一种节能型煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔系统的制作方法

本实用新型属于煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种节能型煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔系统。

背景技术：

煤炭作为我国最主要的能源，在一次能源生产和消费结构中始终占70％左右。但由于煤层赋存条件复杂多变，含瓦斯煤层多，煤矿瓦斯储量大，因而我国煤炭工业长期受到各种自然灾害的威胁，严重影响着矿井的安全生产和可持续发展。瓦斯灾害即是煤矿开采过程中最严重的灾害之一。据2006年统计资料，在100个国有重点煤炭生产企业的609处矿井中，高瓦斯矿井占 26.8％，煤与瓦斯突出矿井占17.6％，低瓦斯矿井占55.6％。随着开采深度的不断增加，瓦斯涌出量不断加大，煤与瓦斯突出危险也在不断的增加，高瓦斯矿井的数量也在增加。

目前，国内防治煤矿瓦斯灾害的根本性方法是进行瓦斯抽采。从20世纪 50年代开始，我国就将瓦斯抽采作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦斯矿井推广。《煤矿安全规程》也以法规的形式对煤矿瓦斯抽采作了详尽的规定。为保障瓦斯抽采安全高效进行，瓦斯抽采钻孔的有效密封成为瓦斯抽采的关键。

20世纪80年代，周世宁院士提出了主动式测压法，其基本原理是“固封液，液封气”，即把液体作为封孔物质,用以解决固体物质无法严密封闭钻孔周围裂隙的难题，且根据流体渗透取决于压差的原理，在整个密封过程中，始终令密封液的压力略高于瓦斯的压力,以防止瓦斯的泄漏。为了保持密封液的压力并有效防止封孔段塌孔,需要在密封液液体段的两端处用高强度水泥基材料进行封堵并对孔壁进行固化，而密封液用柔性弱强度材料,这样就形成了用固体封堵液体、用液体封堵气体的密封系统。

但是，目前常使用矿用水泥浆液注浆封孔，包括其他注浆封孔方式中，当浆液凝固就无法对抽采过程中演化出的新生裂隙进行密封，采用固化封堵就意味着封孔装置将无法回收利用，封孔材料及大量管路都遗留在孔中，大量封孔装置基本属一次性使用，材料耗费巨大。对于煤矿来说，单瓦斯预抽这一项作业，每年需要投入大量的人力物力。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种节能型煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔系统，其实施简单，有效提高封孔效果，适用于多数矿区瓦斯抽采作业，易于推广。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种节能型煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔系统，包括封孔机构、注浆机构和注浆封孔控制器，所述封孔机构包括并排设置在瓦斯预抽钻孔空间内的抽采管、注浆管和两根加压管，所述瓦斯预抽钻孔空间以瓦斯抽采的一端为内端，另一端为外端，所述瓦斯预抽钻孔空间内从外到内依次设置有前气囊、中间气囊和后气囊，所述中间气囊由一上一下对称设置的上气囊和下气囊组成，所述抽采管穿过前气囊和后气囊，且夹在中间气囊的上气囊和下气囊之间，两根所述加压管中其中一根从外到内依次穿过前气囊和构成中间气囊的上气囊且穿入后气囊；两根所述加压管中的另外一根从外到内依次穿过前气囊和构成中间气囊的下气囊且穿入后气囊；所述上气囊上设置有多个第一卡扣，多个所述第一卡扣将上气囊固定连接在抽采管、注浆管和穿过上气囊的加压管上，并将上气囊分割为多个上子气囊；所述下气囊上设置有与固定上气囊的第一卡扣位置相同的多个第二卡扣，多个所述第二卡扣将下气囊固定连接在抽采管、注浆管和穿过下气囊的加压管上，并将下气囊分割为多个下子气囊；穿过上气囊的一根加压管上位于前气囊、上气囊中多个上子气囊和后气囊内的部分均设置有气孔，穿过下气囊的一根加压管上位于前气囊、下气囊中多个下子气囊和后气囊内的部分均设置有气孔，所述气孔上连接有通气电磁阀；所述注浆管穿过前气囊，并夹在中间气囊的上气囊和下气囊之间，位于前气囊与中间气囊之间、后气囊与中间气囊之间和相邻两个上子气囊之间的注浆管上均设置有注浆浆液出口；所述前气囊两端均设置有用于密封前气囊的第三卡扣，所述第三卡扣将前气囊两端固定连接在抽采管、注浆管和两根加压管上；所述后气囊靠近中间气囊一端设置有第四卡扣，所述第四卡扣将后气囊靠近中间气囊一端固定连接在抽采管和两根加压管上，所述后气囊远离中间气囊一端设置有第五卡扣，所述第五卡扣将后气囊远离中间气囊一端固定连接在抽采管上；

