CN116122891A - 一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置及方法 - Google Patents

一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置及方法，首先构筑注浆空间并调试智能分析控制箱参数，通过智能分析控制箱控制注浆泵向注浆空间注浆，完成封孔段智能封孔，并在抽采期间通过压力传感器及瓦斯浓度传感器实时监测浆液压力与瓦斯抽采浓度，待监测到后期漏气通道产生导致瓦斯抽采浓度下降后，控制注氮泵向膨胀囊袋注氮，通过膨胀囊袋膨胀压缩注浆空间，使浆液挤压进入新生发育裂隙，封堵后期漏风通道，完成智能补压作业。该方法成本低廉、结构合理，实现了无人条件下全过程智能封孔及补压，为解决当前因抽采钻孔后期漏气通道难以封堵导致瓦斯抽采浓度下降等问题提供了强有力的支撑，大大提高了瓦斯抽采效果。

Description

一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置及方法
技术领域
本发明属于瓦斯抽采钻孔封孔技术领域，具体为一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置及方法。
背景技术
瓦斯灾害事故一直以来被称为影响煤矿安全生产的“第一杀手”，严重制约着井下高效安全开采工作。瓦斯抽采是防治矿井瓦斯灾害的治本之策，采前由巷道向内开挖顺层或穿层钻孔并布置抽采管路进行瓦斯抽采极大减少了采煤时的瓦斯涌出量，降低了煤矿瓦斯灾害的发生概率。在铺设瓦斯抽采管路之后，对抽采钻孔进行有效的封孔是保证抽采效率的最关键一环，用封孔材料将钻孔与抽采管之间的空隙以及煤体周边发育裂隙进行封堵可有效防止巷道空气通过漏风途径进入抽采管，从而提高瓦斯抽采的效率。但由于受巷道及钻孔开挖影响，钻孔围岩裂隙持续发育，若抽采期间不能及时封堵新生裂隙，将会形成抽采后期漏风通道，导致在本煤层抽采时瓦斯抽采浓度持续走低。浓度过低时瓦斯利用困难，很多煤矿仅仅实现了抽放排空，大部分低浓度瓦斯被直接排放至大气中，这就导致了中国近年来每年瓦斯抽采量巨大，但瓦斯利用率却很低，不仅造成了大量瓦斯资源的浪费，还严重污染了环境。瓦斯作为一种温室气体，其致使大气升温的能力是二氧化碳的20倍，对臭氧层的不利影响是二氧化碳的7倍左右。因此，抽采后期漏气通道产生后能够及时封堵裂隙尤为重要。
在智能抽采的背景下，智能化是煤炭工业发展的必然趋势，抽采钻孔封孔智能化是煤矿智能化进程不可或缺的一部分。因此抽采期间对钻孔裂隙发育情况实时监测并能在无人条件下实现抽采钻孔封孔和二次封堵智能化是发展的大势所趋。
目前有诸多学者针对封堵抽采后期裂隙通道进行了研究，并提出了具体的二次封孔智能封堵装置及操作方法，但已有的二次封孔智能封堵装置的思路是全过程补浆操作，即在封孔完成后进入抽采期时注浆泵仍处于工作状态，但由于抽采持续时间长，此方法不仅耗电量大，增加了抽采成本，且封孔浆液长时间放置易出现析水、凝结等现象，大大降低了封孔材料的有效性；此外，若待监测系统监测到钻孔漏气后再进行浆液配制的话，不仅需要增设储料仓、储水仓等，若要实现补浆智能化，还需要连接线路至控制分析中心，增加了智能分析程序，降低了智能化装置的可靠性。因此，很有必要克服已有的技术缺陷，设计一种既能在抽采前智能注浆封孔，又能在抽采期间实时监测裂隙发育情况，对封孔段实现二次智能封孔封堵裂隙的装置。
发明内容
本发明的目的是实现抽采期间智能补压，针对目前瓦斯抽采钻孔后期发育裂隙难以封堵以及补浆成本高、可靠性低的问题，提出一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置及方法，并应用缓凝浆液作为封孔材料，实现智能封堵后期发育裂隙以及实时监测封孔效果的功能。
