CN108278096B - 一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置及方法，包括并排设置的抽采管和注浆注液封孔器，所述注浆注液封孔器包括注浆管、注液管以及顺次固定连接在注浆管上的第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋，注浆管的前端开口后端设置有堵头，所述注液管与注浆管并排设置，注液管的前后端均开口，注液管从第一囊袋和注浆管之间穿过，且注液管的后端开口设置于第一囊袋和第二囊袋之间；所述可伸缩抽采管与注浆管被第一囊袋、第二囊袋、第三囊袋所包裹。本发明适应抽采钻孔的拉伸、错断等动态变形，保证封孔材料和抽采管的完好密封性，并及时封堵松动圈内形成的动态裂隙，隔断漏气通道，确保底板穿层钻孔的高效抽采。

Description

一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿机械领域，尤其是涉及一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置及方法。

背景技术

煤层瓦斯既是影响煤矿安全高效生产的主要因素，也是一种宝贵的能源资源。瓦斯抽采是消除煤矿重大瓦斯事故的根本性措施，也是获取清洁能源、增加能源供给、减少环境污染的重要举措。随着矿井向深部开采，瓦斯压力、瓦斯含量增大，瓦斯灾害日益严重，瓦斯抽采成为保证高瓦斯矿井、突出矿井安全生产的重要技术手段，得到了广泛应用。

由于地质条件的限制以及煤层透气性低、煤层松软的影响，传统的顺层钻孔容易出现打钻深度浅、控制不均匀等问题，不能从根本上保证瓦斯治理效果。利用煤层底板岩巷向煤层施工穿层钻孔，对未采区域进行大面积预抽，一是保证了钻孔布置到位、控制均匀，二是借助于岩柱的保护，安全作业有了保障。底板穿层钻孔预抽煤层瓦斯成为突出矿井防治煤与瓦斯突出事故、保证安全作业的主要技术措施。

为了高效抽采瓦斯，必须对抽采钻孔进行密封。目前煤层瓦斯抽采钻孔封孔方法主要有聚氨酯发泡材料封孔、水泥浆封孔、专用封孔器封孔及其组合封孔。这些封孔方法的本质都属于一次性封堵技术，未考虑钻孔的动态变形特征，致使封孔效果不理想，瓦斯抽采效果差。

根据矿山压力知识以及井下观测，在岩石巷道周围存在一个松动圈，该范围一般为巷道半径的3~5倍。在松动圈内，岩石发生离层、错动、膨胀等现象，如果抽采钻孔的封孔材料和抽采管不适应这种动态变化，无伸缩性的抽采管、固体封孔段的完整性极易受到破坏，引起抽采钻孔漏气；抽采钻孔将承受拉伸应力、剪切应力的作用，造成封孔材料和抽采管的拉断、错断，形成漏气通道，降低瓦斯抽采效果。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置及方法，通过固液两相封孔技术和可伸缩抽采管的配合使用，适应抽采钻孔的拉伸、错断等动态变形，保证封孔材料和抽采管的完好密封性，并及时封堵松动圈内形成的动态裂隙，隔断漏气通道，确保底板穿层钻孔的高效抽采。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置，包括并排设置的抽采管和注浆注液封孔器，所述注浆注液封孔器包括注浆管、注液管以及顺次固定连接在注浆管上的第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋，注浆管的前端开口后端设置有堵头，所述注浆管上设置有控制向第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋注浆的第一单向注浆组件、第二单向注浆组件和第三单向注浆组件，所述第二囊袋和第三囊袋之间的注浆管上设置有爆破阀；所述注液管与注浆管并排设置，注液管的前后端均开口，注液管从第一囊袋和注浆管之间穿过，且注液管的后端开口设置于第一囊袋和第二囊袋之间；所述可伸缩抽采管与注浆管被第一囊袋、第二囊袋、第三囊袋所包裹。

作为优选，所述抽采管为可伸缩抽采管，可伸缩抽采管包括第一抽采管、第二抽采管和密封管，所述第一抽采管的后端和第二抽采管的前端通过密封管相连接，且密封管套设在第一抽采管和第二抽采管连接处的外部，第一抽采管和第二抽采管直径相同，密封管的直径大于第一抽采管和第二抽采管的直径，第二抽采管与密封管密封固定连接，第一抽采管与密封管密封滑动连接。

