專利背景
井下抽采鑽孔深度一般在50米至數百米,僅對距離孔口一定距離的某一段鑽孔進行封孔,除傾斜鑽孔之外難以採用直接注漿的方法進行封孔,煤礦井下瓦斯抽采鑽孔的封孔分永久性封孔和臨時性封孔。2011年5月之前,公知的該煤層瓦斯抽采鑽孔的永久性封孔是以發泡
聚氨酯、
發泡水泥和其它發泡材料做為封孔材料,早期的“水泥卷封孔裝置”(ZL90227075.3)已不再採用,鑽孔直接灌漿封孔法僅適用於傾斜鑽孔,中國普遍採用發泡聚氨酯材料封孔。2011年5月之前,公知的採煤工作面
瓦斯抽放鑽孔的臨時性封孔採用可復用的機械封孔裝置封孔,如“井下瓦斯抽放充氣式囊袋封孔器”(ZL94209078.0)、膠套膨脹式“煤岩層鑽孔封孔器”(ZL200420010782.9)等。該申請人發明“囊袋式注漿封孔裝置及其封孔方法”(ZL200710054384.5)存在的缺陷是:第一,管外注漿,必須雙管並列插入鑽孔,限制了封孔管的直徑,瓦斯抽采的阻力加大;第二,兩個囊袋之間的注漿依靠彈簧球珠單向閥控制開啟壓力,彈簧球珠單向閥存在注漿壓降,導致兩個囊袋之間的注漿壓力低於兩個囊袋的注漿壓力,影響封孔的質量和效果;第三,彈簧球珠單向閥受井下潮濕環境的影響,開啟壓力變化較大,導致封孔的成功率降低。該申請人發明“瓦斯抽采二次高壓注漿封孔裝置及其封孔方法”(ZL200910064186.6),存在的缺陷是:第一,需要間隔一定時間分兩次注漿封孔,注漿封孔工藝繁瑣;第二,首次向囊袋注漿之後,進漿口不可避免的出現滴漿現象,需要對滴漿進行清水沖洗,沖洗不當將會導致第二次注漿時注漿插頭難以插入,導致二次注漿失敗;第三,在結構上限制了兩個囊袋帶之間鑽孔注漿段的長度,影響封孔效果。另外,該申請人以前發明的兩項技術(ZL200910064186.6和ZL200710054384.5)還存在一個共同缺陷,即囊袋兩端的綑紮均採用外綑紮方式,綑紮的抗撕裂能力小於囊袋的抗撕裂能力,不能充分發揮囊袋的注漿膨脹效果,綑紮的可靠度不高。
發明內容
專利目的
《瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置與封孔方法》的目的在於提供一種能夠實現對封孔段鑽孔實施更有效注漿封孔、更好的防止封孔段鑽孔周圍漏氣裂隙的產生和發展的瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置。該發明的目的還在於提供一種使用上述瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置的封孔方法。
技術方案
《瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置與封孔方法》包括抽采管、注漿插頭、左囊袋和右囊袋,抽采管從左、右囊袋中穿過,其特徵在於:所述抽采管中部設有多功能閥,多功能閥包括閥體,多功能閥閥體上設有彈簧球珠單向閥和薄膜球珠單向閥,彈簧球珠單向閥設有第一進漿孔和第一出漿孔;薄膜球珠單向閥設有第二進漿孔和第二出漿孔;多功能閥閥體的左右兩側分別連線有左分流管和右分流管,左、右分流管皆套設在所述抽采管上且左、右分流管的內徑皆大於所述抽采管的外徑從而在左、右分流管與抽采管之間形成漿液流道,左分流管的左端通過左分流支撐件與所述左囊袋相連,右分流管的右端通過右分流支撐件與所述右囊袋相連,所述左、右分流支撐件上分別設有連線所述漿液流道和所述左、右囊袋的漿液通道;所述漿液流道與第一出漿孔相連通;所述左、右囊袋靠近所述多功能閥的一端分別綑紮在所述左、右分流支撐件上,所述左、右囊袋遠離所述多功能閥的一端分別綑紮在所述抽采管上;所述抽采管內插設有注漿插管,注漿時注漿插管的連線埠與所述注漿插頭內設的注漿通道相連通,所述注漿通道與所述第一和第二進漿孔相連通;所述第二出漿孔與左、右囊袋間的鑽孔相連通。
