CN212130542U - 一种瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统，通过一定压力将半流体封孔材料注入两段封孔器形成的封孔段内，注满封孔段后继续注浆一段时间，直至其内部浆液达到一定的压强，停止注浆；然后对钻孔内的高浓度瓦斯进行初步抽采，同时通过压力传感装置实时监测浆液内部的压强变化，并将数据传到控制系统；一旦内部压力下降到触发浆液补充的压力，则开始向封孔区间内补充浆液，直至重新达到所需的压强。本实用新型瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统可以实现无人条件下使处于恒定压强下的流动性极强的半流体状的浆液随时主动封堵钻孔周围新发育的裂隙，实现瓦斯钻孔动态封堵，提高钻孔的抽采浓度并延长有效抽采时间。
Description
技术领域
本实用新型公开了一种瓦斯抽采钻孔恒压囊袋非凝固浆液封孔系统，属于井下瓦斯防治技术领域。
背景技术
随着煤矿开采深度的增加，煤矿的瓦斯问题日益严重，尤其是高瓦斯低透气性煤层的瓦斯治理问题，一直严重制约着煤矿的安全生产。因此，煤层钻孔瓦斯抽采作为防治瓦斯突出的重要措施一直被广泛应用，但是在瓦斯抽采的过程中，一直存在着抽采浓度低、效果差、持续时间短等各种问题。在瓦斯抽采初期其浓度一般较高，能够达到预期效果，但随着瓦斯抽采系统的延续，在有效地应力、解吸瓦斯、抽放负压等综合作用下，抽采钻孔围岩裂隙迅速发育、扩展，发生变形破坏并出现大量次生裂隙，封孔段与钻孔壁或其围岩拓展裂隙形成“漏气”通道，导致抽采后期孔口抽采负压急剧下降，降低了瓦斯抽采效果，并缩短了钻孔有效抽采周期，严重影响煤层瓦斯抽采率。
传统的封孔方法大多采用膨胀水泥砂浆、黄泥浆等对钻孔两端进行封堵，但是这种方法对于钻孔周围产生的裂隙只能进行一次性的封堵，且封孔材料凝固后由于自身的收缩性而使钻孔空间无法被完全填满，从而导致裂隙区难以有效封堵，钻孔漏气严重，密封质量差；为了提高封孔效果，经常需要在一次封孔的基础上使用二次封孔技术来封堵钻孔周围的裂隙，耗时耗工，而且还要购置专门的二次封孔设备，增加生产成本，封孔效果依然不理想。
实用新型内容
为了克服现有技术存在的各种不足，本实用新型提出一种瓦斯抽采钻孔恒压囊袋非凝固浆液封孔系统，可以完全实现无人条件下对抽采瓦斯钻孔封孔状况进行自动监测，一旦钻孔周围有裂隙产生，压力下降则装置可以自动启动进行配浆、补浆工作，保证封孔段内浆液始终保持一种恒压状态，实现瓦斯钻孔动态封堵过程，抽采钻孔密封效果好，提高钻孔的抽采浓度并延长有效抽采时间。
为实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下的技术方案：
一种瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统，包括：
瓦斯抽采管，位于主注浆孔中心，用于瓦斯抽采，主注浆孔内沿所述瓦斯抽采管轴线方向间隔设置有两个封孔用囊袋，分别是第一封孔囊袋和第二封孔囊袋；
第一灌浆管，用于向所述第一封孔囊袋内灌浆；
第二灌浆管，用于向所述第二封孔囊袋内灌浆；
第三灌浆管，用于向所述第一封孔囊袋和第二封孔囊袋之间的一段主注浆孔中灌浆；
浆液控制系统，向所述灌浆管供应浆液，包括：料仓、供水管路、搅拌筒、出浆管和控制器，其中，所述料仓内装有粉料，料仓的底部出料口与搅拌筒相连，料仓的底部出料口处安装有第一电动阀；
供水管路包括水源和注水管，注水管与搅拌筒相连并在注水口处设有第二电动阀；
搅拌筒内安装有搅拌桨叶，搅拌筒位于搅拌桨叶的一侧安装有推动活塞，搅拌筒上位于搅拌桨叶另一侧的底部安装有主出浆管，主出浆管入口旁设有浆液浓度传感器；
主出浆管分别通过出浆管单元与灌浆管相连，每个出浆管单元上均设有第三电动阀；
第一灌浆管、第二灌浆管和第三灌浆管的内部均设有压力传感器；
所述压力传感器、浆液浓度传感器均与控制器的信号输入端连接；
所述控制器的信号输出端与所述第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀、搅拌桨叶驱动机构以及活塞驱动机构连接。
