动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置及使用方法与流程

本发明涉及矿井水害帷幕注浆治理及动水通道投料封堵技术领域。

背景技术：

针对岩溶区大水矿山水害防治的帷幕注浆技术，常因动水管道流水势大、流速高，常规的单一注浆技术浆液留存率低、封堵作用不良，浆材浪费严重，很难取得较好的堵水效果，不仅影响施工进度还造成工程成本的提高。一般需要通过向岩溶通道内投放骨料的方式将管道流转化为渗流，注浆浆液才能在通道内有效留存下来，进而达到提高帷幕注浆堵水率的效果。

由于揭露岩溶通道的注浆孔孔深较大、孔径较小，在孔口投料过程中，骨料易堆积在孔底周围。采用常规人工直接投料方式存在诸多弊端：首先人工投料在填投量和填投速度上可控性较差，投料连续性和均匀性不能很好地保障；其次，因投料不均匀性及骨料运移动力较小，下料困难，易造成注浆孔堵塞，堵后扫孔处理不仅费时费力，还可能发生次生孔内事故；再者，人工投料劳动强度大、施工效率低，影响工程进度，增加施工成本。而已有投料装置多为畜牧业投料装置或产品生产线上料装置，不适用于岩溶通道封堵钻孔投料施工。

技术实现要素：

本发明提供了动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置及使用方法，主要解决的技术问题是解决背景技术中提及的岩溶通道封堵钻孔人工投料施工工艺可控性、连续性、均匀性差，下料困难、易堵孔，投料劳动强度大、效率低等技术问题。本发明主要通过负压流体具备的冲携和倒吸作用增加骨料下移动能，实现“流体带料”投料方式，不易造成注浆孔堵塞，具有注浆孔不会堵塞，投料可控性、连续性和均匀性好，大幅提高帷幕注浆工程堵水施工效率和质量，降低工程成本，降低人工劳动强度的特点，具有可观的经济效益和社会效益。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置，其特征在于：包括通道、供流单元、投料单元和监控单元；

所述通道从后向前依次包括变径段、射流段、投料段、监控段、弯曲段和竖直段；变径段、射流段、投料段、监控段、弯曲段和竖直段顺序连接，竖直段出口能与孔口管连接，投料段设有投料口；

所述供流单元包括供流泵和供流管路；变径段进口与供流单元输出管路连接；

所述投料单元包括储料部分、皮带上料机、投料漏斗；储料部分储存骨料并向皮带上料机下放骨料，皮带上料机将骨料输送至投料漏斗，投料漏斗与投料口连接；投料漏斗中设有输送机构；实现机械化送料投料；

所述监控单元包括控制器、电磁流速计、负压变送器、摄像头；电磁流速计、负压变送器、供流泵、储料部分、皮带上料机、输送机构均与控制器连接；优选的，所述供流泵采用无级变速注浆泵。

优选的，所述输送机构包括转动电机，与转动电机连接的螺旋杆，装在锥形的投料漏斗中，底端位于投料口；锥形漏斗上开口处设置有水平条形支撑，转动电机通过竖直杆固定在条形支撑上。

优选的，所述储料部分包括储料仓和下料电动阀门，下料电动阀门位于储料仓下端开口处，通过与控制器连接，可控制是否下料。

优选的，所述射流段管壁内嵌有射流楔体，使射流孔沿流体流动方向逐渐变小，在射流段、投料段连接处形成射流口。

优选的，所述射流楔体的形状为平面纵向截取圆柱面而形成的三角形。

进一步的，所述通道竖直段能连接变径结构的管道，以适用于不同孔径注浆孔投料。

优选的，所述通道包括条形监视窗或水平段材质为厚层透明钢化玻璃；所述监控单元包括摄像头，摄像头与控制器连接。

优选的，所述骨料包括稻壳、麦秸、黄豆、海带、砂、石子、水泥膜袋等，其中一种或几种；所述供流流体包括水、纯水泥浆或改性黏土混合浆等。

如上述任一项所述的动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、根据岩溶通道大小和形态及注浆孔规格，选择满足投料生产能力的动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置，并安装；选择合理的骨料类型及粒径；选择供流流体类型；

