煤矿井下瓦斯抽采穿层钻孔可复用封孔器及其作业方法

本发明属于煤矿井下钻孔瓦斯抽采技术领域，具体涉及煤矿井下瓦斯抽采穿层钻孔可复用封孔器及其作业方法。

背景技术：

煤层中所赋存的瓦斯气体是一种清洁高效能源，同时也是导致瓦斯涌出、煤与瓦斯突出等煤矿灾害的主要影响因素。随着煤矿开采深度的不断加深，煤层瓦斯含量整体呈增加趋势。瓦斯预抽是确保安全开采的关键，抽采钻孔是瓦斯抽采的载体，封孔的严密程度及封孔成本直接关系到矿井安全生产及其经济效益。

现阶段采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺多为“两堵一注”，即在封孔段两侧设置堵塞装置固定封孔区域边界，然后向中间区域注浆实现封孔。该工艺封孔时间长，一次性材料耗费大，成本高；后期无法补液进行二次封孔，封孔有效时长短。另外，现有的用于封孔的膨胀胶囊存在以下技术问题：由于膨胀胶囊外圆和内圆均为光滑面，钻孔内壁并非光滑平整的，因此需要较大的水压才能实现膨胀胶囊外圆与钻孔内壁实现较好的密封，但水压过大就会使膨胀胶囊爆裂。因此需要在不增加膨胀胶囊厚度的基础上设计相应的密封和承压结构。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种封孔效果好、承压大、方便拆装、施工效率高的煤矿井下瓦斯抽采钻孔可重复利用封孔器及其作业方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：煤矿井下瓦斯抽采穿层钻孔可复用封孔器及其作业方法，包括同轴向安装在瓦斯抽采管上的第一膨胀胶囊和第二膨胀胶囊，瓦斯抽采管竖向设置，第一膨胀胶囊位于第二膨胀胶囊上方，第一膨胀胶囊和第二膨胀胶囊外形为圆柱形并沿中心线开设有套在瓦斯抽采管外圆的圆柱孔，还包括均平行于瓦斯抽采管的第一注液连接管、第二注液连接管、中间注液连接管、第一注液进管和第二注液进管；

第一注液连接管穿设在第一膨胀胶囊内部，第一注液连接管上端口向上伸出第一膨胀胶囊上端面并设有堵头，第一注液连接管下端口向下伸出第一膨胀胶囊下端面，第一注液连接管上开设有与第一膨胀胶囊内腔连通的第一注液孔；

第二注液连接管穿设在第二膨胀胶囊内部，第二注液连接管上端口向上伸出第二膨胀胶囊上端面，第二注液连接管下端口向下伸出第二膨胀胶囊下端面，第二注液连接管上开设有与第二膨胀胶囊内腔连通的第二注液孔；

中间注液连接管上端口通过第一快插接头与第一注液连接管下端口连接，中间注液连接管下端口通过第二快插接头与第二注液连接管上端口连接，中间注液连接管上设有承压单向阀；

第一注液进管上端口通过第三快插接头与第二注液连接管下端口连接，第一注液进管下端口与第二注液进管上端口之间设有三通接头，三通接头的第三个接口设有压力表，第二注液进管上端设有阀门。

第一膨胀胶囊和第二膨胀胶囊的外圆设有凸起密封结构。

凸起密封结构包括若干条均呈圆环形的凸棱密封条，所有的凸棱密封条沿膨胀胶囊的中心线方向均匀间隔设置，每条凸棱密封条的横截面均为半圆形结构，凸棱密封条与膨胀胶囊为一体结构制成。

第一膨胀胶囊和第二膨胀胶囊的上下两端平面上均设有端面承压加强结构。

端面承压加强结构为若干根径向加强凸筋，所有的径向加强凸筋沿膨胀胶囊端面圆周方向均匀布置，每根径向加强凸筋均沿膨胀胶囊的径向方向设置，径向加强凸筋与膨胀胶囊为一体结构制成。

