CN115162996A - 一种具有致裂增渗功能的封孔装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有致裂增渗功能的封孔装置及方法，将具有致裂增渗功能的封孔装置安装至瓦斯抽采钻孔上，通过注液增压的方式使两个封孔胶囊分别与瓦斯抽采管外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封，达到一定压力后，通过控制液压驱动式移动车带动橡胶头在瓦斯抽采管内的往复运动，产生持续的脉动气压对钻孔内部裂缝进行多次瓦斯气体脉动冲击，从而增加了钻孔深处煤体的渗透率；完成后通过移动钢管进行瓦斯抽采，当瓦斯抽采流量降低后再次实施上述瓦斯气体脉动冲击过程，这样在钻孔内交替出现自增压气流和抽出气流，使瓦斯抽采钻孔周围煤体裂隙反复承受膨胀和收缩作用，从而增大瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采半径，并提高瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种封孔装置及方法，具体为一种具有致裂增渗功能的封孔装置及方法，属于矿井瓦斯抽采技术领域。
背景技术
瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯事故的根本性措施，只有大量的瓦斯被抽出，才能缓解、消除突出危险性及瓦斯超限问题。煤矿巷道内的瓦斯抽采钻孔由于具有施工简便、成本低等优点，在我国各大矿区得到了广泛的应用。据估算，我国煤矿用于井下瓦斯抽采的钻孔工程量已超过1.5亿m/年。尽管如此，我国煤层渗透率普遍偏低，且存在封孔质量偏差的问题，其中由于煤层渗透率较低，导致钻孔抽采煤层瓦斯一段时间后，远离钻孔的煤体瓦斯在抽采负压作用下难以源源不断地涌入钻孔，与此同时靠近钻孔周边煤体瓦斯很快就被抽完，并且由于封孔质量较差，导致周围瓦斯被抽采后，外界空气通过钻孔与封孔器之间的缝隙不断涌入钻孔内部，从而使瓦斯抽采浓度持续下降。因此，如何提供一种装置及方法，不仅具有较好的封孔效果，降低外界空气进入瓦斯抽采钻孔内，同时能对钻孔周围深处的煤层进行强化增透，从而有效提高瓦斯抽采的流量及浓度，是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种具有致裂增渗功能的封孔装置及方法，不仅具有较好的封孔效果，降低外界空气进入瓦斯抽采钻孔内，同时能对钻孔深处的煤层进行强化增透，从而有效提高瓦斯抽采的流量及浓度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有致裂增渗功能的封孔装置，包括瓦斯抽采管、第一封孔胶囊、第二封孔胶囊、移动钢管、液压驱动式移动车、支架、液压控制台和液压泵站；
所述第一封孔胶囊和第二封孔胶囊均套在瓦斯抽采管外部，第一注浆管一端穿过第二封孔胶囊，并伸入第一封孔胶囊内，用于对第一封孔胶囊注液增压，使第一封孔胶囊分别与瓦斯抽采管外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封；第二注浆管一端伸入第二封孔胶囊内，用于对第二封孔胶囊注液增压，使第二封孔胶囊分别与瓦斯抽采管外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封；
所述支架上装有轨道，液压驱动式移动车的滚轮设置在轨道上，使液压驱动式移动车能在支架上沿轨道方向移动，移动钢管一端固定在液压驱动式移动车上，移动钢管另一端上装有橡胶头，且从瓦斯抽采管一端伸入其内部，液压驱动式移动车的移动方向、移动钢管的轴线和瓦斯抽采管的轴线相互平行；
所述液压泵站通过液压管路与液压控制台连接，液压控制台通过高压胶管与液压驱动式移动车连接，液压控制台通过控制液压泵站对液压驱动式移动车的供液方向，使液压驱动式移动车沿轨道方向往复运动，进而带动移动钢管另一端及橡胶头在瓦斯抽采管内沿其轴线移动，且橡胶头与瓦斯抽采管的管壁之间滑动密封。
进一步，还包括阻拦器，阻拦器装在瓦斯抽采管另一端，用于防止橡胶头从瓦斯抽采管另一端滑出。
进一步，所述第一注浆管上装有第一控制阀，第二注浆管上装有第三控制阀，移动钢管上装有第二控制阀和压力表。增设这些设备能对注液增压及瓦斯抽采进行控制。
