一种用于矿井塌孔防治的泡沫混凝土注浆系统及方法与流程

本发明涉及瓦斯抽采工程技术领域，特别是一种用于矿井塌孔防治的泡沫混凝土注浆系统及方法。

背景技术

煤层气的热值是通用煤的2-5倍，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5％-16％时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。在采煤之前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70％到85％。煤层气的开发利用具有——洁净能源、产生商业利益等一举多得的功效。

目前，我国抽采瓦斯最普遍的方法是利用钻孔对开采工作面煤层瓦斯提前预抽。由于煤体强度比岩层小，本煤层钻孔大都是空气或者水力排渣，孔内支撑压力非常小，另外受地应力、煤层瓦斯含量和煤体强度等因素影响，松软煤层瓦斯抽采孔钻进时极易变形甚至坍塌，造成抱钻。另外，由于开采活动引起的孔周围应力二次分布，会造成孔周围煤体位移形变，进一步造成钻孔成孔后的采动坍塌。阻断瓦斯涌出和流动的通道，严重影响了瓦斯抽采效率，极大限制了瓦斯抽采效果达到标准的进程，增大了煤炭开采时的瓦斯灾害风险。因此，钻孔稳定性研究具有十分重要的意义。

因此，钻孔塌孔防治一直是煤层钻孔过程中需要解决的重大难题之一。钻杆内下套管的方法作为一种行之有效的防治软煤层钻孔塌孔技术已经在实际煤层钻孔过程中得到了实际的应用，但其施工成本大、工艺复杂，不利于广泛推广。而且在实际应用过程中由于钻孔塌孔，阻塞了筛管孔，导致实际抽采效果并不理想。因此，建立一套可行的塌孔防治方法，可进一步提高瓦斯抽采效率，对煤矿生产安全意义重大。目前，对于泡沫混凝土的探索和应用大多考虑其轻质高强、保温隔热的效用，对其透气性的问题研究较少，因此，亟需完善泡混混凝土在该方面的不足。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种用于矿井塌孔防治的泡沫混凝土注浆系统及方法，其结构简单，设计合理，利用“两堵一注”技术封堵塌孔段钻孔，然后对塌孔段进行精确位置注浆而不影响未塌孔段内瓦斯的流通，最大程度上保障了瓦斯抽采效率，而且经过实验室配比改变后的泡沫混凝土，在透气性方面大幅改善，可应用于不同条件下的煤矿，适应性强，成本低廉，应用广泛。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种用于矿井塌孔防治的泡沫混凝土注浆系统，包括可以调节倾角、功率大小的履带式液压钻机，所述液压钻机包括机身、履带、承台、立架、电机、外钻杆和内钻杆；该系统还包括套杆装置、充气或注水胶囊装置、充气或注水及其监测和反馈装置、对塌孔位置注浆的注浆装置；

所述套杆装置包括与外钻杆端部螺纹连接的外杆、与内钻杆端部螺纹连接且套置于外杆内的内杆，外杆的前端安装有可闭合式钻头，内杆的前端为筛管，筛管前端外壁安装有倒刺，所述倒刺在可闭合式钻头打开时用于贯穿可闭合式钻头；

所述充气或注水胶囊装置包括两个相邻套置于筛管上的胶囊；

所述充气或注水及其监测和反馈装置包括用来向两个胶囊中充气或注水的泵、输送气体或水进入两个胶囊的细管和控制气体和水进出两个胶囊的阀门，及监测和反馈两个胶囊内部压力的流量计和压力表，所述细管沿轴向固定于内杆上端的内壁，并且在两个胶囊位置内接于两个胶囊中并设有进气或进水孔，所述流量、计压力表安装在置于矿井钻孔外的细管上；

所述对塌孔位置注浆的注浆装置包括注浆泵和输送浆液的注浆管，和两个胶囊中间带有爆破阀的一段内筛管，注浆管前端贯穿内筛管外壁，爆破阀安装在注浆管前端内，所述注浆管前端位于爆破阀一端，注浆管末端与置于矿井钻孔外的注浆泵连接。