作为优选，第一抽采管与密封管之间设置有保证密封性的密封圈组件，所述密封圈组件套设于第一抽采管的外部，包括第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈，所述密封管的内侧开有用于放置第一密封圈和第二密封圈的第一凹槽和第二凹槽，所述第一抽采管的前端开有放置第三密封圈的第三凹槽。

作为优选，所述第二抽采管的后端开有多个小孔。

作为优选，所述第一单向注浆组件密封设置于第一囊袋的内部，所述第二单向注浆组件密封设置于第二囊袋的内部，所述第三单向注浆组件密封设置于第三囊袋的内部。

作为优选，所述第一单向注浆组件、第二单向注浆组件和第三单向注浆组件的结构均相同，均包括注浆套管，所述注浆管上与第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋的对应位置处均开有注浆孔，所述注浆套管套设在注浆管上与注浆孔的对应位置处。

作为优选，所述第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋的两端均通过囊袋管箍固定在注浆管上。

采用上述的封孔装置的封孔方法，包括以下步骤：

①、由底板岩石巷道向煤层施工底板穿层钻孔；

②、底板穿层钻孔施工完毕后，根据钻孔施工深度选择合适长度的可伸缩抽采管和注浆注液封孔器，并将它们组合在一起，放置到底板穿层钻孔内的预定位置；同时保证可伸缩抽采管的密封管位于注浆注液封孔器的第一囊袋和第二囊袋之间；

③、将注浆注液封孔器的注浆管与注浆装置连接，将配制好的水泥浆注入钻孔内，在注浆压力的作用下，第一单向注浆组件、第二单向注浆组件和第三单向注浆组件均打开，向第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋注浆内注入水泥浆，使囊袋膨胀起来，将第一囊袋和第二囊袋之间、第二囊袋和第三囊袋之间分别形成独立间隔，注浆压力达到一定数值后，压力打开第二囊袋和第三囊袋之间的爆破阀，水泥浆充满第二囊袋和第三囊袋之间的独立间隔，形成固体封孔段，注浆结束；

④、注浆48h之后，第二囊袋和第三囊袋之间的水泥浆凝固成固体封孔段；将注浆注液封孔器的注液管与注浆装置连接，通过注液管向第一囊袋和第二囊袋之间的独立间隔注入特制液体，压力保持1MPa以上，形成液体封孔段，注液结束。

本发明的有益效果为：1、在底板岩石巷道松动圈内，底板穿层抽采钻孔的密封采用固液两相密封技术和可伸缩抽采管，可伸缩抽采管和液体封孔段处于底板巷道岩层裂隙松动圈内，它们的配合使用适应巷道围岩发生的离层、错动等变形破坏，保证抽采管、封孔材料的完整性，液体及时封堵形成的动态裂隙，提高了抽采钻孔的密封效果；2、在底板岩石巷道松动圈内，液体封孔段保持一定的压力，液体的压力高于巷道中的空气压力，适应巷道岩层裂隙松动圈的动态变化，并且液体可以及时封堵岩层动态破坏形成的裂隙，并向周边渗透，形成液体隔离屏，阻断了巷道空气向负压抽采区域的运移。

附图说明

图1为本发明的具体应用示意图；

图2为图1中的注浆注液封孔器的结构示意图；

图3为图2中第一囊袋的剖视图；

图4为图1中可伸缩抽采管的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所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，因此不能理解为对本发明的限制，亦非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明的具体安装示意图，其中7为底板岩石巷道、8为煤层、9为巷道岩层裂隙松动圈。

一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置，包括并排设置的抽采管和注浆注液封孔器2，本发明的抽采管为可伸缩抽采管1，可伸缩抽采管1包括第一抽采管11、第二抽采管12和密封管13，第一抽采管11的后端和第二抽采管12的前端通过密封管13相连接，且密封管13套设在第一抽采管11和第二抽采管12连接处的外部，第一抽采管11和第二抽采管12直径相同，密封管13的直径大于第一抽采管11和第二抽采管12的直径，第二抽采管12与密封管13密封固定连接，本实施例中，可以采用密封胶将第二抽采管12与密封管13密封固定连接，也可以将第二抽采管12与密封管13一体制成，第一抽采管11与密封管13密封滑动连接。

本实施例中，第一抽采管11与密封管13之间设置有保证密封性的密封圈组件，密封圈组件套设于第一抽采管11的外部，包括第一密封圈14、第二密封圈15和第三密封圈16，密封管13的内侧开有用于放置第一密封圈14和第二密封圈15的第一凹槽17和第二凹槽18，第一抽采管11的前端开有放置第三密封圈16的第三凹槽19。

