一种瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置及其使用方法与流程

本发明属于煤矿井工开采技术领域，属于煤矿瓦斯治理技术，具体涉及一种瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置及其使用方法。

背景技术：

在不具备开采保护层条件的突出煤层，施工钻孔预抽成为矿井瓦斯治理的必然选择。然而由于煤层瓦斯含量高、压力大，井下钻孔施工期间，极易出现钻孔内煤屑和瓦斯短时间内连续喷出的现象，一旦控制措施不到位，将会造成施工作业现场瓦斯高浓度超限，甚至引发瓦斯事故。特别是单一低透气性煤层水力化增透措施的推广应用，进一步加剧了钻孔喷孔强度，造成简易防喷装置失效，即使在防喷装置末端采取软密封进行主动防护，仍无法有效阻止剧烈喷孔条件下钻孔瓦斯涌出。同时受钻孔瓦斯喷孔突发性以及喷孔强度的随机性影响，采取人工停钻、二次防护往往具有明显的滞后效应，并进一步增大了现场施工人员作业的安全风险。

因此，研发一种瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置，实现井下作业环境瓦斯浓度实时监测及施工钻机电源闭锁、气动密封自动控制，对有效杜绝钻孔施工期间瓦斯涌出引发超限，大幅提高现场作业人员安全具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的问题，本发明提供一种瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置及其使用方法，通过瓦斯传感器实时监测施工作业环境瓦斯浓度，并利用电源信号转换装置达到瓦斯喷孔期间施工钻机的电源闭锁、气动密封自动控制的目的，实现钻孔内瓦斯的完全密封被动防护，有效杜绝钻孔施工期间的瓦斯超限，大幅提高现场作业人员安全。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置，包括防喷密封装置、孔口挤压密封装置以及控制装置，所述防喷密封装置出口与孔口挤压密封装置的进口固定连接，所述防喷密封装置包括防喷密封件、第一固定套筒、前端盖、后端气缸进退机构，所述第一固定套筒固定连接在防喷密封件内部，所述前端盖与第一固定套筒固定连接，所述后端气缸进退机构设置在第一固定套筒上，所述前端盖内壁上套设有环形密封胶圈；

所述后端气缸进退机构包括第一气缸腔、第一导向槽、挤压环形实体胶圈进气口、退环形实体胶圈进气口，所述第一气缸腔开设在第一固定套筒的筒壁上，所述挤压环形实体胶圈进气口位于第一气缸腔的一侧并与第一气缸腔相连通，所述退环形实体胶圈进气口位于第一气缸腔的另一侧并与第一气缸腔相连通，所述第一气缸腔通过第一导向槽与前端盖相连通，所述第一导向槽内滑动连接有第一活塞杆，所述第一活塞杆一端固定连接有第一活塞块，所述第一活塞块位于第一气缸腔内，所述第一活塞杆另一端固定连接有第一活塞板，所述第一活塞板与环形密封胶圈固定连接。

进一步的，所述孔口挤压密封装置包括套管主体、前端气缸进退机构、环形膨胀胶圈，所述前端气缸进退机构固定连接在套管主体外周上，所述环形膨胀胶圈套设在套管主体外周上，所述前端气缸进退机构与环形膨胀胶圈传动连接，所述前端气缸进退机构包括第二固定套筒、括第二气缸腔、第二导向槽、挤压膨胀胶圈进气口、退膨胀胶圈进气口，所述第二气缸腔开设在第二固定套筒的筒壁上，所述挤压膨胀胶圈进气口位于第二缸腔的一侧并与第二气缸腔相连通，所述退膨胀胶圈进气口位于第二缸腔的另一侧并与第二缸腔相连通，所述第二气缸腔通过第二导向槽与外界相连通，所述第二导向槽内滑动连接有第二活塞杆，所述第二活塞杆一端固定连接有第二活塞块，所述第二活塞块位于第二气缸腔内，所述第二活塞杆另二端固定连接有第二活塞板，所述第二活塞板与环形膨胀胶圈固定连接。

