一种瓦斯抽采钻孔固液两相封孔装置及工艺的制作方法

本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，涉及一种瓦斯抽采钻孔固液两相封孔装置及工艺。

背景技术：

瓦斯抽采是解决和预防煤矿瓦斯灾害的重要措施，在瓦斯抽采过程中，封孔技术将在很大程度上影响瓦斯抽采的工作效率。若瓦斯抽采钻孔的封孔质量差，将会造成煤层瓦斯流动压差的减小，不利于快速将瓦斯抽采出去，会增加瓦斯抽采时间，同时会降低抽采设备的利用效率，增加煤矿企业大量无畏的能耗。因此，提高瓦斯抽采钻孔的封孔质量是保证井下瓦斯抽采安全高效的基础保障，对于矿井瓦斯治理和利用具有重要意义。

现阶段国内外普遍采用的封孔材料主要有水泥浆、聚氨酯、黄泥和封孔器封孔等几种。普遍采用的封孔工艺主要有单一封堵、一堵一注、两堵一注等几种。上述封孔材料和工艺均有自己的优点，在不同的区域内得到了相应的推广应用，但是目前我国许多矿井的瓦斯抽采率和瓦斯抽采浓度仍然达不到国家标准要求。这充分反映了抽采钻孔封孔质量差、漏气的现状，间接反映出上述封孔材料和工艺存在一定的局限性。目前绝大多数钻孔在封孔初始瓦斯浓度还较高，但是瓦斯抽采浓度衰减很快，不能维持较高浓度的瓦斯，导致瓦斯的抽采浓度和流量不达标，严重制约了瓦斯抽采效果。封孔材料和工艺存在着严重不足，亟待进一步改善。

对于目前钻孔内瓦斯抽采浓度衰减快，已有的封孔方法对于封孔较差、漏气的抽采钻孔的修复束手无策。因此，寻找一种封孔时操控简单、封孔效果好、成本低、对封孔差的钻孔可以进行二次封孔操作的装置与方法成为当务之急。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种瓦斯抽采钻孔固液两相封孔装置及工艺，在首次采用固相封孔材料封堵孔壁微裂隙后，可以采用液相封孔材料对封孔差、漏气的钻孔进行二次封孔操作，封堵孔壁超微裂缝，进一步强化了封孔效果，能保证瓦斯的抽采浓度的再次达标，最终实现提高瓦斯抽采浓度和抽采效率的目标，为矿区瓦斯的高效治理提供有效的技术支持。

本发明为了解决上述问题所采取的技术方案是，提供了一种瓦斯抽采钻孔固液两相封孔装置，包括一号囊袋、二号囊袋、三号囊袋、一次注浆管和二次注浆管，一次注浆管沿钻孔的孔口到孔底方向分别穿过一号囊袋、二号囊袋和三号囊袋的内部，一号囊袋靠近钻孔的孔口一侧，一次注浆管上安装有三个间隔设置的第一单向阀，一号囊袋、二号囊袋和三号囊袋分别对应连通一个所述第一单向阀，一次注浆管靠近钻孔的孔口一端为一次注浆入口，一次注浆管靠近钻孔的孔底一端封堵。

所述一号囊袋、二号囊袋和三号囊袋均为弹性囊袋，一号囊袋、二号囊袋和三号囊袋注浆膨胀后与钻孔的孔壁紧密接触，一号囊袋和二号囊袋之间的间隙记为第一封孔段，二号囊袋和三号囊袋之间的间隙记为第二封孔段；一次注浆管上安装有爆破阀，爆破阀位于第一封孔段内。

二次注浆管沿钻孔的孔口到孔底方向分别穿过一号囊袋和二号囊袋的内部，二次注浆管靠近钻孔的孔口一端为二次注浆入口，二次注浆管的另一端位于第二封孔段内且通过第二单向阀与第二封孔段连通。

一号囊袋和二号囊袋的结构相同，一号囊袋和二号囊袋上分别开设有用于一次注浆管、二次注浆管和瓦斯抽采套管穿过的孔位；三号囊袋开设有用于一次注浆管和瓦斯抽采套管穿过的孔位；一号囊袋、二号囊袋和三号囊袋的两端分别通过卡环固定安装在一次注浆管上。

