申请/专利权人：辽宁工程技术大学

申请日：2019-06-13

公开（公告）日：2021-04-13

公开（公告）号：CN110145272B

主分类号：E21B33/12(20060101)

分类号：E21B33/12(20060101);E21B33/13(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.13#授权;2019.09.13#实质审查的生效;2019.08.20#公开

摘要：一种瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置及其使用方法，其装置由抽采管注水管、高弹性橡胶管、由内外封堵弹性囊袋及其连接管构成的一体式弹性囊袋和注浆管组成；抽采管注水管穿过橡胶管并与其两端密封连接；进水管和排水管分别设有开关和单向阀；一体式弹性囊袋包裹橡胶管；注浆管穿过与其密封连接的内外封堵弹性囊袋，并在内外封堵弹性囊袋中有单向阀，在内外弹性囊袋之间段有爆破阀。其使用方法包括注水、注浆、通过爆破阀向注浆空间注浆、停止注浆、浆液凝固前再次注水使水压保持恒定、完成瓦斯抽采或注水后取出抽采管和橡胶管重复使用。该发明可以完全排除注浆空间中气体，通过保持注浆压力恒定消减钻孔裂隙的出现和增加钻孔围岩中裂隙封堵范围，提高瓦斯抽采量或注水效果。

主权项：1.一种瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置，包括抽采管注水管2、高弹性橡胶管7、一体式弹性囊袋和注浆管13；其特征在于：所述抽采管注水管穿过所述高弹性橡胶管，高弹性橡胶管的两端通过外锁紧压头5和内锁紧压头6与抽采管注水管密封连接，在抽采管注水管与高弹性橡胶管之间形成封闭的充水空间19，在外锁紧压头中有一端伸入所述充水空间、另一端伸出外锁紧压头的进水管3和排水管4，进水管中有控制水流通的旋转开关18，排水管中有排水单向阀16；所述一体式弹性囊袋包括环形外封堵弹性囊袋10和内封堵弹性囊袋11，外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋通过弹性囊袋连接管12连成一体，并紧密包裹在高弹性橡胶管上，由高弹性橡胶管两端的外限位凸起8和内限位凸起9限位，外封堵弹性囊袋、内封堵弹性囊袋、弹性囊袋连接管和钻孔围岩1之间形成密闭的注浆空间20；所述注浆管13与抽采管注水管的轴线平行穿过外封堵弹性囊袋和内封堵囊袋，并用卡圈14与外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋密封连接；注浆管在外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋中分别设置有单向阀15，注浆管在外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋密之间段设有爆破阀17。