2)、按各设定参数进行工作：进行投料施工，逐渐增大骨料粒径及投料速率，获取此流速下不堵孔的最大骨料粒径和投料速率对应参数；逐步提高供流流速，并以上述获取的骨料粒径和投料速率为基准相应增大其参数，获取各供流流速下最优可投骨料粒径和投料速率组合参数；供流部分可连续调节供流流速及孔内相应负压大小，保证骨料顺利填投；

3)、投料过程中，参照供流流速和压力时刻观察骨料填投下落情况，及时变换骨料及流体类型，以便适应岩溶通道封堵的动态变化，保证在最优投料参数下进行投料施工；

4)、所述通道内如流体流速降低、负压归零或变正，说明发生堵塞事故；如若发生堵孔事故，应马上停止投料并以高速流体对注浆孔进行冲洗；若效果不佳，则应将投料通道从孔口管拆除进行扫孔处理，并判断是否达到投料结束标准，以确定下一步继续投料或结束投料。

本发明的技术效果是：主要解决的技术问题是解决背景技术中提及的岩溶通道封堵钻孔人工投料施工工艺可控性、连续性、均匀性差，下料困难、易堵孔，投料劳动强度大、效率低等技术问题。本发明主要通过负压流体具备的冲携和倒吸作用增加骨料下移动能，实现“流体带料”投料方式，不易造成注浆孔堵塞，具有注浆孔不会堵塞，投料可控性、连续性和均匀性好，大幅提高帷幕注浆工程堵水施工效率和质量，降低工程成本，降低人工劳动强度的特点，具有可观的经济效益和社会效益。

本发明较已有技术具有以下有益效果：

(1)动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置及使用方法，较已有投料方法，所述投料方法即“流体带料”投料方法利用高速流体的冲携作用及流体下落时产生的孔内负压倒吸作用运送骨料，可有效增大骨料下移动能，扩大骨料运移范围，减少注浆孔堵塞发生次数，保证投料施工顺畅进行；

(2)所述动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置及使用方法，较已有投料装置，采用内嵌楔体的方式在通道投料口下方产生高速高压射流，冲击并携带骨料进入注浆孔内；

(3)所述动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置及使用方法，较已有投料装置，可实现供流流体流速的连续性调节，为投料提供所需流速的稳定流体；

(4)所述动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置及使用方法，较人工直接投料方法，所述装置可实现机械化、连续、均匀投料施工，降低人工劳动强度；带螺旋杆的投料漏斗可实现骨料的匀速下落并确保漏斗内有一定量的骨料留存，以防止通道流体外溢及负压损失；

(5)所述动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置及使用方法，较已有投料装置，可通过监测通道内流体流速和压力，判断是否发生堵孔事故，并据此及时调整供流和投料参数以避免堵孔事故发生或处理堵孔事故；

(6)所述动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置及使用方法，较已有投料方法，所述投料方法利用包括水、浆液等不同种类的流体携运砂、石子等多种类型骨料，可实现针对岩溶通道及注浆孔漏洞大小、形态的多种流体、骨料组合类型的钻孔投料施工；

(7)所述动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置及使用方法，较已有投料装置，通道部分包括条形监视窗或采用厚层透明钢化玻璃材质光滑圆形管道，可有效减少骨料运移阻力，便于观察通道内骨料留存情况，及时发现下料口乃至整体管道堵塞事故；通道各功能管段以活动接口连接，便于拆卸处理堵管事故。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明投料装置整体结构示意图(或平面布置图)。

图2为图1的a向局部视图。

图3为图1的b向局部视图。

图4为图2中射流段沿进流方向c射流楔体断面结构变化示意图。

图中，1-射流段；2-投料段；3-监控段；4-弯曲段；5-变径段；6-供流管路；7-供流泵；8-投料口；9-(锥形)投料漏斗；10-转动电机；11-水平条形支撑；12-竖直杆；13-转动轴；14-螺旋杆；15-(插入式)电磁流速计；16-(插入式)负压变送器；17-皮带上料机；18-储料仓；19-控制器；20-控制线；21-信号线；22-接口1；23-接口2；24-接口3；25-接口4；26-接口5；27-接口6；28-接口7；29-竖直段；30-孔口管；31-射流楔体；32-摄像头；33-下料电动阀门。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1～图4，现对本发明进行说明。

