本發(fā)明公布了一種柔塑性快速注漿封孔裝置與方法，主要用于煤巖鉆孔的封孔作業(yè)，對于孔內(nèi)充液承壓狀態(tài)下的靜壓(水力致裂)和動壓(水力脈動、水力射流)增裂、增透、卸壓以及煤巖鉆孔內(nèi)爆破(普通裝藥爆破、充液承壓爆破等)工藝等具有較好地封孔效果。

背景技術(shù)：

煤層堅(jiān)硬頂板的預(yù)裂控制、深部礦井煤巖的高應(yīng)力卸壓轉(zhuǎn)移及動載防治、含瓦斯煤層的高效抽放等均是我國現(xiàn)代化礦井安全高效開采所要面臨的主要技術(shù)難題，尤其在厚層堅(jiān)硬難冒頂板條件下，對煤礦安全生產(chǎn)的影響更為突出。針對諸如此類的礦井突出問題，工程實(shí)踐中采取了系列煤巖控制方法，例如大孔徑的鉆孔卸壓方法可以有效預(yù)防煤巖沖擊礦壓顯現(xiàn)，在一定程度上起到局部卸壓效果；水力(脈動)致裂依靠注入孔內(nèi)的靜水(脈動水)壓力，壓裂鉆孔圍巖，實(shí)現(xiàn)鉆孔周邊圍巖的卸壓、增裂，封孔質(zhì)量直接決定著孔內(nèi)高圍壓的封存以及圍巖壓裂效果；鉆孔內(nèi)爆破卸壓作為劇烈的圍巖破裂擾動卸壓、增裂工藝，其封孔質(zhì)量更直接制約著孔內(nèi)裝藥爆炸能量利用率以及圍巖卸壓、增裂效果；對于含瓦斯煤層的高效抽放，鉆孔封孔段的密封特性直接影響著煤層瓦斯的抽采率及其抽放質(zhì)量?？梢姡诿簬r控制的諸多技術(shù)工藝實(shí)施過程中，鉆孔封孔裝置、封孔方法以及封孔質(zhì)量等直接決定著工藝實(shí)施的最終效果。

目前，常用的封孔方法按封孔方式主要有機(jī)械式封孔、漿液凝固式封孔、黏塑性體封孔等，其中每一種封孔方式又視其封孔材料承載與否分為帶壓式封孔和自由式封孔兩種。對于目前常用的橡膠膨脹式封孔器，主要用于含瓦斯煤層抽采、水力致裂等工藝中，操作方便，但成本較高，且難以適用于高壓注水環(huán)境以及孔壁圍巖破裂條件；對于漿液凝固型封孔方式，傳統(tǒng)工藝操作過程繁雜，封孔段底部封堵困難，注漿管多段管接、定向存在較大困難，難以適用深孔快速封孔作業(yè)條件；對于傳統(tǒng)的黏塑性體封孔，由于被動封孔的原因，對于孔內(nèi)有承壓液體封堵要求的煤巖控制工藝難以滿足封孔要求。因此，本發(fā)明將公布一種快速的、具有廣泛適用和推廣價值的柔塑性封孔裝置與方法，可以很好地解決以上瓶頸問題。

為了克服以上難題，研發(fā)了一種柔塑性快速注漿封孔裝置與方法，通過利用注漿管 的進(jìn)出漿液流量差值，主動封存管內(nèi)初期漿液壓力，完成凸角傘扣的自動推出、撐開、封堵過程。采用可盤卷的柔塑性管一次塞入鉆孔，滿足一次快速封孔作業(yè)要求，解決了采用多段注漿管時的反復(fù)管接、定向以及插管難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為礦井煤巖控制工藝中的封孔問題，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、輕便，便于加工和操作的柔塑性快速注漿封孔裝置與方法，為煤巖封孔尤其是孔內(nèi)充液承壓以及孔壁圍巖破損條件下的封孔作業(yè)，提供了一種具有主動承壓和廣泛滲透封堵效果的快速封孔方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種柔塑性快速注漿封孔裝置，包括用于鉆孔封孔段的傘扣型封堵裝置、注漿管和雙錐形管接頭裝置；