所述注浆机构包括与注浆管连接的注浆浆液输送管和与注浆浆液输送管连接的浆液存储罐，所述注浆浆液输送管上从连接浆液存储罐到注浆管方向依次连接有注浆泵、注浆电磁阀和注浆压力表；

所述加压管在瓦斯预抽钻孔空间外端连接有加压装置，所述加压装置包括气体输送管和气泵，所述加压管和气体输送管一端连接，所述气体输送管另一端与气泵连接，所述气体输送管上从连接气泵到连接加压管方向依次连接有加压电磁阀和充气压力表；

所述注浆封孔控制器上接有触摸式液晶显示屏，所述注浆压力表和充气压力表均与注浆封孔控制器的输入端连接，所述通气电磁阀、注浆泵、注浆电磁阀、气泵和加压电磁阀均与注浆封孔控制器的输出端连接。

上述的一种节能型煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔系统，所述抽采管、注浆管和两根加压管固定连接，所述抽采管抽采瓦斯气体端部设置有花管。

上述的一种节能型煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔系统，所述上子气囊和下子气囊的直径均小于瓦斯预抽钻孔空间的半径。

上述的一种节能型煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔系统，所述上子气囊、下子气囊、前气囊和后气囊均由气胀管构成，构成上子气囊和下子气囊的气胀管的壁厚大于构成前气囊和后气囊的气胀管的壁厚。

上述的一种节能型煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔系统，所述注浆封孔控制器为PLC控制器。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型所用前气囊和后气囊均为柔性材料，采用柔性材料进行堵头解决堵头单一和密封效果差的问题。

2、本实用新型所述中间气囊由一上一下对称设置的上气囊和下气囊组成，上气囊上设置有多个第一卡扣，多个第一卡扣将上气囊固定连接在抽采管、注浆管和穿过上气囊的加压管上，并将上气囊分割为多个上子气囊；下气囊上设置有与固定上气囊的第一卡扣位置相同的多个第二卡扣，多个第二卡扣将下气囊固定连接在抽采管、注浆管和穿过下气囊的加压管上，并将下气囊分割为多个下子气囊；所形成的上子气囊和下子气囊一方面解决了气囊形式单一导致封孔效果不理想的问题，另外占据封孔部位的体积，减少封孔过程中注浆浆液的使用量，降低成本，保护环境。

3、本实用新型可根据不同煤层、不同裂隙发育、不同钻孔深度，调整前气囊、中间气囊和后气囊的长度，适用于多种注浆封孔作业。

4、本实用新型前气囊、中间气囊和后气囊可接受钻孔较大范围的变形，在抽采过程中会产生新的裂隙，气囊的弹性势能可以促使浆液继续渗透，填充新的裂隙，保持良好的密封效果；若前气囊、中间气囊和后气囊内的压力下降，可及时反复为系统加压。

5、本实用新型在保证有效封孔效果的前提下，基本不改变矿区常用的胶囊式封堵流程，不会过多增加施工的强度和额外的工作量。

6、本实用新型在空间有限的井下实施方便，注浆封堵之后，孔内压力较为适中，基本不会对深部孔边应力造成明显的扰动，不会因为封孔导致钻孔失稳。

综上本实用新型实施简单，有效提高封孔效果，适用于多数矿区瓦斯抽采作业，易于推广。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型封孔机构、瓦斯抽采机构和注浆机构连接关系示意图。

