煤矿倾斜大直径钻孔液压驱动定位封孔装置

本实用新型属于煤矿瓦斯抽采钻孔封孔技术领域，具体涉及一种煤矿倾斜大直径钻孔液压驱动定位封孔装置。

背景技术：

倾斜大直径钻孔是近几年发展起来的采空区瓦斯抽采新技术，如图1和图2所示，采煤工作面50两侧分别为进风巷49和回风巷51，即在采煤工作面50处的回风巷51旁设置一条瓦斯治理巷52，由瓦斯治理巷52向回风巷51钻进倾斜大直径钻孔53，由倾斜大直径钻孔53替代回风巷51的联络巷抽采上隅角瓦斯，图2中54为采空区，55为保护煤柱，56为煤层，57为瓦斯抽采管道。

近年来，倾斜大直径钻孔抽采采空区瓦斯得到了一定程度的应用。文献：超大直径钻孔“以孔代巷”治理上隅角瓦斯技术(蒋璋，杨保国，山西焦煤科技，2019：47-49）、小庄矿“以孔代巷”瓦斯抽采技术可行性研究（郭林生，林建成，李可，等.中国煤炭，2020，46(9):65-70）、超大直径钻孔治理上隅角瓦斯工艺研究（汪开旺.矿业安全与环保，2020，47(2):90-93）、大直径钻孔治理综采工作面上隅角瓦斯应用（石瑞鹏，高翔，李浩.山西焦煤科技，2018：31-34）、超大直径钻孔采空区瓦斯抽采技术研究（高宏，杨宏伟.煤炭科学技术，2019，47(2):77-81）、万安煤业大直径钻孔抽采采空区瓦斯技术应用研究（王春丽.煤炭与化工，2019.42（5）：100-103）等介绍了倾斜大直径钻孔在煤矿上的应用。

倾斜大直径钻孔封闭与普通钻孔封孔目的不同，普通钻孔封孔的目的是为了防止空气进入到钻孔中，提高瓦斯抽采浓度和效果；在瓦斯抽采管道57拆除后，需要将倾斜大直径钻孔封闭，其目的是为了封堵大直径钻孔，防止采空区矸石、积水通过倾斜大直径钻孔进入到巷道。

由于倾斜大直径钻孔具有一定的倾斜角度，且需要较多的封孔材料。在封闭过程中，封闭注浆材料容易顺着倾斜大直径钻孔滑出。如何快速高效的封闭倾斜大直径钻孔，成为倾斜大直径钻孔抽采采空区瓦斯技术推广的关键。

技术实现要素：

本实用新型为了解决倾斜大直径钻孔封闭过程中注浆材料容易顺着倾斜大直径钻孔滑出的问题，提出一种煤矿倾斜大直径钻孔液压驱动定位封孔装置，能快速封闭倾斜大直径钻孔，防止采空区矸石、积水通过倾斜大直径钻孔进入到巷道。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：煤矿倾斜大直径钻孔液压驱动定位封孔装置，包括均设置在倾斜大直径钻孔内的封孔装置、单囊袋和注浆管，注浆管的出口端与单囊袋连接，注浆管上设置有爆破阀，注浆管的进口端设有位于倾斜大直径钻孔孔口外的注浆阀；

封孔装置包括相互连接的充气膨胀封孔部分和液压伸缩定位部分，在倾斜大直径钻孔中充气膨胀封孔部分位于液压伸缩定位部分内侧上方，注浆管穿过充气膨胀封孔部分，爆破阀位于单囊袋与充气膨胀封孔部分之间。

充气膨胀封孔部分包括圆盘、连接杆、外环形气囊，圆盘中心开设有螺纹孔，圆盘的外圆沿圆周方向开设有外环形槽，外环形气囊安装在外环形槽内，圆盘的偏心处开设有与螺纹孔平行的注浆穿孔，注浆管穿设在注浆穿孔内。