所述傘扣型封堵裝置包括凸角傘扣和平滑傘扣，凸角傘扣的剛性倒爪上預(yù)先彎設(shè)凸角，減小倒爪與柔塑性注漿管內(nèi)壁的摩擦，便于后期注漿過程中漿液壓力將凸角傘扣推出，凸角傘扣底座為圓柱形金屬底座，其直徑略小于注漿管內(nèi)徑，同時為減小傘扣底座與注漿管壁的摩擦，底座邊緣預(yù)先打磨成光滑倒角；平滑傘扣則為帶有普通剛性倒爪的環(huán)形扣，環(huán)形扣內(nèi)徑略大于注漿管外徑，其外徑略小于鉆孔直徑。凸角傘扣和平滑傘扣倒爪間通過柔塑性片狀延展材料連接成傘狀；

所述注漿管為開縫柔塑性注漿管，兼有一定的強(qiáng)度和抗變形能力，方便盤卷彎折，便于整體攜帶；

所述雙錐形管接頭裝置包括錐形管陽接頭和錐形管陰接頭，其中錐形管陰接頭外設(shè)螺套，螺套與錐形管陰接頭連接處有密封墊片；錐形管陽接頭端部帶有單向閥和外螺紋裝置，錐形管陽接頭尾部焊接快接陰接頭，快接陰接頭通過快接陽接頭與注漿軟管連接。

作為優(yōu)選，所述柔塑性片狀延展材料為帆布或塑膠片。

作為優(yōu)選，所述注漿管為塑膠管、柔塑性聚酯管或柔塑性螺紋管，所選管材內(nèi)壁要光滑，以利于凸角傘扣的自動推出，減少注漿阻力。

作為優(yōu)選，所述注漿管開縫條數(shù)、開縫長度和寬度要根據(jù)注漿管進(jìn)出流量要求設(shè)計(jì)，滿足初始注漿階段管內(nèi)封存的漿液壓力足以推出凸角傘扣，對應(yīng)的注漿流量應(yīng)按照關(guān)系式v_j＞(nldv_c)/(πr²)確定；式中，v_j為漿液注入量；v_c為漿液流出量；n為開縫條數(shù)；l為開縫長度；d為開縫寬度。

一種采用上述裝置的柔塑性快速注漿封孔方法，包括以下步驟：

1)首先，根據(jù)煤巖鉆孔用途，在鉆孔封孔段以外的孔底空間預(yù)先布置管線(注液管、排氣管、瓦斯抽放管等)或裝藥，并將管線沿孔壁圍巖引出；

2)根據(jù)鉆孔口徑、封孔段長度要求，選擇、截割相應(yīng)類型、長度和口徑的柔塑性注漿管，所選注漿管口徑一般為鉆孔口徑的40％～60％，并根據(jù)注漿管進(jìn)出流量大小，設(shè)計(jì)注漿管開縫條數(shù)、開縫長度和寬度，在注漿管的兩端并不開縫。

3)開縫注漿管加工成型后，將凸角傘扣內(nèi)置于注漿管的前端，傘扣凸角設(shè)置要保證剛性倒爪的尖端不要碰觸注漿管內(nèi)壁，防止后期注漿過程中傘扣難以自動推出。視注漿管與鉆孔口徑匹配關(guān)系，設(shè)計(jì)合理的凸角傘扣剛性倒爪長度，保證倒爪自行推出、撐開后，與孔壁間具有足夠的防滑阻力。

4)凸角傘扣安設(shè)完畢后，將注漿管塞入孔內(nèi)直至預(yù)定封孔長度位置，然后在其尾部分別套進(jìn)平滑傘扣和帶有螺套的錐形管陰接頭，并將平滑傘扣推入孔口0.2～0.5m距離。

5)將帶有單向閥和外螺紋結(jié)構(gòu)的錐形管陽接頭楔入柔塑性注漿管尾部，與錐形管陰接頭連接，旋緊螺套直至滿足注漿管密封要求。錐形管陽接頭尾部焊接快接陰接頭，與帶有快接陽接頭的孔外注漿軟管連接后，開始注漿封孔作業(yè)。

