孔不垮孔、不变形、无堵塞、无积水的情况下，考虑局部阻力，需要克服的阻力约4.5Kpa，但是，由于钻孔较长，需要穿过许多岩层，可能在部分孔段发生各种形状变形收缩；由于钻孔坡度难以保证稳定，可能在低洼处积水减少瓦斯流动面积，这些都将增加瓦斯流动阻力，计算显示如果钻孔截面积缩小为原来的0.5倍，孔口负压可能需要25KPa，面积进一步缩小，需要的抽采负压更高，甚至可能达到40~50Kpa；
顶部定向长钻孔1高负压抽采工况增加了封孔的难度，对封孔质量提出了更高的要求，正常顺煤层穿煤层抽采钻孔需要满足的抽采负压为13 KPa，需要的封孔长度为5~8m，比较而言顶部定向长钻孔1抽采需要的封孔长度应为20~32m。
步骤（二）具体为：采用理论分析、数值模拟的方法联合分析钻场掘进、钻孔施工造成的钻孔围岩裂隙发育范围，采面超前采动应力造成的钻场与钻孔围岩裂隙进一步发育范围，对封孔材料的影响、破坏程度与范围，结合钻孔各项参数和困难情况下抽采负压参数，确定封孔段长度与高度既要满足钻场掘进、钻孔施工应力叠加形成的围岩变形破坏区，又要求封孔材料与封孔长度应满足高负压抽采条件气密性要求，还要超过采面超前采动应力造成的钻场与钻孔围岩裂隙进一步发育范围，即需要实施长距离封孔，同时，提出封孔材料应在连续动压破坏下不产生裂隙，不降低封孔质量得要求，应考虑选择有机材料。
步骤（三）具体为：根据定向长钻孔1施工工艺，封孔段范围内实施精准控制钻进，保证钻孔的方位与坡度无大的偏转，以此为基础在完成全部钻孔施工后对封孔段扩孔，使封孔段孔径超过主孔40~50 mm，为长距离封孔硬质孔口管，如有缝钢管安装时不因钻孔坡度与方位的改变受阻，能够安装到位，为封孔材料充填在封孔管2与钻孔直径的环状裂隙提供了空间，同时，封孔段孔径超过主孔直径的数值不宜太大，扩孔工作能够顺利进行。
步骤（四）具体为：选用总长度不小于30m有缝钢管作为封孔管2，有缝钢管设置若干节，各节有缝钢管之间通过丝扣连接，封孔段长度略小于封孔管2总长度；选择反应前、反应中为液体，反应后为固体，反应时间可控，防渗、密封、抗震性能好的聚氨酯封孔材料，使该封孔方法与工艺既满足了工程实践需要，又符合理论要求和相关技术标准，具有一定的普适性。
步骤（五）的具体封孔步骤如下：
（1）、钻孔施工完成后，用提前加工好的可连接探管（每节3m，直径25mm），检查钻孔封孔段是否顺直，扩孔长度是否满足设计要求；
（2）、准备封孔材料和设备、工具：封孔管2，环形防溢挡板3，常速反应聚氨酯袋4，快速反应聚氨酯袋5，粘合剂；钻机、扳手、丝锥、胶带等，为方便运输、安装，封孔管2包括若干节有缝钢管，有缝钢管的长度按每节2~3m加工；为保证封孔质量，防止连接处脱节、缝隙漏气，各节有缝钢管之间采用丝扣连接，提前将上述物质运输到现场，并码放整齐；
（3）、构建一级里侧防溢装置：在距封孔管2里侧端口约1m处，用粘合剂将环形防溢挡板3安装固定好，为防止二级防溢物质聚氨酯膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管2里侧口打下基础；
（4）、构建二级里侧防溢装置：选取1~2袋快速反应聚氨酯袋5，把用于分离聚氨酯氧化剂和还原剂的间隔层撕开，快速揉搓使二者混合均匀后，用胶带绑在环形防溢挡板3外侧的封孔管2上，为防止二级主体防溢装置的聚氨酯封孔材料膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管2里侧口打下基础；
（5）、构建二级主体防溢装置：选若干袋常速反应聚氨酯袋4，按每米两袋使用，直到外侧一级防溢装置，把用于分离聚氨酯氧化剂和还原剂的间隔层撕开，快速揉搓使二者混合均匀后，用胶带绑在二级里侧防溢装置外侧的封孔管2上；
（6）、构建二级外侧防溢装置：选取1~2袋快速反应聚氨酯袋5，把用于分离聚氨酯氧化剂和还原剂的间隔层撕开，快速揉搓使二者混合均匀后，用胶带绑在二级主体防溢装置外侧的封孔管2上，为防止二级主体防溢装置的聚氨酯封孔材料膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管2外侧口打下基础；