第二抽采管12的后端开有多个小孔121。

注浆注液封孔器2包括注浆管21、注液管22以及顺次固定连接在注浆管21上的第一囊袋23、第二囊袋24和第三囊袋25，注浆管21的前端开口后端设置有堵头29，注浆管21的前端安装有注浆阀门33，注浆管21上设置有控制向第一囊袋23、第二囊袋24和第三囊袋25注浆的第一单向注浆组件26、第二单向注浆组件27和第三单向注浆组件28，第二囊袋24和第三囊袋25之间的注浆管21上设置有爆破阀30；注液管22与注浆管21并排设置，注液管22的前后端均开口，注液管22的前端安装有注液阀门34， 注液管22从第一囊袋23和注浆管21之间穿过，且注液管22的后端开口设置于第一囊袋23和第二囊袋24之间，可伸缩抽采管1与注浆管21被第一囊袋23、第二囊袋24、第三囊袋25所包裹。

第一单向注浆组件26密封设置于第一囊袋23的内部，第二单向注浆组件27密封设置于第二囊袋24的内部，第三单向注浆组件28密封设置于第三囊袋25的内部。

第一单向注浆组件26、第二单向注浆组件27和第三单向注浆组件28的结构均相同，均包括注浆套管3，注浆管21上与第一囊袋23、第二囊袋24和第三囊袋25的对应位置处均开有注浆孔4，注浆套管3套设在注浆管21上与注浆孔4的对应位置处。

第一囊袋23、第二囊袋24和第三囊袋25的两端均通过囊袋管箍5固定在注浆管21上。

本发明涉及的封孔装置的封孔方法，包括以下步骤：

①、由底板岩石巷道7向煤层8施工底板穿层钻孔6；

②、底板穿层钻孔6施工完毕后，根据钻孔施工深度选择合适长度的可伸缩抽采管1和注浆注液封孔器2，并将它们组合在一起，放置到底板穿层钻孔6内的预定位置；同时保证可伸缩抽采管1的密封管13位于注浆注液封孔器2的第一囊袋23和第二囊袋24之间；

③、将注浆注液封孔器2的注浆管21与注浆装置连接，将配制好的水泥浆注入钻孔内，在注浆压力的作用下，第一单向注浆组件26、第二单向注浆组件27和第三单向注浆组件28均打开，向第一囊袋23、第二囊袋24和第三囊袋25注浆内注入水泥浆，使囊袋膨胀起来，将第一囊袋23和第二囊袋24之间、第二囊袋24和第三囊袋25之间分别形成独立间隔，注浆压力达到一定数值后，压力打开第二囊袋24和第三囊袋25之间的爆破阀30，水泥浆充满第二囊袋24和第三囊袋25之间的独立间隔，形成固体封孔段31，注浆结束；

④、注浆48h之后，第二囊袋24和第三囊袋25之间的水泥浆凝固成固体封孔段31；将注浆注液封孔器2的注液管22与注浆装置连接，通过注液管22向第一囊袋23和第二囊袋24之间的独立间隔注入特制液体，压力保持1MPa以上，形成液体封孔段32，注液结束。

封孔参数主要指的是固体封孔段31长度和液体封孔段32长度，固体封孔段31的长度一般为5m，处于巷道岩层裂隙松动圈9之外，不受巷道岩层的离层、错断等变形破坏的影响；液体封孔段32长度要大于等于巷道岩层裂隙松动圈9的大小，一般为10m即可，在巷道岩层裂隙松动圈9内，液体密封适应巷道岩层的离层、错断等变形破坏，能够保证液体封孔段32的完整性，并及时封堵巷道岩层裂隙松动圈9内的动态裂隙。

通过以上过程完成底板穿层钻孔6的密封，形成底板穿层钻孔6的动态自适应封孔装置和方法。在底板穿层钻孔6的抽采服务期内，定时观察液体封孔段8内的液体压力，当液体压力低于1MPa时，及时注液增压，保持带压密封。

