CN206647079U - 囊袋式带压注浆封孔器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种囊袋式带压注浆封孔器，包括位于煤层（8）与岩层（9）中的瓦斯抽排管（1），所述的瓦斯抽排管（1）并排设置有注浆管（3），所述的注浆管（3）与瓦斯抽排管（1）通过囊袋连接；所述的囊袋内设置有单向阀，单向阀位于注浆管（3）上。本实用新型结构简单，可以实现自动化封孔，主动支护作用；压力注浆，实现封堵初期漏气通道的作用；长度可调，气密性强，衰减较慢；大大降低了工人的劳动强度，降低了生产成本和矿井经济负担，并确保了矿井安全生产。

Description

囊袋式带压注浆封孔器

技术领域

本实用新型涉及煤矿瓦斯抽放用设备，具体为一种囊袋式带压注浆封孔器。

背景技术

国内外关于煤层抽采钻孔封孔的理论研究文献较多，但大多数没有考虑巷道周边及钻孔周边蠕变效应对封孔始封位置有何影响，随着时间的延长，巷道周边岩体会发生蠕变，原有的裂隙会发育扩张，在蠕变效应的影响下，最初选择的封孔始封位置有可能不能避开新生裂隙以及次生裂隙，造成钻孔漏气，封孔效果不好。现有的封孔技术主要为以下几种：

1.聚氨酯封孔技术：国内本煤层钻孔普遍采用“高分子发泡材料”，其中以聚氨酯材料为主要材料。其具有两个致命缺陷：第一，抗压强度低；第二，可压缩两很大。高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井往往采深较大，相应的地应力也较大，加之煤层强度普遍较低，井下煤层钻孔在地应力作用下将逐渐蠕变，钻孔在蠕变的过程中，钻孔周围的煤体将会产生松动裂隙（漏气通道）。

2.机械弹性封孔技术：这种封孔方法对钻孔的密封性能很差，漏气很严重，根本不能用于本煤层长效抽采钻孔的封孔。

3.充气式封孔器：充气式封孔器主要有两种，一种是免充气气囊式，另一种是充气气囊式。只能做为临时性封孔。

4.水力膨胀式封孔器：这种封孔对于本煤层长效抽采来讲是不可行，原因有二：第一，成本较高；第二，封孔器的微泄漏不能保证长效封孔的效果。

因此，针对上述现有技术中封孔方法存在的问题，当前瓦斯抽采封孔装置漏气严重的现象，抽采瓦斯浓度较低的局面，提供一种新型的瓦斯封堵装置，已经是一个值得研究的问题。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中的不足，本实用新型提供了一种结构简单，操作使用方便，且自动化程度高，工人劳动强度小的囊袋式带压注浆封孔器。

本实用新型的目的是这样实现的：

囊袋式带压注浆封孔器，包括位于煤层8与岩层9中的瓦斯抽排管1，所述的瓦斯抽排管1并排设置有注浆管3，所述的注浆管3与瓦斯抽排管1通过囊袋连接；所述的囊袋内设置有单向阀，单向阀位于注浆管3上；

所述的瓦斯抽排管1的左端为集气段10，位于煤层8中；

所述的囊袋包括第一囊袋2和第三囊袋6；所述的第一囊袋2和第三囊袋6内分别设置有第一单向阀4和第二单向阀7；

所述的第一单向阀4和第二单向阀7分别设置于注浆管3上；

所述的注浆管3内穿第一囊袋2和第三囊袋6，且位于第一囊袋2和第三囊袋6之间的管体上设置有爆破阀5。

积极有益效果：本实用新型结构简单，可以实现自动化封孔，主动支护作用；压力注浆，实现封堵初期漏气通道的作用；长度可调，气密性强，衰减较慢；大大降低了工人的劳动强度，降低了生产成本和矿井经济负担，并确保了矿井安全生产。

附图说明

图1本本实用新型的结构示意图；

图中为：瓦斯抽排管1、第一囊袋2、注浆管3、第一单向阀4、爆破阀5、

第三囊袋6、第二单向阀7、煤层8、岩层9、集气段10。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步的说明：

如图1所示，囊袋式带压注浆封孔器，包括位于煤层8与岩层9中的瓦斯抽排管1，所述的瓦斯抽排管1并排设置有注浆管3，所述的注浆管3与瓦斯抽排管1通过囊袋连接；所述的囊袋内设置有单向阀，单向阀位于注浆管3上；

所述的瓦斯抽排管1的左端为集气段10，位于煤层8中；

所述的囊袋包括第一囊袋2和第三囊袋6；所述的第一囊袋2和第三囊袋6内分别设置有第一单向阀4和第二单向阀7；

所述的第一单向阀4和第二单向阀7分别设置于注浆管3上；

所述的注浆管3内穿第一囊袋2和第三囊袋6，且位于第一囊袋2和第三囊袋6之间的管体上设置有爆破阀5。

本实用新型从封孔漏气的源头着手，提出主动支护注浆封孔原理，对影响瓦斯抽采钻孔封孔漏气量的因素进行深入分析，得出了影响漏气量的两个因素分别为封孔支护力、始封深度、封孔段长度。结果表明漏气量随着封孔支护力和封孔段长度的增加而减小，并随始封深度第不同而不同。提高钻孔的主动支护力，并选择合适的始封位置和封孔段长度可以减少钻孔漏气，提高抽采钻孔瓦斯浓度和纯瓦斯量。

