CN115961907A - 一种过水大通道触底自锁式封堵装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种过水大通道触底自锁式封堵装置及方法，所述过水大通道触底自锁式封堵装置包括同轴连接设置的丢手和扶正器，扶正器的下端顺序同轴设置有自锁式水力锚、注浆管和导锥；注浆管外套设有柔性封堵囊袋，注浆管与柔性封堵囊袋之间形成注浆容置空间，且处于柔性封堵囊袋内的注浆管侧壁上开设有多个注浆孔；自锁式水力锚能够在压力作用下张开实现自锁固定；柔性封堵囊袋能够在封孔浆液注入后膨胀，实现对过水大通道的封堵。本发明方法通过对封堵区域两侧上下游动水的流动压力动态监测可以对注浆体封堵效果进行监控，在提升封堵效果的同时能够节约封堵浆液、降低封堵成本，为应急救援创造了条件，满足了矿井抢险救援的要求。

Description

一种过水大通道触底自锁式封堵装置及方法

技术领域

本发明属于矿井突水抢险救援技术领域，涉及井下过水大通道的封堵，具体涉及一种过水大通道触底自锁式封堵装置及方法。

背景技术

矿山建设或生产过程中的受限空间体突水会造成巨大的生命和财产损失，因此需要对突水进行治理，通常要在地面施工钻孔至突水通道，然后投放骨料及辅料进行充填，最后进行化学浆液、水泥水玻璃双浆液等进行注浆固结。

通过注浆在过水大通道内所形成的结合体由于在水动力条件下无法稳定堆积，造成结合体容易被破坏，同时，在水侵作用下与大通道内壁的摩擦阻力减小，无法大面积附着于内壁上，结合体容易被大水流量冲跑，安全稳定性能差，因此难以实现有效封堵。而且现有技术中，在确定注浆封堵所需的注浆用料时，通常只是采用体积法，也就是按照大通道的体积计算得到的注浆干料量进行注浆，这种操作方式会导致浆液大量浪费、增加成本，同时延长了抢险救援时间。

综上，现有的过水大通道封堵方法存在施工周期长、工程量大、成本高、封堵效果差等缺陷，无法满足矿井抢险救援的本质要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供一种过水大通道触底自锁式封堵装置及方法，以解决现有技术中存在的过水大通道封堵施工周期长、封堵效果差的技术问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种过水大通道触底自锁式封堵装置，包括同轴连接设置的丢手和扶正器，所述扶正器的下端顺序同轴设置有自锁式水力锚、注浆管和导锥；

所述注浆管外套设有柔性封堵囊袋，所述注浆管与柔性封堵囊袋之间形成注浆容置空间，且处于柔性封堵囊袋内的注浆管侧壁上开设有多个注浆孔；

所述自锁式水力锚能够在压力作用下张开实现自锁固定；

所述柔性封堵囊袋能够在封孔浆液注入后膨胀，实现对过水大通道的封堵。

本发明还具有以下技术特征：

所述扶正器与自锁式水力锚之间设置有第一水力锚变径接头。

更进一步的，所述自锁式水力锚与注浆管之间设置有第二水力锚变径接头。

更进一步的，所述柔性封堵囊袋的材质包括发泡增硬聚氨酯、发泡PVC、发泡聚乙烯、发泡聚甲基丙烯酰亚胺等。

更进一步的，所述柔性封堵囊袋完全膨胀后形成的断流截面大于过水大通道的最大断流截面。

本发明还保护一种过水大通道分段动态监测多级封堵方法，所述方法通过上述过水大通道触底自锁式封堵装置实现，包括以下步骤：

步骤1、获取过水大通道位置，根据过水大通道位置确定封堵区域，根据确定的封堵区域在地面上施工多个与过水大通道连通的封堵钻孔；

步骤2、施工多个与过水大通道连通的流动压力监测钻孔，并经由流动压力监测钻孔向过水大通道内放入用于监测封堵区域两侧上下游动水的流动压力的压力传感器；

步骤3、向所述的封堵钻孔内下入过水大通道触底自锁式封堵装置，然后通过地面打压使自锁式水力锚张开自锁固定于封堵钻孔的内壁上；

步骤4、对所述的多个封堵钻孔依次实施封堵注浆作业，并在每个封堵钻孔的注浆作业过程中实时采集封堵区域两侧上下游动水的流动压力，根据得到的封堵区域两侧上下游动水的流动压力确定封堵区域两侧上下游动水的实时流动压差，根据得到的实时流动压差判定封堵结果是否符合预先设置的封堵标准；

