井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置及其施工方法与流程

本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置及其施工方法。

背景技术：

煤层瓦斯压力作为煤层瓦斯重要的基本参数，在煤层突出危险性预测及进行瓦斯抽采效果检验等方面具有重要作用。尤其是在进行瓦斯压力测定过程中，由于煤层本身的地质条件、封孔的方式等因素的影响，使得实际钻孔封孔效果与预期的效果产生一定的差距。如何提高封孔效果，对于煤层瓦斯压力的测定具有重大的意义。

对于高瓦斯矿井而言，瓦斯预抽的工作是矿井安全生产的必要环节确保钻孔的封孔效果是提高抽采率和抽采效果的第一步。虽然钻孔封孔技术的方法逐渐增多，但是，每种封孔的方式、方法都有其各自的优缺点和适用范围。

利用聚氨酯进行钻孔封孔，其原理是：聚氨酯a液与b液进行充分混合，聚氨酯具有高膨胀性的特性，将聚氨酯混合液置于钻孔中，在短时间内进行膨胀充实钻孔空间，具有粘附性的液态聚氨酯将进入钻孔壁面的孔-裂隙中，堵塞瓦斯流动的通道，同时将钻孔破碎带煤岩体吸着、黏附形成一个整体，防止煤层中的瓦斯从钻孔的壁面附近流出，从而影响封孔效果。在使用聚氨酯封孔过程中存在以下问题：

1）现有的聚氨酯封孔技术，在封孔初期由于聚氨酯未完全凝固、煤层中瓦斯压力较大时，出现抽采或测压管冲出钻孔，可能造成钻孔外周围的人员伤亡和设备损坏；

2）聚氨酯在膨胀硬化之前，钻孔中存在较大空间的空气，在密闭的钻孔中，空气无法排除，则会被压缩进入钻孔壁面的孔-裂隙中，从而使黏着状态的聚氨酯难以进入，无法堵塞瓦斯流动的通道以及将钻孔破碎带煤岩体吸着、黏附形成一个整体，在钻孔壁面周围的破碎带仍然会存在为瓦斯流动提供的通道，进而影响钻孔的封孔效果；

3）聚氨酯膨胀硬化过程中，会出现一定程度的收缩现象，原本充满聚氨酯的钻孔，由于收缩的产生而会出现孔隙，从而影响封孔效果；

4）在放送抽采或测压管过程中，将其置于钻孔中央位置，尤其是钻孔前端，在进行封孔过程中，抽采或测压管位于钻孔的边缘，不利于封孔且影响封孔效果等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置及其施工方法，以解决现有技术存在封孔初期由于聚氨酯未完全凝固、煤层中瓦斯压力较大，出现抽采或测压管冲出钻孔，可能造成钻孔外周围的人员伤亡；聚氨酯在膨胀硬化之前，钻孔中存在较大空间的空气，在密闭的钻孔中间中，空气无法排除，则会被压缩进入钻孔壁面的孔-裂隙中，从而使黏着状态的聚氨酯无法进入，进而影响钻孔的封孔效果；聚氨酯膨胀硬化过程中，会出现一定程度的收缩现象，原本充满聚氨酯的钻孔，由于收缩的产生而会出现孔隙，从而影响封孔效果；在放送抽采或测压管过程中，抽采或测压管始终置于钻孔中央位置，有利于封孔和提高封孔效果，同时也没有放置聚氨酯这一化学药剂，减少其对人体的伤害等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置，以钻孔的孔口到孔底的方向为导向，由前向后依次包括均沿前后方向布置的抽采或测压管、第一注料管、第二注料管以及注气或注液管，抽采或测压管上由前向后依次设置有第一隔板、第一聚氨酯发泡袋、第二隔板、第三隔板、第二聚氨酯发泡袋和第四隔板，第一隔板和第二隔板之间形成第一封孔段，第二隔板和第三隔板之间形成弹性挤压腔，第三隔板和第四隔板之间形成第二封孔段，第一注料管穿过第一隔板与第一聚氨酯发泡袋连接，第二注料管由前向后依次穿过第一隔板、第二隔板、第三隔板后与第二聚氨酯发泡袋连接，注气或注液管由前向后依次穿过第一隔板、第二隔板后与弹性挤压腔连通。

第一隔板和第四隔板均通过紧固件固定连接在抽采或测压管上，第二隔板和第三隔板均通过导套设置在抽采或测压管上，导套内壁与抽采或测压管外圆之间具有一定的摩擦力，第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板的外周均设有橡胶密封圈。