在封孔初期，根据始封位置的不同，将两个囊袋设置在不同的位置，并利用注浆压力给封孔器两端囊袋注浆，注浆压力通过囊袋传递给钻孔壁1.6MPa左右的支护力时，注浆液可以充分填充钻孔周围的裂隙，为了进一步加强对钻孔的支护，研究开发的封孔注浆材料具有微膨胀的特性，因此，封孔注浆后材料凝固微膨胀，可再次对钻孔壁形成更大的支护力，可有效预防封孔段收缩变形形成新的漏气通道，起到减小钻孔漏气量的作用。

⑴煤层钻孔封孔漏气途径分析

瓦斯抽采钻孔可视为微型圆形巷道，在保证封孔段与钻孔壁紧密接触的情况下，封孔之后瓦斯抽采的过程中，钻孔漏气的通道主要产生于打钻过程中钻杆扰动使钻孔壁形成的环形破碎区域，这个垂直于钻孔的环形区域称之为漏气圈，通过对钻孔封孔前后的应力应变及位移分析可以计算出漏气圈的面积，进而由渗流力学理论计算出漏气量。

⑵基于主动支护的带压注浆封孔的基本思想

为防止因巷周煤岩体及钻孔周边煤体由于蠕变效应破坏而影响抽采效果，封孔段钻孔同普通巷道一样需要有效的支护。基于这一认识提出了主动支护式封孔机理，其基本思想是：在封孔段对钻孔施加主动支护，可压实和加固钻孔周围煤体（压密和充填初始裂隙），即第三章所述的采用的注浆材料需对钻孔周围0.03m范围内的裂隙进行封堵减小漏气圈截面积，使钻孔长期保持稳定，以减少巷周煤岩体和钻孔由于蠕变效应引起的钻孔变形破坏，防止新裂隙生成和扩展，从而使钻孔周围煤体长期保持密封效果良好状态，为长时瓦斯抽采工作创造有利条件，确保瓦斯抽采效果。

⑶钻孔周围煤体的应力分析

钻孔成孔后，由于应力重新分布，钻孔周围煤岩中可能形成破裂区、塑性区、弹性区、原岩应力区等。

由于注浆封孔后，注浆材料在一定压力之下，充填钻孔周围的裂隙区域并施加一定的初始支护力，此时钻孔漏气主要发生在钻孔周围塑性区内，因此从封孔角度分看，塑性区中的破碎区（应力降低区）可视为漏气圈，钻孔的始封位置应超过塑性区，即始封位置需超过6.8m。

⑷钻孔封孔段漏气状况的分析

煤层瓦斯及漏入钻孔的部分空气在煤体钻孔破碎区及塑性区（孔隙裂隙）中的流动，基本符合达西定律，通过达西定律分析及工程实践可以得出以下关于钻孔漏气规律：

①同等条件下，封孔支护力越大，漏气量越小。经现场试验可知，当封孔支护力达到1.6MPa左右时，可有效封堵钻孔周边裂隙，封孔效果良好，钻孔漏气量基本不漏气。分析其原因，主要是因为封孔段周围破碎区煤体在封孔支护力作用下被压缩并将封孔材料在压力作用下部分压入孔周裂隙系统内，使得漏气圈面积减小并有效封堵钻孔周边裂隙；另外煤体被压缩后孔隙率和渗透率均减低，减小了钻孔的漏气量。因此研制具有主动支护力的封孔方法，是减小钻孔漏气的有效途径。

②同等条件下，负压越高漏气量越大。在钻孔密封不严的情况下，提高负压相当于增加了空气通过裂隙系统进入钻孔内的动力，高负压造成漏气量将激增，使得大量空气进入抽采系统，并因此导致抽采管路瓦斯浓度降低，过量漏气还可能造成煤层自燃，管路瓦斯浓度处于爆炸限范围之内等威胁矿井安全生产的因素。

③同等条件下，煤体黏聚力越大钻孔的漏气量越小。即煤体强度越高封孔越容易，煤体强度越低封孔难度越大。这主要是由于煤体强度越高，其抗压强度越高，蠕变效应越不明显，反之亦然。对于松软突出煤层瓦斯抽采钻孔，要提高封孔质量可以通过对封孔段周围煤体注浆加固的方法，来保证钻孔的密封性。

④同等煤体强度及封孔支护力条件下，钻孔的直径越大漏气量越大。这主要是由于钻孔直径越大，钻头在切削煤体的过程中对煤体的扰动和破坏越剧烈，造成钻孔周边裂隙越发育，同等条件下钻孔密封的难度就越大。针对不同强度的煤体选择合理直径的钻杆，对钻孔密封减小钻孔漏气具有一定的效果。