图3为本实用新型封孔机构封孔部位示意图。

图4为本实用新型封孔机构封孔部位局部放大示意图。

图5为本实用新型中间气囊未注浆加压状态时截面图。

图6为本实用新型中间气囊注浆加压状态时截面图。

图7为本实用新型后气囊加压状态时截面图。

图8为本实用新型注浆封孔控制器与其他各部件的连接关系示意图。

附图标记说明:

1—前气囊； 2—后气囊； 3—抽采管；

4—加压管； 5—注浆管； 6—注浆电磁阀；

7—通气电磁阀； 8—瓦斯预抽钻孔空间； 9—注浆区域；

10—浆液渗透区域； 11—中间气囊； 11-1—上子气囊；

11-2—下子气囊； 12—花管； 13—煤体；

14—瓦斯抽采泵； 15—瓦斯输送管； 16—瓦斯存储罐；

17—瓦斯压力表； 18—瓦斯抽采阀门； 19—加压电磁阀；

20—充气压力表； 21—气泵； 22—气体输送管；

23—注浆电磁阀； 24—注浆泵； 25—浆液存储罐；

26—注浆压力表； 27—注浆浆液输送管； 28—第一卡扣；

29—第二卡扣； 30—第三卡扣； 31—第四卡扣；

32—第五卡扣； 33—注浆封孔控制器；

34—触摸式液晶显示屏。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的节能型煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔系统，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，包括封孔机构、注浆机构和注浆封孔控制器33，所述封孔机构包括并排设置在瓦斯预抽钻孔空间8内的抽采管3、注浆管5和两根加压管4，所述瓦斯预抽钻孔空间8以瓦斯抽采的一端为内端，另一端为外端，所述瓦斯预抽钻孔空间8 内从外到内依次设置有前气囊1、中间气囊11和后气囊2，所述中间气囊 11由一上一下对称设置的上气囊和下气囊组成，所述抽采管3穿过前气囊 1和后气囊2，且夹在中间气囊11的上气囊和下气囊之间，两根所述加压管4中其中一根从外到内依次穿过前气囊1和构成中间气囊11的上气囊且穿入后气囊2；两根所述加压管4中的另外一根从外到内依次穿过前气囊1和构成中间气囊11的下气囊且穿入后气囊2；所述上气囊上设置有多个第一卡扣28，多个所述第一卡扣28将上气囊固定连接在抽采管3、注浆管5和穿过上气囊的加压管4上，并将上气囊分割为多个上子气囊11-1；所述下气囊上设置有与固定上气囊的第一卡扣28位置相同的多个第二卡扣29，多个所述第二卡扣29将下气囊固定连接在抽采管3、注浆管5和穿过下气囊的加压管4上，并将下气囊分割为多个下子气囊11-2；穿过上气囊的一根加压管4上位于前气囊1、上气囊中多个上子气囊11-1和后气囊2内的部分均设置有气孔，穿过下气囊的一根加压管4上位于前气囊1、下气囊中多个下子气囊11-2和后气囊2内的部分均设置有气孔，所述气孔上连接有通气电磁阀7；所述注浆管5穿过前气囊1，并夹在中间气囊 11的上气囊和下气囊之间，位于前气囊1与中间气囊11之间、后气囊2 与中间气囊11之间和相邻两个上子气囊11-1之间的注浆管5上均设置有注浆浆液出口；所述前气囊1两端均设置有用于密封前气囊1的第三卡扣 30，所述第三卡扣30将前气囊1两端固定连接在抽采管3、注浆管5和两根加压管4上；所述后气囊2靠近中间气囊11一端设置有第四卡扣31，所述第四卡扣31将后气囊2靠近中间气囊11一端固定连接在抽采管3和两根加压管4上，所述后气囊2远离中间气囊11一端设置有第五卡扣32，所述第五卡扣32将后气囊2远离中间气囊11一端固定连接在抽采管3上；

所述注浆机构包括与注浆管5连接的注浆浆液输送管27和与注浆浆液输送管27连接的浆液存储罐25，所述注浆浆液输送管27上从连接浆液存储罐25到注浆管5方向依次连接有注浆泵24、注浆电磁阀23和注浆压力表26；