所述主注浆孔的两侧煤层中对称设有两根辅助灌浆管，用于向煤层裂隙内注浆，所述辅助灌浆管通过出浆管单元与主出浆管相连。
所述辅助灌浆管的孔径小于第三灌浆管。
所述搅拌桨叶为螺旋面叶。
所述第一灌浆管和第二灌浆管均为PVC管。
有益效果：
本实用新型通过浆液浓度检测装置检测浆液的浓度，利用控制器智能控制粉料和水的配比，使浆液浓度始终保持在规定值，并利用推动活塞将混合后符合浓度要求的浆液以一定压力推至封孔段，通过压力传感器反馈封孔段的压强，当封孔段内压力下降到触发浆液补充压力值时，开始向封孔区间内补充浆液，直至重新达到所需的压强；
如注浆压力不足，还可通过辅助注浆管道向封孔段注浆。该系统简单可靠，操作方便，整个注浆过程均为智能控制，可以完全实现无人条件下对抽采瓦斯钻孔封孔状况进行自动监测，使处于恒定压强下的流动性极强的半流体状的浆液可以随时主动封堵钻孔周围新发育的裂隙，提高了封孔效果，实现瓦斯钻孔动态封堵过程，提高钻孔的抽采浓度并延长有效抽采时间，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本实用新型中囊袋封孔结构示意图；
图2为本实用新型智能浆液控制系统示意图；
图3为本实用新型控制流程图；
图中：1—瓦斯抽采管，2—第三灌浆管，3—第一封孔囊袋，4—第二封孔囊袋，5—辅助灌浆管，6—压力传感器，7—第一灌浆管，8—第二灌浆管，9—模拟岩层裂隙，10—模拟浆液，11—智能浆液控制系统；12-控制器，13-料仓，14-第一电动阀，15-推动活塞，16-搅拌桨叶，17-水源，18-注水管，19-第二电动阀，20-主出浆管，21-浆液浓度传感器，22-搅拌筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做详细的阐述。
如图1所示，一种瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统，包括：
瓦斯抽采管1，位于主注浆孔中心，用于瓦斯抽采，主注浆孔内沿所述瓦斯抽采管轴线方向间隔设置有两个封孔用囊袋，分别是第一封孔囊袋3和第二封孔囊袋4；
第一灌浆管7，用于向所述第一封孔囊袋3内灌浆；
第二灌浆管8，用于向所述第二封孔囊袋4内灌浆；
第三灌浆管2，用于向所述第一封孔囊袋3和第二封孔囊袋4之间的一段主注浆孔中灌浆；
浆液控制系统，向所述灌浆管供应浆液，包括：料仓13、供水管路、搅拌筒22、出浆管和控制器12，其中，所述料仓13内装有粉料，料仓13的底部出料口与搅拌筒22相连，料仓的底部出料口处安装有第一电动阀14；
供水管路包括水源17和注水管18，注水管18与搅拌筒22相连并在注水口处设有第二电动阀19；
搅拌筒22内安装有搅拌桨叶，搅拌筒22位于搅拌桨叶的一侧安装有推动活塞15，搅拌筒上位于搅拌桨叶16另一侧的底部安装有主主出浆管20，主主出浆管20入口旁设有浆液浓度传感器21；
主主出浆管20分别通过出浆管单元与灌浆管相连，每个出浆管单元上均设有第三电动阀；
第一灌浆管7、第二灌浆管8和第三灌浆管2的内部均设有压力传感器；
所述压力传感器、浆液浓度传感器均与控制器的信号输入端连接；
所述控制器的信号输出端与所述第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀、搅拌桨叶驱动机构以及活塞驱动机构连接。
进一步的，所述主注浆孔的两侧煤层中对称设有两根辅助灌浆管，用于向煤层裂隙内注浆，所述辅助灌浆管通过出浆管单元与主出浆管相连。
进一步的，所述辅助灌浆管的孔径小于第三灌浆管。
进一步的，所述搅拌桨叶为螺旋面叶。
进一步的，所述第一灌浆管和第二灌浆管均为PVC管。
利用本实用新型一种瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统进行封孔的方法，使用注浆泵通过一定的压力将浆液封孔材料注入左右两封孔囊袋形成的密闭空间内，浆液注满封孔囊袋后向两囊袋之间注浆一段时间，直至其内部浆液达到一定的压强，停止注浆；然后采用瓦斯抽采管对钻孔内的高浓度瓦斯进行初步抽采，同时通过放置在第一灌浆管7和第二灌浆管8内的压力传感器与第三灌浆管内的压力传感器实时监测浆液内部的压强变化，并获取压力读数；一旦内部压力下降到触发浆液补充的压力，则开始向封孔区间与囊袋内补充浆液，直至重新达到所需的压强。