根据本发明的目的提出了一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置及方法，其特征在于：包括以下五个步骤：
S1：构筑注浆空间，并调试智能分析控制箱参数：
确定封孔段长度后，将混合好的袋装聚氨酯固定在抽采管上，然后快速将抽采管送至孔内预定位置，待聚氨酯膨胀后完成构筑注浆空间；
S2：智能分析控制箱控制注浆泵向注浆空间注浆，完成封孔段智能封孔：
智能分析控制箱通过注浆泵连接线路控制注浆泵工作，此时注氮管单向阀关闭，注浆管单向阀开启，通过注浆管向注浆空间注浆，完成封孔段智能封孔；
S3：抽采期间实时监测浆液压力及瓦斯抽采浓度：
封孔完成后进入瓦斯抽采阶段，抽采期间压力传感器、瓦斯浓度传感器监测的数据分别通过压力传感器连接线路和瓦斯浓度传感器连接线路传输至智能分析控制箱，实时监测封孔段浆液压力和瓦斯抽采浓度；
S4：后期漏气通道产生后，控制注氮泵向膨胀囊袋注氮，通过补压方式完成二次智能封孔：
智能分析控制箱通过注氮泵连接线路控制注氮泵工作，此时注浆管单向阀关闭，注氮管单向阀开启，通过注氮管向膨胀囊袋注氮，通过补压方式完成二次封孔；
S5：提高瓦斯抽采效果，实现全过程智能封孔及补压：
通过传感器实时监测后期漏气通道产生和膨胀囊袋补压装置实现了封孔段二次智能封孔，有效地阻挡了巷道内的空气通过后期漏气通道进入瓦斯抽采钻孔，大大提高了瓦斯抽采效果，实现了全过程智能封孔及补压。
所述的S1中调试智能分析控制箱具体参数为：缓凝浆液压力下限为0.5MPa，上限为0.8MPa；瓦斯抽采浓度下限为30％。智能分析控制箱直接与地面控制室相连，实时传输并显示实时浆液压力参数及瓦斯抽采浓度。
所述的S2中封孔段智能封孔的具体步骤为：压力传感器监测的数据通过压力传感器连接线路传输至智能分析控制箱，实时监测注浆空间内浆液压力，当浆液压力达到0.8MPa时，继续注浆2min后智能分析控制箱传输信号使注浆泵停止工作，注浆管单向阀关闭，完成智能封孔。
所述的S3中实时监测浆液压力及瓦斯抽采浓度的目的是判断是否有后期漏气通道产生，当浆液压力下降到0.5MPa或瓦斯抽采浓度下降到30％时，说明封孔段受到地应力和巷道、钻孔开挖影响产生发育裂隙或封孔段出现漏浆现象，需进行补压操作。
所述的S4中智能补压的具体原理为通过膨胀囊袋膨胀，压缩注浆空间，浆液被挤压进入新生发育裂隙，完成对后期漏气通道的封堵，过程中浆液压力逐渐升高，压力传感器监测的数据通过压力传感器连接线路传输至智能分析控制箱，实时监测注浆空间内浆液压力，当浆液压力达到0.8MPa后智能分析控制箱传输信号使注氮泵停止工作，注氮管单向阀关闭，完成二次智能封孔。
设有压力传感器、瓦斯浓度传感器、膨胀囊袋、智能控制分析箱、注浆管单向阀以及注氮管单向阀。
所述压力传感器设置在钻孔封孔段，通过压力传感器连接线路与智能分析控制箱连接，实时监测封孔段缓凝浆液压力。
所述瓦斯浓度传感器设置在瓦斯抽采管内部，通过瓦斯浓度传感器连接线路与智能分析控制箱连接，实时监测瓦斯抽采浓度。
所述膨胀囊袋设置于抽采管外表面，初次封孔阶段紧贴抽采管，并不占据封孔空间，与注氮管连接。
所述注浆管单向阀设置于注浆管内，受智能分析控制箱控制启闭。
所述注氮管单向阀设置于注氮管中，受智能分析控制箱控制启闭。
所述的智能分析控制箱连接有注浆泵连接线路、注氮泵连接线路、瓦斯浓度传感器连接线路、压力传感器连接线路，通过压力传感器连接线路接收压力传感器传输的数据，通过瓦斯浓度传感器连接线路接收瓦斯浓度传感器传输的数据，并通过注浆泵连接线路向注浆泵及注浆管单向阀传输信号，通过注氮泵连接线路向注氮泵及注氮管单向阀传输信号。