所述加压管4在瓦斯预抽钻孔空间8外端连接有加压装置，所述加压装置包括气体输送管22和气泵21，所述加压管4和气体输送管22一端连接，所述气体输送管22另一端与气泵21连接，所述气体输送管22上从连接气泵21到连接加压管4方向依次连接有加压电磁阀19和充气压力表 20；

所述注浆封孔控制器33上接有触摸式液晶显示屏34，所述注浆压力表26和充气压力表20均与注浆封孔控制器33的输入端连接，所述通气电磁阀7、注浆泵24、注浆电磁阀23、气泵21和加压电磁阀19均与注浆封孔控制器33的输出端连接。

本实施例中，如图3和图4所示，所述抽采管3、注浆管5和两根加压管4固定连接，如图3所示，所述抽采管3抽采瓦斯气体端部设置有花管12。

本实施例中，所述上子气囊11-1和下子气囊11-2的直径均小于瓦斯预抽钻孔空间8的半径。

本实施例中，所述上子气囊11-1、下子气囊11-2、前气囊1和后气囊2均由气胀管构成，构成上子气囊11-1和下子气囊11-2的气胀管的壁厚大于构成前气囊1和后气囊2的气胀管的壁厚。

本实施例中，所述注浆封孔控制器33为PLC控制器。

具体实施时，如图2所示，所述抽采管3与瓦斯抽采机构连接，所述瓦斯抽采机构包括与抽采管3连接的瓦斯输送管15和与瓦斯输送管15连接的瓦斯存储罐16，所述瓦斯输送管15上从连接瓦斯储存罐16到连接抽采管3的方向依次连接有瓦斯抽采泵14、瓦斯抽采阀门18和瓦斯压力表 17。

采用本实用新型进行煤矿瓦斯预抽钻孔注浆封孔的方法，包括以下步骤：

步骤一、钻孔：采用钻机在巷道内钻孔，形成瓦斯预抽钻孔空间8，并清理瓦斯预抽钻孔空间8内的钻屑；具体实施时，确保形成较为稳定的瓦斯预抽钻孔空间8，确保无变形过大或坍塌现象；

步骤二、洗孔：使用高压水流对瓦斯预抽钻孔空间8进行冲洗至少 20min，再用高压空气冲出瓦斯预抽钻孔空间8内聚集的水；具体实施时，使用的钻机为水钻，高压水流和高压空气均由钻机提供，高压水流的压力为8kPa～15kPa，高压空气的压力为8kPa～15kPa；瓦斯预抽钻孔空间8 的清理要彻底，确保瓦斯预抽钻孔空间8内无钻屑，当钻屑停留在前气囊 1和后气囊2所处位置时，会影响堵头效果，导致注浆浆液从注浆封孔段溢出，影响密封效果。

步骤三、注浆封孔，具体过程为：

步骤301、连接封孔机构：调整前气囊1、中间气囊11和后气囊2相对于抽采管3的位置，将通气电磁阀7连接在两根加压管4上，将注浆电磁阀6连接到注浆管5上，将前气囊1通过第三卡扣30固定连接在抽采管3、注浆管5和两根加压管4上，将后气囊2靠近中间气囊11一端通过第四卡扣31固定连接在抽采管3和两根加压管4上，将后气囊2远离中间气囊11一端通过第五卡扣32固定连接在抽采管3上；将上气囊通过多个第一卡扣28固定连接在抽采管3、注浆管5和穿过上气囊的加压管4 上，并将上气囊分割为多个上子气囊11-1；将下气囊通过多个第二卡扣 29固定连接在抽采管3、注浆管5和穿过下气囊的加压管4上，并将下气囊分割为多个下子气囊11-2；将抽采管3、注浆管5和两根加压管4固定连接；具体实施时，做好前气囊1、中间气囊11和后气囊2的密封工作，确保在整个封孔过程中不会发生漏气现象；将卡扣固定连接部位固定好，防止在整个封孔过程中发生松动；

