一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置及抽采方法与流程

1.本发明属于煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔技术领域，涉及一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置及抽采方法。


背景技术：

2.目前煤矿普遍采用“两堵一注”封孔技术对瓦斯抽采钻孔进行封孔，该技术需要人工临时组装封孔装置，并将两个囊袋、注浆管和瓦斯抽采管手动下到钻孔中，最后注浆封孔。该技术存在以下缺点：(1)需要手动组装封孔装置和手动进行封孔，自动化程度低，封孔程序复杂，劳动强度大；(2)封孔器长度固定，不便在封孔长度需求发生变化的条件下使用；(3)封孔器结构冗杂。
3.针对上述问题有人提出了多通道式自动封孔器，但该装置存在以下缺点：(1)封孔器的工作原理和结构较为复杂、集成度高；(2)封孔器的主体材料是硬度较大的金属，注浆后封孔器与煤层固结为一体，不能取出，而割煤机在切割煤壁的时候应避免对金属材料进行切割，对后续的采煤造成不便。(3)割煤机切割金属材料会产生火花，存在诱发瓦斯爆炸的风险。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置，以解决现有封孔器结构复杂、需要人工进行封孔、封孔器长度固定和封孔自动化程度低的问题。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置，包括从后到前依次进行连接的后端套管、中间套管和前端套管，中间套管设置若干，其中每根套管内形成相互隔离的双通道，每个套管的内通道是相互串联连通的，每个套管的外通道也是相互串联连通的，内通道为瓦斯抽采通道，外通道为注浆通道，后端套管和前端套管的外通道外侧还分别设置有能够膨胀的胶囊，胶囊膨胀后分别将后端套管和前端套管与钻孔之间的缝隙进行封堵，后端套管和前端套管的外通道与胶囊的空间内通过单向阀连通，后端套管的外通道上开有与钻孔连通的单向阀，每根套管外管尺寸与钻杆尺寸匹配，利用自动钻机依次连接前端套管、中间套管和后端套管，并将套管依次送入钻孔内。
7.进一步的，后端套管包括后端内管，后端内管外部从后到前依次套有首尾相连接的后端外管母接头、后端外管胶囊、后端出浆管段和后端外管公接头，后端外管母接头、后端外管胶囊、后端出浆管段和后端外管与后端内管外壁之间形成的空间分别为外通道一、外通道二、外通道三与外通道四，外通道一、外通道二、外通道三和外通道四连通，后端外管胶囊包括套在后端内管上的后端外管，后端外管与后端内管之间的空间为外通道二，后端外管外部套有后端胶囊，后端胶囊与后端外管之间的空间为胶囊空间一，后端胶囊能够膨胀，后端外管上设置有单向阀一，单向阀一的出口方向为胶囊空间一。
8.进一步的，后端出浆管段上设有单向阀二，单向阀二的出口方向为封孔装置与钻孔形成的空间。
9.进一步的，后端内管的后部为后端内管母接头，后端内管的前部为后端内管公接头，后端内管母接头内装配能拆卸的管堵，后端内管公接头用于与中间套管的中间内管连接。
10.进一步的，后端内管与后端外管母接头之间通过后端条状支撑结构连接，后端内管与后端外管公接头之间设置有后端条状定位结构进行定位。
11.进一步的，中间套管包括中间内管，中间内管的外部从后到前依次套有首尾相连的中间外管母接头、中间外管和中间外管公接头，中间外管母接头与后端套管连接，中间外管公接头用于与前端套管连接，中间内管的后端为与后端套管的后端内管连接的中间内管母接头，中间内管的前端为与前端套管的前端内管连接的中间内管公接头。
12.进一步的，中间内管与中间外管母接头之间通过中间条状支撑结构连接，中间内管与中间外管公接头之间设置有中间条状定位结构进行定位。
13.进一步的，前端套管包括前端内管，前端内管上从后到前依次套有前端外管母接头和前端外管胶囊，前端外管母接头用于与中间套管连接，前端内管的后端为前端内管母接头，前端内管母接头可与中间内管公接头连接，前端外管胶囊包括套在前端内管上的前端外管，前端外管外部套有前端胶囊，前端外管上设置有单向阀三，单向阀三的出口为前端胶囊内部，前端内管与前端外管母接头之间通过前端条状支撑结构连接，前端内管与前端外管的后部之间通过前端定位密封结构进行密封。