所述爆破阀位于第一封孔段的中部；爆破阀的开启压力同时大于第一单向阀的开启压力和第二单向阀的开启压力，且爆破阀的开启压力同时小于一号囊袋、二号囊袋及三号囊袋的有效抗压压力。

优选地，第二封孔段的长度小于第一封孔段长度的二分之一。

一种使用所述封孔装置的瓦斯抽采钻孔固液两相封孔工艺，包括以下步骤：

步骤一，封孔前的准备工作：将瓦斯抽采钻孔固液两相封孔装置记为封孔装置，连接瓦斯抽采套管与封孔装置，并将固定了封孔装置的瓦斯抽采套管送入钻孔内；

步骤二，对第一封孔段固相封孔：先使用封孔材料a配制固相封孔材料，再将固相封孔材料通过注浆泵和第一注浆管注入第一封孔段内，完成第一封孔段固相封孔；

步骤三，联网抽采，并定期筛选漏气抽采钻孔：第一封孔段固相封孔结束，第一封孔段内的固相封孔材料初步凝固后，将瓦斯抽采套管与瓦斯抽采管路对接后联网抽采瓦斯；对已完成第一封孔段固相封孔的抽采钻孔进行瓦斯抽采浓度的定期检测，评估其瓦斯抽采浓度的衰减程度，及时发现漏气的抽采钻孔；如果抽采钻孔的瓦斯抽采浓度降至30%及以下，需进行第二封孔段液相封孔，如果抽采钻孔的瓦斯抽采浓度一直维持在30%以上，为了节约成本，不进行第二封孔段液相封孔；

步骤四，对漏气的抽采钻孔进行第二封孔段液相封孔：先使用封孔材料b配制液相封孔材料，再将液相封孔材料通过注浆泵和第二注浆管注入第二封孔段内，完成第二封孔段液相封孔；

步骤五，第二封孔段的定期维护：第二封孔段液相封孔结束后，继续抽采瓦斯；对已完成第二封孔段液相封孔的抽采钻孔进行瓦斯抽采浓度的定期检测，及时发现漏气的抽采钻孔，对漏气抽采钻孔的第二封孔段重复步骤四和步骤五。

优选地，步骤二中配制固相封孔材料的具体步骤为：预先在搅拌桶装入一定量的水，再按0.8:1的水料配比关系向搅拌桶内加入封孔材料a，完成后启动搅拌器，将浆液混合均匀，得固相封孔材料；

步骤二中注入固相封孔材料的具体步骤为：使用第一快速接头连接注浆泵出口与封孔装置的一次注浆管，启动注浆泵，开始向一次注浆管内注入固相封孔材料；当注浆泵的压力达到第一单向阀的开启压力时，固相封孔材料分别流入并充填一号囊袋、二号囊袋及三号囊袋；随着注浆泵的压力继续升高，当注浆泵的压力达到爆破阀的开启压力时，固相封孔材料流入第一封孔段内，开始充填第一封孔段；第一封孔段充满后，继续注入固相封孔材料，固相封孔材料在压力作用下渗透到钻孔孔壁的周围裂隙中；当注浆泵压力快速升高时，关闭注浆泵，完成第一封孔段固相封孔。

优选地，步骤四中配制液相封孔材料的具体步骤为：预先在搅拌桶装入一定量的水，再按200:1的水料配比关系向搅拌桶加入封孔材料b，完成后启动搅拌器，将液体混合均匀，调制成胶液，得液相封孔材料；

步骤四中注入液相封孔材料的具体步骤为：使用第二快速接头连接注浆泵出口与封孔装置的二次注浆管，启动注浆泵，开始向二次注浆管内注入液相封孔材料；当注浆泵的压力达到第二单向阀的开启压力时，液相封孔材料流入第二封孔段内，开始充填第二封孔段；第二封孔段充满后，继续注入液相封孔材料，液相封孔材料在压力作用下渗透到钻孔孔壁的周围裂隙中；当注浆泵压力快速升高时，关闭注浆泵，完成第二封孔段液相封孔。

优选地，步骤二中所述的封孔材料a由1250目或更细的超细水泥和减水剂、速凝剂、膨胀剂、改性剂混合调制而成，所述超细水泥：减水剂：膨胀剂：速凝剂：改性剂的重量配比为100：0.3～0.7：8～15：0.2～0.5：0.2～0.5。