（7）、构建一级外侧防溢装置：在距封孔管2外侧端口0.3～0.5m处，用粘合剂将环形防溢挡板3安装固定好，为防止二级防溢物质聚氨酯膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管2外侧口打下基础；
（8）、将有缝钢管逐节连接好，用钻机将有缝钢管依次送入钻孔中，等到将外侧一级、二级防溢装置安装固定好后再安装最后一根有缝钢管；
（9）、有缝钢管全部安装完毕后，等待聚氨酯材料氧化剂和还原剂反应、膨胀完成，在封孔管2外侧和内侧的环形防溢挡板3限制作用下，聚氨酯材料氧化剂和还原剂在固定长度钻孔内高压下径向膨胀，并渗透填充到钻孔围岩裂隙中，实现严密封孔的目的。
步骤（六）具体为：封孔完成后将封孔管2的外端与现场压风管路连接，采用压风方法检测封孔效果；现场压风管路内风压一般为0.05~0.07MPa，可以形成的内外压力差高于钻孔抽采时需要的0.03~0.05 MPa压力差，能够用于检测封孔效果，具体方法：向钻孔内注入适量高压空气，因此时钻孔还没有与采场裂隙沟通，钻孔是一个相对封闭的空间，如果封孔质量合格，钻孔内空气压力将相对稳定，空气压力值利用压风管路上的压力表读出；检测合格后，将封孔管2的外端连接抽采管路，完成整个封孔工作，等待采面推到后开始抽采，对抽采数据进行收集、整理、分析，对比一段时间内抽采瓦斯浓度及抽采纯量的数值变化，判断抽采效果。
两个环形防溢挡板3的内圈与封孔管2的外管壁之间均通过胶粘固定连接，前侧的环形防溢挡板3通过沉头螺栓6紧固在封孔管2上，前侧的环形防溢挡板3的外圆包括圆柱防溢段7和圆锥导向段8，圆锥导向段8位于圆柱防溢段7的前侧且前小后大，沉头螺栓6设置在圆柱防溢段7。沉头螺栓6进一步提高前侧的环形防溢挡板3紧固性，确保前侧的环形防溢挡板3位置固定，圆锥导向段8起到导向作用，减少封孔管2插入定向长钻孔1时的插入阻力。
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 (9)
1.顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（一）、设计单孔抽采瓦斯混合量和主钻孔直径、主钻孔长度，计算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的正常抽采负压和困难情况下抽采负压；
（二）、分析确定封孔段长度与高度、封孔材料；
（三）、进行定向长钻孔施工，并对封孔段进行扩孔；
（四）、选择封孔管和封孔材料；
（五）、采用二级防溢严密封孔装置进行封孔；
（六）、完成封孔后，分析封孔质量与抽采效果。
2.根据权利要求1所述的顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：步骤（五）中的二级防溢严密封孔装置包括封孔管和两个环形防溢挡板，封孔管由若干节有缝钢管通过丝扣依次首尾对接连接而成，封孔管同中心插入到定向长钻孔的封孔段，以定向长钻孔的里侧为前向，环形防溢挡板的内径与封孔管的外径相同，环形防溢挡板的外径与定向长钻孔的封孔段内径相同，两个环形防溢挡板前后间隔分别固定套在封孔管上，前侧的环形防溢挡板邻近封孔管里侧端口设置，后侧的环形防溢挡板邻近封孔管外侧端口设置，封孔管的外管壁前侧部和后侧部沿周向均胶粘固定有至少一个快速反应聚氨酯袋，前侧的快速反应聚氨酯袋靠近前侧的环形防溢挡板设置且位于前侧的环形防溢挡板的后侧，后侧的快速反应聚氨酯袋靠近后侧的环形防溢挡板设置且位于后侧的环形防溢挡板的前侧，封孔管的外管壁上沿前后方向间隔胶粘固定有若干个位于前侧的快速反应聚氨酯袋和后侧的快速反应聚氨酯袋之间的常速反应聚氨酯袋，各个快速反应聚氨酯袋和各个常速反应聚氨酯袋均通过胶带缠绕绑扎固定在封孔管上。
3.根据权利要求2所述的顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：步骤（一）具体为：根据瓦斯抽采实际需要设计单孔抽采瓦斯混合量和主钻孔直径、主钻孔长度，考虑钻孔变形情况，计算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的正常抽采负压和困难情况下抽采负压，为抽采系统选型、封孔提出了明确要求；