14.进一步的，前端内管的前端延长到超出前端外管胶囊，位于前端外管胶囊外侧的前端内管为起到阻隔钻孔内大颗粒作用的筛管。
15.一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置的抽采方法，其特征在于，包括以下步骤:
16.s1：后端套管、中间套管和前端套管别放入自动钻机的钻杆箱中；
17.s2：钻机机械臂取出前端套管，由主动钻杆送入夹持器中；
18.s3：钻机机械臂取出中间套管，由主动钻杆送与前端套管连接；
19.s4：按需求加接若干根中间套管，此时，前端套管和部分中间套管已被钻机送入钻孔；
20.s5：中间套管加接完毕后，钻机机械臂取出后端套管，由主动钻杆送入钻孔中并与中间套管连接；
21.s6：注浆，此时钻机主动钻杆仍与后端套管相连，从外通道中心注入封孔浆液，浆液进入封孔装置内外管形成的注浆通道，浆液充满注浆管道后压力开始上升，直到达到单向阀一和单向阀三的出口压力，浆液同时进入前端胶囊和后端胶囊，两个胶囊开始膨胀，与钻孔内壁逐渐贴合，当胶囊膨胀到一定程度时，注浆压力达到单向阀二出口压力，浆液开始进入钻孔与封孔装置形成的空间，继续注浆，浆液充满钻孔内部，继续保压，使得浆液充分渗透钻孔内的裂隙之中；
22.s7：撤出主动钻杆，通水清洗主动钻杆；
23.s8：瓦斯抽采，打开管堵，完成瓦斯抽采。
24.本发明的有益效果在于：
25.(1)本发明公开的煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置，依次连接前端套管、中间套管和后端套管，形成注浆和瓦斯抽采两个通道，封孔阶段：使用管堵封闭内管，内外管形成的通道为注浆通道，注浆后封孔器两端的胶囊发生膨胀，与钻孔内壁贴合，实现“两堵”；继续注浆，钻孔与封孔装置形成的空间，完成“一注”，瓦斯抽采阶段：拔开管堵，内管作为瓦斯流动通道，进行瓦斯抽采。
26.(2)本发明公开的煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置，将“两堵一注”封孔装置设计为多根钻杆组合的样式，通过自动钻机将封孔器送入钻孔，保证封孔效果的同时，一定程度上实现了封孔的自动化，减少了人工劳动强度，简化封孔程序，提高封孔效率和封孔精度。
27.(3)本发明公开的煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置，可灵活选择中间套管的数量，通过增减中间套管数量，来满足封孔长度的实际需求；
28.(4)本发明公开的钻杆式煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置，采用聚氨酯橡胶和硬质pvc塑料作为主体材料，在瓦斯抽采结束后，割煤机可直接对煤和煤壁中的封孔器进行切割，不必拆除封孔器，方便采煤，提高采煤安全性。
29.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
30.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
31.图1为自动封孔装置的结构示意图；
32.图2为后端套管的结构示意图；
33.图3为后端内管的结构示意图；
34.图4为中间套管的结构示意图；
35.图5为中间内管的结构示意图；
36.图6为前端套管的结构示意图；
37.图7为前端内管的结构示意图。
38.附图标记：
39.1、后端套管；11、管堵；12、后端外管母接头；13、后端外管胶囊；131、后端外管；132、单向阀一；133、后端胶囊；14、后端内管；141、后端内管母接头；142、后端条状支撑结构；143、后端条状定位结构；144、后端内管公接头；15、后端出浆管段；151、单向阀二；16、后端外管公接头；2、中间套管；21、中间外管母接头；22、中间外管；23、中间内管；231、中间内管母接头；232、中间条状支撑结构；233、中间条状定位结构；234、中间内管公接头；24、中间外管公接头；3、前端套管；31、前端外管母接头；32、前端外管胶囊；321、前端外管；322、前端胶囊；323、单向阀三；33、前端内管；331、前端内管母接头；332、前端条状支撑结构；333、前端定位密封结构；334、筛管。
具体实施方式
40.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