优选地，所述超细水泥：减水剂：膨胀剂：速凝剂：改性剂的重量配比为100：0.5：10：0.3：0.3。

优选地，步骤四中所述的封孔材料b由植物胶、交联剂、保湿剂、改性剂混合调制而成。

采用上述技术方案，本发明具有以下优点：

采用本发明的一种瓦斯抽采钻孔固液两相封孔装置，固定囊袋时，只需将一号囊袋、二号囊袋和三号囊袋的两端分别通过卡环固定安装在一次注浆管上即可，各囊袋与二次注浆管和瓦斯抽采套管相接触的孔位在囊袋注浆膨胀后会自动紧贴管壁，起到堵头作用，囊袋固定方便快捷。

本发明第二封孔段的长度小于第一封孔段长度的二分之一，可以避免在第二封孔段封孔所用的液相封孔材料过度消耗，节约成本。

本发明一次注浆管上安装的爆破阀位于第一封孔段的中部，使第一封孔段内位于爆破阀两侧的空间注浆速度一致。

本发明中第一封孔段注浆采用的浆液（即固相封孔材料）在最大注浆压力1.5mpa时，能够克服毛管压力进入孔壁裂缝宽度3μm以上连通的微裂缝。调制浆液的水料比为0.8:1，降低了浆液的含水率和发泡率，能够使浆液快速凝固、膨胀，且凝固时不会产生较大收缩。

本发明中第二封孔段注液采用的胶液（即液相封孔材料）在最大注液压力1.5mpa时，能够克服毛管压力进入孔壁裂缝宽度75nm以上连通的超微裂缝。调制的胶液不凝固，蒸发速率极低，其液封效果可以维持1个月以上。

本发明在第一封孔段固相封孔后，可以对封孔差、漏气的抽采钻孔进行第二封孔段液相封孔操作，可以封堵75nm以上连通的超微裂缝，进一步强化了封孔效果，且可对第二封孔段液封效果进行定期维护，使得瓦斯抽采孔保持较高的抽采浓度和较低的衰减水平，效果好。这一举措避免了加密抽采钻孔的繁琐施工。

综上，本发明的一种瓦斯抽采钻孔固液两相封孔装置及工艺具有操控简单、节约能源、适用性强和安全高效等优点，可以对封孔差、漏气的抽采钻孔进行液相封孔操作，并且可以对液封效果进行定期维护，避免了加密抽采钻孔的繁琐施工，且在封孔时操控简单、效率高，消耗封孔材料少、成本低，封孔后使得瓦斯抽采孔保持较高的抽采浓度和较低的衰减水平，效果好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种瓦斯抽采钻孔固液两相封孔装置包括一号囊袋1、二号囊袋2、三号囊袋3、一次注浆管4和二次注浆管5，一号囊袋1和二号囊袋2的结构相同，一号囊袋1和二号囊袋2上分别开设有用于一次注浆管4、二次注浆管5和瓦斯抽采套管10穿过的孔位；三号囊袋3开设有用于一次注浆管4和瓦斯抽采套管10穿过的孔位；一号囊袋1、二号囊袋2和三号囊袋3的两端分别通过卡环6固定安装在一次注浆管4上。固定一号囊袋1、二号囊袋2和三号囊袋3时，不限于使用卡环6，也可使用钢丝、麻绳或强力胶带等。

一次注浆管4沿钻孔11的孔口到孔底方向分别穿过一号囊袋1、二号囊袋2和三号囊袋3的内部，一号囊袋1靠近钻孔11的孔口一侧，一次注浆管4上安装有三个间隔设置的第一单向阀7，一号囊袋1、二号囊袋2和三号囊袋3分别对应连通一个所述第一单向阀7，一次注浆管4靠近钻孔的孔口一端为一次注浆入口，可通过第一快速接头与注浆泵连通，一次注浆管4靠近钻孔11的孔底一端封堵。

所述一号囊袋1、二号囊袋2和三号囊袋3均为弹性囊袋且能保证过水不过浆，防止超细水泥浆渗出，一号囊袋1、二号囊袋2和三号囊袋3注浆膨胀后与钻孔11的孔壁紧密接触，一号囊袋1和二号囊袋2之间的间隙记为第一封孔段，二号囊袋2和三号囊袋3之间的间隙记为第二封孔段；第二封孔段的长度小于第一封孔段长度的二分之一，第二封孔段的长度不能过长，小于第一封孔段长度的二分之一，可以避免封孔材料过度消耗，节约成本。