若是，则结束封堵注浆作业；

若否，则继续对下一个封堵钻孔实施封堵注浆作业，以此类推，直至封堵结果符合预先设置的封堵标准后结束封堵注浆作业。

更进一步的，所述流动压力监测钻孔包括第一流动压力监测钻孔和第二流动压力监测钻孔，所述第一流动压力监测钻孔与过水大通道的连接处为第一连接处，所述第二流动压力监测钻孔与过水大通道的连接处为第二连接处，沿过水大通道的水流方向，所述第一连接处位于所述第二连接处的上游。

更进一步的，所述的多个封堵钻孔中相邻封堵钻孔的间距为5~10米。

更进一步的，预先设置的封堵标准为：封堵区域下游动水的实时流动压力小于等于0.2MPa。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

（1）本发明提供的过水大通道触底自锁式封堵装置，当钻杆或油管将封堵装置送到过水大通道的底部后，装置会在过水大通道底部形成一定的插接力，接着通过地面打压后，水力锚可在封堵钻孔内自锁固定，从而有效避免了封堵装置被过水大通道内的水流冲走，进而为注浆封堵作业的实现提供基础技术条件。

（2）本发明方法通过对封堵区域两侧上下游动水的流动压力的动态监测可以对注浆体封堵效果进行监控，在提升封堵效果的同时能够节约封堵浆液、降低封堵成本。

（3）采用本发明装置和方法在封堵作业结束后所形成的多级封堵体能够对过水大通道内的动水进行逐级切割和逐级降低流动压力，从而实现了对过水大通道的精准、快速封堵，缩短了封堵时间，为应急救援创造了条件，能够满足矿井抢险救援的本质要求。

附图说明

图1为过水大通道触底自锁式封堵装置的结构示意图；

图2本发明方法的流程图；

图3为实施例2中封堵装置下入后的形态示意图；

图4为实施例2中过水大通道封堵后的示意图，图中箭头方向代表动水方向；

图5为封堵过水大通道前、后压力传感器变化曲线，其中，A为第一压力传感器的变化曲线，B为第二压力传感器的曲线；

图6为封堵袋囊抛出后浮于过水大通道之中的受力示意图，图中箭头方向代表动水方向；

图7为封堵袋囊部分固定于过水大通道内的受力示意图。

附图标记含义：

1-丢手，2-扶正器，3-自锁式水力锚，4-注浆管，5-导锥，6-第一水力锚变径接头，7-第二水力锚变径接头，8-柔性封堵囊袋，9-副井，10-过水大通道，11-第一封堵钻孔，12-第二封堵钻孔，13-第三封堵钻孔，14-第一流动压力监测钻孔，15-第二流动压力监测钻孔，16-第一压力传感器，17-第二压力传感器；41-注浆孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，以便本领域的技术人员更好的理解本发明。

需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

需要说明的是，本发明中的所有部件，如无特殊说明，全部采用现有技术中已知的部件。

本发明所用的术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外，不能将上述术语理解为对本发明的限制。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下对本发明所涉及的术语进行解释：