注浆穿孔内圆开设有内环形槽，内环形槽内设有套在注浆管上的内环形气囊；

内环形气囊的进气口与外环形气囊的进气口通过一个三通管连接，三通管的第三个接口连接有注气管，三通管上设有临近外环形气囊进气口的外注气阀，三通管上设有临近内环形气囊进气口的内注气阀，三通管上在外注气阀与外环形气囊进气口之间设有外压力表，三通管上在内注气阀与内环形气囊进气口之间设有内压力表，内环形气囊上设有内排气阀，外环形气囊上设有外排气阀。

液压伸缩定位部分包括连接套管，连接套管一端伸入并螺纹连接在螺纹孔内，连接套管另一端外圆沿圆周方向均匀固定设有至少三个套筒，每个套筒的中心线均垂直穿过连接套管的中心线，连接套管内部在临近圆盘的位置设有堵板，连接套管内部同轴线设有内套管，内套管的外径小于连接套管的内径，内套管一端与堵板之间具有间隙，内套管另一端外圆固定设有与连接套管内壁螺纹密封连接的环形密封套，堵板中心处设有第一轴承，内套管端口内壁在环形密封套对应的位置设有第二轴承，第一轴承和第二轴承之间过盈装配有一根丝杆，内套管内壁沿长度方向设有至少一条导向凸棱，丝杆上螺纹连接有与内套管内壁滑动密封配合的第一活塞；

套筒内端敞口与连接套管内部连通，套筒外端设有端板，端板中心开设有导孔，套筒内滑动密封设有第二活塞，第二活塞同轴线连接有一根定位杆，定位杆外端尖锐并穿过导孔伸出套筒，定位杆上套设有复位弹簧，复位弹簧两端分别与第二活塞和端板顶压配合，第二活塞内侧的套筒内部、内套管外圆与连接套管内圆之间形成的环形腔、内套管内部在第一活塞与堵板之间的空腔内部设有液压油。

丝杆外端设有六棱螺母，丝杆上固定设有位于环形密封套外侧的定位锁块，环形密封套外侧面沿圆周方向设有若干个定位槽，定位锁块上开设有与定位槽对应的定位孔，定位孔与其中一个定位槽之间通过一根定位销插接定位。

采用上述技术方案，使用本实用新型对倾斜大直径钻孔进行封闭施工作业的具体过程，包括以下步骤：

（1）将单囊袋和注浆管放入倾斜大直径钻孔内；

（2）将封孔装置放置在倾斜大直径钻孔中；

（3）将液压伸缩定位部分与倾斜大直径钻孔的孔壁固定连接；

（4）充气膨胀封孔部分通过注气管连接注气泵，启动注气泵使充气膨胀封孔部分膨胀将倾斜大直径钻孔密封；

（5）注浆管的进口端连接注浆泵，启动注浆泵通过注浆管向单囊袋以及单囊袋与充气膨胀封孔部分之间的倾斜大直径钻孔内注浆；

（6）注浆24h后，浆液凝固；将封孔装置拆除。

步骤（3）具体为：电动螺丝刀卡住六棱螺母顺时针旋转，六棱螺母带动丝杆转动，定位锁块也随着丝杆旋转，由于内套管内壁沿长度方向设有至少一条导向凸棱，与丝杆螺纹连接的第一活塞沿内套管内壁向接近堵板的方向移动，第一活塞通过液压油驱动第二活塞克服复位弹簧的弹力，第二活塞沿套筒向外移动，与第二活塞固定连接的定位杆沿连接套管的径向方向向外伸长，定位杆尖锐的外端扎入到倾斜大直径钻孔的孔壁煤层或岩层内，液压伸缩定位部分被定位，然后使用定位销插入到定位锁块的定位孔与环形密封套对应的一个定位槽内，这样就确保定位杆的伸出长度保持不变。