钻孔抽采负压是抽采瓦斯气体克服流动阻力进入孔口管，进入抽采管道，被抽进抽采泵的动力；顶部定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯与正常顺煤层穿煤层抽采钻孔不同的是，后者煤层瓦斯处于几百KPa至数千KPa，甚至更高的正压状态，为钻孔内瓦斯流动提供了部分动力；而前者需要抽采的瓦斯处于与采场连通微量负压状态，顶部定向长钻孔抽采负压在克服钻孔摩擦阻力与局部阻力后，残余的负压要明显低于采场负压，改变采空区瓦斯流场，才能实现大流量抽采的目标；
根据设计单孔抽采瓦斯混合量和钻孔直径、钻孔长度，以及钻孔变形情况，可以估算定向长钻孔裂隙带抽采瓦斯需要的抽采负压，由于定向长钻孔初始截面形状为圆形，抽采瓦斯需要克服的阻力值可参考抽放管路阻力计算公式，对部分参数进行修正完成；局部阻力采用概算法，按直管阻力损失的15%计算；
抽放管路阻力计算公式：
式中：Hm——管路摩擦阻力，Pa；
L ——负压段管路长度，m；
Q——抽放管内混合瓦斯流量，m3/h；
γ——混合瓦斯对空气的密度比，本设计取0.889；
K——与管径有关的系数，本次取0.69；
D——抽放管内径，cm；
根据上述公式，按钻孔长度600m，钻孔直径按ф110mm，抽采瓦斯混量按8 m3/min计算，在钻孔不垮孔、不变形、无堵塞、无积水的情况下，考虑局部阻力，需要克服的阻力约4.5Kpa，但是，由于钻孔较长，需要穿过许多岩层，可能在部分孔段发生各种形状变形收缩；由于钻孔坡度难以保证稳定，可能在低洼处积水减少瓦斯流动面积，这些都将增加瓦斯流动阻力，计算显示如果钻孔截面积缩小为原来的0.5倍，孔口负压可能需要25KPa，面积进一步缩小，需要的抽采负压更高，甚至可能达到40~50Kpa；
顶部定向长钻孔高负压抽采工况增加了封孔的难度，对封孔质量提出了更高的要求，正常顺煤层穿煤层抽采钻孔需要满足的抽采负压为13 KPa，需要的封孔长度为5~8m，比较而言顶部定向长钻孔抽采需要的封孔长度应为20~32m。
4.根据权利要求3所述的顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：步骤（二）具体为：采用理论分析、数值模拟的方法联合分析钻场掘进、钻孔施工造成的钻孔围岩裂隙发育范围，采面超前采动应力造成的钻场与钻孔围岩裂隙进一步发育范围，对封孔材料的影响、破坏程度与范围，结合钻孔各项参数和困难情况下抽采负压参数，确定封孔段长度与高度既要满足钻场掘进、钻孔施工应力叠加形成的围岩变形破坏区，又要求封孔材料与封孔长度应满足高负压抽采条件气密性要求，还要超过采面超前采动应力造成的钻场与钻孔围岩裂隙进一步发育范围，即需要实施长距离封孔，同时，提出封孔材料应在连续动压破坏下不产生裂隙，不降低封孔质量得要求，应考虑选择有机材料。
5.根据权利要求4所述的顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：步骤（三）具体为：根据定向长钻孔施工工艺，封孔段范围内实施精准控制钻进，保证钻孔的方位与坡度无大的偏转，以此为基础在完成全部钻孔施工后对封孔段扩孔，使封孔段孔径超过主孔40~50 mm，为长距离封孔硬质孔口管，如有缝钢管安装时不因钻孔坡度与方位的改变受阻，能够安装到位，为封孔材料充填在封孔管与钻孔直径的环状裂隙提供了空间，同时，封孔段孔径超过主孔直径的数值不宜太大，扩孔工作能够顺利进行。
6.根据权利要求5所述的顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：步骤（四）具体为：选用总长度不小于30m有缝钢管作为封孔管，有缝钢管设置若干节，各节有缝钢管之间通过丝扣连接，封孔段长度略小于封孔管总长度；选择反应前、反应中为液体，反应后为固体，反应时间可控，防渗、密封、抗震性能好的聚氨酯封孔材料，使该封孔方法与工艺既满足了工程实践需要，又符合理论要求和相关技术标准，具有一定的普适性。