作为本发明提供的一种具体实施方式，所述本发明的主要技术方案是：动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置，其特征在于：包括通道、供流单元、投料单元和监控单元；

所述通道从后向前依次包括变径段5、射流段1、投料段2、监控段3、弯曲段4和竖直段29；变径段5、射流段1、投料段2、监控段3、弯曲段4和竖直段29顺序连接，竖直段29出口能与孔口管30连接，投料段2设有投料口8；

所述供流单元包括供流泵7和供流管路6；变径段5进口与供流单元输出管路连接；

所述投料单元包括储料部分、皮带上料机17、投料漏斗9；储料部分储存骨料并向皮带上料机17下放骨料，皮带上料机17将骨料输送至投料漏斗9，投料漏斗9与投料口8连接；投料漏斗9中设有输送机构；实现机械化送料投料；

所述监控单元包括控制器19、电磁流速计15、负压变送器16、摄像头(32)；电磁流速计15、负压变送器16、供流泵7、储料部分、皮带上料机17、输送机构均与控制器19连接；可实时采集供流、投料及通道内流体流速和压力参数，监控漏斗内骨料和流体情况，判断注浆孔是否堵塞，并据此对供流及投料施工参数进行及时调控。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述供流泵7采用无级变速注浆泵。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述输送机构包括转动电机10，与转动电机10连接的螺旋杆14，装在锥形的投料漏斗9中，底端位于投料口8；锥形漏斗上开口处设置有水平条形支撑11，转动电机10通过竖直杆12固定在条形支撑11上。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述储料部分包括储料仓18和下料电动阀门33，下料电动阀门33位于储料仓18下端开口处，通过与控制器19连接，可控制是否下料。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述射流段1管壁内嵌有射流楔体31，使射流孔沿流体流动方向逐渐变小，在射流段1、投料段2连接处形成射流口。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述射流楔体31的形状为平面纵向截取圆柱面而形成的三角形。

作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步的，所述通道竖直段29能连接变径结构的管道，以适用于不同孔径注浆孔投料。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述通道包括条形监视窗或水平段材质为厚层透明钢化玻璃；所述监控单元包括摄像头32，摄像头32与控制器19连接。

作为本发明提供的一种具体实施方式，优选的，所述骨料包括稻壳、麦秸、黄豆、海带、砂、石子、水泥膜袋等，其中一种或几种；所述供流流体包括水、纯水泥浆或改性黏土混合浆等。

如上述任一项所述的动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、根据岩溶通道大小和形态及注浆孔规格，选择满足投料生产能力的动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置，并安装；选择合理的骨料类型及粒径；选择供流流体类型；即，首先根据注浆孔揭露的岩溶通道情况及注浆孔压、注水试验结果，选定初始流体和骨料，然后调节供流流速至一定初始值，待通道内流体稳定后从慢到快逐渐投料。

2)、按各设定参数进行工作：进行投料施工，逐渐增大骨料粒径及投料速率，获取此流速下不堵孔的最大骨料粒径和投料速率对应参数；逐步提高供流流速，并以上述获取的骨料粒径和投料速率为基准相应增大其参数，获取各供流流速下最优可投骨料粒径和投料速率组合参数；供流部分可连续调节供流流速及孔内相应负压大小，保证骨料顺利填投；

3)、投料过程中，参照供流流速和压力时刻观察骨料填投下落情况，及时变换骨料及流体类型，以便适应岩溶通道封堵的动态变化，保证在最优投料参数下进行投料施工；依据岩溶通道封堵及下料情况，变换投料过程中供流流速、流体种类、投料速率及骨料类型组合方式，以适应最新封堵和投料状态；通过监测通道内流速和压力判断是否发生堵塞事故，据此及时调控供流和投料参数，防治堵塞事故；直至达到投料施工结束标准；通过通道流体流速、压力及骨料下移情况，判断骨料在孔底运移和堆积状态，据此调整供流流速和投料速率，以防供流流速偏小而投料速率过快，造成骨料运移能力不足大量堆积在孔底甚至填满注浆孔，引发钻孔堵塞事故或直接废孔；