与现有技术相比，本发明公开的一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置及方法的优点在于：
(1)本发明通过膨胀囊袋的膨胀压缩缓凝浆液在封孔段的空间，将其挤入新生发育裂隙中，较好地封堵了钻孔后期漏气通道，并且对钻孔具有主动支护作用，有效避免了垮孔现象发生。使用的缓凝浆液通常可保持6-12个月流体状态，远高于抽采期，抽采完成后膨胀囊袋可回收利用，大大降低了抽采成本。
(2)本发明通过智能分析控制箱在封孔阶段通过注浆泵连接线路控制注浆泵向封孔空间注浆，达到预定注浆压力后停止注浆，并在抽采后期新发育裂隙产生导致瓦斯抽采浓度下降后通过注氮泵连接线路控制注氮泵向膨胀囊袋注氮，大大提高了瓦斯抽采浓度，缩短了瓦斯抽采周期。
(3)本发明通过压力传感器实时监测封孔段缓凝浆液压力，并通过压力传感器连接线路将监测数据传输至智能分析控制箱，当浆液压力下降到智能分析控制箱内设定浆液压力下限时开始自动补压，实现了封孔段注浆压力的远程智能调控。
(4)本发明通过瓦斯浓度传感器实时监测抽采管内抽采瓦斯浓度，并通过瓦斯浓度传感器连接线路将检测数据传输至智能分析控制箱，当抽采瓦斯浓度下降到智能分析控制箱内设定瓦斯浓度下限时检查是否存在新漏气通道产生的现象，进一步提高了瓦斯抽采效果。
附图说明
为了使本发明的目的、装置及方法和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实用例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据该附图获得其他附图，其中：
图1为本发明实施例公开的一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的方法的流程示意图。
图2为本发明实施例公开的一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置结构示意图。
图2中的数字或字母所代表的零部件名称为：
1-煤层、2-瓦斯抽采钻孔、3-瓦斯抽采管，4-缓凝浆液封孔材料，5-聚氨酯堵头，6-注浆管，7-压力传感器，8-瓦斯浓度传感器，9-注氮管，10-注氮泵，11-注浆泵，12-膨胀囊袋，13-智能分析控制箱，14-注浆泵连接线路，15-瓦斯浓度传感器连接线路，16-注氮泵连接线路，17-压力传感器连接线路，18-注浆管单向阀，19-注氮管单向阀。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细描述；优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的流程图；图2为本发明实施例提供的装置示意图。本发明提供的一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置及方法，包括以下五个步骤。
S1：构筑注浆空间，并调试智能分析控制箱参数：
确定封孔段长度后，将混合好的袋装聚氨酯固定在抽采管上，然后快速将抽采管送至孔内预定位置，待聚氨酯膨胀后完成构筑注浆空间。
所述的S1中调试智能分析控制箱具体参数为：缓凝浆液压力下限为0.5MPa，上限为0.8MPa；瓦斯抽采浓度下限为30％。智能分析控制箱直接与地面控制室相连，实时传输并显示实时浆液压力参数及瓦斯抽采浓度。
S2：智能分析控制箱控制注浆泵向注浆空间注浆，完成封孔段智能封孔：
智能分析控制箱通过注浆泵连接线路控制注浆泵工作，此时注氮管单向阀关闭，注浆管单向阀开启，通过注浆管向注浆空间注浆，完成封孔段智能封孔。
所述的S2中智能封孔的具体步骤为：压力传感器监测的数据通过压力传感器连接线路传输至智能分析控制箱，实时监测注浆空间内浆液压力，当浆液压力达到0.8MPa时，继续注浆2min后智能分析控制箱传输信号使注浆泵停止工作，注浆管单向阀关闭，完成智能封孔。