步骤（4）具体为：将三通管的第三个接口通过注气管连接注气泵，打开三通管上的外注气阀，关闭内注气阀，启动注气泵对外环形气囊进行注气；外环形气囊外圆膨胀与倾斜大直径钻孔的内壁压接并密封，当外压力表读数为0.3mpa时，关闭注气泵停止注气；然后关闭外注气阀，打开内注气阀，再启动注气泵，对内环形气囊进行注气，内环形气囊的内圆与注浆管外圆压接并密封，当内压力表的示数为0.2mpa时，关闭注气泵停止注气，再关闭内注气阀。

步骤（5）中注浆的具体过程为：先将注浆泵的出浆口通过快速接头与注浆管的进口端连接，打开注浆阀，注浆泵将浆液通过注浆管注入到单囊袋内部，单囊袋膨胀将倾斜大直径钻孔封堵，此时单囊袋与圆盘之间形成注浆封孔段，当注浆压力大于1.2mpa时，爆破阀打开，浆液向注浆封孔段内部注浆，直到注浆封孔段内部注满浆液后关闭注浆阀，快速接头与注浆管的进口端分离。

步骤（6）中将封孔装置拆除的具体过程为：先打开内环形气囊上的内排气阀将内环形气囊放气；再通过外环形气囊上的外排气阀将外环形气囊放气，外环形气囊外圆与钻孔的孔壁脱离接触；然后将定位销抽出，使用电动螺丝刀卡住六棱螺母逆时针旋转，丝杆驱动第一活塞向远离堵板方向移动，复位弹簧对第二活塞的顶压力大于液压油的液压，在复位弹簧的作用下，复位弹簧带动第二活塞沿套筒内壁向内移动，同时与第二活塞连接的定位杆缩回到套筒内，最后将整个封孔装置沿注浆管向倾斜大直径钻孔外部抽出，注浆管留在倾斜大直径钻孔内。

本实用新型中充气膨胀封孔部分的圆盘采用钢化玻璃，可通过圆盘观察钻孔内的注浆情况；圆盘外圆设置外环形槽，更容易固定用于固定安装外环形气囊的外环形气囊；圆盘上设有注浆穿孔，注浆穿孔的内壁设置用于固定安装内环形气囊的内环形槽，外环形气囊固定在圆盘周边，主要作用是密封圆盘与倾斜大直径钻孔内壁之间的空隙，内环形气囊主要作用是密封注浆管与注浆穿孔之间的空隙。通过内环形气囊和外环形气囊的设置，使得封孔装置将倾斜大直径钻孔封堵严实，确保注浆时浆液不会向孔口泄露。由于倾斜大直径钻孔内壁不平滑，因此外环形气囊设置的气压大于内环形气囊的气压。

本实用新型中液压伸缩定位部分采用电动螺丝刀驱动丝杆顺时针旋转以带动第一活塞在连接套管内移动，第一活塞通过液压油驱动第二活塞，与第二活塞固定连接的定位杆沿倾斜大直径钻孔的径向方向伸长并刺入到孔壁的煤层或岩层内，为了避免复位弹簧的作用力使定位杆伸出长度变化，设置定位销将定位锁块与环形密封套插接为一体，使丝杆不能旋转，这样就使整个封孔装置固定在倾斜大直径钻孔内，为下一步的注浆提供稳定性的保障。在注浆完成拆卸封孔装置时，使用电动螺丝刀驱动丝杆逆时针旋转以带动第一活塞在连接套管内移动复位，复位弹簧的弹力大于液压油的液压，驱动第二活塞和定位杆缩回复位。

综上所述，本实用新型原理科学，结构简单，操作方便，自动化程度高，封孔装置在倾斜大直径钻孔内固定牢靠并可进行快速封闭钻孔进行注浆作业，注浆完成后可以解决注浆材料、矸石、积水容易进入巷道的问题，实用性强，具有重要的推广价值。