进一步的，所述控制装置包括第一控制机构、第二控制机构，所述第一控制机构包括气体过滤器、手动转换阀门，所述气体过滤器与手动转换阀门连接，所述手动转换阀门分别与挤压膨胀胶圈进气口、退膨胀胶圈进气口相连通，所述第二控制机构包括瓦斯传感器、电源信号转换器、两个本安型电磁阀以及气动阀门，所述瓦斯传感器与电源信号转换器电性连接，所述电源信号转换器与本安型电磁阀电性连接，所述本安型电磁阀与气动阀门气路连接，两个所述气动阀门中其中一个与挤压环形实体胶圈进气口固定连接，另一个气动阀门与退膨胀胶圈进气口固定连接。

进一步的，所述防喷密封件内部一体形成有防喷腔体，所述防喷密封件上固定连接有抽气管、排水渣管、防喷腔体后盖，所述排水渣管、抽气管均与防喷腔体相连通，所述第一固定套筒固定连接在防喷腔体后盖上。

进一步的，所述前端盖为端部收口的桶状结构。

一种瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置的使用方法，包括以下步骤：

s1：管路及电气设备安装：连接抽气管与排水渣管，将抽气管与井下临时抽采管道通过钢丝软胶管连接，排水渣管与煤水分离器通过钢丝软胶管连接；将瓦斯传感器悬挂在施工钻孔孔口回风侧1m范围内，并与井下监控电源连接，并按照井下操作规范提前设定瓦斯传感器报警限值；将第二控制机构中电源信号转换器的电源与井下电源连接；将控制装置中的气体过滤器与井下压风系统管道通过气路软管连接；将第二控制机构中两个气动阀门通过气路软管分别与相应的挤压环形实体胶圈进气口、退环形实体胶圈进气口连接，将手动转换阀门通过气路软管分别与相应的挤压膨胀胶圈进气口、退膨胀胶圈进气口连接；

s2：钻孔密封：将孔口挤压密封装置的前端放入已开过孔的钻孔内，通过第一控制机构中手动转换阀门控制挤压膨胀胶圈进气口进气使得第二气缸腔内的气体推动第二活塞块在第二导向槽内向前位移，第二活塞杆推动第二活塞板向前位移，进而用第二活塞板推动环形膨胀胶圈在钻孔内进行挤压膨胀变形，最终使得孔口挤压密封装置安装于钻孔内；

s3：安装防喷密封装置：将防喷密封装置固定连接在孔口挤压密封装置上；

s4：钻孔施工：将钻杆通过防喷装置进入钻孔内开始正常施工，瓦斯传感器检测施工钻孔孔口回风侧瓦斯浓度；

s5：超限锁紧：当瓦斯异常喷出时，瓦斯传感器将瓦斯超限信号传递至第二控制机构中电源信号转换器，电源信号转换器将瓦斯超限动作信号给本安型电磁阀和钻机，钻机断电停机；本安型电磁阀控制气动阀门，使得气动阀门控制挤压环形实体胶圈进气口进气，第一活塞杆在第一导向槽内依靠第一气缸腔内的气体推动向前位移，使得第一活塞板推动环形实体胶圈在前端盖、第一固定套筒与防喷腔体后端盖通过螺栓连接的腔体内进行向前位移，环形实体胶圈通过挤压变形卡死钻杆，使得煤层内的瓦斯仅能通过钻孔进入防喷密封装置的防喷密封件的腔体内，再通过抽气口进入井下临时抽采管道中，直至瓦斯传感器检测到的瓦斯浓度小于警戒值，期间抽气口正常排气；

s6：信号解除，重新钻进：当瓦斯抽采之后瓦斯涌出量减少至操作标准后，瓦斯传感器将瓦斯正常信号传递至控制装置中电源信号转换器，电源信号转换器将瓦斯正常动作信号给本安型电磁阀，使得气动阀门控制退环形实体胶圈进气口进气，第一活塞杆在第一导向槽内依靠第一气缸腔内的气体推动向后位移，使得第一活塞板拉动环形实体胶圈在前端盖、第一固定套筒与防喷腔体后端盖通过螺栓连接的腔体内进行向后位移，环形实体胶圈处于完全松弛状态进而将钻杆松开，重新启动钻机可开始正常钻进；