所述的S2中的注浆材料为新型无机缓凝浆液，该材料主要以钠-膨润土为主要材料，添加有机改性剂、保水剂等辅助材料，具有层状保水结构。浆液在注浆管或注浆空间内既不分层也不沉淀，可始终保持半流体性质6-12个月，通常抽采期为2个月左右，因此新型无机缓凝浆液可在整个抽采期间保持半流体性质。
S3：抽采期间实时监测浆液压力及瓦斯抽采浓度：
封孔完成后进入瓦斯抽采阶段，抽采期间压力传感器、瓦斯浓度传感器监测的数据分别通过压力传感器连接线路和瓦斯浓度传感器连接线路传输至智能分析控制箱，实时监测封孔段浆液压力和瓦斯抽采浓度。
所述的S3中实时监测浆液压力及瓦斯抽采浓度的目的是判断是否有后期漏气通道产生，当浆液压力下降到0.5Mpa或瓦斯抽采浓度下降到30％时，说明封孔段受到地应力和巷道、钻孔开挖影响产生发育裂隙或封孔段出现漏浆现象，需进行补压操作。
S4：后期漏气通道产生后，控制注氮泵向膨胀囊袋内注氮，通过补压方式完成二次智能封孔：
智能分析控制箱通过注氮泵连接线路控制注氮泵工作，此时注浆管单向阀关闭，注氮管单向阀开启，通过注氮管向膨胀囊袋注氮，通过补压方式完成二次智能封孔。
所述的S4中智能补压的具体原理为通过膨胀囊袋膨胀，压缩注浆空间，浆液被挤压进入新生发育裂隙，完成对后期漏气通道的封堵，过程中浆液压力逐渐升高，压力传感器监测的数据通过压力传感器连接线路传输至智能分析控制箱，实时监测注浆空间内浆液压力，当浆液压力达到0.8MPa后智能分析控制箱传输信号使注氮泵停止工作，注氮管单向阀关闭，完成二次智能封孔。
所述的S4中膨胀囊袋内在注浆阶段无氮气，紧贴抽采管，并不占据注浆空间。且经现场实测，在封孔阶段注浆量约为0.3m3，若通过二次注浆的方式实现封孔段补压，二次注浆量远低于0.1m3，说明通过膨胀囊袋膨胀补压的方式完全可行。
S5：提高瓦斯抽采效果，实现全过程智能封孔及补压：
通过传感器实时监测后期漏气通道产生和膨胀囊袋补压装置实现了封孔段二次智能封孔，有效地阻挡了巷道内的空气通过后期漏气通道进入瓦斯抽采钻孔，大大提高了瓦斯抽采效果，实现了全过程智能封孔及补压。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的装置及方法，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的装置及方法进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应装置及方法的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的方法，其特征在于：包括以下五个步骤：
S1：构筑注浆空间，并调试智能分析控制箱参数：
确定封孔段长度后，将混合好的袋装聚氨酯固定在抽采管上，然后快速将抽采管送至孔内预定位置，待聚氨酯膨胀后完成构筑注浆空间；
S2：智能分析控制箱控制注浆泵向注浆空间注浆，完成封孔段智能封孔：
智能分析控制箱通过注浆泵连接线路控制注浆泵工作，此时注氮管单向阀关闭，注浆管单向阀开启，通过注浆管向注浆空间注浆，完成封孔段智能封孔；
S3：抽采期间实时监测浆液压力及瓦斯抽采浓度：
封孔完成后进入瓦斯抽采阶段，抽采期间压力传感器、瓦斯浓度传感器监测的数据分别通过压力传感器连接线路和瓦斯浓度传感器连接线路传输至智能分析控制箱，实时监测封孔段浆液压力和瓦斯抽采浓度；
S4：后期漏气通道产生后，控制注氮泵向膨胀囊袋注氮，通过补压方式完成二次智能封孔：
智能分析控制箱通过注氮泵连接线路控制注氮泵工作，此时注浆管单向阀关闭，注氮管单向阀开启，通过注氮管向膨胀囊袋注氮，通过补压方式完成二次封孔；
S5：提高瓦斯抽采效果，实现全过程智能封孔及补压：