过水大通道：当在掘进或采矿过程中揭穿导水断裂带、富水溶洞、老窑积水后，造成大量地下水突然集中涌入井巷等大通道，过水大通道也指井下巷道等体积大的通道。

副井是指被用作矿井通风、提升和下放人员、生产材料、废石用的井筒。

封堵区域两侧上下游具体是指沿水流方向的上游和下游，具体如图2所示。

实施例1

遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例提供了一种过水大通道触底自锁式封堵装置，包括同轴连接设置的丢手1和扶正器2，扶正器2的下端顺序同轴设置有自锁式水力锚3、注浆管4和导锥5；导锥5的小径端位于封堵装置的底部，能够插入过水大通道的底面上，通过插接产生插接力，从而辅助固定封锁装置。

注浆管4外套设有柔性封堵囊袋8，注浆管4与柔性封堵囊袋8之间形成注浆容置空间，且处于柔性封堵囊袋8内的注浆管4侧壁上开设有多个注浆孔41；

自锁式水力锚3能够在压力作用下张开自锁固定于封堵钻孔的内壁上，即，自锁式水力锚3的锚爪伸出并紧紧地卡咬住封堵钻孔的内壁。

需要说明的是，自锁式水力锚3选用现有技术中已有的装置结构，只要能够实现在压力作用下张开自锁固定于封堵钻孔的内壁上，最终实现过水大通道触底自锁式封堵装置在封堵钻孔内的固定即可，本实施例中，为提高自锁式水力锚3与岩壁的锁定力，在实际施工过程中，加大了自锁式水力锚3的长度。

柔性封堵囊袋8能够在封孔浆液注入后膨胀，实现对过水大通道10的封堵，从地面注入注浆管4的封孔浆液能够经由注浆孔41进入柔性封堵囊袋8，随着封孔浆液的注入，柔性封堵囊袋8发生膨胀，从而实现对过水大通道10的封堵。

作为本实施的一种优选方案，扶正器2与自锁式水力锚3之间设置有第一水力锚变径接头6，第一水力锚变径接头6用于连接扶正器2与自锁式水力锚3。

作为本实施的一种优选方案，自锁式水力锚3与注浆管4之间设置有第二水力锚变径接头7，第二水力锚变径接头7用于连接自锁式水力锚3与注浆管4。

作为本实施的一种优选方案，柔性封堵囊袋8的材质包括发泡增硬聚氨酯、发泡PVC、发泡聚乙烯、发泡聚甲基丙烯酰亚胺等。柔性封堵囊袋8的材质只要确保其能够在封孔浆液进入后能够发生膨胀变形的柔性材料即可。

作为本实施的一种优选方案，柔性封堵囊袋8完全膨胀后形成的断流截面大于过水大通道10的最大断流截面，以确保能够实现对过水大通道10内封堵区域的完全封堵。

本装置的使用过程如下：

完成过水大通道触底自锁式封堵装置的组装，通过地面输送装置将过水大通道触底自锁式封堵装置送入封堵钻孔至孔底，使导锥5的尖头端插入过水大通道10的底板，然后采用地面装置对钻杆/油管进行打压，使得自锁式水力锚3自锁固定在封堵钻孔的内上；可以根据实际需要设定锚定压力，自锁式水力锚3与导锥5配合能够实现对过水大通道触底自锁式封堵装置的固定，防止其被过水大通道10中的水流冲走，固定完成后，借助油管或钻杆连接高压泵，向注浆管4中输入封堵浆液，封堵浆液经注浆孔41进入柔性封堵囊袋8内，柔性封堵囊袋8膨胀后的对过水大通道10内的封堵区域实现封堵。

实施例2

本实施例中，陕西某矿区井下突发水害事故，突水点初始水压5.2MPa，持续突水量超过5000m³/h，其中最大突水量超过7000m³/h，巷道高3m，宽4m，封堵巷道长度<80m，事故对井下安全生产构成威胁，因此，急需对过水大通道进行高效封堵。

如图2至图5所示，本实施例中采用了一种过水大通道触底自锁式封堵方法，通过实施例1公开的过水大通道触底自锁式封堵装置实现，该方法包括以下步骤：

步骤1、获取过水大通道10位置，根据过水大通道10位置确定封堵区域，根据确定的封堵区域，在地面确定与过水大通道10连通的封堵钻孔的开孔位置和开孔数量，由于通过前期勘探可以确定过水大通道10的最大断流截面，且柔性封堵囊袋8完全膨胀后形成的断流截面也是已知量，所以可以根据得到的数据确定需要几个柔性封堵囊袋8就能够实现对过水大通道10的封堵。