所述彈簧球珠單向閥包括多功能閥閥體內設的第一空腔,第一空腔外側的多功能閥閥體上設有第一閥蓋,第一空腔內側的多功能閥閥體上設有所述第一進漿孔且第一空腔內設有與所述第一進漿孔相適配的球珠,球珠與所述第一閥蓋之間設有壓簧,所述第一出漿孔設在所述多功能閥閥體內並與所述第一空腔相連通;所述薄膜球珠單向閥包括多功能閥閥體內設的第二空腔,第二空腔外側的多功能閥閥體上設有第二閥蓋,第二空腔內側的多功能閥閥體上設有所述第二進漿孔且第二空腔內設有與所述第二進漿孔相適配的球珠,第二閥蓋的內表面上緊貼設有薄膜,薄膜內側的多功能閥閥體上設有球珠阻止銷,第二閥蓋上設有被所述薄膜封閉的第二出漿孔,第二出漿孔外側的第二閥蓋上設有薄膜保護蓋;所述薄膜為金屬薄膜或塑膠薄膜。
左分流支撐件的左端和右分流支撐件的右端分別設有綑紮槽,所述左、右囊袋靠近所述多功能閥的一端分別以外綑紮的方式綑紮在所述綑紮槽內,所述左、右囊袋遠離所述多功能閥的一端以內綑紮的方式綑紮在所述抽采管上。
所述多功能閥為塑膠注塑件,所述左、右分流管均為塑膠管;所述左、右分流支撐件為注塑件。
所述注漿插頭內還設有前後貫通的排氣通道,用於連通多功能閥兩側的抽采管。
可排氣注漿插頭上設定有彈簧卡,彈簧卡包括彈簧和連線在彈簧兩端的鋼片。
為實現上述發明目的,該發明的封孔方法依次按以下步驟進行:第一步,將所述瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置插入鑽孔,根據要求的封孔深度,使瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置達到預定的封孔位置;第二步,準備注漿漿液;將帶有注漿插頭的注漿插管與外置注漿泵聯接,並檢查注漿泵、注漿插管和注漿插頭的工況是否良好;第三步,將帶有注漿插頭的注漿插管插入抽采管內孔,待注漿插頭接觸多功能閥時,後抽注漿插管,然後有力插入注漿插管使注漿插頭進入多功能閥達到工作位置;第四步,開動注漿泵進行注漿,注漿壓力逐步升高,漿液經由注漿插管-注漿插頭-彈簧球珠單向閥-漿液流道-漿液通道進入左、右囊袋中,兩個囊袋注漿後膨脹從而將鑽孔封堵;注漿壓力達到薄膜球珠單向閥的薄膜破壞壓力時,薄膜破損,漿液經由第二出漿孔進入左、右囊袋之間的鑽孔,注漿壓力突然降低導致彈簧球珠單向閥內的球珠在左、右囊袋內漿液的壓力作用下封堵第一進漿口,從而關閉彈簧球珠單向閥;當注漿壓力再次升高並達到設定的注漿壓力時停止注漿;第五步,拔出注漿插管和注漿插頭,封孔注漿完畢,接著對注漿插管、注漿插頭和注漿泵進行清洗,待下次封孔時使用。
採用該發明所述的技術方案,一方面利用漿液充填封孔段鑽孔周邊的裂隙,另一方面利用注漿材料的後期膨脹對封孔段鑽孔施加主動的支護,使封孔段鑽孔周圍產生高應力區,降低封孔段鑽孔周圍煤體的透氣性,實現了對封孔段鑽孔進行有效注漿封孔的目的。
改善效果
《瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置與封孔方法》有如下的優點:
1.由於注漿插管(注漿插管可以是液壓膠管、塑膠管、分段連線的金屬管等)
設在抽采管內,因此無須採用以往雙管並列插入鑽孔的工作方式,便於採用較大直徑的抽采管,減小瓦斯抽采阻力。由於薄膜球珠單向閥內沒有彈簧,因此漿液通過薄膜球珠單向閥時的壓降要小於漿液通過彈簧球珠單向閥時的壓降,使囊袋之間鑽孔的注漿壓力高於囊袋的注漿壓力,囊袋內的最終壓力會大於囊袋的注漿壓力,並與囊袋之間鑽孔內的注漿壓力保持壓力平衡,與以往囊袋間鑽孔的注漿壓力低於囊袋的注漿壓力相比,提高了封孔的質量和效果。同時,通過加長分流管的長度,可隨意提高兩個囊袋之間的鑽孔注漿長度,克服ZL200910064186.6所公開的瓦斯抽采二次高壓注漿封孔裝置所具有的兩個囊袋之間的鑽孔注漿長度受限的缺陷。
2.彈簧球珠單向閥和薄膜球珠單向閥結構簡單,便於製造,成本較低。薄膜球珠單向閥是個壓力控制閥,其打開壓力等於薄膜的破壞壓力。薄膜保護蓋的設定能夠防止薄膜在使用前尤其是在運輸過程中發生破損。
3.左、右囊袋採用內綑紮方式的一端可以利用左、右囊袋內漿液的壓力和包裹塑膠環來提高內綑紮的抗撕裂能力;左、右囊袋的另一端採用外綑紮方式綑紮在左、右分流支撐件的綑紮槽內,利用兩個囊袋之間的注漿壓力來提高外綑紮的抗撕裂力。與以往左、右囊袋兩端的均採用外綑紮方式相比,提高了綑紮的可靠性和綑紮的抗撕裂能力,克服了(ZL200910064186.6)和(ZL200710054384.5)的共同缺陷(即綑紮的抗撕裂能力小於囊袋的抗撕裂能力、不能充分發揮囊袋的注漿膨脹效果、綑紮的可靠度不高)。
4.多功能閥、注漿插管等的設定易於連線,成本較低。
5.排氣通道的設定保證了注漿封孔期間瓦斯氣流能夠穿越注漿插頭,使注漿插頭具有排氣功能,防止注漿封孔期間瓦斯氣流阻塞產生壓力從而推動注漿插頭產生移位,增強了注漿封孔工作的可靠性。
6.彈簧卡的設定能夠在注漿封孔時穩定可排氣注漿插頭。
附圖說明
圖1所示為《瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置與封孔方法》的結構示意圖;
圖2是圖1中A處的放大結構示意圖;
圖3所示為多功能閥-分流管-分流支撐件-抽采管的組裝示意圖;
圖4所示為囊袋綑紮方式示意圖;
圖5所示為可排氣注漿插頭工作示意圖;
圖6是圖5的A-A剖視圖;
圖7為注漿封孔後狀態示意圖。
權利要求
1.《瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置與封孔方法》包括抽采管、注漿插頭、左囊袋和右囊袋,抽采管從左、右囊袋中穿過,其特徵在於:所述抽采管中部設有多功能閥,多功能閥包括閥體,多功能閥閥體上設有彈簧球珠單向閥和薄膜球珠單向閥,彈簧球珠單向閥設有第一進漿孔和第一出漿孔;薄膜球珠單向閥設有第二進漿孔和第二出漿孔;多功能閥閥體的左右兩側分別連線有左分流管和右分流管,左、右分流管皆套設在所述抽采管上且左、右分流管的內徑皆大於所述抽采管的外徑從而在左、右分流管與抽采管之間形成漿液流道,左分流管的左端通過左分流支撐件與所述左囊袋相連,右分流管的右端通過右分流支撐件與所述右囊袋相連,所述左、右分流支撐件上分別設有連線所述漿液流道和所述左、右囊袋的漿液通道;所述漿液流道與第一出漿孔相連通;所述左、右囊袋靠近所述多功能閥的一端分別綑紮在所述左、右分流支撐件上,所述左、右囊袋遠離所述多功能閥的一端分別綑紮在所述抽采管上;所述抽采管內插設有注漿插管,注漿時注漿插管的連線埠與所述注漿插頭內設的注漿通道相連通,所述注漿通道與所述第一和第二進漿孔相連通;所述第二出漿孔與左、右囊袋間的鑽孔相連通。