全文数据：一种瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置及其使用方法技术领域本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采和煤层注水封孔技术，特别是一种瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置及其使用方法。背景技术瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等瓦斯灾害的主要措施，其抽采效率和防治效果受封孔质量的影响。煤层注水不仅可以防治冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井灾害，同时降低井下巷道风流中粉尘量，提高矿井作业环境，其防治效果同样受封孔质量的影响。因此，封孔是影响煤层瓦斯抽采和注水的关键技术。对于瓦斯抽采或注水钻孔，漏气或漏水通道主要有两种：第一种，由于人造材料存在孔隙或发生收缩，或与孔壁接触不严等因素形成漏气或漏水通道；第二种，受巷道和钻孔开挖影响，在钻孔周围形成裂隙圈，由裂隙圈形成漏气或漏水通道。目前，瓦斯抽采或注水钻孔常用的封孔装置包括机械式橡胶封孔器和“两堵一注”注浆封孔器。橡胶封孔器能够实现封孔装置的重复使用，但在钻孔壁不光滑、不规则等情况下，封孔效果差，特别是针对上述第二种，漏气或漏水通道封堵效果差。“两堵一注”注浆封孔是利用注浆管向钻孔两封孔囊袋之间形成的密闭空间注浆，同时使用排浆管排出空气实现封孔。“两堵一注”注浆封孔因封孔速度快，目前得到了广泛使用，但使用因存在注浆段空气和浆液中过多的水分不能排除，浆料凝固后在钻孔围岩周边形成裂隙和空洞，以及注浆段注浆时，压力的增大使钻孔扩大，使囊袋和钻孔壁形成空隙等问题，使其实际封孔效果不够理想；另外，其封孔段部件不能回收，成本较高。CN107387019A专利文献披露的一种注浆封孔器，该封孔器采取“两堵一注”注浆封孔方式，由抽采管及其上排放孔、滤布、上下封孔囊袋、注浆管和出浆管组成。该封孔器虽然能够将注浆段中空气和水经滤布、排放孔由抽采管排出，但实际使用尚存在以下缺陷：①在注浆压力作用下，浆液中的水过多的从抽采管排出，使浆液流动性降低，向钻孔围岩中裂隙渗透量和渗透范围减小，降低了对上述第二种漏气或漏水通道的封堵效果；②注浆压力的增大，使钻孔扩大，使前囊袋和钻孔壁产生空隙，降低了上述第一种漏气或漏水通道的封堵效果；③封孔器的部件不能重复使用，封孔成本较高。发明内容为克服上述“两堵一注”注浆封孔存在的缺陷，本发明提供一种瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置；本发明还提供这种封孔装置的使用方法。本发明提供的瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置，包括抽采管注水管、高弹性橡胶管、一体式弹性囊袋和注浆管；所述抽采管注水管穿过所述高弹性橡胶管，高弹性橡胶管的两端通过外锁紧压头和内锁紧压头与抽采管注水管密封连接，在抽采管注水管与高弹性橡胶管之间形成封闭的充水空间，在外锁紧压头中有一端伸入所述充水空间、另一端伸出外锁紧压头的进水管和排水管，进水管中有控制水流通的旋转开关，排水管中有排水单向阀排水单向阀达到开启压力后开启，使充水空间的水部分排出，保持充水空间的水压恒定；所述一体式弹性囊袋包括环形外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋，外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋通过弹性囊袋连接管连成一体，并紧密包裹在高弹性橡胶管上，由高弹性橡胶管两端的外限位凸起和内限位凸起限位防止一体式弹性囊袋移位或脱落，外封堵弹性囊袋、内封堵弹性囊袋、弹性囊袋连接管和钻孔围岩之间形成密闭的注浆空间；所述注浆管与抽采管注水管的轴线平行穿过外封堵弹性囊袋和内封堵囊袋，并用卡圈与外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋密封连接；注浆管在外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋中分别设置有单向阀浆液经过单向阀流入外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋中，注浆管在外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋密之间段设有爆破阀在一定压力下爆破阀破裂，使浆液流入注浆空间。所述注浆管中的单向阀的开启压力小于所述排水管中排水单向阀的开启压力。所述外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋注满浆后沿抽采管注水管轴向的宽度为400—600mm在注浆前囊袋为瘪的。为装置使用时尽量排出高弹性橡胶管中的气体，提高注浆体积计量的准确性，所述排水管伸入充水空间的长度根据钻孔类型确定：对于平行钻孔和下行钻孔，排水管伸入充水空间的端部距外内锁紧压头3～5mm；对于上行钻孔，排水管伸入充水空间的端部距内锁紧压头3～5mm。为使浆液均匀充填注浆空间，所述爆破阀在注浆管中的安装位置根据钻孔类型确定：对于平行钻孔，爆破阀安装在注浆管注浆空间段的中部；对于下行钻孔，爆破阀安装在注浆管注浆空间段的上部、距外锁紧压头6mm处；对于上行钻孔，爆破阀安装在注浆管注浆空间段的上部，距内锁紧压头6mm。