进一步，还包括定位器，定位器固定在支架上，且移动钢管穿过定位器，定位器用于保持移动钢管移动方向与瓦斯抽采管的轴线平行，这样才能保证橡胶头在瓦斯抽采管内滑动的稳定性，保持滑动密封效果，防止瓦斯在橡胶头滑动时从瓦斯抽采管内泄漏。
进一步，所述瓦斯抽采管的管壁涂有润滑剂，便于橡胶头在瓦斯抽采管内的滑动。
上述具有致裂增渗功能的封孔装置的工作方法，具体步骤为：
A、在巷道侧帮施工水平的瓦斯抽采钻孔，待瓦斯抽采钻孔形成后，将具有致裂增渗功能的封孔装置的瓦斯抽采管、第一封孔胶囊和第二封孔胶囊放入瓦斯抽采钻孔内，并在瓦斯抽采钻孔外完成具有致裂增渗功能的封孔装置的组装，初始时，第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀均处于关闭状态；
B、打开第一控制阀和第三控制阀，通过第一注浆管和第二注浆管分别向第一封孔胶囊和第二封孔胶囊内注液增压，使第一封孔胶囊和第二封孔胶囊各自分别与瓦斯抽采管外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封，直至第一注浆管和第二注浆管内的水压均为2～3MPa时，关闭第一控制阀和第三控制阀，完成瓦斯抽采钻孔与瓦斯抽采管之间的密封；此时瓦斯抽采钻孔处于密封状态，瓦斯抽采钻孔深处解吸的瓦斯进入钻孔内持续增大瓦斯抽采管内部的瓦斯压力，观测压力表读数，直至压力表读数为1.0～2.0MPa，达到所需的瓦斯抽采钻孔内瓦斯气压；
C、启动液压泵站，液压控制台通过控制液压泵站对液压驱动式移动车的供液方向，使液压驱动式移动车沿轨道方向往复运动，进而带动移动钢管另一端及橡胶头在瓦斯抽采管内沿其轴线移动，且橡胶头与瓦斯抽采管的管壁之间滑动密封，当液压驱动式移动车远离瓦斯抽采管移动时，橡胶头对瓦斯抽采管密封的空间增大使其内部气压低于所需气压值，然后当液压驱动式移动车靠近瓦斯抽采管移动时，橡胶头对瓦斯抽采管密封的空间减小使其内部气压再次达到所需气压值，一次往复运动使钻孔内部实现一次瓦斯气体脉动冲击钻孔内部裂隙的过程，随着橡胶头在瓦斯抽采管内的往复运动，从而钻孔内部的瓦斯气体持续产生脉动压力对钻孔内部裂隙进行多次瓦斯气体脉动冲击，持续设定的时间后，通过液压控制台控制液压驱动式移动车停止往复运动，完成瓦斯气体脉动冲击，然后对钻孔密封24h；
D、达到钻孔密封时间后，将移动钢管一端连接瓦斯抽采系统，打开第二控制阀，进行瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采；
E、当瓦斯抽采管内瓦斯抽采纯流量低于0.001m3/min时，关闭第二控制阀停止瓦斯抽采；此时瓦斯抽采钻孔再次处于密封状态，观测压力表读数，直至压力表读数为0.3～0.5MPa时，重复步骤C和D，从而提高瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采效果，如此持续重复，直至完成该瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采。
进一步，所述液压驱动式移动车往复运动的频率为0.03～0.04Hz，持续移动的时间为4～5h。
与现有技术相比，本发明先施工瓦斯抽采钻孔，然后将具有致裂增渗功能的封孔装置安装至瓦斯抽采钻孔上，通过注液增压的方式使两个封孔胶囊分别与瓦斯抽采管外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封，从而有效保证对瓦斯抽采钻孔的封孔质量；接着通过橡胶头、封孔胶囊和瓦斯抽采管持续对瓦斯抽采钻孔进行密封，煤层解吸的瓦斯持续进入钻孔内，从而持续增加钻孔内的气压实现了钻孔的自升压，通过压力表观察钻孔内部达到一定压力后，通过液压控制台控制液压驱动式移动车往复运动，进而带动橡胶头在瓦斯抽采管内的往复运动，产生持续的脉动气压对钻孔内部裂缝进行多次瓦斯气体脉动冲击，从而增加了钻孔深处煤体的渗透率；然后钻孔密封一段时间，进一步提高煤层渗透率。完成后通过移动钢管进行瓦斯抽采，当瓦斯抽采流量降低后再次实施上述瓦斯气体脉动冲击过程，这样在钻孔内交替出现自增压气流和抽出气流，使瓦斯抽采钻孔周围煤体裂隙反复承受膨胀和收缩作用(即煤层裂隙处会受到交变应力)，更容易使煤体达到疲劳极限而发生断裂，从而使裂隙不断扩大并向深部逐渐发育。