然后以直井或定向井类型进行钻进，使封堵钻孔与过水大通道10贯通，如图3所示，本实施例中，根据勘探数据可以确定需要建造3个封堵钻孔，分别为第一封堵钻孔11、第二封堵钻孔12和第三封堵钻孔13，然后在每个封堵钻孔中下入柔性封堵囊袋8。

步骤2、在封堵区域两侧上下游动水靠近第一封堵钻孔11和第三封堵钻孔13处分别设置流动压力监测钻孔，本实施例中，设计了两个与过水大通道连通的流动压力监测钻孔，分别为第一流动压力监测钻孔14和第二流动压力监测钻孔15，第一流动压力监测钻孔14与过水大通道10的连接处为第一连接处，所述第二流动压力监测钻孔15与过水大通道10的连接处为第二连接处，沿过水大通道10的水流方向，第一连接处位于所述第二连接处的下游。

在第一流动压力监测钻孔14内下入第一监测电缆，第一监测电缆的底部连接有用于测量下游动水的流动压力的第一压力传感器16，在第二流动压力监测钻孔15内下入第二监测电缆，第二监测电缆的底部也连接有用于测量上游动水的流动压力的第二压力传感器17。且第一压力传感器16位于第一连接处下方的过流大通道10内，第二压力传感器17位于第二连接处下方的过流大通道10内，第二压力传感器17和第一压力传感器16分别可以测得封堵区域两侧上下游动水的流动压力，进而可以得到封堵区域两侧上下游动水的流动压差。

步骤3、向第一封堵钻孔11、第二封堵钻孔12和第三封堵钻孔13内均下入过水大通道触底自锁式封堵装置，使导锥5的尖头端插入过水大通道10的底板，实现对过水大通道触底自锁式封堵装置底部的固定，然后采用地面装置对钻杆/油管进行打压，使自锁式水力锚3张开自锁固定于封堵钻孔的内壁上，进而实现过水大通道触底自锁式封堵装置在过水大通道内的固定。

在其他实施例中，也可以根据工程需要，在完成第一封堵钻孔11的注浆作业后，再在第二封堵钻孔12内下入过水大通道触底自锁式封堵装置，以此类推。

步骤4、对所述的多个封堵钻孔依次实施封堵注浆作业，本实施例中，如图3和图4所示，首先将与副井9水平距离最近的第一封堵钻孔11接入高压泵，然后开始注浆，封堵浆液从注浆孔41进入柔性封堵囊袋8，此时封堵作业进入图5所示的封堵初期，尚未对过水大通道10内的动水产生截流影响，随着封堵浆液的不断注入，柔性封堵囊袋8逐渐膨胀，开始对过水大通道10进行封堵，最终，柔性封堵囊袋8能够与过水大通道10的通道壁紧密接触；

本实施例中所用的封堵浆液为水泥+粉煤灰混浆液，采用这种封堵浆液能够大幅度降低施工成本；

在每个封堵钻孔的注浆作业过程中采集封堵区域两侧上下游动水的流动压力，根据得到的封堵区域两侧上下游动水的流动压力确定封堵区域两侧上下游的压差；根据得到的实时流动压差判定封堵结果是否符合预先设置的封堵标准；

若是，则结束封堵注浆作业；

若否，则继续对下一个封堵钻孔实施封堵注浆作业，以此类推，直至封堵结果符合预先设置的封堵标准后结束注浆作业。

作为本实施例的一种优选方案，预先设置的封堵标准为：封堵区域下游动水的实时流动压力小于等于0.2MPa。

随着封堵作业的开始，上游动水压力不断升高，期间会出现多次的压力动态相对平衡状态，最后达到地层的突水压力后会出现平衡现象，而下游水压逐步降低，渐渐趋于0，伴随有溢流现象，因此当封堵区域下游动水的实时流动压力小于等于0.2MPa时，认为已经达到预先设置的封堵标准。