该方法具体包括如下步骤：
（1）在瓦斯抽采管1对应封孔段左、右两端的位置分别放置第一封孔囊袋3和第二封孔囊袋4，通过第一封孔囊袋3将第三灌浆管2、第一灌浆管7和瓦斯抽采管1捆绑在一起，第三灌浆管2穿过第一封孔囊袋3，第一灌浆管7插入到第一封孔囊袋3，通过右端的第二封孔囊袋4将第二灌浆管8与瓦斯抽采管1捆绑在一起，第二灌浆管8插入到第二封孔囊袋4，第三灌浆管2位于两个封孔囊袋3和4之间；第一灌浆管7、第二灌浆管8和第三灌浆管2的内部均有压力传感器，与外部电子元件相连直接读数。
（2）按照常规方法在巷道钻场内施工瓦斯抽采钻孔，当瓦斯抽采钻孔打钻成孔以后，将经步骤（1）处理的瓦斯抽采管送入瓦斯抽采钻孔内指定位置，且第三灌浆管2内压力数值稳定；
（3）封孔段左右两端的第一封孔囊袋3和第二封孔囊袋4注浆膨胀，最终使得封孔段形成密封空间，然后通过第三灌浆管2进行注浆，半流体浆液10将以2~3MPa的压强向封孔段内注入，直至第三灌浆管2内部压力传感器数值达到预先设定的停止注浆压力数值，停止注浆；
（4）当第三灌浆管2内部压力传感器数值达到设定的开始注浆数值时，开始注浆，直至第三灌浆管2内部压力传感器数值达到设定的停止注浆数值；重复步骤4，保证封孔段内的液压始终保持在一个恒定的压力范围内。
所述半流体浆液10为非凝固、无机类半流体封孔浆液，由主料、辅料和水混合而成，其中主料为钠基膨润土和高岭土的混合，辅料为硅酸钠、硅酸锂、二氧化硅、氯化钠中的一种或两种以上的混合，主料与辅料的质量和与水的质量比为1：8~12；所述半流体浆液10在瓦斯抽采钻孔的整个使用寿命周期内始终不脱水。
如图2所示，设备工作过程包括如下步骤：a.浆液配制及输送、b.自动换挡、c.辅助注浆管、d.粉料补充、e.持续制浆送浆。
1.浆液配制及输送可分为如下几个步骤：
（1）有一个料仓13，料仓13底部有一个第一电动阀14，第一电动阀14可以通过控制器2控制开闭，粉料在重力作用下进入下方的搅拌筒22。
（2）注水管18用来注水，水来自井下的水源17，端部有第二电动阀19。
（3）当粉料和水充满搅拌筒22时，料仓13和注水管18的电动阀门关闭。
（4）搅拌筒22内有呈螺旋状的搅拌桨叶16，用来螺旋搅拌进入搅拌室的粉料和水，在搅拌筒22一侧有一个推动活塞15，当搅拌完成后，推动活塞15，把搅拌后的浆液推入主出浆管20，主出浆管20分别通过出浆管单元连接第三灌浆管2、第一灌浆管7、第二灌浆管8和辅助出浆管5。
2.自动换挡分三个步骤：
（1）配料分为水料比为8:1、5:1、3:1（体积比）的三档，预先采用一档8:1的水料比进行配料，如果注浆时压力传感器6的示数在注浆2分钟后达不到规定值0.1MPa，就加大档位，增大浆液浓度。
（2）如果改变后还是不行，就采用添加辅助注浆管的方法。
（3）注浆压力通过压力传感器6进行检测，然后将数据传给控制器，控制器控制第一电动阀14，使第一电动阀14打开或关闭一点，增加或减少粉料的量。
3.辅助注浆管
在瓦斯抽采孔两侧各打一个辅助注浆孔，辅助注浆孔相对主注浆孔细一些，向辅助注浆孔中注入浆液。主注浆孔中的浆液被推入，辅助注浆孔中的浆液被推入，最终会使浆液在裂隙中汇合，使裂隙填充满，达到堵住裂隙的效果。在主注浆孔中心有一根瓦斯抽取管1，采用负压收集不停收集瓦斯。
4.粉料补充
料仓13中的粉料安排人员定期进行巡查，如果粉料量不足，便进行补充。
5.持续制浆送浆
如果停止一段时间之后，压力减小，说明裂隙又进行发育，此时控制器控制重复步骤1、2，继续制浆、送浆。
如图3所示，一种瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔方法，包括以下步骤：
第一步，设置第一电动阀14的开度为Ki，i为变量，通过控制器控制第一电动阀14打开一定开度，通过控制器设定水料体积比的初始值为powder:water=8:1，设定满足所处地层注浆的最小浆料浓度为min；