7.根据权利要求6所述的顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：步骤（五）的具体封孔步骤如下：
（1）、钻孔施工完成后，用提前加工好的可连接探管，检查钻孔封孔段是否顺直，扩孔长度是否满足设计要求；
（2）、准备封孔材料和设备、工具：封孔管，环形防溢挡板，常速反应聚氨酯袋，快速反应聚氨酯袋，粘合剂；钻机、扳手、丝锥、胶带等，为方便运输、安装，封孔管包括若干节有缝钢管，有缝钢管的长度按每节2~3m加工；为保证封孔质量，防止连接处脱节、缝隙漏气，各节有缝钢管之间采用丝扣连接，提前将上述物质运输到现场，并码放整齐；
（3）、构建一级里侧防溢装置：在距封孔管里侧端口约1m处，用粘合剂将环形防溢挡板安装固定好，为防止二级防溢物质聚氨酯膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管里侧口打下基础；
（4）、构建二级里侧防溢装置：选取1~2袋快速反应聚氨酯袋把用于分离聚氨酯氧化剂和还原剂的间隔层撕开，快速揉搓使二者混合均匀后，用胶带绑在环形防溢挡板外侧的封孔管上，为防止二级主体防溢装置的聚氨酯封孔材料膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管里侧口打下基础；
（5）、构建二级主体防溢装置：选若干袋常速反应聚氨酯袋，按每米两袋使用，直到外侧一级防溢装置，把用于分离聚氨酯氧化剂和还原剂的间隔层撕开，快速揉搓使二者混合均匀后，用胶带绑在二级里侧防溢装置外侧的封孔管上；
（6）、构建二级外侧防溢装置：选取1~2袋快速反应聚氨酯袋，把用于分离聚氨酯氧化剂和还原剂的间隔层撕开，快速揉搓使二者混合均匀后，用胶带绑在二级主体防溢装置外侧的封孔管上，为防止二级主体防溢装置的聚氨酯封孔材料膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管外侧口打下基础；
（7）、构建一级外侧防溢装置：在距封孔管外侧端口0.3～0.5m处，用粘合剂将环形防溢挡板安装固定好，为防止二级防溢物质聚氨酯膨胀时、凝固前外溢，堵塞封孔管外侧口打下基础；
（8）、将有缝钢管逐节连接好，用钻机将有缝钢管依次送入钻孔中，等到将外侧一级、二级防溢装置安装固定好后再安装最后一根有缝钢管；
（9）、有缝钢管全部安装完毕后，等待聚氨酯材料氧化剂和还原剂反应、膨胀完成，在封孔管外侧和内侧的环形防溢挡板限制作用下，聚氨酯材料氧化剂和还原剂在固定长度钻孔内高压下径向膨胀，并渗透填充到钻孔围岩裂隙中，实现严密封孔的目的。
8.根据权利要求7所述的顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：步骤（六）具体为：封孔完成后将封孔管的外端与现场压风管路连接，采用压风方法检测封孔效果；现场压风管路内风压一般为0.05~0.07MPa，可以形成的内外压力差高于钻孔抽采时需要的0.03~0.05 MPa压力差，能够用于检测封孔效果，具体方法：向钻孔内注入适量高压空气，因此时钻孔还没有与采场裂隙沟通，钻孔是一个相对封闭的空间，如果封孔质量合格，钻孔内空气压力将相对稳定，空气压力值利用压风管路上的压力表读出；检测合格后，将封孔管的外端连接抽采管路，完成整个封孔工作，等待采面推到后开始抽采，对抽采数据进行收集、整理、分析，对比一段时间内抽采瓦斯浓度及抽采纯量的数值变化，判断抽采效果。
9.根据权利要求2所述的顶部定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采封孔方法，其特征在于：两个环形防溢挡板的内圈与封孔管的外管壁之间均通过胶粘固定连接，前侧的环形防溢挡板通过沉头螺栓紧固在封孔管上，前侧的环形防溢挡板的外圆包括圆柱防溢段和圆锥导向段，圆锥导向段位于圆柱防溢段的前侧且前小后大，沉头螺栓设置在圆柱防溢段。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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