一次注浆管4上安装有爆破阀8，所述爆破阀8位于第一封孔段的中部，使第一封孔段内位于爆破阀8两侧的空间注浆速度一致。

二次注浆管5沿钻孔11的孔口到孔底方向分别穿过一号囊袋1和二号囊袋2的内部，二次注浆管5靠近钻孔11的孔口一端为二次注浆入口，可通过第二快速接头与注浆泵连通，二次注浆管5的另一端位于第二封孔段内且通过第二单向阀9与第二封孔段连通。

爆破阀8的开启压力同时大于第一单向阀7的开启压力和第二单向阀9的开启压力，且爆破阀8的开启压力同时小于一号囊袋1、二号囊袋2及三号囊袋3的有效抗压压力。具体实施时，一号囊袋1、二号囊袋2及三号囊袋3的有效抗压压力为2mpa，第一单向阀7和第二单向阀9的开启压力为0.5mpa，爆破阀8的开启压力可为1.2mpa。

使用所述封孔装置的瓦斯抽采钻孔固液两相封孔工艺包括以下步骤：

步骤一，封孔前的准备工作：瓦斯抽采钻孔11成型后，扫孔后退钻；将瓦斯抽采钻孔固液两相封孔装置记为封孔装置，按照抽采套管设计要求，连接瓦斯抽采花管和瓦斯抽采实管组成瓦斯抽采套管10，并将瓦斯抽采套管10穿过一号囊袋1、二号囊袋2和三号囊袋3的内部；依据封孔参数，将封孔装置固定在瓦斯抽采套管10中实管段某一确定位置，将固定了封孔装置的瓦斯抽采套管10送入钻孔11内，瓦斯抽采套管10和封孔装置进入钻孔11的预定封孔位置后，使用聚氨酯将瓦斯抽采套管10与钻孔11的孔壁固定。

步骤一中所依据的封孔参数必须保证本煤层顺层孔的封孔段位于应力集中带，穿层孔的封孔段位于岩性致密的、孔裂隙不发育岩层段。

步骤二，对第一封孔段固相封孔：先使用封孔材料a配制固相封孔材料；再将固相封孔材料通过注浆泵和第一注浆管注入第一封孔段内，完成第一封孔段固相封孔。

配制固相封孔材料：预先在搅拌桶装入一定量的水，再按0.8:1的水料配比关系向搅拌桶内加入封孔材料a（即0.8重量份的水加1重量份的封孔材料a），完成后启动搅拌器，将浆液混合均匀，得固相封孔材料。

所述的封孔材料a由1250目（颗粒粒径小于等于10μm）或更细的超细水泥和减水剂、速凝剂、膨胀剂、改性剂混合调制而成，超细水泥：减水剂：膨胀剂：速凝剂：改性剂的最优重量配比为100：0.5：10：0.3：0.3。

其中，所述减水剂为聚羧酸系减水剂（如聚羧酸高效减水剂）。

所述速凝剂为混凝土速凝剂，主要成分为铝氧熟料(即铝矾土、纯碱、生石灰按比例烧制成的熟料)，经磨细而制成（如j85型混凝土速凝剂，执行标准jc477-2005）。

所述膨胀剂为混凝土膨胀剂，属于硫铝酸钙型混凝土膨胀剂（如uea型混凝土膨胀剂，执行标准jc476-2001）。

所述改性剂为快t（全称为磺化琥珀酸二辛酯钠盐），为表面活性剂。

水与封孔材料a按照0.8:1进行混合搅拌形成的浆液的表面张力为26.33mn.m^-1，浆液与煤岩的接触角范围为12~18°，在注浆最大压力1.5mpa时，浆液能够克服毛管压力进入钻孔11孔壁裂缝宽度3μm以上连通的微裂缝。