本发明封孔装置的使用方法包括以下步骤：步骤1、利用进水管向高弹性橡胶管内注水至排水管出水为止，此时高弹性橡胶管被水完全填充，高弹性橡胶管及弹性囊袋连接管同时膨胀，高弹性橡胶管将一体式弹性囊袋压紧在钻孔的孔壁上，将注浆空间中的空气完全挤出；步骤2、然后利用注浆管向外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋内注浆，使外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋膨胀，高弹性橡胶管被膨胀的一体式弹性囊袋压缩，使高弹性橡胶管内的水压升高，超过排水管中排水单向阀的开启压力后，排水单向阀打开，水从排水管中排出，使高弹性橡胶管中的水压保持恒定；步骤3、随着外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋注浆的进行，注浆管中注浆压力增大，当注浆压力超过爆破阀开启压力时，爆破阀破裂开启，浆液穿过注浆管进入注浆空间；步骤4、在爆破阀破裂开启的同时，记录排水管排出水的体积约等于注浆空间里的浆液体积，该体积达到设定的注浆量时停止注浆，关闭注浆管；步骤5、在浆液凝固前，浆液逐渐进入钻孔围岩裂隙中，注浆空间中浆液量减少，高弹性橡胶管中水压相应降低，为扩大浆液渗透范围，在高弹性橡胶管中水压降低时，通过旋转开关再次接通进水管进行注水，注水至排水管有水流出为止，使高弹性橡胶管中水压保持恒定，进而在浆液凝固前保持恒定的裂隙注浆压力；步骤6、钻孔瓦斯或水抽采完毕后，打开注水管旋转开关，放出高弹性橡胶管中的水，高弹性橡胶管收缩，与一体式囊袋分离，取出抽采管和高弹性橡胶管，在高弹性橡胶管上安装新的一体式囊袋，用于新的抽采钻孔。与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：1、本发明利用高弹性橡胶管注水膨胀的挤压作用可以完全排除注浆空间中的气体，使浆液能够充满注浆空间，有效地封堵由注浆空间存在的气体形成的漏气漏水通道，提高瓦斯抽采量或注水效果。2、本发明通过保持高弹性橡胶管中的水压恒定，使注浆压力在浆液凝固之前始终保持恒定，达到消减外封堵弹性囊袋与钻孔间裂隙出现和增加钻孔围岩中裂隙封堵范围的效果，进一步提高瓦斯抽采量或注水效果。3、本发明不需使用排浆管，其抽采管和高弹性橡胶管可重复使用，封孔成本较低。附图说明图1为本发明装置用于平行钻孔封孔时的结构示意图；图2为本发明装置用于上行钻孔封孔时的结构示意图；图3为本发明装置用于下行钻孔封孔时的结构示意图；图4为沿本发明中外封堵弹性囊袋的径向剖面图。图中，1、钻孔围岩，2、抽采管注水管，3、进水管，4、排水管，5、外锁紧压头，6、内锁紧压头，7、高弹性橡胶管，8、外限位凸起，9、内限位凸起，10、外封堵弹性囊袋，11、内封堵弹性囊袋，12、弹性囊袋连接管，13、注浆管，14、卡圈，15、单向阀，16、排水单向阀，17、爆破阀，18、旋转开关，19、充水空间，20、注浆空间。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：结合图1和图4，本实施例瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置，包括抽采管注水管2、高弹性橡胶管7、一体式弹性囊袋和注浆管13；所述抽采管注水管穿过所述高弹性橡胶管，高弹性橡胶管的两端通过外锁紧压头5和内锁紧压头6与抽采管注水管密封连接，在抽采管注水管与高弹性橡胶管之间形成封闭的充水空间19，在外锁紧压头中有一端伸入所述充水空间、另一端伸出外锁紧压头的进水管3和排水管4，进水管中有控制水流通的旋转开关18，排水管中有排水单向阀16排水单向阀达到开启压力后开启，使充水空间的水部分排出，保持充水空间的水压恒定；所述一体式弹性囊袋包括环形外封堵弹性囊袋10和内封堵弹性囊袋11，外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋沿抽采管注水管轴向的宽度为500mm，外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋通过弹性囊袋连接管12连成一体，并紧密包裹在高弹性橡胶管上，由高弹性橡胶管两端的外限位凸起8和内限位凸起9限位防止一体式弹性囊袋移位或脱落，外封堵弹性囊袋、内封堵弹性囊袋、弹性囊袋连接管和钻孔围岩1之间形成密闭的注浆空间20；所述注浆管13与抽采管注水管的轴线平行穿过外封堵弹性囊袋和内封堵囊袋，并用卡圈14与外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋密封连接；注浆管在外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋中分别设置有单向阀15浆液经过单向阀流入外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋中，单向阀的开启压力小于所述排水管中排水单向阀的开启压力，注浆管在外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋之间段设置有爆破阀17在一定压力下爆破阀破裂，使浆液流入注浆空间。该实施例封孔装置用于不同类型的钻孔封孔时，排水管伸入充水空间的长度和爆破阀在注浆管中的安装位置不相同：用于平行钻孔，如图1所示，爆破阀安装在注浆管位于注浆空间段的中部，排水管伸入充水空间的端部距外锁紧压头3mm；用于下行钻孔，如图2所示，爆破阀安装在注浆管距外锁紧压头6mm处，排水管伸入充水空间的端部距外锁紧压头3mm；用于上行钻孔，如图3所示，爆破阀安装在注浆管距内锁紧压头6mm处，排水管伸入充水空间的端部距内锁紧压头3mm。

