树脂封孔器的制作方法

本发明涉及一种矿山和岩土工程中泵压注水、泵压注浆钻孔的压力流体封堵，是煤岩层高压注水、水力压裂、注浆堵漏、破碎围岩注浆固化、瓦斯测压等特殊工程必不可少的装置。

背景技术：

岩煤层钻孔压力流体的封堵涉及0.3～40Mpa的液压范围(瓦斯抽放钻孔封体两端压差仅为约0.2大气压的负压，不涉及本发明)和数十厘米至十几米的封孔深度。按液压(泵压)考虑可分为两类，压力＞5Mpa应属高压，压力≤5Mpa应属中低压；按封孔深度考虑也可分为两类，封深≤2m应属浅部封孔，封深＞2m应属深部封孔。浅部封孔液压一般为中低压，如注浆堵漏泵压约0.3～2Mpa，破碎围岩固化注液泵压约5Mpa，湿润煤层防尘泵压＜5Mpa等；深部封孔液压一般为高压，如煤层注水防冲防突泵压10～30Mpa，煤层水力压裂防突泵压＞20Mpa等。现有技术浅部封孔使用橡胶封孔器或快硬水泥。橡胶封孔器是利用固体橡胶的弹性在孔壁产生的摩擦力进行封孔的装置，其对不规则的凸凹不平煤孔壁适应性差，往往发生漏液，需有充气或充水装置，成本很高，应用受到限制。快硬水泥是以普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥为基材，掺以外加剂制成的速凝水硬性胶凝材料，胶结强度较大，施工等候时间较短，但向孔壁与液管之间的狭小环形空间送料捣实困难，更不能用于深部封孔。现有技术深部封孔使用聚氨酯(PU)泡沫塑料或水泥石封孔。PU泡沫塑料封孔结构由两端的堵液段和中间泵送双组份液料段组成，堵液段由毛巾布卷缠PU料液组成，料液固化后在钻孔和注水管之间形成泡沫塑料环柱，环柱长＞8m。PU泡沫塑料环柱外边界与岩煤孔壁的粘附抗剪强度低，多孔体易渗透，抗压抗渗能力低，施工等候时间较长(＞8h)，操作需手工、泵送两道工序，使用成本高。水泥石封孔体也由两端的堵浆段和中间泵送水泥浆段组成，堵浆段由专利200710098325.8所述的PU发泡袋或毛巾布卷缠PU料液或水泥浆布袋形成，水泥浆为专利ZL200810019493.8所述水泥料或其它水泥混合物的浆体，水泥石环柱长＞8m。由于水泥石与岩煤钻孔壁的胶结力源于作用力较小的分子间作用力(范德华力或氢键力等)，加上在施工等候时间内水泥柔软胶体尚处在固化强度增长初始阶段，所以水泥柔软环柱的外边界与岩煤孔壁的胶结抗剪强度很低，即抗水压能力很低；在固化初始阶段的柔软水泥环柱又是多孔体，抗渗能力也低(与凝固水泥相比渗透系数差6个数量级)；还有施工等候时间长(一般＞2d)，操作需手工、泵送两道工序。总之，抗压抗渗能力低、施工等候时间长和操作工序多是现有技术压力流体封孔的三个共性问题。

技术实现要素：

针对封堵岩煤层钻孔中压力流体需要，提供一种短封体、抗压抗渗能力强、施工等候时间短、手工操作方便、使用成本低的树脂封孔器。按施工等候时间分为普通型(I)和快固型(II)，普通型适用于施工等候时间＞6h，快固型适用于施工等候时间0.5～6h。

普通型的特征是：1粘接岩煤孔壁构件为按配比密封分装的环氧胶粘剂，物理力学性能要求符合标准JC887-2001第5条；2将胶压敷在岩煤孔壁上的构件为双组份聚氨酯膨胀剂，乳白时间＞2min，膨胀率＞400％；3兼有抗水渗、送孔载体的装配构件为用于外涂抹1内分装2的双组份有中间隔离的复合土工膜袋，袋长两端包敷高密度聚乙烯(HDPE)膜条并备有两个分离的HDPE膜截锥，复合土工膜、HDPE条膜和HDPE截锥膜物理力学性能要求符合标准GB/T17642-1998第4条。