s7：设备拆卸：完成钻孔施工后，将钻杆从孔内退出后，将防喷密封装置与孔口挤压密封装置分离，通过控制装置中手动转换阀门控制退膨胀胶圈进气口进气使得第二气缸腔内的气体推动第二活塞块，第二活塞块带动第二活塞杆在第二导向槽内向后位移，进而用第二活塞板拉拽环形膨胀胶圈使其处于松弛状态，松开孔口挤压密封装置。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明操作简便，可根据钻孔附近瓦斯浓度变化自动控制本装置内气缸的位移进而夹紧或松开钻杆，孔口密封部件可通过气路控制进退，本发明各部件结构可靠，便于安装、拆卸或维护保养，可与各类钻机、钻具设备的衔接配套，使用本发明可节省工作时间，提高了劳动效率，防范和减少瓦斯事故的发生、有效杜绝瓦斯超限，保障现场作业人员的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的剖面图；

图2是本发明在发生瓦斯超限时的剖面图；

图3是本发明在正常钻进过程中的剖面图；

图4是本发明中控制装置控制系统的原理图；

图5是a处放大图；

图6是b处放大图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明：

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图6所示，

一种瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置，包括防喷密封装置、孔口挤压密封装置以及控制装置，所述防喷密封装置出口与孔口挤压密封装置的进口固定连接，所述防喷密封装置包括防喷密封件1、第一固定套筒11、前端盖12、后端气缸进退机构，所述第一固定套筒11固定连接在防喷密封件1内部，所述前端盖12与第一固定套筒11固定连接，所述后端气缸进退机构设置在第一固定套筒11上，所述前端盖12内壁上套设有环形密封胶圈13；

所述后端气缸进退机构包括第一气缸腔116、第一导向槽117、挤压环形实体胶圈进气口111、退环形实体胶圈进气口112，所述第一气缸腔116开设在第一固定套筒11的筒壁上，所述挤压环形实体胶圈进气口111位于第一气缸腔116的一侧并与第一气缸腔116相连通，所述退环形实体胶圈进气口112位于第一气缸腔116的另一侧并与第一气缸腔116相连通，所述第一气缸腔116通过第一导向槽117与前端盖12相连通，所述第一导向槽117内滑动连接有第一活塞杆113，所述第一活塞杆113一端固定连接有第一活塞块114，所述第一活塞块114位于第一气缸腔116内，所述第一活塞杆113另一端固定连接有第一活塞板115，所述第一活塞板115与环形密封胶圈13固定连接。

本实施例中，所述孔口挤压密封装置包括套管主体2、前端气缸进退机构、环形膨胀胶圈21，所述前端气缸进退机构固定连接在套管主体2外周上，所述环形膨胀胶圈21套设在套管主体2外周上，所述前端气缸进退机构与环形膨胀胶圈21传动连接，所述前端气缸进退机构包括第二固定套筒22、括第二气缸腔226、第二导向槽227、挤压膨胀胶圈进气口221、退膨胀胶圈进气口222，所述第二气缸腔226开设在第二固定套筒22的筒壁上，所述挤压膨胀胶圈进气口221位于第二缸腔226的一侧并与第二气缸腔226相连通，所述退膨胀胶圈进气口222位于第二缸腔226的另一侧并与第二缸腔226相连通，所述第二气缸腔226通过第二导向槽227与外界相连通，所述第二导向槽227内滑动连接有第二活塞杆223，所述第二活塞杆223一端固定连接有第二活塞块224，所述第二活塞块224位于第二气缸腔226内，所述第二活塞杆223另二端固定连接有第二活塞板225，所述第二活塞板225与环形膨胀胶圈21的一侧固定连接。

本实施例中，所述控制装置包括第一控制机构、第二控制机构，所述第一控制机构包括气体过滤器36、手动转换阀门35，所述气体过滤器36与手动转换阀门35连接，所述手动转换阀门35分别与挤压膨胀胶圈进气口221、退膨胀胶圈进气口222相连通，所述第二控制机构包括瓦斯传感器31、电源信号转换器32、两个本安型电磁阀33以及两个气动阀门34，所述瓦斯传感器31与电源信号转换器32电性连接，所述电源信号转换器32与本安型电磁阀33电性连接，所述本安型电磁阀33与气动阀门34气路连接，两个所述气动阀门34中其中一个与挤压环形实体胶圈进气口111固定连接，另一个气动阀门与退膨胀胶圈进气口112固定连接。