42.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
43.请参阅图1～图7，为一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔自动封孔装置，如图1所示，包括从后到前依次进行连接的后端套管1、中间套管2和前端套管3，中间套管2的数量可以根据需求进行设定，其中每根套管内形成相互隔离的双通道，而内通道是相互串联连通的，外通道也是相互串联连通的。后端套管1和前端套管3的外通道外侧还分别设置有能够膨胀的胶囊，胶囊膨胀后分别将后端套管1和前端套管3与钻孔之间的缝隙进行封堵。后端套管1和前端套管3的外通道与胶囊的空间内通过单向阀连通。后端套管1的外通道上开有与钻孔连通的单向阀，这样封孔浆液能够从单向阀处进入到中间套管2与钻孔之间的空间内。每根套管外管尺寸与钻杆尺寸匹配，相邻套管之间通过螺纹连接，利用自动钻机依次连接前端套管3、中间套管2和后端套管1，并将套管依次送入钻孔内。
44.如图2、3所示，后端套管1包括后端内管14，后端内管14外部从后到前依次套有后端外管母接头12、后端外管胶囊13、后端出浆管段15和后端外管公接头16，四者分别与后端内管14同轴心，后端外管母接头12与后端外管胶囊13的后端通过螺纹连接，后端外管胶囊13的前端与后端出浆管段15的后端螺纹连接，后端出浆管段15的前端与后端外管公接头16的后端螺纹连接。后端外管母接头12与后端内管14外壁之间形成的空间为外通道一，后端外管胶囊13与后端内管14外壁之间形成的空间为外通道二，后端出浆管段15与后端内管14外壁之间形成的空间为外通道三，后端外管公接头16与后端内管14外壁之间形成的空间为外通道四，外通道一、外通道二、外通道三和外通道四连通形成灌浆通道。
45.后端外管胶囊13包括套在后端内管14上的后端外管131，后端外管131与后端内管14之间的空间为外通道二，后端外管131外部套有后端胶囊133，后端胶囊133与后端外管131之间的空间为胶囊空间一，后端胶囊133能够膨胀，膨胀后，后端胶囊133的外侧壁与钻孔内壁贴紧，后端外管131上设置有单向阀一132，单向阀一132的出口方向为胶囊空间一。
46.后端出浆管段15上设有单向阀二151，单向阀二151的出口方向为封孔装置与钻孔
形成的空间。
47.后端内管14的后部为后端内管母接头141，后端内管14的前部为后端内管公接头144，后端内管母接头141内装配有能够拆卸的管堵11将后端内管14进行封堵。
48.后端内管14与后端外管母接头12之间通过后端条状支撑结构142连接，后端条状支撑结构142与后端外管母接头12贴合进行管道的支撑，因为后端条状支撑结构142是条形结构不是环形结构，所以后端条状支撑结构142不会封闭外通道一，起到支撑后端内管14的作用。
49.后端内管14与后端外管公接头16之间设置有后端条状定位结构143，后端条状定位结构143卡在后端外管公接头16的槽内且不封堵外通道四，起到支撑后端内管14和防止后端内管14轴向移动的作用。
50.后端内管14的内孔为瓦斯抽采通道，外通道一、外通道二、外通道三和外通道四串联起来的通道为注浆通道。管堵11装配上后，管堵11防止浆液进入瓦斯抽采通道，在瓦斯抽采时，打开管堵11进行瓦斯抽采。
51.如图4、5所示，中间套管2包括中间内管23，中间内管23的外部从后到前依次套有中间外管母接头21、中间外管22和中间外管公接头24，中间外管母接头21的内孔设置有与后端外管公接头16相连接的锥形螺纹，中间外管母接头21和后端外管公接头16进行连接，完成后端套管1和中间套管2的联通。
52.中间外管母接头21、中间外管22和中间外管公接头24与中间内管23之间的空间分别为外通道五、外通道六和外通道七，外通道五、外通道六和外通道七串联联通成注浆通道。中间内管23的后端为中间内管母接头231，中间内管母接头231的光滑内表面与后端内管公接头144的光滑外表面相互贴合，完成后端内管14和中间内管23的联通。中间内管23的前端为中间内管公接头231。
53.中间内管23与中间外管母接头21之间通过中间条状支撑结构232连接，中间条状支撑结构232与中间外管母接头21贴合进行管道的支撑，因为中间条状支撑结构232是条形结构不是环形结构，所以中间条状支撑结构232不会封闭外通道一，起到支撑中间内管23的作用。