第二步，设定初始的螺旋桨转速n=500r/min，将浆料与水进行充分搅拌，搅拌2min后，通过浆液浓度传感器21记录浆料浓度Pi的值，判定是否处于设定范围值内，如果浓度小于设定值，则将n+100的值赋给n，重复进行上述步骤，直至使浆料浓度Pi满足要求；
第三步，当搅拌桨叶16转速大于设定的极限值时，浆料浓度Pi仍不满足条件，则将Ki+10%的值赋给Ki，重复步骤二，直到浆料浓度Pi满足要求；
第四步，控制器发送信号至推动活塞的驱动装置，从而使推动活塞向内移动并推动搅拌筒内的浆液以2~3MPa的压强向主注浆孔内注入，并持续10min以上，通过压力传感器记录注浆压力Qi，判定压力是否满足Qi≥3MPa，如果不满足，重复上述步骤，如果满足，结束；
第五步，间隔10~20d后，将控制器以及各部件均复位清零，重启运行程序重复上述一至四步再一次封孔。
优选的，所述搅拌桨叶转速设定的极限值为1000r/min。
混合而成的半流体浆液为非凝固、无机类半流体封孔浆液，并在整个封堵期间始终保持不脱水状态，从而维持一定的流动性；胶结的流体还会对钻孔壁起到一定的弹性支撑作用，有效提高了封孔段的致密性，降低了持续作用静压水的渗流量。
Claims (5)
1.一种瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统，其特征在于，包括：
瓦斯抽采管，位于主注浆孔中心，用于瓦斯抽采，主注浆孔内沿所述瓦斯抽采管轴线方向间隔设置有两个封孔用囊袋，分别是第一封孔囊袋和第二封孔囊袋；
第一灌浆管，用于向所述第一封孔囊袋内灌浆；
第二灌浆管，用于向所述第二封孔囊袋内灌浆；
第三灌浆管，用于向所述第一封孔囊袋和第二封孔囊袋之间的一段主注浆孔中灌浆；
浆液控制系统，向所述灌浆管供应浆液，包括：料仓、供水管路、搅拌筒、出浆管和控制器，其中，所述料仓内装有粉料，料仓的底部出料口与搅拌筒相连，料仓的底部出料口处安装有第一电动阀；
供水管路包括水源和注水管，注水管与搅拌筒相连并在注水口处设有第二电动阀；
搅拌筒内安装有搅拌桨叶，搅拌筒位于搅拌桨叶的一侧安装有推动活塞，搅拌筒上位于搅拌桨叶另一侧的底部安装有主出浆管，主出浆管入口旁设有浆液浓度传感器；
主出浆管分别通过出浆管单元与灌浆管相连，每个出浆管单元上均设有第三电动阀；
第一灌浆管、第二灌浆管和第三灌浆管的内部均设有压力传感器；
所述压力传感器、浆液浓度传感器均与控制器的信号输入端连接；
所述控制器的信号输出端与所述第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀、搅拌桨叶驱动机构以及活塞驱动机构连接。
2.根据权利要求1所述的瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统，其特征在于，所述主注浆孔的两侧煤层中对称设有两根辅助灌浆管，用于向煤层裂隙内注浆，所述辅助灌浆管通过出浆管单元与主出浆管相连。
3.根据权利要求2所述的瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统，其特征在于，所述辅助灌浆管的孔径小于第三灌浆管。
4.根据权利要求1所述的瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统，其特征在于，所述搅拌桨叶为螺旋面叶。
5.根据权利要求1所述的瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液囊袋封孔系统，其特征在于，所述第一灌浆管和第二灌浆管均为PVC管。
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2020
- 2020-05-13 CN CN202020786058.4U patent/CN212130542U/zh not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113236341A (zh) * | 2021-06-02 | 2021-08-10 | 山东科技大学 | 一种煤矿井下强化瓦斯抽采的装置及使用方法 |
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