本实施例中，所述防喷密封件1内部一体形成有防喷腔体，所述防喷密封件1上固定连接有抽气管15、排水渣管14、防喷腔体后盖16，所述排水渣管15、抽气管14均与防喷腔体相连通，所述第一固定套筒11固定连接在防喷腔体后盖16上。

本实施例中，所述前端盖12为端部收口的桶状结构。

一种瓦斯电闭锁式气动密封防喷装置的使用方法，包括以下步骤：

s1：管路及电气设备安装：连接抽气管15与排水渣管14，将抽气管15与井下临时抽采管道通过钢丝软胶管连接，排水渣管14与煤水分离器通过钢丝软胶管连接；将瓦斯传感器31悬挂在施工钻孔孔口回风侧1m范围内，并与井下监控电源连接，并按照井下操作规范提前设定瓦斯传感器31报警限值；将第二控制机构中电源信号转换器32的电源与井下电源连接；将控制装置中的气体过滤器36与井下压风系统管道通过气路软管连接；将第二控制机构中两个气动阀门34通过气路软管分别与相应的挤压环形实体胶圈进气口111、退环形实体胶圈进气口112，将手动转换阀门35通过气路软管分别与相应的挤压膨胀胶圈进气口111、退膨胀胶圈进气口112；

s2：钻孔密封：将孔口挤压密封装置2的前端（包括环形膨胀胶圈20整个部分）放入已开过孔的钻孔内，通过第一控制机构3中手动转换阀门29控制挤压膨胀胶圈进气口22进气使得第二气缸腔225内的气体推动第二活塞块224，第二活塞块224推动第二活塞杆223在第二导向槽227内向前位移，第二活塞杆223推动第二活塞板225向前位移，进而用第二活塞板225推动环形膨胀胶圈21在钻孔内进行挤压膨胀变形，最终使得孔口挤压密封装置2牢牢安装于钻孔内；

s3：安装防喷密封装置：将防喷密封装置固定连接在孔口挤压密封装置上；

s4：钻孔施工：将钻杆通过防喷装置进入钻孔内开始正常施工，瓦斯传感器31检测施工钻孔孔口回风侧瓦斯浓度；

s5：超限锁紧：当瓦斯异常喷出时，瓦斯传感器31将瓦斯超限信号传递至第二控制机构中电源信号转换器32，电源信号转换器32将瓦斯超限动作信号给本安型电磁阀33和钻机，钻机断电停机；本安型电磁阀33控制气动阀门34，使得气动阀门34控制挤压环形实体胶圈进气口111进气，第一活塞杆113在第一导向槽117内依靠第一气缸腔116内的气体推动向前位移，使得第一活塞板115推动环形实体胶圈13在前端盖12、第一固定套筒11与防喷腔体后端盖16通过螺栓连接的腔体内进行向前位移，环形实体胶圈13通过挤压变形卡死钻杆，使得煤层内的瓦斯仅能通过钻孔进入防喷密封装置的防喷密封件1的腔体内，再通过抽气口15进入井下临时抽采管道中，直至瓦斯传感器31检测到的瓦斯浓度小于警戒值，期间抽气口15正常排气；

s6：信号解除，重新钻进：当瓦斯抽采之后瓦斯涌出量减少至操作标准后，瓦斯传感器31将瓦斯正常信号传递至控制装置中电源信号转换器32，电源信号转换器32将瓦斯正常动作信号给本安型电磁阀33，使得气动阀门34控制退环形实体胶圈进气口111进气，第一活塞杆113在第一导向槽117内依靠第一气缸腔116内的气体推动向后位移，使得第一活塞板115拉动环形实体胶圈13在前端盖12、第一固定套筒11与防喷腔体后端盖16通过螺栓连接的腔体内进行向后位移，环形实体胶圈13处于完全松弛状态进而将钻杆松开，重新启动钻机可开始正常钻进；

s7：设备拆卸：完成钻孔施工后，将钻杆从孔内退出后，将防喷密封装置与孔口挤压密封装置分离，通过控制装置中手动转换阀门35控制退膨胀胶圈进气口222进气使得第二气缸腔225内的气体推动第二活塞块224，第二活塞块224带动第二活塞杆223在第二导向槽227内向后位移，进而用第二活塞板225拉拽环形膨胀胶圈21使其处于松弛状态，松开孔口挤压密封装置。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。