54.中间内管23与中间外管公接头24之间设置有中间条状定位结构233，中间条状定位结构233卡在中间外管公接头24的槽内且不封堵外通道五，起到支撑中间内管23和防止中间内管23轴向移动的作用。
55.中间套管2数量根据封孔长度的实际需要灵活选定，可只用一个中间套管2，直接与前端套管3相连，也可依次连接两个以上中间套管2，以加长整个封孔装置，满足封孔长度要求。
56.如图6、7所示，前端套管3包括前端内管33，前端内管33上从后到前依次套有前端外管母接头31和前端外管胶囊32，前端外管母接头31和前端外管胶囊32两者通过螺纹连接，前端外管母接头31和前端外管胶囊32与前端内管33之间的空间分别为外通道八和外通道九，外通道八和外通道九连通。前端外管母接头31的内孔设置有与中间外管公接头24相连接的锥形螺纹，前端外管母接头31和中间外管公接头24进行连接，完成前端套管3和中间套管2的联通。
57.前端内管33的后端为前端内管母接头331，前端内管母接头331可与中间内管公接
头234连接，实现中间内管23和前端内管33的连接。前端外管胶囊32包括套在前端内管33上的前端外管321，前端外管321外部套有前端胶囊322，前端胶囊322与前端外管321之间的空间为胶囊空间二，前端胶囊322能够膨胀到使其外侧壁与钻孔的内侧壁贴紧。前端外管321上设置有单向阀三323，单向阀三323的出口为前端胶囊322内部。
58.前端内管33与前端外管母接头31之间通过前端条状支撑结构332连接，前端条状支撑结构332与前端外管母接头31贴合进行管道的支撑，因为前端条状支撑结构332是条形结构不是环形结构，所以前端条状支撑结构332不会封闭外通道八，起到支撑中间内管23的作用。
59.前端内管33的前端延长到超出前端外管胶囊32，位于前端外管胶囊32外侧的前端内管33为筛管334，筛管334就是在前端内管33的侧壁上开有若干孔，筛管334起到阻隔钻孔内大颗粒煤岩、防止瓦斯抽采管阻塞的作用。
60.前端内管33与前端外管321的后部之间通过前端定位密封结构333进行密封，前端定位密封结构333表面设置有外螺纹，可与前端外管321进行螺纹连接，起到封堵注浆通道和保持内外管同心的作用。
61.外通道一、外通道二、外通道三、外通道四、外通道五、外通道六、外通道七、外通道八和外通道九串联成注浆通道。
62.优选的，后端胶囊133和前端胶囊322的材料采用聚氨酯橡胶，聚氨酯橡胶具有较强的延展性和拉伸长度，便于胶囊膨胀。优选的，后端胶囊133与后端外管131的接触部分采用胶粘的方式粘合，前端胶囊322与前端外管321的接触部分采用胶粘的方式粘合。
63.除了后端胶囊133和前端胶囊322以外的其他零部件的材料采用矿用硬质pvc塑料，pvc塑料硬度大，可以承受较大的注浆压力。
64.本发明创造的工作原理为：
65.(1)后端套管1、中间套管2和前端套管3别放入自动钻机的钻杆箱中；
66.(2)钻机机械臂取出前端套管3，由主动钻杆送入夹持器中；
67.(3)钻机机械臂取出中间套管2，由主动钻杆送与前端套管3连接；
68.(4)按需求加接若干根中间套管2，此时，前端套管3和部分中间套管2已被钻机送入钻孔；
69.(5)中间套管2加接完毕后，钻机机械臂取出后端套管1，由主动钻杆送入钻孔中并与中间套管2连接；
70.(6)注浆：此时钻机主动钻杆仍与后端套管1相连，从外通道一中心注入封孔浆液，浆液进入封孔装置内外管形成的注浆通道。浆液充满注浆管道后压力开始上升，直到达到单向阀一132和单向阀三323的出口压力，浆液同时进入前端胶囊322和后端胶囊133，两个胶囊开始膨胀，与钻孔内壁逐渐贴合，此时“两堵一注”封孔技术中的“两堵”完成；当胶囊膨胀到一定程度时，注浆压力达到单向阀二151出口压力，浆液开始进入钻孔与封孔装置形成的空间，继续注浆，浆液充满钻孔内部，继续保压，使得浆液充分渗透钻孔内的裂隙之中，此时“两堵一注”封孔技术中的“一注”完成。
71.(7)撤出主动钻杆，通水清洗主动钻杆。
72.(8)瓦斯抽采：打开管堵11，完成瓦斯抽采。
73.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较
佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。