6)開啟注漿泵開始注漿封孔，待注漿管內(nèi)壓力達(dá)到一定值后，注漿管前端內(nèi)置的凸角傘扣自動推出，倒爪撐開，實(shí)現(xiàn)封孔段底部的自動封堵，隨后繼續(xù)注漿封孔，直至預(yù)定注漿壓力，完成鉆孔的帶壓封孔作業(yè)。

7)注漿封孔完畢后，拔下帶有快接陽接頭的孔外注漿軟管，孔內(nèi)漿液壓力自動封存，待孔內(nèi)漿液凝固后，拆卸雙錐形管接頭裝置，循環(huán)再使用。

本發(fā)明通過采用凸角傘扣裝置配合注漿管進(jìn)出流量差，提高注漿管內(nèi)漿液初期壓力，自行推出注漿管內(nèi)凸角傘扣，自動封堵封孔段底部鉆孔，實(shí)現(xiàn)了一次注漿成型封孔作業(yè)。所采用的柔塑性注漿管，其材質(zhì)具有一定的柔塑性和強(qiáng)度，可盤卷攜帶，施工過程中注漿管一次塞入鉆孔，避免采用多段注漿管時的反復(fù)管接和導(dǎo)向難題，極大簡化了鉆孔內(nèi)的插管工序。采用的雙錐形管接頭，通過調(diào)整螺套的旋緊力可滿足不同注漿壓力條件下的管接密封要求。接頭自帶的單向閥裝置可實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)注漿壓力的自動封存，不用再外接截止閥裝置，從而克服了繁雜的管接密封問題。錐形管陽接頭尾部焊接快接陰接頭，與帶有快接陽接頭的孔外注漿軟管間可實(shí)現(xiàn)快速插接，且待孔內(nèi)漿液凝固后，雙錐形管接頭裝置可靈活拆卸，循環(huán)再利用。該工序主要利用注漿管的進(jìn)出流量差，實(shí)現(xiàn)管 內(nèi)壓力的封存，自動推出管內(nèi)的凸角傘扣，因此鉆孔注漿封孔作業(yè)具體實(shí)施過程中需針對具體的鉆孔條件設(shè)計(jì)匹配的裝置和注漿參數(shù)，裝置設(shè)計(jì)改變靈活，適用范圍廣。

本發(fā)明的有益效果：

1.采用的柔塑性注漿管，具有一定的柔性和強(qiáng)度，施工過程中注漿管可適當(dāng)盤卷彎曲，一方面方便攜帶，另一方面采用單根注漿管，克服了采用多段注漿管時的反復(fù)管接、定向以及插管難題，便于一次施工作業(yè)。

2.采用凸角傘扣裝置充分利用注漿管自身漿液壓力條件，實(shí)現(xiàn)了傘扣的自動推出、撐開和封堵功能，不用額外單獨(dú)裝設(shè)鉆孔封堵裝置，避免了反復(fù)安裝工序，簡化了封孔作業(yè)操作步驟。

3.根據(jù)漿液進(jìn)出注漿管的流量差值，設(shè)計(jì)注漿管開縫條數(shù)、開縫長度和寬度，調(diào)控注漿管初期注漿封存壓力，保證凸角傘扣的順利推出，有利于實(shí)現(xiàn)封孔作業(yè)的自動化控制。

4.采用的雙楔形管接頭帶有單向閥結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)管內(nèi)漿液壓力的自動封存，避免外接漿液截止閥所帶來的復(fù)雜管接和密封問題。同時，通過采用不同的螺套旋緊力度，可以滿足不同注漿壓力條件下的漿液封堵密封要求。

5.錐形管陽接頭尾部焊接快接陰接頭，與孔外注漿軟管的快接陽接頭之間可快速連接，工藝操作簡單方便。注漿封孔完畢后，拔下孔外注漿軟管，孔內(nèi)漿液壓力可實(shí)現(xiàn)自動封存，且待孔內(nèi)漿液凝固后，雙錐形管接頭裝置可靈活拆卸和循環(huán)再利用。