附图说明

图1是倾斜大直径钻孔的平面布置图；

图2是图1中a-a剖视图；

图3是本实用新型在工作状态时的结构示意图；

图4是图3中封孔装置的立体结构示意图；

图5是圆盘、内环形气囊和外环形气囊的剖面图；

图6是图4中b处的放大图；

图7是图4中c-c剖视图；

图8是图4中液压伸缩定位部分的内部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型防护的范围。

如图3-图8所示，本实用新型的煤矿倾斜大直径钻孔液压驱动定位封孔装置，包括均设置在倾斜大直径钻孔2内的封孔装置、单囊袋32和注浆管3，注浆管3的出口端与单囊袋32连接，注浆管3上设置有爆破阀33，注浆管3的进口端设有位于倾斜大直径钻孔2孔口外的注浆阀31；封孔装置包括相互连接的充气膨胀封孔部分1和液压伸缩定位部分30，在倾斜大直径钻孔2中充气膨胀封孔部分1位于液压伸缩定位部分30内侧上方，注浆管3穿过充气膨胀封孔部分1，爆破阀33位于单囊袋32与充气膨胀封孔部分1之间。

充气膨胀封孔部分1包括圆盘5和外环形气囊8，圆盘5中心开设有螺纹孔9，圆盘5的外圆沿圆周方向开设有外环形槽，外环形气囊8安装在外环形槽内，圆盘5的偏心处开设有与螺纹孔9平行的注浆穿孔10，注浆管3穿设在注浆穿孔10内。

注浆穿孔10内圆开设有内环形槽，内环形槽内设有套在注浆管3上的内环形气囊11；

内环形气囊11的进气口与外环形气囊8的进气口通过一个三通管12连接，三通管12的第三个接口连接有注气管，三通管12上设有临近外环形气囊8进气口的外注气阀13，三通管12上设有临近内环形气囊11进气口的内注气阀14，三通管12上在外注气阀13与外环形气囊8进气口之间设有外压力表15，三通管12上在内注气阀14与内环形气囊11进气口之间设有内压力表16，内环形气囊11上设有内排气阀17，外环形气囊8上设有外排气阀18。

液压伸缩定位部分30包括连接套管6，连接套管6一端伸入并螺纹连接在螺纹孔9内，连接套管6另一端外圆沿圆周方向均匀固定设有至少三个套筒7，每个套筒7的中心线均垂直穿过连接套管6的中心线，连接套管6内部在临近圆盘5的位置设有堵板19，连接套管6内部同轴线设有内套管20，内套管20的外径小于连接套管6的内径，内套管20一端与堵板19之间具有间隙，内套管20另一端外圆固定设有与连接套管6内壁螺纹密封连接的环形密封套21，堵板19中心处设有第一轴承22，内套管20端口内壁在环形密封套21对应的位置设有第二轴承23，第一轴承22和第二轴承23之间过盈装配有一根丝杆24，内套管20内壁沿长度方向设有至少一条导向凸棱25，丝杆24上螺纹连接有与内套管20内壁滑动密封配合的第一活塞26；

套筒7内端敞口与连接套管6内部连通，套筒7外端设有端板27，端板27中心开设有导孔，套筒7内滑动密封设有第二活塞28，第二活塞28同轴线连接有一根定位杆29，定位杆29外端尖锐并穿过导孔伸出套筒7，定位杆29上套设有复位弹簧40，复位弹簧40两端分别与第二活塞28和端板27顶压配合，第二活塞28内侧的套筒7内部、内套管20外圆与连接套管6内圆之间形成的环形腔、内套管20内部在第一活塞26与堵板19之间的空腔内部设有液压油。

丝杆24外端设有六棱螺母41，丝杆24上固定设有位于环形密封套21外侧的定位锁块42，环形密封套21外侧面沿圆周方向设有若干个定位槽43，定位锁块42上开设有与定位槽43对应的定位孔，定位孔与其中一个定位槽43之间通过一根定位销44插接定位。