本实施例中，在完成第一封堵钻孔11的注浆作业后，得到的如图5所示的封堵过水大通道10前、后压力传感器变化曲线显示，由于封堵作业已经开展，过水大通道10内的动水受到截流影响，所以封堵作业进入图5所示的封堵平稳上升期，这说明，由于柔性封堵囊袋8对封堵区域进行了封堵，所以产生了一定的封堵作用，压差出现变化，但是尚不符合预先设置的封堵标准；由此判定，还需要对第二封堵钻孔12实施封堵注浆作业；此时，采用高压泵泵入清水提高注入压力，然后通过丢手1脱离过水大通道触底自锁式封堵装置，最后将钻杆/油管提出井口。

然后，按照上述步骤进行第二封堵钻孔12的注浆作业，并在第二封堵钻孔12的注浆作业过程中采集封堵区域两侧上下游动水的流动压力，根据得到的封堵区域两侧上下游动水的流动压力确定封堵区域两侧上下游的压差；根据得到的实时流动压差判定封堵结果是否符合预先设置的封堵标准；

本实施例中，在完成三个封堵钻孔的注浆作业后，得到的实时流动压差出现明显变化，尤其是，封堵区域下游动水的实时流动压力已经开始趋近于0，说明在完成三个封堵钻孔的注浆作业后，封堵作业已经进入图5所示的封堵结束期，然后可以结束对过水大通道10的封堵注浆作业。

在其他的实施示例中，通过上下游设置的压力监测器能够实时监测封堵效果，如果在下入预定个数的柔性封堵囊袋8后，监测确定封堵效果未达到预期，则可追加下入一个或多个柔性封堵囊袋8进行封堵，直至符合预先设置的封堵标准时为止。

本实施例的封堵过程及效果分析：

如图5所示，在进入第1阶段封堵初期后，第一压力传感器16和第二压力传感器17的测量值无明显变化，因为在此阶段尚未对大通道的动水产生截流影响，所以第一压力传感器16和第二压力传感器17的受力大体一致；在进入封堵平稳上升期后，由于封堵作业已经开展，大通道的动水受到截流影响，此时第二压力传感器17受力比第一压力传感器16大，所以出现压差；进入第3阶段封堵结束期后，由于过水大通道10的断流截面继续扩大，最终会被充满封堵浆液的柔性封堵囊袋8挤占完成，因此能够流过的动水也特别少，所以出现压差明显增大的情况，且第一压力传感器16测得的压力值变小，并逐渐趋于0，最终封堵作业完成。

现有技术中，虽然也有采用的通过专用钻具将封堵袋囊抛到过水大通道10内进行突水治理的方法，但是，如图6和图7所示，现有的方法由于无法实现对封堵袋囊的有效固定，所以在将封堵袋囊抛到水压较大、突水量较高的过水大通道内后，无法固定的封堵袋囊会在承受较大动水压力的情况下被大流量的动水冲跑，无法确保封堵袋囊稳稳落入规划的封堵位置，或者是封堵袋囊在动水的冲击下，只能对部分区域进行封堵，仍有部分区域无法有效封堵，最终无法达到预期的封堵效果，而且上述方法在完成注浆封堵过水大通道后难以实时注浆扩散范围和注浆封堵效果的实时监测，无法满足本实施例所描述的工况的要求。在本实施例中，采用实施例1公开的过水大通道触底自锁式封堵装置，结合分段动态监测技术，实现了对过水大通道的高效封堵。

综上所述，本发明方法通过对封堵区域两侧上下游动水的流动压力的动态监测可以对柔性封堵囊袋8的封堵效果进行监控，在提升封堵效果的同时能够节约封堵浆液、降低封堵成本。采用本发明装置和方法在封堵作业结束后所形成的多级封堵体能够对过水大通道内的动水进行逐级切割和逐级降低流动压力，从而实现了对过水大通道的精准、快速封堵，缩短了封堵时间，为应急救援创造了条件，能够满足矿井抢险救援的要求。