II型的特征是：1粘接岩煤孔壁构件为双组份按配比密封分装的不饱和聚酯胶粘剂，物理力学性能要求符合标准JC/T989-2006第6条；2将胶压敷在岩煤孔壁上的构件为双组份聚氨酯膨胀剂，乳白时间1.5～4min，膨胀率＞400％；3兼有抗水渗、送孔载体的装配构件为用于外涂抹1内分装2的双组份有中间隔离的复合土工膜袋，复合土工膜、HDPE条膜和HDPE截锥膜物理力学性能要求符合标准GB/T17642-1998第4条。

封体结构：袋3送入钻孔中预定部位后，袋中聚氨酯膨胀剂膨胀，将袋外表面的膏状胶压敷于孔壁上，材料经凝胶固化形成固态封孔环柱体，封孔环柱体的结构可分成三个构件，见图1。(1)抗流体压力构件为外边界的结构胶膜；(2)抗压力流体渗透构件是复合结构的三层不透水HDPE膜和PU膨胀体；(3)抗 压抗渗构件的连接构件是胶浸润土木布层。

材料和结构特点：(1)抗流体压力结构件的强化。封孔环柱外边界与岩煤孔壁的粘接面是封体承受流体压力作用的约束支座，即剪切力集中的部位。本发明使用粘接石材和钢材受力部位的专用结构胶作为抗流体压力构件，因为一方面它是以化学键力作为粘接主要贡献的粘性材料，化学键力比分子间作用力大一两个数量级，另一方面它是固化时间相对较短的粘性材料，到施工等候时间已处于固化过程的后期，粘结力接近最大值。而现有技术使用的粘性材料与石材的粘结作用主要源于分子间的作用力(范德华力或氢键力等)，比化学键力要小一两个数量级；另一方面，水泥完全凝固时间为28d，到施下等候时间水泥石只呈柔软固体状态，刚处于固化初期，胶结力很小。(2)抗压力流体渗透构件的隔水性。材料渗透性主要取决于孔隙率。本发明使用三层不透水HDPE膜和PU膨胀体复合材料结构抗渗，其中渗透系数为10^-11～^-13cm/s的HDPE膜属非多孔的隔水材料，PU膨胀体虽然是多孔材料，但从加密抗渗和压胶密实考虑，袋内PU料按在孔中膨胀率约为200％装重，密度比现有技术PU泡沫塑料密度大4倍左右。到施工等候时间，现有技术材料都为多孔材料，其中PU泡沫塑料封体密度约为PU膨胀体孔中密度的1/4，柔软体水泥石的渗透系数比完全凝固水泥石大6个数量级。(3)II型速凝结构胶的选用和合适乳白时间、凝胶时间PU膨胀剂的配制。针对施工等候时间短的工程需要，本发明II型速凝结构胶的选用实现了封压构件的早强；PU膨胀剂的配制满足了乳白时间略小于结构胶初干时间，凝胶时间略大于结构胶初干时间，实现了顺利送孔和敷胶。这两点解决了短施工等候时间的深部封孔问题。

有益效果：本发明封孔器的有益效果集中体现于单位封体长度的封压能力和封渗能力。通过模拟试验测定了本发明和现有技术单位封体长度的封压能力和封渗能力，并对其进行对比。

封孔环柱是一端承受均布流体压力作用，另一端为自由端的悬柱，外边界的剪切力等于流体压强与钻孔截面积之积。设剪切力在剪切面上均布，则封孔环柱抗流体压强能力的表达式为：