当深部原始煤层的渗透率增大后，其瓦斯可逐渐解吸并被抽出，从而增大瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采半径，并提高瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采效果。本发明的方法具有施工简单、无需大型设备，集成了脉动冲击、钻孔密封后的气体压裂和交变应力致裂，增大了瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采半径，提高了瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采总量，能对瓦斯抽采钻孔强化增透后具有较好的效果，因此本发明不仅具有较好的封孔效果，降低外界空气进入瓦斯抽采钻孔内，同时能对钻孔深处的煤层进行强化增透，从而有效提高瓦斯抽采的流量及浓度；另外由于整个强化抽采过程中，均未掺入其他气体，仅通过钻孔深处煤体解吸的瓦斯气体进行气体冲击，从而保证了后续从瓦斯抽采钻孔内抽出的瓦斯抽采品质。
附图说明
图1是本发明中具有致裂增渗功能的封孔装置布设后的结构示意图。
图中：1、第一封孔胶囊；2、第一注浆管；3、第二封孔胶囊；4、第一控制阀；5、定位器；6、液压驱动式移动车；7、高压胶管；8、液压控制台；9、液压泵站；10、移动钢管；11、第二控制阀；12、压力表；13、支架；14、第二注浆管；15、第三控制阀；16、橡胶头；17、阻拦器；18、瓦斯抽采管。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种具有致裂增渗功能的封孔装置，包括瓦斯抽采管18、第一封孔胶囊1、第二封孔胶囊3、移动钢管10、液压驱动式移动车6、支架13、液压控制台8和液压泵站9；
所述第一封孔胶囊1和第二封孔胶囊3均套在瓦斯抽采管18外部，第一注浆管2一端穿过第二封孔胶囊3，并伸入第一封孔胶囊1内，用于对第一封孔胶囊1注液增压，使第一封孔胶囊1分别与瓦斯抽采管18外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封；第二注浆管14一端伸入第二封孔胶囊3内，用于对第二封孔胶囊3注液增压，使第二封孔胶囊3分别与瓦斯抽采管18外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封；
所述支架13上装有轨道，液压驱动式移动车6的滚轮设置在轨道上，使液压驱动式移动车6能在支架13上沿轨道方向移动，移动钢管10一端固定在液压驱动式移动车6上，移动钢管10另一端上装有橡胶头16，且从瓦斯抽采管18一端伸入其内部，液压驱动式移动车6的移动方向、移动钢管10的轴线和瓦斯抽采管18的轴线相互平行；所述第一注浆管2上装有第一控制阀4，第二注浆管14上装有第三控制阀15，移动钢管10上装有第二控制阀11和压力表12。增设这些设备能对注液增压及瓦斯抽采进行控制。
所述液压泵站9通过液压管路与液压控制台8连接，液压控制台8通过高压胶管7与液压驱动式移动车6连接，液压控制台8通过控制液压泵站9对液压驱动式移动车6的供液方向，使液压驱动式移动车6沿轨道方向往复运动，进而带动移动钢管10另一端及橡胶头16在瓦斯抽采管18内沿其轴线移动，且橡胶头16与瓦斯抽采管18的管壁之间滑动密封，在瓦斯抽采管18的管壁涂有润滑剂，便于橡胶头16在瓦斯抽采管18内的滑动。
作为本发明的一种改进，还包括阻拦器17，阻拦器17装在瓦斯抽采管18另一端，用于防止橡胶头16从瓦斯抽采管另一端滑出。
作为本发明的另一种改进，还包括定位器5，定位器5固定在支架13上，且移动钢管10穿过定位器5，定位器5用于保持移动钢管10移动方向与瓦斯抽采管18的轴线平行，这样才能保证橡胶头16在瓦斯抽采管18内滑动的稳定性，保持滑动密封效果，防止瓦斯在橡胶头16滑动时从瓦斯抽采管18内泄漏。
上述封孔胶囊、控制阀、压力表12、阻拦器17、定位器5、液压泵站9、液压控制台8、橡胶头16和液压驱动式移动车6均为现有设备或部件，能通过市场批量购买获得，便于节约制作时间。
上述具有致裂增渗功能的封孔装置的工作方法，具体步骤为：
A、在巷道侧帮施工水平的瓦斯抽采钻孔，待瓦斯抽采钻孔形成后，将具有致裂增渗功能的封孔装置的瓦斯抽采管18、第一封孔胶囊1和第二封孔胶囊3放入瓦斯抽采钻孔内，并在瓦斯抽采钻孔外完成具有致裂增渗功能的封孔装置的组装，初始时，第一控制阀4、第二控制阀11和第三控制阀15均处于关闭状态；