2.根據權利要求1所述的瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置,其特徵在於:所述彈簧球珠單向閥包括多功能閥閥體內設的第一空腔,第一空腔外側的多功能閥閥體上設有第一閥蓋,第一空腔內側的多功能閥閥體上設有所述第一進漿孔且第一空腔內設有與所述第一進漿孔相適配的球珠,球珠與所述第一閥蓋之間設有壓簧,所述第一出漿孔設在所述多功能閥閥體內並與所述第一空腔相連通;所述薄膜球珠單向閥包括多功能閥閥體內設的第二空腔,第二空腔外側的多功能閥閥體上設有第二閥蓋,第二空腔內側的多功能閥閥體上設有所述第二進漿孔且第二空腔內設有與所述第二進漿孔相適配的球珠,第二閥蓋的內表面上緊貼設有薄膜,薄膜內側的多功能閥閥體上設有球珠阻止銷,第二閥蓋上設有被所述薄膜封閉的第二出漿孔,第二出漿孔外側的第二閥蓋上設有薄膜保護蓋;所述薄膜為金屬薄膜或塑膠薄膜。
3.根據權利要求1或2所述的瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置,其特徵在於:左分流支撐件的左端和右分流支撐件的右端分別設有綑紮槽,所述左、右囊袋靠近所述多功能閥的一端分別以外綑紮的方式綑紮在所述綑紮槽內,所述左、右囊袋遠離所述多功能閥的一端以內綑紮的方式綑紮在所述抽采管上。
4.根據權利要求1或2所述的瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置,其特徵在於:所述多功能閥為塑膠注塑件,所述左、右分流管均為塑膠管;所述左、右分流支撐件為注塑件。
5.根據權利要求1或2所述的瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置,其特徵在於:所述注漿插頭內還設有前後貫通的排氣通道,用於連通多功能閥兩側的抽采管。
6.根據權利要求5所述的瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置,其特徵在於:可排氣注漿插頭上設定有彈簧卡,彈簧卡包括彈簧和連線在彈簧兩端的鋼片。
7.使用權利要求2中所述瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置的封孔方法,其特徵在於依次按以下步驟進行:第一步,將所述瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置插入鑽孔,根據要求的封孔深度,使瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置達到預定的封孔位置;第二步,準備注漿漿液;將帶有注漿插頭的注漿插管與外置注漿泵聯接,並檢查注漿泵、注漿插管和注漿插頭的工況是否良好;第三步,將帶有注漿插頭的注漿插管插入抽采管內孔,待注漿插頭接觸多功能閥時,後抽注漿插管,然後有力插入注漿插管使注漿插頭進入多功能閥達到工作位置;第四步,開動注漿泵進行注漿,注漿壓力逐步升高,漿液經由注漿插管-注漿插頭-彈簧球珠單向閥-漿液流道-漿液通道進入左、右囊袋中,兩個囊袋注漿後膨脹從而將鑽孔封堵;注漿壓力達到薄膜球珠單向閥的薄膜破壞壓力時,薄膜破損,漿液經由第二出漿孔進入左、右囊袋之間的鑽孔,注漿壓力突然降低導致彈簧球珠單向閥內的球珠在左、右囊袋內漿液的壓力作用下封堵第一進漿口,從而關閉彈簧球珠單向閥;當注漿壓力再次升高並達到設定的注漿壓力時停止注漿;第五步,拔出注漿插管和注漿插頭,封孔注漿完畢,接著對注漿插管、注漿插頭和注漿泵進行清洗,待下次封孔時使用。