注入固相封孔材料：使用第一快速接头连接注浆泵出口与封孔装置的一次注浆管4，启动注浆泵，开始向一次注浆管4内注入固相封孔材料；当注浆泵的压力达到第一单向阀7的开启压力时，固相封孔材料分别流入并充填一号囊袋1、二号囊袋2及三号囊袋3；一号囊袋1、二号囊袋2及三号囊袋3充满后，即在钻孔11的预定封孔位置产生三个带压“堵头”，在三个带压“堵头”中间产生两个封孔注浆空间；随着注浆泵的压力继续升高，当注浆泵的压力达到爆破阀8的开启压力时，固相封孔材料流入第一封孔段内（即一号囊袋1和二号囊袋2之间），开始充填第一封孔段；第一封孔段充满后，继续注入固相封孔材料（注入最大压力维持在1.5mpa），固相封孔材料在压力作用下渗透到钻孔11孔壁的周围裂隙中；当注浆泵压力快速升高时，关闭注浆泵，完成第一封孔段固相封孔。

步骤三，联网抽采，并定期筛选漏气抽采钻孔11：第一封孔段固相封孔结束，第一封孔段内的固相封孔材料初步凝固后，将瓦斯抽采套管10与瓦斯抽采管路对接后联网抽采瓦斯；对已完成第一封孔段固相封孔的抽采钻孔11进行瓦斯抽采浓度的定期检测，评估其瓦斯抽采浓度的衰减程度，及时发现漏气的抽采钻孔11；如果抽采钻孔11的瓦斯抽采浓度降至30%及以下，需进行第二封孔段液相封孔，如果抽采钻孔11的瓦斯抽采浓度一直维持在30%以上，为了节约成本，可不进行第二封孔段液相封孔。

步骤四，对漏气的抽采钻孔11进行第二封孔段液相封孔：先使用封孔材料b配制液相封孔材料；再将液相封孔材料通过注浆泵和第二注浆管注入第二封孔段内，完成第二封孔段液相封孔。

配制液相封孔材料：预先在搅拌桶装入一定量的水，再按200:1的水料配比关系向搅拌桶加入封孔材料b（即200重量份的水加1重量份的封孔材料b），完成后启动搅拌器，将液体混合均匀，调制成胶液，得液相封孔材料。

步骤四中所述的封孔材料b由水溶性较好的植物胶（植物胶采用水溶性较好的胍胶，也可以用田菁胶、瓜尔胶、胡麻胶、香豆胶等天然植物胶材料代替)、交联剂、保湿剂、改性剂混合调制而成。

其中，所述交联剂为硼砂，所述保湿剂为聚丙乙酰胺，所述改性剂为快t（磺化琥珀酸二辛酯钠盐），为表面活性剂。

封孔材料b的调制原则是：水与封孔材料b按照200:1进行混合搅拌形成的胶液在蒸发干燥后只允许留下微量的残渣，不能影响后续的再次或多次注液；胶液的粘度不能低于300mpa.s，表面张力应小于31mn.m^-1，胶液与煤岩的接触角范围为20~28°，在注液最大压力1.5mpa时，胶液能够克服毛管压力进入孔壁裂缝宽度75nm以上连通的超微裂缝。

注入液相封孔材料：使用第二快速接头连接注浆泵出口与封孔装置的二次注浆管5，启动注浆泵，开始向二次注浆管5内注入液相封孔材料；当注浆泵的压力达到第二单向阀9的开启压力时，液相封孔材料流入第二封孔段内（即二号囊袋2和三号囊袋3之间），开始充填第二封孔段；第二封孔段充满后，继续注入液相封孔材料（注入最大压力维持在1.5mpa），液相封孔材料在压力作用下渗透到钻孔11孔壁的周围裂隙中；当注浆泵压力快速升高时，关闭注浆泵，完成第二封孔段液相封孔。

步骤五，第二封孔段的定期维护：第二封孔段液相封孔结束后，继续抽采瓦斯；对已完成第二封孔段液相封孔的抽采钻孔11进行瓦斯抽采浓度的定期检测，及时发现漏气的抽采钻孔11，对漏气抽采钻孔11的第二封孔段重复步骤四和步骤五。

本发明中所述的固相封孔材料和液相封孔材料不仅能够应用于本发明的瓦斯抽采钻孔固液两相封孔工艺中，还能够应用到现有的两堵一注工艺中，其中的两堵可以用现有技术中采用的聚氨酯，也可采用本发明的固相封孔材料，一注可以用本发明的固相封孔材料，也可以用本发明的液相封孔材料，具有广泛的适用性。

所述卡环6、第一单向阀7、第二单向阀9、爆破阀8为现有常规装置，具体结构不再详述。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。