上述实施过程仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种过水大通道触底自锁式封堵装置，包括同轴连接设置的丢手（1）和扶正器（2），其特征在于，所述扶正器（2）的下端顺序同轴设置有自锁式水力锚（3）、注浆管（4）和导锥（5）；

所述注浆管（4）外套设有柔性封堵囊袋（8），所述注浆管（4）与柔性封堵囊袋（8）之间形成注浆容置空间，且处于柔性封堵囊袋（8）内的注浆管（4）侧壁上开设有多个注浆孔（41）；

所述自锁式水力锚（3）能够在压力作用下张开实现自锁固定；

所述柔性封堵囊袋（8）能够在封孔浆液注入后膨胀，实现对过水大通道的封堵。

2.如权利要求1所述的过水大通道触底自锁式封堵装置，其特征在于，所述扶正器（2）与自锁式水力锚（3）之间设置有第一水力锚变径接头（6）。

3.如权利要求1所述的过水大通道触底自锁式封堵装置，其特征在于，所述自锁式水力锚（3）与注浆管（4）之间设置有第二水力锚变径接头（7）。

4.如权利要求1所述的过水大通道触底自锁式封堵装置，其特征在于，所述柔性封堵囊袋（8）的材质包括发泡增硬聚氨酯、发泡PVC、发泡聚乙烯、发泡聚甲基丙烯酰亚胺等。

5.如权利要求1所述的过水大通道触底自锁式封堵装置，其特征在于，所述柔性封堵囊袋（8）完全膨胀后形成的断流截面大于过水大通道的最大断流截面。

6.一种过水大通道分段动态监测多级封堵方法，其特征在于，所述方法通过如权利要求1至5中任一权利要求所述的过水大通道触底自锁式封堵装置实现，包括以下步骤：

步骤1、获取过水大通道位置，根据过水大通道位置确定封堵区域，根据确定的封堵区域在地面上施工多个与过水大通道连通的封堵钻孔；

步骤2、施工多个与过水大通道连通的流动压力监测钻孔，并经由流动压力监测钻孔向过水大通道内放入用于监测封堵区域两侧上下游动水的流动压力的压力传感器；

步骤3、向所述的封堵钻孔内下入过水大通道触底自锁式封堵装置，然后通过地面打压使自锁式水力锚张开自锁固定于封堵钻孔的内壁上；

步骤4、对所述的多个封堵钻孔依次实施封堵注浆作业，并在每个封堵钻孔的注浆作业过程中实时采集封堵区域两侧上下游动水的流动压力，根据得到的封堵区域两侧上下游动水的流动压力确定封堵区域两侧上下游动水的实时流动压差，根据得到的实时流动压差判定封堵结果是否符合预先设置的封堵标准；

若是，则结束封堵注浆作业；

若否，则继续对下一个封堵钻孔实施封堵注浆作业，以此类推，直至封堵结果符合预先设置的封堵标准后结束封堵注浆作业。

7.如权利要求6所述的过水大通道分段动态监测多级封堵方法，其特征在于，所述流动压力监测钻孔包括第一流动压力监测钻孔和第二流动压力监测钻孔，所述第一流动压力监测钻孔与过水大通道的连接处为第一连接处，所述第二流动压力监测钻孔与过水大通道的连接处为第二连接处，沿过水大通道的水流方向，所述第一连接处位于所述第二连接处的上游。

8.如权利要求6所述的过水大通道分段动态监测多级封堵方法，其特征在于，所述的多个封堵钻孔中相邻封堵钻孔的间距为5~10米。

9.如权利要求6所述的过水大通道分段动态监测多级封堵方法，其特征在于，步骤4所述的预先设置的封堵标准为：封堵区域下游动水的实时流动压力小于等于0.2MPa。

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