實施方式
如圖1至圖7所示,《瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置與封孔方法》包括抽采管6、注漿插頭5、左囊袋4A和右囊袋4B,抽采管6從左、右囊袋4A、4B中穿過,所述左、右囊袋4A、4B結構相同,均包括內外兩層,內層為乳膠套4C,外層為羅紋布套4D,所述乳膠套4C上穿刺有微孔(圖未示),便於排氣。所述抽采管6中部設有多功能閥,多功能閥包括閥體1,多功能閥上設有彈簧球珠單向閥和薄膜球珠單向閥,彈簧球珠單向閥設有第一進漿孔111和第一出漿孔112;薄膜球珠單向閥設有第二進漿孔113和第二出漿孔114。
如圖1至圖7所示,多功能閥閥體1的左右兩側分別連線有左分流管2A和右分流管2B,左、右分流管2A、2B皆套設在所述抽采管6上且左、右分流管2A、2B的內徑皆大於所述抽采管6的外徑從而在左、右分流管2A、2B與抽采管6之間形成漿液流道71,左分流管2A的左端通過左分流支撐件3A與所述左囊袋4A相連,右分流管2B的右端通過右分流支撐件3B與所述右囊袋4B相連,所述左、右分流支撐件3A、3B上分別設有連線所述漿液流道71和所述左、右囊袋4A、4B的漿液通道3C;所述漿液流道71與第一出漿孔112相連通。
如圖1和圖4所示,所述左、右囊袋4A、4B靠近所述多功能閥的一端分別綑紮在所述左、右分流支撐件3A、3B上,所述左、右囊袋4A、4B遠離所述多功能閥的一端分別綑紮在所述抽采管6上。
如圖5和圖6所示,封孔注漿時所述抽采管6內插設有注漿插管7,注漿插管7為液壓膠管且其右端在注漿時與所述注漿插頭5內設的注漿通道51相連通,所述注漿通道51與所述第一和第二進漿孔111、113相連通;封孔注漿前需要將薄膜保護蓋95撬開,使所述第二出漿孔114與左、右囊袋4A、4B間的鑽孔53直接相連通。所述注漿插頭5內還設有前後貫通的排氣通道52,用於連通多功能閥兩側的抽采管6,使抽采管6內的瓦斯氣流能夠通過注漿插頭5,實現排氣功能,減少注漿期間瓦斯氣流對注漿插頭5的推力。如圖5所示,注漿插頭5上設定有彈簧卡,彈簧卡包括彈簧72和連線在彈簧兩端的鋼片73,用來增加注漿插頭5插入多功能閥後的穩定性。
如圖1、圖2、圖3、圖5和圖6所示,所述彈簧球珠單向閥包括多功能閥閥體1內設的第一空腔115,第一空腔115外側的多功能閥閥體上設有第一閥蓋116,第一空腔115內側的多功能閥閥體1上設有所述第一進漿孔111且第一空腔115內設有與所述第一進漿孔111相適配的球珠17,球珠17與所述第一閥蓋116之間設有壓簧118,所述第一出漿孔112設在所述多功能閥閥體1內並與所述第一空腔115相連通。
如圖1、圖2、圖3、圖5和圖6所示,所述薄膜球珠單向閥包括多功能閥閥體1內設的第二空腔120,第二空腔120外側的多功能閥閥體1上設有第二閥蓋92,第二空腔120內側的多功能閥閥體1上設有所述第二進漿孔113且第二空腔120內設有與所述第二進漿孔113相適配的球珠17,第二閥蓋92的內表面上緊貼設有薄膜93,薄膜93內側的多功能閥閥體1上設有球珠阻止銷94,第二閥蓋92上設有被所述薄膜93封閉的第二出漿孔114,第二出漿孔114外側的第二閥蓋92上設有薄膜保護蓋95;所述薄膜93為金屬薄膜或塑膠薄膜。