第二隔板上设有可由第一封孔段向弹性挤压腔内单向流通的第一单向阀，第三隔板上设有可由第二封孔段向弹性挤压腔内单向流通的第二单向阀。

第四隔板前侧面设有位于第二封孔段内的刚性隔挡器；刚性隔挡器整体呈前粗后细的圆锥筒结构，刚性隔挡器包括上半圆锥筒和下半圆锥筒，上半圆锥筒后端部和下半圆锥筒后端部均通过铰链及扭簧连接在第四隔板前侧面。

井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置的施工方法，包括以下步骤，

a、在井下先使用钻机进行钻孔，形成圆柱形的孔洞，再使用水力割缝措施在孔洞内进行扩孔，形成至少两个环形槽；

b、将刚性隔挡器安装到第四隔板前侧面，在第一隔板、第二隔板、第三隔板的偏心位置开用于穿过第一注料管、第二注料管以及注气或注液管的穿孔，在第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板的外周安装上橡胶密封圈，在第二隔板和第三隔板上分别安装第一单向阀和第二单向阀；

c、将第四隔板、第二聚氨酯发泡袋、第三隔板、第二隔板、第一聚氨酯发泡袋和第一隔板由后向前依次安装在抽采或测压管上；

d、将第一注料管、第二注料管以及注气或注液管穿过对应的穿孔，第一注料管穿过第一隔板后通过快速插头与第一聚氨酯发泡袋连接，第二注料管由前向后依次穿过第一隔板、第二隔板、第三隔板后通过快速插头与第二聚氨酯发泡袋连接，注气或注液管由前向后依次穿过第一隔板、第二隔板后与弹性挤压腔连通，自此组装好井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置；

e、将组装好的井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置由孔洞的孔口向后伸入孔洞内，当第一隔板进入到孔洞内且刚性隔挡器位于其中一个环形槽后侧时停止向后输送井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置；

f、通过第一注料管和第二注料管分别向第一封孔段和第二封孔段内注入聚氨酯混合液进行封孔；

g、通过注气或注液管向弹性挤压腔内注气或注液，使第二隔板和第三隔板分别向前和向后挤压未完全硬化的聚氨酯，提高第一封孔段和第二封孔段的封孔效果；

h、聚氨酯完全硬化后，在弹性挤压腔内保持一定的压力，阻止了瓦斯的进一步向巷道处的运移，关闭注气或液管前端口处的阀门；

i、完成以上的所有钻孔封孔工作，通过抽采或测压管开始进行煤层瓦斯压力的测定或瓦斯抽采工作的开展。

步骤f的具体过程为，将第一注料管和第二注料管的进料口分别与孔洞外的注料泵接口连接，将聚氨酯混合液通过注料泵分别输送至第一聚氨酯发泡袋和第二聚氨酯发泡袋内，第一聚氨酯发泡袋和第二聚氨酯发泡袋内的聚氨酯混合液膨胀将聚氨酯发泡袋撑破进入孔洞内，直到充满整个第一封孔段和第二封孔段内的空间；聚氨酯所在的空间内的空气被其挤压，通过第一单向阀和第二单向阀进入弹性挤压腔内，使聚氨酯可以进入孔洞壁面的孔-裂隙中，将孔洞破碎带煤岩体粘附形成一个整体，堵塞瓦斯流动的通道；同时，弹性挤压腔前后两侧的聚氨酯会推动第二隔板向后移动和第三隔板向前移动使弹性挤压空间变小；注料完毕之后将两根注料管进料口处的阀门进行关闭。

步骤g的具体过程为，将注气或液管的进口与注气或液泵连接，注气或液泵将向弹性挤压空间内注入气体或液体至一定的压力后，同时推动第二隔板向前移动和第三隔板向后移动使弹性挤压空间变大，第二隔板和第三隔板分别挤压前后两侧未完全硬化的聚氨酯，进一步是提高第一封孔段和第二封孔段内部聚氨酯的密实度，重新将因硬化收缩的孔隙充满。

在封孔初期由于聚氨酯未完全凝固、在抽采或测压管冲出钻孔过程中，煤层中瓦斯压力较大时，孔洞底部的瓦斯压力推动整个装置向前移动，当第四隔板前侧面上设置的上半圆锥筒和下半圆锥筒的前侧向前移动到邻近的环形槽内时，在扭簧的作用下，上半圆锥筒向上转动进入环形槽的上部，下半圆锥筒向下转动进入环形槽的下部，从而起到定位装置的作用，避免喷孔情况的发生。

采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

（1）本发明在第四隔板前侧通过扭簧和铰链连接有的圆筒形的刚性隔挡器，在孔洞内壁通过水力割缝扩孔后形成的环形槽。在封孔初期由于聚氨酯未完全凝固、煤层中瓦斯压力较大时，在抽采或测压管冲出钻孔过程中，刚性隔挡器在向前移动至圆柱形孔洞时，在扭簧的驱动下，圆形刚性隔挡器前侧进入到环形槽内，从而限定第四隔板及抽采或测压管的位置，防止抽采或测压管冲出钻孔，避免可能造成钻孔外周围的人员伤亡和设备损坏