煤矿井下瓦斯抽采穿层钻孔可复用封孔器的作业方法，包括以下步骤，

（1）按钻孔设计要求进行瓦斯抽采穿层钻孔施工，设定封孔压力p2，其值大于煤层原始瓦斯压力p0；

（2）根据瓦斯抽采穿层钻孔封孔段围岩岩性种类，若围岩为粉砂岩、细粒砂岩或中粒砂岩强度高、不易变形岩石，使用所述的封孔器进行封孔作业；

（3）钻孔施工完成后，将所述的封孔器放入步骤（2）筛选出的瓦斯抽采钻孔中，将注液泵连接阀门，打开阀门开关；

（4）按注液材料配方配制注液材料；

（5）启动注液泵，首先采用小于承压单向阀压力p1的注液压力p3向封孔器中注液，液体依次流入第二注液进管、第一注液进管、第二注液连接管、中间注液连接管和第一注液连接管，液体先经第二注液连接管上的第二注液孔注入到第二膨胀胶囊内，经第一注液连接管上的第一注液孔注入到第一膨胀胶囊内，随着第一膨胀胶囊和第二膨胀胶囊中压力不断升高，第一膨胀胶囊和第二膨胀胶囊径向膨胀与钻孔的孔壁压接，对钻孔的孔壁进行封孔，线性提高注液泵的注液压力，当注液压力达到承压单向阀压力p1时，承压单向阀打开，液体注入第一膨胀胶囊和第二膨胀胶囊之间的环形空腔内，观察压力表，当压力表读数p4显示液体压力达到封孔压力p2时，关闭注液泵，停止注液，关闭阀门；

（6）向其他筛选出的瓦斯抽采钻孔重复步骤（5），完成封孔；

（7）每隔一天观察压力表读数p4，若压力表读数p4小于封孔压力p2时，将注液泵连接阀门，打开阀门开关，重复步骤（5），向封孔器中补液，保持封孔压力；

（8）完成瓦斯抽采作业任务后，打开阀门开关，由于液体自身压力作用，第一膨胀胶囊及第二膨胀胶囊中液体回流，通过阀门流出；第一膨胀胶囊及第二膨胀胶囊收缩，第一膨胀胶囊及第二膨胀胶囊之间的钻孔内的封孔液体会随着膨胀胶囊收缩而流出，封孔压力消失；随着膨胀胶囊收缩以及封孔压力消失，封孔器即可从钻孔中取出。

步骤（4）中的注液材料由胍胶、甘油、硼砂以及水按一定比例配制而成，注液材料呈软胶状，具有很好的流动性，能够承受一定压力。

胍胶、甘油、硼砂以及水按照重量比为1：3：80：200的比例配置而成。

采用上述技术方案，第一注液连接管与第一膨胀胶囊两端面连接处密封连接，第二注液连接管与第二膨胀胶囊两端面连接处密封连接。

瓦斯抽采管可根据实际情况需要采用钢管、pvc管、pe管、骨架增强塑料管或覆盖螺旋波纹钢管。

膨胀胶囊采用高弹耐磨橡胶材质，膨胀胶囊的圆柱孔内径与瓦斯抽采管外径相同。

本发明主要有以下技术特点及有益效果：

a.利用注液压力不同的特点，通过承压单向阀设计，巧妙利用不同的注液压力向封孔器中注液，达到一根注液管路完成注液作业目标。

b.膨胀胶囊采用高弹耐磨橡胶材质，膨胀胶囊膨胀后若干条凸棱密封条与钻孔的孔壁压接，具有很强的摩擦力，能够保持封孔器不发生滑落。

c.通过三通接头连接的压力表可实现对封孔压力的实时监测，当封孔压力降低时，可通过连接注液泵、打开阀门，对封孔器实施补液补压作业，维持封孔器封孔压力。

e.完成瓦斯抽采作业任务后，通过打开阀门，膨胀胶囊中液体由于液体压力作用回流，通过阀门流出；注液区液体会随着膨胀胶囊收缩而流出，封孔压力消失；随着膨胀胶囊收缩以及封孔压力消失，封孔器即可从钻孔中取出，实现封孔器重复利用功能。