B、打开第一控制阀4和第三控制阀15，通过第一注浆管2和第二注浆管14分别向第一封孔胶囊1和第二封孔胶囊3内注液增压，使第一封孔胶囊1和第二封孔胶囊3各自分别与瓦斯抽采管18外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封，直至第一注浆管2和第二注浆管14内的水压均为2～3MPa时，关闭第一控制阀4和第三控制阀15，完成瓦斯抽采钻孔与瓦斯抽采管18之间的密封；此时瓦斯抽采钻孔处于密封状态，瓦斯抽采钻孔深处解吸的瓦斯进入钻孔内持续增大瓦斯抽采管18内部的瓦斯压力，观测压力表读数，直至压力表12读数为1.0～2.0MPa，达到所需的瓦斯抽采钻孔内瓦斯气压；
C、启动液压泵站9，液压控制台8通过控制液压泵站9对液压驱动式移动车6的供液方向，使液压驱动式移动车6沿轨道方向往复运动，其往复运动的频率为0.03～0.04Hz；进而带动移动钢管10另一端及橡胶头16在瓦斯抽采管18内沿其轴线移动，且橡胶头16与瓦斯抽采管18的管壁之间滑动密封，当液压驱动式移动车6远离瓦斯抽采管18移动时，橡胶头16对瓦斯抽采管18密封的空间增大使其内部气压低于所需气压值，然后当液压驱动式移动车6靠近瓦斯抽采管18移动时，橡胶头16对瓦斯抽采管18密封的空间减小使其内部气压再次达到所需气压值，一次往复运动使钻孔内部实现一次瓦斯气体脉动冲击钻孔内部裂隙的过程，随着橡胶头16在瓦斯抽采管18内的往复运动，从而钻孔内部的瓦斯气体持续产生脉动压力对钻孔内部裂隙进行多次瓦斯气体脉动冲击，持续移动4～5h后，通过液压控制台8控制液压驱动式移动车6停止往复运动，完成瓦斯气体脉动冲击，然后对钻孔密封24h；
D、达到钻孔密封时间后，将移动钢管10一端连接瓦斯抽采系统，打开第二控制阀11，进行瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采；
E、当瓦斯抽采管内瓦斯抽采纯流量低于0.001m3/min时，关闭第二控制阀11停止瓦斯抽采；此时瓦斯抽采钻孔再次处于密封状态，观测压力表12读数，直至压力表12读数为0.3～0.5MPa时，重复步骤C和D，从而提高瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采效果，如此持续重复，直至完成该瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有致裂增渗功能的封孔装置，其特征在于，包括瓦斯抽采管、第一封孔胶囊、第二封孔胶囊、移动钢管、液压驱动式移动车、支架、液压控制台和液压泵站；
所述第一封孔胶囊和第二封孔胶囊均套在瓦斯抽采管外部，第一注浆管一端穿过第二封孔胶囊，并伸入第一封孔胶囊内，用于对第一封孔胶囊注液增压，使第一封孔胶囊分别与瓦斯抽采管外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封；第二注浆管一端伸入第二封孔胶囊内，用于对第二封孔胶囊注液增压，使第二封孔胶囊分别与瓦斯抽采管外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封；
所述支架上装有轨道，液压驱动式移动车的滚轮设置在轨道上，使液压驱动式移动车能在支架上沿轨道方向移动，移动钢管一端固定在液压驱动式移动车上，移动钢管另一端上装有橡胶头，且从瓦斯抽采管一端伸入其内部，液压驱动式移动车的移动方向、移动钢管的轴线和瓦斯抽采管的轴线相互平行；
所述液压泵站通过液压管路与液压控制台连接，液压控制台通过高压胶管与液压驱动式移动车连接，液压控制台通过控制液压泵站对液压驱动式移动车的供液方向，使液压驱动式移动车沿轨道方向往复运动，进而带动移动钢管另一端及橡胶头在瓦斯抽采管内沿其轴线移动，且橡胶头与瓦斯抽采管的管壁之间滑动密封。
2.根据权利要求1所述具有致裂增渗功能的封孔装置，其特征在于，还包括阻拦器，阻拦器装在瓦斯抽采管另一端，用于防止橡胶头从瓦斯抽采管另一端滑出。
3.根据权利要求1所述具有致裂增渗功能的封孔装置，其特征在于，所述第一注浆管上装有第一控制阀，第二注浆管上装有第三控制阀，移动钢管上装有第二控制阀和压力表。