（2）本发明通过在孔洞内通过水力割缝后形成的环形槽，在聚氨酯膨胀硬化过程中，充满聚氨酯的钻孔。在煤层瓦斯的压力梯度下，原本瓦斯沿钻孔壁面附近的破碎带直线运移，现在水力割缝后形成的环形槽也充满了聚氨酯，瓦斯运移的路线增加，摩擦阻力增加，而压力梯度未变，从而增加了瓦斯运移的难度，提高封孔效果。

（3）本发明通过在第二隔板和第三隔板的内孔通过导套连接在抽采或测压管上，导套内壁与抽采或测压管外圆之间具有一定的摩擦力，可以保证其密封性，并且在受到一定压力后可以沿抽采或测压管移动，同时在第二隔板和第三隔板上安装有第一单向阀和第二单向阀。聚氨酯在膨胀硬化之前，孔洞中存在较大空间的空气，在膨胀过程中，聚氨酯将密闭孔洞中的空气挤压排出，经第一单向阀和第二单向阀进入弹性挤压腔，从而使黏着状态的聚氨酯可以进入孔洞壁面的孔-裂隙中，将钻孔破碎带煤岩体粘附形成一个整体，堵塞瓦斯流动的通道，进而提高孔洞的封孔效果。

（4）聚氨酯膨胀硬化过程中，会出现一定程度的收缩现象，通过注气（或液）管向弹性挤压腔内注入气体或液体，并使其内部压力增加，驱动第二隔板和第三隔板的导套沿抽采或测压管移动，进而挤压两侧未完全硬化的聚氨酯，将因收缩而产生孔隙再次填满，从而提高孔洞的封孔效果。

（5）本发明通过在放送抽采或测压管的前、中和后部都设置有隔板，抽采或测压管始终置于孔洞的中心线位置，在进行封孔过程中，避免抽采或测压管位于孔洞的边缘而不利于封孔，进而影响封孔效果等问题的出现，从而提高钻孔的封孔效果。

（6）聚氨酯膨胀硬化后，通过注气或液管向弹性挤压腔内注入气体或液体，并使其内部压力增加至一定的压力值。孔洞深部的抽采或测压管后端口附近的瓦斯在压力梯度下进行运移，由于在弹性挤压腔处存在较高的压力，进而阻止了瓦斯的进一步向巷道处的运移，从而提高了孔洞的封孔效果；同时，弹性挤压腔内部充有一定压力的气体或液体，在之前的封孔效果失败的情况下，可以起到二次封孔的效果，为提高封孔的效果提供备用方案。

（7）本发明通过在放送抽采或测压管的过程中，并没有使用聚氨酯，减少化学药剂对人体的伤害和减小人工的体力工作量，并避免了由于聚氨酯膨胀硬化时间快而无法进行较远距离的钻孔封孔的劣势。

附图说明

图1为本发明在注入聚氨酯前的结构示意图；

图2为本发明在注入聚氨酯后的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置，以钻孔的孔口到孔底的方向为由前向后，包括均沿前后方向布置的抽采或测压管1、第一注料管2、第二注料管3以及注气或注液管4，抽采或测压管1上由前向后依次设置有第一隔板5、第一聚氨酯发泡袋6、第二隔板7、第三隔板8、第二聚氨酯发泡袋9和第四隔板10，第一隔板5和第二隔板7之间形成第一封孔段11，第二隔板7和第三隔板8之间形成弹性挤压腔12，第三隔板8和第四隔板10之间形成第二封孔段13，第一注料管2穿过第一隔板5与第一聚氨酯发泡袋6连接，第二注料管3由前向后依次穿过第一隔板5、第二隔板7、第三隔板8后与第二聚氨酯发泡袋9连接，注气或注液管4由前向后依次穿过第一隔板5、第二隔板7后与弹性挤压腔12连通。

第一隔板5和第四隔板10均通过紧固件14固定连接在抽采或测压管1上，第二隔板7和第三隔板8均通过导套15设置在抽采或测压管1上，导套15内壁与抽采或测压管1外圆之间具有一定的摩擦力，第一隔板5、第二隔板7、第三隔板8和第四隔板10的外周均设有橡胶密封圈16。