f.根据现场实际情况要求，可更换最小承载压力不同的承压单向阀，满足不同封孔压力需要。

g.通过注液管向膨胀胶囊内部充入高压水后，膨胀胶囊膨胀，由于钻孔内壁并不是光滑平整的，有不少凹陷或凸起，因此，膨胀后的膨胀胶囊外圆的若干条凸棱密封条根据钻孔内壁的不同区域的凹陷或凸起紧密贴合，从而确保第一膨胀胶囊和第二膨胀胶囊之间的密封段具有更好的密封效果。凸棱密封条还具有提高膨胀胶囊承压强度的作用，在钻孔内壁移动时，凸棱密封条与钻孔内壁滑动摩擦，减小膨胀胶囊外圆的磨损。

h.径向加强凸筋的设置，可提高膨胀胶囊的两端面的承压性能（包括径向和轴向的承压）。

i.第一注液连接管、第二注液连接管、中间注液连接管、第一注液进管和第二注液进管采用分体结构，在确保密封性的前提下，通过快插接头实现快速连接和拆卸，操作方便，提高施工效率。

j.注液材料配方环保，便于现场制备，对岩层无伤害，可自然降解。

综上所述，本发明原理科学，结构简单，方便操作实现了瓦斯抽采钻孔封孔器封孔压力监测、封孔压力降低时重新补液提高封孔压力、瓦斯抽采作业完成后封孔器可回收重复利用功能，能够有效实现材料的重复利用，降低封孔成本。

附图说明

图1是本发明中煤矿井下瓦斯抽采穿层钻孔可复用封孔器的整体结构示意图；

图2是图1中第一膨胀胶囊的放大示意图；

图3是图2的俯视图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的煤矿井下瓦斯抽采穿层钻孔可复用封孔器，包括同轴向安装在瓦斯抽采管1上的第一膨胀胶囊2和第二膨胀胶囊3，瓦斯抽采管1竖向设置，第一膨胀胶囊2位于第二膨胀胶囊3上方，第一膨胀胶囊2和第二膨胀胶囊3外形为圆柱形并沿中心线开设有套在瓦斯抽采管1外圆的圆柱孔，本发明还包括均平行于瓦斯抽采管1的第一注液连接管4、第二注液连接管5、中间注液连接管6、第一注液进管7和第二注液进管8；

第一注液连接管4穿设在第一膨胀胶囊2内部，第一注液连接管4上端口向上伸出第一膨胀胶囊2上端面并设有堵头9，第一注液连接管4下端口向下伸出第一膨胀胶囊2下端面，第一注液连接管4上开设有与第一膨胀胶囊2内腔连通的第一注液孔10；

第二注液连接管5穿设在第二膨胀胶囊3内部，第二注液连接管5上端口向上伸出第二膨胀胶囊3上端面，第二注液连接管5下端口向下伸出第二膨胀胶囊3下端面，第二注液连接管5上开设有与第二膨胀胶囊3内腔连通的第二注液孔11；

中间注液连接管6上端口通过第一快插接头12与第一注液连接管4下端口连接，中间注液连接管6下端口通过第二快插接头13与第二注液连接管5上端口连接，中间注液连接管6上设有承压单向阀14；

第一注液进管7上端口通过第三快插接头15与第二注液连接管5下端口连接，第一注液进管7下端口与第二注液进管8上端口之间设有三通接头16，三通接头16的第三个接口设有压力表17，第二注液进管8上端设有阀门18。

第一膨胀胶囊2和第二膨胀胶囊3的外圆设有凸起密封结构。

凸起密封结构包括若干条均呈圆环形的凸棱密封条19，所有的凸棱密封条19沿膨胀胶囊的中心线方向均匀间隔设置，每条凸棱密封条19的横截面均为半圆形结构，凸棱密封条19与膨胀胶囊为一体结构制成。