进一步，所述外杆、内杆均由若干根组成，上一根外杆、内杆分别与下一根外杆、内杆通过螺纹连接，所述最前端的一根内杆为筛管。

进一步，与两个胶囊连接的进气或进水孔处设有单向阀。

另外，本发明还提供了一种用于矿井塌孔防治的泡沫混凝土注浆方法，包括以下步骤：

步骤一、退杆后，套杆的再输送：液压钻机打孔后退钻，将倒刺安装在筛管上，再将筛管螺纹连接于特制的钻机上，安装可闭合式三翼钻头在第一根外杆上，将第一根外杆套在筛管外后螺纹连接于钻机上，启动钻机，待套杆深入钻孔后，停止钻机，卸下筛管和第一根外杆，连接第一个胶囊和筛管，将第二根外杆套在第一个胶囊外连接于第一根外杆上，再次将套杆连接在钻机上，启动钻机，待第二根套杆深入钻孔后，停止钻机，将套杆从钻机上卸下，连接用于注浆的注浆管，将第三根外杆套在注浆段内杆外连接于第二根外杆，将套杆连接于钻机，启动钻机，待第三根套杆深入钻孔后，停止钻机，卸下套杆，连接第二个胶囊与注浆段内杆，将第四根外杆套在第二个胶囊外连接于第三根外杆，连接套杆与钻机，启动钻机，待第四根套杆深入钻孔后，停止钻机，卸下套杆，在第二个胶囊后安装第一根普通内杆，安装第一根外杆，连接套杆与钻机，启动钻机；重复以上步骤，直到套杆深入到矿井钻孔的塌孔段位置，再次启动钻机，让倒刺穿过三翼钻头穿入煤层中，稍稍后撤钻杆，让倒刺固定于煤壁中；

步骤二、退出外杆：将外杆从钻机上卸下，将内杆从钻机上卸下，再将外杆连接于钻机，启动钻机，反向旋转，待最后一根外杆退出钻孔后，停止钻机，将最后一根外杆卸下置于巷道地面，连接钻机与倒数第二根外杆，再次启动钻机反向旋转；重复以上步骤，直到退出所有外杆为止；

步骤三、对胶囊充气或注水：根据井下的具体情况，胶囊可充气或者注水，首先将送气管或注水管与井下的气管或水管连接，打开端头阀门，让气体或水流通过送气管或注水管输送到胶囊中，提前计算充入胶囊中所需气体和水流的体积，通过气体流量计观测，等胶囊中输入的气体和水流体积快到预计体积时，转动阀门，减小输气或注水的速率，观察气压表的变化，等到气压表的压力突然变大时，说明胶囊的膨胀遇到阻碍，即膨胀到钻孔孔壁的位置了，关闭端头的阀门，防治气体和水回流，停止输送气体或水流；

步骤四、泡沫混凝土浆液的输送：在矿用搅拌机中配制好的由石灰、石膏、铝粉、氧化钙、速凝剂组成的泡沫混凝土浆液，将矿用搅拌机与注浆泵连接，再将注浆泵通过变径软管与注浆管连接，启动注浆泵，往注浆管内注入配好的泡沫混凝土浆液，根据搅拌机中液面下降位置判断注浆量的多少，等达到预计注浆量0.2立方后，停止注浆；

步骤五、等待泡沫混凝土浆液的初凝后封孔：静置半个小时，等到泡沫混凝土浆液初凝完成，然后将抽采管与封孔管相连，在瓦斯压力梯度和抽采负压的双重作用下，塌孔段之后的瓦斯气体通过两种方式被抽采，一是通过泡沫混凝土的间隙被抽采，二是通过筛管再通过内杆被抽采。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的结构简单，设计合理，实现及使用操作方便。

2、本发明在通过对钻孔塌孔段定点注入泡沫混凝土，从而不影响其他段瓦斯的正常流通，最大程度上保障了钻孔内瓦斯的流通性，减小了瓦斯压力梯度的衰减。

3、本发明在矿上钻孔封孔的基础上提出了新的防治钻孔塌孔的方案，改进了现有的钻孔塌孔防治工艺，提高了塌孔钻孔瓦斯预抽采的抽采效率。

4、本发明完全采用自主设计的泡沫混凝土，该泡沫混凝土采用化学发泡法，相对于传统的使用发泡机发泡的物理发泡法而言，大大节省了成本，提高了经济效益，并且相较于传统发泡机多采用电力发泡而不能很好适用于井下的条件，同时发泡机本身由于体型、重量较大，不利于上下运输而言，化学发泡法简单可行，携带方便，随用随配，分量可调，大大节省了成本，提高了经济效益，增加了运输的便利性和使用的简便性。

综上所述，本发明结构简单、设计合理，通过化学发泡法精简了发泡的工艺与流程，适用于工程现场，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明胶囊封堵钻孔后对注浆管进行注浆的示意图。