步骤302、将步骤301中连接好的封孔机构整体伸入瓦斯预抽钻孔空间8内，并调节封孔机构至预设注浆封孔位置；具体实施时，在封孔机构伸入瓦斯预抽钻孔空间8前要确保注浆电磁阀6和通气电磁阀7均能正常打开，避免加压和注浆时发生错动；

步骤303、进行注浆封孔：首先，通过快速接头将抽采管3与瓦斯输送管15连接，通过快速接头将注浆管5与注浆浆液输送管27连接，并通过快速接头将加压管4与气体输送管22连接；然后，注浆封孔控制器33 控制注浆电磁阀23关闭，控制加压电磁阀19打开，并启动气泵21，同时，关闭瓦斯抽采阀门18，当充气压力表20检测到的压力达到0.3MPa时，停止加压，注浆封孔控制器33关闭加压电磁阀19；然后，注浆封孔控制器 33再控制注浆电磁阀23打开，并启动注浆泵24，浆液存储罐25内的注浆浆液通过注浆浆液输送管27进入注浆管5，当注浆管5内注浆压力达到 0.2MPa时，注浆封孔控制器33控制注浆电磁阀6打开，注浆浆液流入注浆区域9，当注浆压力表26检测到的压力达到达到0.3MPa时，停止注浆，注浆封孔控制器33控制注浆电磁阀23关闭；注浆封孔控制器33再控制加压电磁阀19打开，并启动气泵21，当充气压力表20检测到的压力达到 1MPa时，停止加压，注浆封孔控制器33控制加压电磁阀19关闭；具体实施时，加压前，确保前气囊1、中间气囊11和后气囊2均无破损且能正常打开，加压电磁阀19处于打开状态，瓦斯抽采阀门18和注浆电磁阀23 处于关闭状态，确保整个管路没有漏气现象；在浆液存储罐25内装有预配好足量的注浆浆液，保证在注浆之前注浆浆液保持均匀；由于中间气囊 11比前气囊1和后气囊2厚，第一次加压到0.3MPa时，前气囊1和后气囊2迅速膨胀，封堵两头，确保前气囊1和后气囊2与孔壁紧密贴合，保证密封效果，防止注浆时浆液泄漏，此时中间气囊11处于充满但不膨胀的状态，在注浆区域9内为注浆浆液留出空间；当压力达到0.3MPa时，停止加压，开始注浆，当注浆管5内压力达到0.2MPa时，注浆浆液通过注浆电磁阀6流入注浆区域9，当注浆区域9内压力达到0.3MPa时，停止注浆，此时，前气囊1、中间气囊11和后气囊2内压力与注浆区域9内压力相等；再开启加压电磁阀19和气泵21,当充气压力表20压力达到1MPa 时停止加压，此时中间气囊11也处于膨胀变形状态，孔内空间有限，挤压注浆浆液进入浆液渗透区域10，对裂隙区域进行有效的封堵，实现较好的密封效果，此时前气囊1、中间气囊11和后气囊2内储存了弹性势能；浆液存储罐25内的注浆浆液使用的是柔性较强的Al(OH)3胶体，该胶体阻燃、稳定性好、无毒，配比简单，成本低廉，Al(OH)3胶体是具有液体性质的胶体体系，能进入钻孔裂隙中，扩大扩散区域，增强密封性，是良好的封孔材料。

步骤四、瓦斯抽采：打开瓦斯抽采阀门18，启动瓦斯抽采泵14，抽采的瓦斯通过瓦斯输送管15输送到瓦斯存储罐16，瓦斯压力表17显示抽采处瓦斯压力；在抽采过程中，孔内瓦斯含量逐渐下降，在矿山压力的作用下，煤体13会有新的裂隙形成，孔内裂隙也逐渐暴露，此时前气囊1、中间气囊11和后气囊2的弹性势能逐渐释放，体积膨胀，将注浆浆液缓慢压入新形成的裂隙中，一段时候后达到新的平衡，实现主动式动态密封；在抽采过程中观察充气压力表20显示的压力，当前气囊1、中间气囊11 和后气囊2内压力降低时，可随时对气囊加压，实现较好的密封效果。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。