使用本实用新型对倾斜大直径钻孔进行封闭施工作业的具体过程，包括以下步骤：

（1）将单囊袋32和注浆管3放入倾斜大直径钻孔2内，注浆管3的出口端与单囊袋32连接，注浆管3上设置有爆破阀33，注浆管3的进口端设有位于倾斜大直径钻孔2孔口外的注浆阀31；

（2）将封孔装置放置在倾斜大直径钻孔2中；

（3）将液压伸缩定位部分30与倾斜大直径钻孔2的孔壁固定连接；

（4）充气膨胀封孔部分1通过注气管连接注气泵，启动注气泵使充气膨胀封孔部分1膨胀将倾斜大直径钻孔2密封；

（5）注浆管3的进口端连接注浆泵4，启动注浆泵4通过注浆管3向单囊袋32以及单囊袋32与充气膨胀封孔部分1之间的倾斜大直径钻孔2内注浆；

（6）注浆24h后，浆液凝固；将封孔装置拆除。

步骤（3）具体为：电动螺丝刀卡住六棱螺母41顺时针旋转，六棱螺母41带动丝杆24转动，定位锁块42也随着丝杆24旋转，由于内套管20内壁沿长度方向设有至少一条导向凸棱25，与丝杆24螺纹连接的第一活塞26沿内套管20内壁向接近堵板19的方向移动，第一活塞26通过液压油驱动第二活塞28克服复位弹簧40的弹力，第二活塞28沿套筒7向外移动，与第二活塞28固定连接的定位杆29沿连接套管6的径向方向向外伸长，定位杆29尖锐的外端扎入到倾斜大直径钻孔2的孔壁煤层或岩层内，液压伸缩定位部分30被定位，然后使用定位销44插入到定位锁块42的定位孔与环形密封套21对应的一个定位槽43内，这样就确保定位杆29的伸出长度保持不变。

步骤（4）具体为：将三通管12的第三个接口通过注气管连接注气泵，打开三通管12上的外注气阀13，关闭内注气阀14，启动注气泵对外环形气囊8进行注气；外环形气囊8外圆膨胀与倾斜大直径钻孔2的内壁压接并密封，当外压力表15读数为0.3mpa时，关闭注气泵停止注气；然后关闭外注气阀13，打开内注气阀14，再启动注气泵，对内环形气囊11进行注气，内环形气囊11的内圆与注浆管3外圆压接并密封，当内压力表16的示数为0.2mpa时，关闭注气泵停止注气，再关闭内注气阀14。

步骤（5）中注浆的具体过程为：先将注浆泵4的出浆口通过快速接头45与注浆管3的进口端连接，打开注浆阀31，注浆泵4将浆液通过注浆管3注入到单囊袋32内部，单囊袋32膨胀将倾斜大直径钻孔2封堵，此时单囊袋32与圆盘5之间形成注浆封孔段，当注浆压力大于1.2mpa时，爆破阀33打开，浆液向注浆封孔段内部注浆，直到注浆封孔段内部注满浆液后关闭注浆阀31，快速接头45与注浆管3的进口端分离。

步骤（6）中将封孔装置拆除的具体过程为：先打开内环形气囊11上的内排气阀17将内环形气囊11放气；再通过外环形气囊8上的外排气阀18将外环形气囊8放气，外环形气囊8外圆与钻孔的孔壁脱离接触；然后将定位销44抽出，使用电动螺丝刀卡住六棱螺母41逆时针旋转，丝杆24驱动第一活塞26向远离堵板19方向移动，复位弹簧40对第二活塞28的顶压力大于液压油的液压，在复位弹簧40的作用下，复位弹簧40带动第二活塞28沿套筒7内壁向内移动，同时与第二活塞28连接的定位杆29缩回到套筒7内，最后将整个封孔装置沿注浆管3向倾斜大直径钻孔2外部抽出，注浆管3留在倾斜大直径钻孔2内。

本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型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，均属于本实用新型技术方案的保护范围。