图2为本发明输送套杆的钻机示意图。

图3为本发明内、外杆及气管和注浆管的关系示意图。

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-图3所示，本实施例的一种用于矿井塌孔防治的泡沫混凝土注浆系统，包括可以调节倾角、功率大小的履带式液压钻机19，所述液压钻机19包括机身13、履带12、承台18、立架17、电机16、外钻杆15和内钻杆14；该系统还包括套杆装置24、充气或注水胶囊装置、充气或注水及其监测和反馈装置、对塌孔位置注浆的注浆装置；

所述套杆装置24包括与外钻杆15端部螺纹连接的外杆20、与内钻杆14端部螺纹连接且套置于外杆20内的内杆21，内杆21为抗静电、阻燃的pvc管，外杆20的前端安装有可闭合式钻头10，另外，外杆20、内杆21均由若干根组成，上一根外杆20、内杆21分别与下一根外杆20、内杆21通过螺纹连接，所述最前端的一根内杆21为筛管，筛管前端外壁安装有倒刺11，所述倒刺11在可闭合式三翼钻头10打开时用于贯穿可闭合式钻头10，当倒刺11打入矿井钻孔内壁中后撑开，固定住内杆21后依次退出外杆20，；

所述充气或注水胶囊装置包括两个相邻套置于筛管上的第一个胶囊6和第二个胶囊8；

所述充气或注水及其监测和反馈装置包括用来向第一个胶囊6和第二个胶囊8中充气或注水的泵、输送气体或水进入第一个胶囊6和第二个胶囊8的细管22和控制气体和水进出第一个胶囊6和第二个胶囊8的阀门，及监测和反馈胶囊内部压力的流量计和压力表，所述细管22沿轴向固定于内杆21上端的内壁，并且在第一个胶囊6和第二个胶囊8位置内接于第一个胶囊6和第二个胶囊8中并设有进气或进水孔221，所述流量、计压力表安装在置于矿井钻孔外的细管22上；

所述对塌孔位置注浆的注浆装置包括注浆泵和输送浆液的注浆管23，和第一个胶囊6和第二个胶囊8中间带有爆破阀的一段内筛管26，注浆管23沿轴向固定于内杆21下端的内壁，注浆管23前端贯穿内筛管外壁，爆破阀25安装在注浆管23前端内，所述注浆管23前端位于爆破阀一端，注浆管23末端与置于矿井钻孔外的注浆泵连接。当注浆压力达到爆破阀爆破极限时，爆破阀爆开，浆液流入塌孔段7钻孔中，凝固后，膨胀顶起塌孔段7钻孔。

实际使用时，先将可闭合式三翼钻头10安装于第一根外杆20上，再将闭合的倒刺11安装于筛管上，然后将安装了倒刺11的筛管塞入外杆20中。

本实施例中，与第一个胶囊6和第二个胶囊8连接的进气或进水孔221处设有单向阀9，当气体或水流通过送气管或注水管输送到第一个胶囊6和第二个胶囊8中后，此时因为单向阀9的原因，可以防止气体或水流回流。

上述的一种用于矿井塌孔防治的泡沫混凝土注浆系统，所述泡沫混凝土为经过实验室配比调节的具有良好透气性的气孔型泡沫混凝土。

实际使用时，由于井下的气压、温度等与实验室并不完全相同，而这些都会对泡沫混凝土最终的透气性和强度造成一定影响，可在现场进行微量配比的试验，调整到最佳后，方可进行实际注浆的配比。

上述的一种用于矿井塌孔防治的泡沫混凝土注浆系统，根据现场钻孔出煤量的变化确定塌孔的位置，在输送注浆管23进入钻孔的过程中进行二次确认。

实际使用时，应每隔一段距离用容器盛接打钻时钻出的煤粉，并进行精确称量，称量时间隔相同距离，以每根钻杆或每两个钻杆为界，每次接煤粉时的时间应保持相等，尽可能的减小其他因素对单位时间出煤量的影响，在第二次钻入时若遇到单位时间出煤粉量突然增加的地方与第一次钻入时明显不同，应以第二次钻入时遇到的情况为准。