如圖1和圖4所示,左分流支撐件3A的左端和右分流支撐件3B的右端分別設有綑紮槽31,所述左、右囊袋4A、4B靠近所述多功能閥的一端分別以外綑紮的方式綑紮在所述綑紮槽31內,所述左、右囊袋4A、4B遠離所述多功能閥的一端以內綑紮的方式綑紮在所述抽采管6上。如圖1和圖4所示,綑紮時,首先採用囊袋內綑紮41將左、右囊袋4A、4B的一端分別直接綑紮在抽采管6上,囊袋內綑紮41由綑紮繩411和包括環412構成;其次對左、右囊袋4A、4B的另一端採用囊袋外綑紮42分別綑紮於左、右分流支撐件3A、3B的綑紮槽31內。囊袋內綑紮41可以利用左、右囊袋4A、4B內的注漿壓力提高綑紮的抗撕裂能力,囊袋外綑紮42可以利用左、右囊袋4A、4B之間的注漿壓力提高綑紮的抗撕裂能力。
其中,所述多功能閥為塑膠注塑件,所述注漿插管7為液壓膠管;所述左、右分流管2A、2B均為塑膠管;所述左、右分流支撐件3A、3B為注塑件。所述抽采管6與所述多功能閥閥體1通過粘接的方式相連線,下述部件之間均通過粘接或熱熔連線的方式連線在一起:
(1)所述多功能閥閥體1與所述左、右分流管2A、2B;
(2)所述左、右分流管2A、2B與所述左、右分流支撐件3A、3B。
如圖7所示,封孔注漿後,左、右囊袋4A、4B內以及左、右囊袋4A、4B之間的鑽孔53內填滿漿液,漿液凝固後膨脹,從而撐緊鑽孔53,起到更好的支護作用。
所述瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置的封孔方法按以下步驟進行:
第一步,將所述瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置插入鑽孔53,根據要求的封孔深度,使瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置達到預定的封孔位置;
第二步,準備注漿漿液,漿液材料可選用微膨脹水泥或高水材料,也可選用類似的無機材料,當然也可以採用其它適宜注漿的有機注漿材料;將帶有注漿插頭5的注漿插管7與外置注漿泵聯接,並檢查注漿泵、注漿插管7和注漿插頭5的工況是否良好;
第三步,將帶有注漿插頭5的注漿插管7插入抽采管6內孔,待注漿插頭5接觸多功能閥時,後抽注漿插管7,然後有力插入注漿插管7使注漿插頭5進入多功能閥達到圖1、圖5和圖7所示的工作位置;
第四步,開動注漿泵進行注漿,注漿壓力逐步升高,漿液經由注漿插管7-注漿插頭5-彈簧球珠單向閥-漿液流道71-漿液通道3C進入左、右囊袋4A、4B中並由彈簧球珠單向閥防止左、右囊袋4A、4B內的漿液回流,兩個囊袋注漿後膨脹從而將鑽孔53封堵;注漿壓力達到薄膜球珠單向閥的薄膜破壞壓力時,薄膜破損,漿液噴出時衝破薄膜保護蓋95。漿液經由第二出漿孔114進入左、右囊袋4A、4B之間的鑽孔53,注漿壓力突然降低導致彈簧球珠單向閥內的球珠在左、右囊袋4A、4B內漿液的壓力作用下封堵第一進漿口,從而關閉彈簧球珠單向閥;當注漿壓力再次升高並達到設定的注漿壓力時停止注漿;
第五步,拔出注漿插管7和注漿插頭5,封孔注漿完畢,接著對注漿插管7、注漿插頭5和注漿泵進行清洗,待下次封孔時使用,至此該次封孔作業全部結束。
榮譽表彰
2018年8月,《瓦斯抽采中心分流式注漿封孔裝置與封孔方法》獲得第一屆河南省專利獎三等獎。