式中σ-被封流体最大压强(MPa)，[τ]-封孔环柱外界面粘接剪切强度(MPa)，L-封孔环柱长度(m)，R钻孔半径(m)。对于一个具体封孔环柱，无量纲数2L/R为常数，因此，[τ]是封孔环柱抗流体压强能力的唯一指标。依据达西定律，封孔环柱抗压力流体渗流量的表达式为：

式中Q-封孔环柱渗流量(m³/h)，K-封孔环柱渗透系数(m/s)，其它符号意义同式(1)。对于一个具体封孔环柱，比值1.13×10⁶σR²/L为常数，因此K是封孔环柱抗压力流体渗流量的唯一指标。

采用模拟实验测定本发明和现有技术各自封孔环柱的[τ]和K值，进而由式(1)(2)换算它们的封压能力和封渗能力。模拟实验装置见图2，钻孔模拟钢管长35cm，内径6cm；注水管长25cm，外径2.7cm；渗水接收钢管长20cm，内径6cm；密封钢压柱长20cm；外径5.97cm；封孔环柱长10～12cm；加压水体长23～25cm。本发明I型和现有技术PU泡沫塑料封孔环柱在钻孔模拟钢管内养护时间(龄期)分别为4h、8h和24h，本发明II型封孔环柱养护时间0.5h，现有技术水泥石封孔环柱养护时间48h，养护环境温度23°±2°。测试数量每种封孔环柱每个龄期测试3件次，取其平均值作为测定结果。封孔环柱、水压加载都取自原型(工程实物)，做到完全相似。为了解决钻孔模拟钢管与原型岩煤孔的相似问题，首先进行了石材板-石材版和钢板-钢板胶粘接、水泥胶结和PU泡沫粘附的压剪强度试验，试验件粘性材料的养护时间为48小时。压剪强度试验结果为胶粘接钢-钢18.4Mpa，石材-石材17.0Mpa；水泥胶结钢-钢0.68Mpa，石材-石材1.36Mpa；PU泡沫粘附钢-钢0.96Mpa，石材-石材0.59Mpa。得出原型与模型剪切强度的比尺分别为胶粘接入n＝17.0/18.4＝0.92，水泥胶结λn＝1.36/0.68＝2，PU泡沫粘附λn＝0.59/0.96＝0.61。

测试结果按式(1)算出模型[τ]，再按剪强比尺算出原型[τ]n＝λn[τ]，结果列于表1。原型中岩煤孔壁和模型中钢管壁都为固体壁面，两个流动相应边界性质相同，满足边界条件相似。封孔环柱渗流的测试结果按式(2)算得相应K值，即为原型的K值，结果列于表1。

表1封孔环柱外边界抗剪强度和渗透系数测试结果

测试结果表明，本发明与现有技术单位长度封孔环柱相比，本发明封体施工等候时间4h、8h、24h的抗流体压力能力分别是PU泡沫封体的35倍、46倍、37倍；是施工等候时间48h水泥石封体的11倍、20倍、23倍，抗压力流体渗透能力分别是PU泡沫封体的26倍、18倍、5倍，是施工等候时间48h水泥石封体的2.9倍、4.6倍、4.7倍。本发明封孔器封体有效长度0.37m，I型施工等候时间8h封压能力31Mpa(钻孔直径9.5cm)～53Mpa(钻孔直径5.5cm)，渗透系数1.3×10^-7m/s；II型施工等候时间0.5h封压能力15Mpa(钻孔直径12.5cm)～24Mpa(钻孔直径7.5cm)，渗透系数2.5×10^-7m/s。

优点：(1)封体短，封压封渗能力强。本发明封孔器封体有效长度0.37m，施工等候时间8h深部封压能力31～53Mpa，渗透系数1.3×10^-7m/s，封体长度约为现有技术封体长度(＞8m)的1/22，单位封体长度封压能力和封渗能力分别是现有技术的46倍和18倍。(2)施工等候时间短，可进行浅部或深部封孔。本发明II型施工等候时间30min，并可进行深部封孔。现有技术快硬水泥可施工等候时间30min封孔，但不能深部封孔；其它封体的施工等候时间都长于8h。(3)手工操作方便易行。本发明封孔器由2～3人手工操作，操作时间约4min。现有技术深部封孔需手工和液泵二道工序操作，操作时间约＞10min。(4)使用成本低。本发明封孔器料重约1000～1500g，是PU泡沫封体需料重约3500～6000g的1/3～1/4，两者单价相当，即使用成本可比现有技术节省65％以上；橡胶封孔器成本更高。