利用上述实例的用于矿井塌孔防治的泡沫混凝土注浆系统进行注浆时，如他4所示，具体步骤如下：

步骤一、退杆后，套杆的再输送：液压钻机19打孔后退钻，将倒刺11安装在筛管上，再将筛管螺纹连接于特制的钻机19上，安装可闭合式三翼钻头10在第一根外杆20上，将第一根外杆20套在筛管外后螺纹连接于钻机19上，启动钻机19，待套杆装置24深入钻孔后，停止钻机19，卸下筛管和第一根外杆20，连接第一个胶囊6和筛管，将第二根外杆20套在第一个胶囊6外连接于第一根外杆20上，再次将套杆装置24连接在钻机19上，启动钻机19，待第二根套杆装置24深入钻孔后，停止钻机19，将套杆装置24从钻机19上卸下，连接用于注浆的注浆管23，将第三根外杆20套在注浆段内杆21外连接于第二根外杆20，将套杆装置24连接于钻机19，启动钻机19，待第三根套杆装置24深入钻孔后，停止钻机19，卸下套杆装置24，连接第二个胶囊8与注浆段5内杆21，将第四根外杆20套在第二个胶囊8外连接于第三根外杆20，连接套杆装置24与钻机19，启动钻机19，待第四根套杆装置24深入钻孔后，停止钻机19，卸下套杆装置24，在第二个胶囊8后安装第一根普通内杆21，安装第一根外杆20，连接套杆装置24与钻机19，启动钻机19；重复以上步骤，直到套杆装置24深入到矿井钻孔的塌孔段7位置，再次启动钻机19，让倒刺11穿过三翼钻头10穿入煤层中，稍稍后撤钻杆，让倒刺11固定于煤壁中；

需要说明的是，由于煤壁上已用矿用的钻孔机打过钻孔了，因此前几根套管可直接人工塞入钻孔中，直至塞入时遇到明显阻力时，再采用打钻机进行钻入。

步骤二、退出外杆：将外杆20从钻机19上卸下，将内杆21从钻机19上卸下，再将外杆20连接于钻机19，启动钻机19，反向旋转，待最后一根外杆20退出钻孔后，停止钻机19，将最后一根外杆20卸下置于巷道地面，连接钻机19与倒数第二根外杆20，再次启动钻机19反向旋转；重复以上步骤，直到退出所有外杆19为止；

实际使用时，由于退钻时产生的震动可能会使内杆在钻孔中出现退钻后的距离与原始距离出现偏移的情况，为了避免该情况的发生，可采用以下两种方法降低影响：1、打钻时使钻杆距离比预定距离稍远一些；2、退钻时采用小功率缓慢退钻，尽可能平稳的退出钻杆。

步骤三、对胶囊充气或注水：根据井下的具体情况，第一个胶囊6和第二个胶囊8可充气或者注水，首先将送气管或注水管4与井下的气管或水管4连接，打开端头阀门，让气体或水流通过送气管或注水管4输送到第一个胶囊6和第二个胶囊8中，提前计算充入第一个胶囊6和第二个胶囊8中所需气体和水流的体积，通过气体流量计观测，等第一个胶囊6和第二个胶囊8中输入的气体和水流体积快到预计体积时，转动阀门，减小输气或注水的速率，观察气压表的变化，等到气压表的压力突然变大时，说明第一个胶囊6和第二个胶囊8的膨胀遇到阻碍，即膨胀到钻孔孔壁的位置了，关闭端头的阀门，防治气体和水回流，停止输送气体或水流；

实际使用时，根据井下的实际情况，可采用充气或注水，充气时，由于煤壁的压力，应在压力表突变后继续冲入一定量的气体，使得胶囊可以很好的挤压煤壁，起到撑起煤壁和封堵钻孔的作用，注水时，由于气管的直径过小，因此气管之间的连接强度有限，因尽可能的减小水流，降低水流对气管的压力。

步骤四、泡沫混凝土浆液的输送：在矿用搅拌机中配制好的由石灰、石膏、铝粉、氧化钙、速凝剂组成的泡沫混凝土浆液，将矿用搅拌机与注浆泵连接，再将注浆泵通过变径软管与注浆管23连接，启动注浆泵，往注浆管23内注入配好的泡沫混凝土浆液，根据搅拌机中液面下降位置判断注浆量的多少，等达到预计注浆量0.2立方后，停止注浆；

实际使用时，由于搅拌机的经常使用，很难做到清理干净，可用较大的塑料袋或油布铺垫在注浆泵中再进行混凝土浆液的配比，防止混凝土浆液配比过程中，混凝土浆液与搅拌机机壁上的陈旧混凝土固体发生反应从而影响最终的泡沫混凝土的性能。用于煤壁的不规则形变，胶囊并不能完全的堵住钻孔之间的缝隙，因此在注入泡沫混凝土浆液时要比实际计算量多注入一定量。

步骤五、等待泡沫混凝土浆液的初凝后封孔：静置半个小时，等到泡沫混凝土浆液初凝完成，然后将抽采管2与封孔管1相连，在瓦斯压力梯度和抽采负压的双重作用下，塌孔段7之后的瓦斯气体通过两种方式被抽采，一是通过泡沫混凝土的间隙被抽采，二是通过筛管再通过内杆21被抽采。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。