4)、所述通道内如流体流速降低、负压归零或变正，说明发生堵塞事故；如若发生堵孔事故，应马上停止投料并以高速流体对注浆孔进行冲洗；若效果不佳，则应将投料通道从孔口管拆除进行扫孔处理，并判断是否达到投料结束标准，以确定下一步继续投料或结束投料。

作为本发明提供的一种具体实施方式，进一步说明如下。

通道弯曲段为弧形管道，可有效减少骨料运移阻力；转动电机通过竖直杆固定在条形支撑上，螺旋杆居中贯穿漏斗，底端位于投料口，顶端通过转动轴与转动电机连接；可提高下料效率，确保漏斗内具备一定骨料，有效防止通道内流体溢出，降低负压损失；供流泵采用无级变速注浆泵，可定量调控供流流速，提供连续渐变流速流体；供流管路与通道变径段连接；控制器与电磁流速计、负压变送器、摄像头、供流泵、下料电动阀门、皮带上料机、转动电机通过信号线连接，与供流泵、下料电动阀门、皮带上料机、转动电机通过控制线连接；可实时采集供流、投料及通道内流体流速和压力参数，监控漏斗内骨料和流体情况，判断注浆孔是否堵塞，并据此对供流及投料施工参数进行及时调控。此投料装置可有效实现注浆孔揭露动水岩溶通道封堵孔口机械化高效定量定速投料施工，通过负压流体具备的冲携和倒吸作用可增加骨料下移动能，实现不同流体、骨料组合类型的“流体带料”投料方式并通过监测通道内流体流速和压力，判断孔底骨料运移和堆积情况，保证投料的可控性、连续性和均匀性，减少注浆孔堵塞发生次数，提高投料施工效率，降低人工劳动强度。射流段1长80cm，投料段2长30cm，监控段3长70cm，变径段5长40cm，竖直段(29)长50cm；所述通道部分为厚层透明钢化玻璃材质光滑圆形管道，外直径为138mm，内直径为118mm；所述通道部分弯曲段4为弧形管道，长为弯曲半径40cm的1/4圆弧；所述通道部分射流段1内嵌楔体，长60cm，楔体沿流体流动方向逐渐变厚，变化范围为0～80mm，楔体最厚点与接口3距离为5cm，在投料口下形成射流；所述通道部分监控段3安装插入式电磁流速计15及插入式负压变送器16。

投料装置的具体操作方法如下：

首先将投料装置按设计组装完毕并安装在孔口管30上。然后，根据注浆孔揭露的岩溶通道情况及注浆孔压、注水试验结果，选定初始骨料和流体类型，通过控制器19打开注浆泵7，将供流流速调节至一定值，调控下料电动阀门33、皮带上料机17和转动电机10按从小到大的速率填投骨料，直至取得在保证顺利投料前提下的骨料可投最大值，并依据插入式电磁流速计15及插入式负压变送器16测得的流速和压力实时参数逐步增大供流流速，相应增大投料速率，最终获得此骨料-流体组合情况下的最优效率投料参数；根据插入式电磁流速计15及插入式负压变送器16测得的流速和压力参数及摄像头32获得的投料漏斗内情况并结合对通道部分的观察，判断是否发生堵孔或堵管事故。若流速和负压变小或归零，漏斗内骨料下落困难并流体溢出或通道内可见大量骨料留存，应通过控制器19调节注浆泵7增大供流流速，以高压高速流体对通道和注浆孔进行冲洗，若效果不佳可直接拆除投料装置进行扫孔。直至达到投料结束标准。

上述投料过程中，骨料和流体选择可根据岩溶通道状态及注浆孔压、注水试验透水率变化情况进行自由组合。所述动水岩溶通道封堵负压流体携带钻孔投料装置可有效实现注浆孔揭露动水岩溶通道封堵孔口机械化高效定量定速投料施工，通过负压流体具备的冲携和倒吸作用可增加骨料下移动能，实现不同流体、骨料组合类型的“流体带料”投料方式并通过监测通道内流体流速和压力，判断孔底骨料运移和堆积情况，保证投料的可控性、连续性和均匀性，减少注浆孔堵塞发生次数，提高投料施工效率，降低人工劳动强度。

以上未述及部分本专业技术人员均可实施。

上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内对上述方案进行变化、修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换、改进等。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。