附图说明

图1为树脂封孔器结构图，图2封孔能力测试装置结构图

具体实施方式

I型操作步骤：2～3人手工操作。取一段注液管，将两个HDPE截锥大头分别从注液管两端套入；打开结构胶袋中间隔离并充分揉攥30次以上，撕开结构胶袋将部分结构胶抹在注液管上两个HDPE截锥中间的预定封孔部位长40cm处；打开复合土工膜袋中间隔离并快速揉攥约30次，将揉攥后的复合土工膜袋两端HDPE膜条用胶带覆盖捆绑在注液管抹胶处；在复合土工膜袋布全长范围涂抹胶，将两个HDPE截锥滑移套在复合土工膜袋两端并用胶带捆绑住截锥小头部位。之后，手工边接管边在接头钿丝处抹少许结构胶，直至送封孔袋至封孔深度处。在末端注液管设置一个接管前就已用胶带捆绑住并在送孔时揉攥的PU铝塑薄膜袋，其作用是截堵渗水和支撑注液管。

从揉攥复合土工膜袋开始，允许操作时间6min。

II型操作步骤：2人手工操作。取一段注液管，将两个HDPE截锥大头分别从注液管两端套入；打开速凝结构胶袋中间隔离并充分揉攥30次以上，撕开胶袋将部分胶抹在注液管上两个HDPE截锥中间的预定封孔部位长40cm处；打开复合土工膜袋中间隔离并快速揉攥30次，将揉攥后的复合土工膜袋两端HDPE膜条用胶带覆盖捆绑在注液管抹胶处；在复合土工膜袋布全长范围涂抹胶，将两个HDPE截锥滑移套在复合土工膜袋两端并用胶带捆绑住截锥小头部位。之后，手工边接管边在接头钿丝处抹少许结构胶，直至送封孔袋至封孔深度处。

从揉攥复合土工膜袋开始，允许操作时间4min。

实施例1：煤层高压注水预防冲击地压和煤与瓦斯突出。钻孔直径6.5cm，注水管直径2.7cm，水泵工作压力15Mpa，封孔深度9m，施工等候时间8h。使用本发明I型封孔器封孔，中间隔离的铝塑膜袋按配比1∶1分装环氧胶黏剂300g，中间隔离的长45cm宽22cm复合土工膜袋分装PU膨胀剂双组份300g，中间隔离的铝塑膜支撑袋分装PU膨胀剂双组份200g，按具体实施方式操作过程操作，实际操作时间4min，封体长0.37m。使用聚氨酯泡沫封孔，料重4000g，3人手工、液压泵二道工序操作，操作时间10min。结果是，两者相比本发明封孔器节约人工2人，节省材料和材料成本80％。

实施例2：煤层高压注水预防冲击地压和煤与瓦斯突出。钻孔直径5.5cm，注水管直径2.7cm，水泵工作压力18Mpa，封孔深度9m，施工等候时间8h。使用本发明I型封孔器封孔，中间隔离的铝塑膜袋按配比1∶1分装环氧胶黏剂240g，中间隔离的长45cm宽19cm复合土工膜袋分装PU膨胀剂双组份240g，中间隔离的铝塑膜支撑袋分装PU膨胀剂双组份200g，按具体实施方式操作过程操作，实际操作时间4min，封体长0.37m。使用聚氨酯泡沫封孔，料重3200g，3人手工、液压泵二道工序操作，操作时间10min。结果是，两者相比本发明封孔器节约人工2人，节省材料和材料成本80％。