4.根据权利要求1所述具有致裂增渗功能的封孔装置，其特征在于，还包括定位器，定位器固定在支架上，且移动钢管穿过定位器，定位器用于保持移动钢管移动方向与瓦斯抽采管的轴线平行。
5.根据权利要求1所述具有致裂增渗功能的封孔装置，其特征在于，所述瓦斯抽采管的管壁涂有润滑剂，便于橡胶头在瓦斯抽采管内的滑动。
6.一种根据权利要求1至5任一项所述具有致裂增渗功能的封孔装置的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
A、在巷道侧帮施工水平的瓦斯抽采钻孔，待瓦斯抽采钻孔形成后，将具有致裂增渗功能的封孔装置的瓦斯抽采管、第一封孔胶囊和第二封孔胶囊放入瓦斯抽采钻孔内，并在瓦斯抽采钻孔外完成具有致裂增渗功能的封孔装置的组装，初始时，第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀均处于关闭状态；
B、打开第一控制阀和第三控制阀，通过第一注浆管和第二注浆管分别向第一封孔胶囊和第二封孔胶囊内注液增压，使第一封孔胶囊和第二封孔胶囊各自分别与瓦斯抽采管外部和瓦斯抽采钻孔的孔壁压紧密封，直至第一注浆管和第二注浆管内的水压均为2～3MPa时，关闭第一控制阀和第三控制阀，完成瓦斯抽采钻孔与瓦斯抽采管之间的密封；此时瓦斯抽采钻孔处于密封状态，瓦斯抽采钻孔深处解吸的瓦斯进入钻孔内持续增大瓦斯抽采管内部的瓦斯压力，观测压力表读数，直至压力表读数为1.0～2.0MPa，达到所需的瓦斯抽采钻孔内瓦斯气压；
C、启动液压泵站，液压控制台通过控制液压泵站对液压驱动式移动车的供液方向，使液压驱动式移动车沿轨道方向往复运动，进而带动移动钢管另一端及橡胶头在瓦斯抽采管内沿其轴线移动，且橡胶头与瓦斯抽采管的管壁之间滑动密封，当液压驱动式移动车远离瓦斯抽采管移动时，橡胶头对瓦斯抽采管密封的空间增大使其内部气压低于所需气压值，然后当液压驱动式移动车靠近瓦斯抽采管移动时，橡胶头对瓦斯抽采管密封的空间减小使其内部气压再次达到所需气压值，一次往复运动使钻孔内部实现一次瓦斯气体脉动冲击钻孔内部裂隙的过程，随着橡胶头在瓦斯抽采管内的往复运动，从而钻孔内部的瓦斯气体持续产生脉动压力对钻孔内部裂隙进行多次瓦斯气体脉动冲击，持续设定的时间后，通过液压控制台控制液压驱动式移动车停止往复运动，完成瓦斯气体脉动冲击，然后对钻孔密封24h；
D、达到钻孔密封时间后，将移动钢管一端连接瓦斯抽采系统，打开第二控制阀，进行瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采；
E、当瓦斯抽采管内瓦斯抽采纯流量低于0.001m3/min时，关闭第二控制阀停止瓦斯抽采；此时瓦斯抽采钻孔再次处于密封状态，观测压力表读数，直至压力表读数为0.3～0.5MPa时，重复步骤C和D，从而提高瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采效果，如此持续重复，直至完成该瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采。
7.根据权利要求6所述具有致裂增渗功能的封孔装置的工作方法，其特征在于，所述液压驱动式移动车往复运动的频率为0.03～0.04Hz，持续移动的时间为4～5h。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116591640A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-08-15 | 中国矿业大学(北京) | 一种低渗煤层高压气水混压增透驱替瓦斯方法与系统 |
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2022
- 2022-08-24 CN CN202211018579.5A patent/CN115162996A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116591640A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-08-15 | 中国矿业大学(北京) | 一种低渗煤层高压气水混压增透驱替瓦斯方法与系统 |
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