⑤同等条件下，地应力越大漏气量越大。正如第三章分析，地应力越大，巷周及钻孔周边煤体的蠕动效应越明显，造成巷周和钻孔周边的裂隙月发育，同等条件下，钻孔漏气量也越大。说明煤层开采深度越大封孔越难，针对埋深较大的煤层，研究具有较大主动支护力的封孔方式可以减小钻孔漏气。

基于以上分析，要想提高煤层瓦斯抽采浓度和纯量，提高封孔质量、降低钻孔的漏气量是基础，提高封孔支护力是关键。在调研石泉煤业原有封孔方法的基础上，发现现有的聚氨酯封孔存在始封位置不合理、封孔段长度短、封孔深度较浅、聚氨酯材料的支护强度较低，后期钻孔很容易变形形成漏气通道，钻孔漏气严重，瓦斯抽采浓度较低等问题，极大的影响了瓦斯抽采工作，也影响了抽采瓦斯的合理利用。

本实用新型相利用注浆泵先将封孔器两端的囊袋充满浆液、两端膨胀后再封闭两囊袋中间区域，从而实现多层带压封孔，保证良好效果。这种封孔方法一方面能使钻孔周围的裂隙得到充填，消除开孔时形成的漏气通道（裂隙），即消除初期漏气通道；另一方面能使钻孔得到可靠的支护，保证钻孔的稳定，使钻孔周围不再产生新的漏气通道（裂隙），即避免后期漏气通道的产生和发展。这种方法简单，适合各种地质情况的钻孔。特别适合于钻孔倾角大、封孔深度深的上向或下向孔封孔。 通过以上钻孔封孔技术的对比可知，加压注浆封孔法封孔方便，同时可以支护钻孔防止漏气带的形成。适用于各种钻孔。

相对于现有技术的优点主要表现在：（1）封孔自动化：封孔器送入钻孔后，只需启动注浆泵即可实现整个钻孔的自动封孔，大大减少了工人劳动强度，提高劳动效率。（2）主动支护：注浆后囊袋可以对钻孔形成有效支护，使封孔段钻孔周围形成高应力区，避免封孔以后持续产生裂隙，形成漏气通道。（3）压力注浆：加压注浆压力达到2.0兆帕，能使浆液压入钻孔壁裂隙，封闭钻孔周围的裂隙，降低其渗透性，起到封堵初期漏气通道的作用。（4）长度可调：封孔器长度可根据井下实际钻孔情况进行合理调节。（5）工艺先进：采用“带压注浆封孔工艺，技术先进，封孔效果好。囊袋式封孔装置封孔与传统聚氨酯相比，封孔工艺简单，单孔封孔过程用时短、用料省，可提高钻孔效率，节约了封孔材料，降低了材料运输劳动强度，具有极大的社会和经济效益。（6）诊断优化：可通过封孔工艺的整个流程及瓦斯抽采效果分析评价机制，诊断钻孔设计是否趋于合理，评判钻孔施工质量的优劣，从而达到不断优化钻孔设计和提升钻孔施工质量管理水平的目的。如：钻孔关闭负后发现，该孔不仅无瓦斯自然涌出，反而出现了“倒吸气”现象，产生该现象的直接原因是串孔，串孔在一定程度上降低了瓦斯抽采效果，针对串孔问题建议优化钻孔参数设计，提高井下工人的操作水平。（7）气密性强：该封孔材料具备微膨胀的特点，可体现钻孔气密性由弱到强的优势。（8）利用有效：可实现矿井瓦斯高浓、足量、高效抽出，以利于瓦斯发电项目所需瓦斯气源呈现跳跃式提升且趋于增长趋势，可充分满足瓦斯发电气源需求，可创造极大的社会、经济和环保效益。（9）衰减较慢：封孔效果较好，同等条件下与聚氨酯相比，单孔浓度衰减较慢，抽采接近6个月，单孔浓度仍基本保持在70%以上。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.囊袋式带压注浆封孔器，其特征在于：包括位于煤层（8）与岩层（9）中的瓦斯抽排管（1），所述的瓦斯抽排管（1）并排设置有注浆管（3），所述的注浆管（3）与瓦斯抽排管（1）通过囊袋连接；所述的囊袋内设置有单向阀，单向阀位于注浆管（3）上。

2.根据权利要求1所述的囊袋式带压注浆封孔器，其特征在于：所述的瓦斯抽排管（1）的左端为集气段（10），位于煤层（8）中。

3.根据权利要求1所述的囊袋式带压注浆封孔器，其特征在于：所述的囊袋包括第一囊袋（2）和第三囊袋6；所述的第一囊袋（2）和第三囊袋（6）内分别设置有第一单向阀（4）和第二单向阀（7）。

4.根据权利要求3所述的囊袋式带压注浆封孔器，其特征在于：所述的第一单向阀（4）和第二单向阀（7）分别设置于注浆管（3）上。

5.根据权利要求1所述的囊袋式带压注浆封孔器，其特征在于：所述的注浆管（3）内穿第一囊袋（2）和第三囊袋（6），且位于第一囊袋（2）和第三囊袋（6）之间的管体上设置有爆破阀（5）。