第一膨胀胶囊2和第二膨胀胶囊3的上下两端平面上均设有端面承压加强结构。

端面承压加强结构为若干根径向加强凸筋20，所有的径向加强凸筋20沿膨胀胶囊端面圆周方向均匀布置，每根径向加强凸筋20均沿膨胀胶囊的径向方向设置，径向加强凸筋20与膨胀胶囊为一体结构制成。

第一注液连接管4与第一膨胀胶囊2两端面连接处密封连接，第二注液连接管5与第二膨胀胶囊3两端面连接处密封连接。

瓦斯抽采管1可根据实际情况需要采用钢管、pvc管、pe管、骨架增强塑料管或覆盖螺旋波纹钢管。

膨胀胶囊采用高弹耐磨橡胶材质，膨胀胶囊的圆柱孔内径与瓦斯抽采管1外径相同。

当瓦斯抽采穿层钻孔封孔段围岩为粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩等强度高，不易变形岩石时，采用本封孔器；当瓦斯抽采穿层钻孔封孔段围岩为泥岩、砂质泥岩等强度低，易变形岩石时，不采用本封孔器。

注液材料由胍胶、甘油、硼砂以及水按比例配制而成，注液材料呈软胶状，具有很好的流动性，能够承受一定压力。

使用本发明的煤矿井下瓦斯抽采穿层钻孔可复用封孔器进行封孔作业的主要步骤为：

（1）按钻孔设计要求进行瓦斯抽采钻孔施工，设定封孔压力p2，其值大于煤层原始瓦斯压力p0；

（2）根据瓦斯抽采穿层钻孔封孔段围岩岩性种类，若围岩为粉砂岩、细粒砂岩或中粒砂岩强度高、不易变形岩石，使用本封孔器进行封孔作业；

（3）钻孔施工完成后，将所述的封孔器放入步骤（2）筛选出的瓦斯抽采钻孔中，将注液泵连接阀门18（可采用双插球阀），打开双插球阀开关；

（4）按注液材料配方配制注液材料；

（5）启动注液泵，首先采用小于承压单向阀14压力p1的注液压力p3向封孔器中注液，液体依次流入第二注液进管8、第一注液进管7、第二注液连接管5、中间注液连接管6和第一注液连接管4，液体先经第二注液连接管5上的第二注液孔11注入到第二膨胀胶囊3内，经第一注液连接管4上的第一注液孔10注入到第一膨胀胶囊2内，随着第一膨胀胶囊2和第二膨胀胶囊3中压力不断升高，第一膨胀胶囊2和第二膨胀胶囊3径向膨胀与钻孔的孔壁压接，对钻孔的孔壁进行封孔，线性提高注液泵的注液压力，当注液压力达到承压单向阀14压力p1时，承压单向阀14打开，液体注入第一膨胀胶囊2和第二膨胀胶囊3之间的环形空腔内，观察压力表17，当压力表17读数p4显示液体压力达到封孔压力p2时，关闭注液泵，停止注液，关闭阀门18；

（6）向其他筛选出的瓦斯抽采钻孔重复步骤（5），完成封孔；

（7）每隔一天观察压力表17读数p4，若压力表17读数p4小于封孔压力p2时，将注液泵连接阀门18，打开阀门18开关，重复步骤（5），向封孔器中补液，保持封孔压力；

（8）完成瓦斯抽采作业任务后，打开阀门18开关，由于液体自身压力作用，第一膨胀胶囊2及第二膨胀胶囊3中液体回流，通过阀门18流出；第一膨胀胶囊2及第二膨胀胶囊3收缩，第一膨胀胶囊2及第二膨胀胶囊3之间的钻孔内的封孔液体会随着膨胀胶囊收缩而流出，封孔压力消失；随着膨胀胶囊收缩以及封孔压力消失，封孔器即可从钻孔中取出；重复步骤（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8），可实现封孔器重复利用。

步骤（4）中的注液材料由胍胶、甘油、硼砂以及水按一定比例配制而成，注液材料呈软胶状，具有很好的流动性，能够承受一定压力。

胍胶、甘油、硼砂以及水按照重量比为1：3：80：200的比例配置而成。

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。