通过传感器实时监测后期漏气通道产生和膨胀囊袋补压装置实现了封孔段二次智能封孔，有效地阻挡了巷道内的空气通过后期漏气通道进入瓦斯抽采钻孔，大大提高了瓦斯抽采效果，实现了全过程智能封孔及补压。
2.如权利要求1所述的一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的方法，其特征在于：所述的S1中调试智能分析控制箱具体参数为：缓凝浆液压力下限为0.5MPa，上限为0.8MPa；瓦斯抽采浓度下限为30％，智能分析控制箱直接与地面控制室相连，实时传输并显示实时浆液压力参数及瓦斯抽采浓度。
3.如权利要求1所述的一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的方法，其特征在于：所述的S2中封孔段智能封孔的具体步骤为：压力传感器监测的数据通过压力传感器连接线路传输至智能分析控制箱，实时监测注浆空间内浆液压力，当浆液压力达到0.8MPa时，继续注浆2min后智能分析控制箱传输信号使注浆泵停止工作，注浆管单向阀关闭，完成智能封孔。
4.如权利要求1所述的一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的方法，其特征在于：所述的S3中实时监测浆液压力及瓦斯抽采浓度的目的是判断是否有后期漏气通道产生，当浆液压力下降到0.5MPa或瓦斯抽采浓度下降到30％时，说明封孔段受到地应力和巷道、钻孔开挖影响产生发育裂隙或封孔段出现漏浆现象，需进行补压操作。
5.如权利要求1所述的一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的方法，其特征在于：所述的S4中智能补压的具体原理为通过膨胀囊袋膨胀，压缩注浆空间，浆液被挤压进入新生发育裂隙，完成对后期漏气通道的封堵，过程中浆液压力逐渐升高，压力传感器监测的数据通过压力传感器连接线路传输至智能分析控制箱，实时监测注浆空间内浆液压力，当浆液压力达到0.8MPa后智能分析控制箱传输信号使注氮泵停止工作，注氮管单向阀关闭，完成二次智能封孔。
6.一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置，其特征在于：设有压力传感器(7)、瓦斯浓度传感器(8)、膨胀囊袋(12)、智能控制分析箱(13)、注浆管单向阀(18)以及注氮管单向阀(19)；
所述压力传感器(7)设置在钻孔封孔段，通过压力传感器连接线路(17)与智能分析控制箱(13)连接，实时监测封孔段缓凝浆液压力；
所述瓦斯浓度传感器(8)设置在瓦斯抽采管(3)内部，通过瓦斯浓度传感器连接线路(15)与智能分析控制箱(13)连接，实时监测瓦斯抽采浓度；
所述膨胀囊袋(12)设置于抽采管(3)外表面，初次封孔阶段紧贴抽采管，并不占据封孔空间，与注氮管(9)连接；
所述注浆管单向阀(18)设置于注浆管内，受智能分析控制箱(13)控制启闭；
所述注氮管单向阀(19)设置于注氮管中，受智能分析控制箱(13)控制启闭。
7.如权利要求2所述的一种瓦斯抽采钻孔二次智能封孔提高抽采效果的装置，其特征在于：所述的智能分析控制箱(13)连接有注浆泵连接线路(14)、注氮泵连接线路(16)、瓦斯浓度传感器连接线路(15)、压力传感器连接线路(17)，通过压力传感器连接线路(17)接收压力传感器(7)传输的数据，通过瓦斯浓度传感器连接线路(15)接收瓦斯浓度传感器传输的数据，并通过注浆泵连接线路(14)向注浆泵(11)及注浆管单向阀(18)传输信号，通过注氮泵连接线路(16)向注氮泵(10)及注氮管单向阀(19)传输信号。
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