本发明的原理是：（1）岩石巷道掘好后，在矿山压力的作用下，巷道围岩及顶板发生离层、错动等变形，在巷道周围形成巷道岩层裂隙松动圈9，随着时间的延长，变形量逐渐增大；（2）底板穿层钻孔6通过固液两相密封技术和可伸缩抽采管1的配合使用，适应巷道围岩发生的离层、错动等变形破坏，保证可伸缩抽采管1、封孔材料的完整性，液体及时封堵形成的动态裂隙，提高了抽采钻孔的密封效果；（3）巷道岩层裂隙松动圈9内充满了带有一定压力的液体，液体的压力高于巷道中的空气压力，阻断了巷道空气向负压抽采区域的运移。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置，其特征在于：包括并排设置的抽采管和注浆注液封孔器，所述注浆注液封孔器包括注浆管、注液管以及顺次固定连接在注浆管上的第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋，注浆管的前端开口后端设置有堵头，所述注浆管上设置有控制向第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋注浆的第一单向注浆组件、第二单向注浆组件和第三单向注浆组件，所述第二囊袋和第三囊袋之间的注浆管上设置有爆破阀；所述注液管与注浆管并排设置，注液管的前后端均开口，注液管从第一囊袋和注浆管之间穿过，且注液管的后端开口设置于第一囊袋和第二囊袋之间；可伸缩抽采管与注浆管被第一囊袋、第二囊袋、第三囊袋所包裹；

所述抽采管为可伸缩抽采管，可伸缩抽采管包括第一抽采管、第二抽采管和密封管，所述第一抽采管的后端和第二抽采管的前端通过密封管相连接，且密封管套设在第一抽采管和第二抽采管连接处的外部，第一抽采管和第二抽采管直径相同，密封管的直径大于第一抽采管和第二抽采管的直径，第二抽采管与密封管密封固定连接，第一抽采管与密封管密封滑动连接；

第一抽采管与密封管之间设置有保证密封性的密封圈组件，所述密封圈组件套设于第一抽采管的外部，包括第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈，所述密封管的内侧开有用于放置第一密封圈和第二密封圈的第一凹槽和第二凹槽，所述第一抽采管的前端开有放置第三密封圈的第三凹槽；

可伸缩抽采管的密封管位于注浆注液封孔器的第一囊袋和第二囊袋之间；

可伸缩抽采管和液体封孔段处于底板巷道岩层裂隙松动圈内。

2.根据权利要求1所述的一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置，其特征在于：所述第二抽采管的后端开有多个小孔。

3.根据权利要求2所述的一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置，其特征在于：所述第一单向注浆组件密封设置于第一囊袋的内部，所述第二单向注浆组件密封设置于第二囊袋的内部，所述第三单向注浆组件密封设置于第三囊袋的内部。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置，其特征在于：所述第一单向注浆组件、第二单向注浆组件和第三单向注浆组件的结构均相同，均包括注浆套管，所述注浆管上与第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋的对应位置处均开有注浆孔，所述注浆套管套设在注浆管上与注浆孔的对应位置处。

5.根据权利要求4所述的一种煤层底板穿层钻孔动态自适应封孔装置，其特征在于：所述第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋的两端均通过囊袋管箍固定在注浆管上。

6.根据权利要求5所述的封孔装置的封孔方法，其特征在于，包括以下步骤：

①、由底板岩石巷道向煤层施工底板穿层钻孔；

②、底板穿层钻孔施工完毕后，根据钻孔施工深度选择合适长度的可伸缩抽采管和注浆注液封孔器，并将它们组合在一起，放置到底板穿层钻孔内的预定位置；同时保证可伸缩抽采管的密封管位于注浆注液封孔器的第一囊袋和第二囊袋之间；

③、将注浆注液封孔器的注浆管与注浆装置连接，将配制好的水泥浆注入钻孔内，在注浆压力的作用下，第一单向注浆组件、第二单向注浆组件和第三单向注浆组件均打开，向第一囊袋、第二囊袋和第三囊袋注浆内注入水泥浆，使囊袋膨胀起来，将第一囊袋和第二囊袋之间、第二囊袋和第三囊袋之间分别形成独立间隔，注浆压力达到一定数值后，压力打开第二囊袋和第三囊袋之间的爆破阀，水泥浆充满第二囊袋和第三囊袋之间的独立间隔，形成固体封孔段，注浆结束；

④、注浆48h之后，第二囊袋和第三囊袋之间的水泥浆凝固成固体封孔段；将注浆注液封孔器的注液管与注浆装置连接，通过注液管向第一囊袋和第二囊袋之间的独立间隔注入特制液体，压力保持1MPa以上，形成液体封孔段，注液结束。