权利要求：1.一种瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置，包括抽采管注水管2、高弹性橡胶管7、一体式弹性囊袋和注浆管13；其特征在于：所述抽采管注水管穿过所述高弹性橡胶管，高弹性橡胶管的两端通过外锁紧压头5和内锁紧压头6与抽采管注水管密封连接，在抽采管注水管与高弹性橡胶管之间形成封闭的充水空间19，在外锁紧压头中有一端伸入所述充水空间、另一端伸出外锁紧压头的进水管3和排水管4，进水管中有控制水流通的旋转开关18，排水管中有排水单向阀16排水单向阀达到开启压力后开启，使充水空间的水部分排出，保持充水空间的水压恒定；所述一体式弹性囊袋包括环形外封堵弹性囊袋10和内封堵弹性囊袋11，外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋通过弹性囊袋连接管12连成一体，并紧密包裹在高弹性橡胶管上，由高弹性橡胶管两端的外限位凸起8和内限位凸起9限位防止一体式弹性囊袋移位或脱落，外封堵弹性囊袋、内封堵弹性囊袋、弹性囊袋连接管和钻孔围岩1之间形成密闭的注浆空间20；所述注浆管13与抽采管注水管的轴线平行穿过外封堵弹性囊袋和内封堵囊袋，并用卡圈14与外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋密封连接；注浆管在外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋中分别设置有单向阀15，注浆管在外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋密之间段设有爆破阀17。2.根据权利要求1所述的瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置，其特征在于：所述注浆管中的单向阀15的开启压力小于所述排水管中排水单向阀16的开启压力。3.根据权利要求1所述的瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置，其特征在于：所述外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋注满浆后沿抽采管注水管轴向的宽度为400—600mm。4.根据权利要求1所述的瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置，其特征在于：所述排水管4伸入充水空间19的长度根据钻孔类型确定：对于平行钻孔和下行钻孔，排水管伸入充水空间的端部距外内锁紧压头3～5mm；对于上行钻孔，排水管伸入充水空间的端部距内锁紧压头3～5mm。5.根据权利要求1所述的瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置，其特征在于：所述爆破阀17在注浆管中的安装位置根据钻孔类型确定：对于平行钻孔，爆破阀安装在注浆管注浆空间段的中部；对于下行钻孔，爆破阀安装在注浆管注浆空间段的上部、距外锁紧压头6mm处；对于上行钻孔，爆破阀安装在注浆管注浆空间段的上部，距内锁紧压头6mm。6.权利要求1所述瓦斯抽采和煤层注水两用封孔装置的使用方法，包括以下步骤：步骤1、利用进水管向高弹性橡胶管内注水至排水管出水为止，此时高弹性橡胶管被水完全填充，高弹性橡胶管及弹性囊袋连接管同时膨胀，高弹性橡胶管将一体式弹性囊袋压紧在钻孔的孔壁上，将注浆空间中的空气完全挤出；步骤2、然后利用注浆管向外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋内注浆，使外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋膨胀，高弹性橡胶管被膨胀的一体式弹性囊袋压缩，使高弹性橡胶管内的水压升高，超过排水管中排水单向阀的开启压力后，排水单向阀打开，水从排水管中排出，使高弹性橡胶管中的水压保持恒定；步骤3、随着外封堵弹性囊袋和内封堵弹性囊袋注浆的进行，注浆管中注浆压力增大，当注浆压力超过爆破阀开启压力时，爆破阀破裂开启，浆液穿过注浆管进入注浆空间；步骤4、在爆破阀破裂开启的同时，记录排水管排出水的体积，该体积达到设定的注浆量时停止注浆，关闭注浆管；步骤5、在浆液凝固前，浆液逐渐进入钻孔围岩裂隙中，注浆空间中浆液量减少，高弹性橡胶管中水压相应降低，为扩大浆液渗透范围，在高弹性橡胶管中水压降低时，通过旋转开关再次接通进水管进行注水，注水至排水管有水流出为止，使高弹性橡胶管中水压保持恒定，进而在浆液凝固前保持恒定的裂隙注浆压力；步骤6、钻孔瓦斯或水抽采完毕后，打开注水管旋转开关，放出高弹性橡胶管中的水，高弹性橡胶管收缩，与一体式囊袋分离，取出抽采管和高弹性橡胶管，在高弹性橡胶管上安装新的一体式囊袋，用于新的抽采钻孔。

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