第二隔板7上设有可由第一封孔段11向弹性挤压腔12内单向流通的第一单向阀17，第三隔板8上设有可由第二封孔段13向弹性挤压腔12内单向流通的第二单向阀18。

第四隔板10前侧面设有位于第二封孔段13内的刚性隔挡器；刚性隔挡器整体呈前粗后细的圆锥筒结构，刚性隔挡器包括上半圆锥筒19和下半圆锥筒20，上半圆锥筒19后端部和下半圆锥筒20后端部均通过铰链及扭簧连接在第四隔板10前侧面。

井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置的施工方法，包括以下步骤，

a、在井下先使用钻机进行钻孔，形成圆柱形的孔洞21，再使用水力割缝措施在孔洞21内进行扩孔，形成至少两个环形槽22；

b、将刚性隔挡器安装到第四隔板10前侧面，在第一隔板5、第二隔板7、第三隔板8的偏心位置开用于穿过第一注料管2、第二注料管3以及注气或注液管4的穿孔，在第一隔板5、第二隔板7、第三隔板8和第四隔板10的外周安装上橡胶密封圈16，在第二隔板7和第三隔板8上分别安装第一单向阀17和第二单向阀18；

c、将第四隔板10、第二聚氨酯发泡袋9、第三隔板8、第二隔板7、第一聚氨酯发泡袋6和第一隔板5由后向前依次安装在抽采或测压管1上；

d、将第一注料管2、第二注料管3以及注气或注液管4穿过对应的穿孔，第一注料管2穿过第一隔板5后通过快速插头与第一聚氨酯发泡袋6连接，第二注料管3由前向后依次穿过第一隔板5、第二隔板7、第三隔板8后通过快速插头与第二聚氨酯发泡袋9连接，注气或注液管4由前向后依次穿过第一隔板5、第二隔板7后与弹性挤压腔12连通，自此组装好井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置；

e、将组装好的井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置由孔洞21的孔口向后伸入孔洞21内，当第一隔板5进入到孔洞21内且刚性隔挡器位于其中一个环形槽22后侧时停止向后输送井下防喷孔防泄漏的聚氨酯封孔装置；

f、通过第一注料管2和第二注料管3分别向第一封孔段11和第二封孔段13内注入聚氨酯混合液进行封孔；

g、通过注气或注液管4向弹性挤压腔12内注气或注液，使第二隔板7和第三隔板8分别向前和向后挤压未完全硬化的聚氨酯，提高第一封孔段11和第二封孔段13的封孔效果；

h、聚氨酯完全硬化后，在弹性挤压腔12内保持一定的压力，阻止了瓦斯的进一步向巷道处的运移，关闭注气或液管前端口处的阀门；

i、完成以上的所有钻孔封孔工作，通过抽采或测压管1开始进行煤层瓦斯压力的测定或瓦斯抽采工作的开展。

步骤f的具体过程为，将第一注料管2和第二注料管3的进料口分别与孔洞21外的注料泵接口连接，将聚氨酯混合液通过注料泵分别输送至第一聚氨酯发泡袋6和第二聚氨酯发泡袋9内，第一聚氨酯发泡袋6和第二聚氨酯发泡袋9内的聚氨酯混合液膨胀将聚氨酯发泡袋撑破进入孔洞21内，直到充满整个第一封孔段11和第二封孔段13内的空间；聚氨酯所在的空间内的空气被其挤压，通过第一单向阀17和第二单向阀18进入弹性挤压腔12内，使聚氨酯可以进入孔洞21壁面的孔-裂隙中，将孔洞21破碎带煤岩体粘附形成一个整体，堵塞瓦斯流动的通道；同时，弹性挤压腔前后两侧的聚氨酯会推动第二隔板7向后移动和第三隔板8向前移动使弹性挤压空间变小；注料完毕之后将两根注料管进料口处的阀门进行关闭。

步骤g的具体过程为，将注气或液管的进口与注气或液泵连接，注气或液泵将向弹性挤压空间内注入气体或液体至一定的压力后，同时推动第二隔板7向前移动和第三隔板8向后移动使弹性挤压空间变大，第二隔板7和第三隔板8分别挤压前后两侧未完全硬化的聚氨酯，进一步是提高第一封孔段11和第二封孔段13内部聚氨酯的密实度，重新将因硬化收缩的孔隙充满。

在封孔初期由于聚氨酯未完全凝固、在抽采或测压管1冲出钻孔过程中，煤层中瓦斯压力较大时，孔洞21底部的瓦斯压力推动整个装置向前移动，当第四隔板10前侧面上设置的上半圆锥筒19和下半圆锥筒20的前侧向前移动到邻近的环形槽22内时，在扭簧的作用下，上半圆锥筒19向上转动进入环形槽22的上部，下半圆锥筒20向下转动进入环形槽22的下部，从而起到定位装置的作用，避免喷孔情况的发生。

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。