附圖說明

圖1是柔塑性快速注漿封孔裝置裝配總圖。

圖2是注漿管插孔前的凸角傘扣安裝圖。

圖3是凸角傘扣撐開結(jié)構(gòu)圖。

圖4是平滑傘扣撐開結(jié)構(gòu)圖。

圖5是錐形管陰接頭結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖6是錐形管陽接頭結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖7是孔外注漿軟管結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖中：1-鉆孔，2-鉆孔封孔段，3-注漿管，4-管縫，5-凸角傘扣，6-倒爪，7-凸角，8-平滑傘扣，9-環(huán)形扣，10-螺套，11-雙錐形管接頭裝置，12-錐形管陰接頭，13-單向閥裝置，14-錐形管陽接頭外螺紋，15-錐形管陽接頭，16-快接陽接頭，17-注漿軟管， 18-快接陰接頭，19-傘狀柔塑性延展材料。

具體實(shí)施方式

以煤層鉆孔內(nèi)充水承壓爆破卸壓封孔作業(yè)為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

如圖1-7所示，假定煤層預(yù)爆破卸壓鉆孔1深度為25m，鉆孔1直徑為100mm。鑒于煤巖孔內(nèi)充水承壓爆破條件下的炸藥爆炸能量利用率高，封孔材料沖孔可能性較大，因此設(shè)計(jì)鉆孔封孔段2長度為15m。選擇柔塑性樹脂管作為注漿管3，每18m截割一段，按照設(shè)計(jì)的管縫4參數(shù)進(jìn)行開縫作業(yè)。開縫完成后，將加工好的柔塑性注漿管盤卷帶入井下。

為便于插管作業(yè)，注漿管口徑應(yīng)在40～60mm左右為宜，本案例中選定注漿管口徑為50mm。該條件下，預(yù)制的凸角傘扣5底座直徑設(shè)定為47mm，凸角傘扣倒爪6長度55mm，凸角7高度10mm，凸角位置距倒爪尖端30mm；平滑傘扣8倒爪長度30mm，環(huán)形扣9內(nèi)徑為52mm，外徑90mm。設(shè)計(jì)注漿管開縫條數(shù)為2條，開縫長度為10m，開縫寬度為10mm。為滿足均勻封孔要求，孔內(nèi)漿液流速不宜過大，初定孔內(nèi)漿液出口流量為0.05m³/s，則對應(yīng)的注漿流量至少應(yīng)高于1.28m³/s。

煤層鉆孔注漿封孔作業(yè)前，首先遵循煤巖鉆孔內(nèi)的充水承壓爆破裝藥工序，將預(yù)先做好防水的炸藥裝入孔內(nèi)，同時沿孔壁分別引出注水和排氣管線；其次，將預(yù)制好的凸角傘扣5塞入注漿管3前端，聯(lián)同注漿管3一并塞入孔內(nèi)，直至預(yù)定封孔長度；然后，在注漿管尾部分別套裝平滑傘扣8和帶有螺套10的雙錐形管接頭裝置11的錐形管陰接頭12；再者，將帶有單向閥裝置13和外螺紋14的錐形管陽接頭15插入注漿管尾部，旋緊螺套10，密封注漿管路；最后，將帶有快接陽接頭16的孔外注漿軟管17插入錐形管陽接頭15尾部焊接的快接陰接頭18，連接完成整個注漿管路。

開啟注漿泵，調(diào)控注漿泵流量參數(shù)滿足設(shè)計(jì)流量要求，順利推出凸角傘扣5后，繼續(xù)注漿封孔，直至漿液完全充滿鉆孔封孔段2，達(dá)到預(yù)設(shè)封孔壓力后，關(guān)閉注漿泵，拔下孔外注漿軟管17?？變?nèi)注漿管液壓力自動封存，待漿液凝固后，拆卸雙錐形管接頭裝置11，循環(huán)使用。

應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。