一种微生物协同效应下煤层钻孔长效密封装置及方法

1.本发明属于煤层钻孔注浆堵漏技术领域，尤其涉及一种微生物协同效应下煤层钻孔长效密封装置及方法。


背景技术：

2.瓦斯抽采钻孔受采掘和动压等扰动因素的影响，导致钻孔周围煤层形成裂隙网络，在负压抽采过程中，新鲜风流进入裂隙通道导致瓦斯抽采浓度降低。为了提高钻孔周围煤体的致密性和稳定性，封孔材料在注浆压力作用下注入煤层钻孔，以填充、渗透与挤压等方式和煤壁胶结。
3.由于水泥基封孔材料具有低成本、高稳定性、强耐久性等优点在注浆封孔方面得到广泛应用，但是，普通水泥砂浆普遍存在失水收缩、早期强度低、抗渗性差等缺陷，难以充分密封钻孔及孔周裂隙，降低煤层瓦斯的抽采效率。水泥基封孔材料溶解后碱性ca(oh)2浓度提高，caso4的相对含量降低引起钙矾石晶体和c3a矿物反应转变化成单硫型水化硫铝酸钙，影响固结体强度的发展。水泥基封孔材料产生裂缝后，水分、二氧化碳进入裂缝和内部钙离子结合生成碳酸钙晶体，即水泥的碳化反应。碳化反应能够促进石灰石（碳酸钙）生成，降低溶液的碱性浓度抑制溶液中的转晶反应，在微观角度上提升材料的力学强度；但是，碳化反应持续时间较长，自修复效果不理想，仍然存在较多裂缝。
4.因此，本发明提出一种微生物协同效应下煤层钻孔长效密封装置及方法，利用自修复液促进水泥基封孔材料的碳化作用实现裂缝的自修复，并结合微生物（厌氧型细菌）促进煤体矿物化，进一步和水泥基封孔材料溶液、自修复液反应生成碳酸钙。通过二次碳化反应，极大程度上促进碳酸钙的生成量，能够有效改善传统注浆堵漏工程中出现的浆-煤界面漏气的缺陷，对煤层瓦斯抽采钻孔提浓技术具有重要的指导意义。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种微生物协同效应下煤层钻孔长效密封装置及方法。利用自修复胶囊（成分为碳酸钠）消耗水泥砂浆中的钙离子发生碳化反应生成碳酸钙晶体，并结合厌氧型微生物菌群（巴氏芽孢杆菌、产脲酶菌等）诱导煤体矿物化产生钙离子，与水泥砂浆、自修复液发生二次碳化反应生成碳酸钙晶体，有效密封钻孔周围煤层裂隙且固结体的致密度明显提高。并通过超声脉冲速度法测量记录浆液固结体与浆-煤胶结面之间的孔隙率，判断裂缝的修复效果。本发明为煤层钻孔注浆堵漏技术领域提供参考和新方法，能够有效改善传统注浆堵漏工程中出现的浆-煤界面漏气的缺陷，依靠生成的碳酸钙晶体填补应力集中区煤层中的裂隙区域，有利于提高钻孔的瓦斯抽采浓度。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微生物协同效应下煤层钻孔长效密封装置，包括浆液发生器、自修复胶囊存储箱和微生物菌群存储箱，所述浆液发生器的出浆管延伸至钻孔内部，自修复胶囊存储箱和微生物菌群存储箱的出液管于钻孔外汇至一根调节管内，所述出浆管端部设有一个1#膨
胀囊袋和一个2#膨胀囊袋，所述1#膨胀囊袋位于钻孔内破碎区与应力集中区的界面处，2#膨胀囊袋位于应力集中区与和原始应力区的界面处，还包括一个pvc抽采管，所述pvc抽采管端部位于钻孔底部，还包括一个超声脉冲发射器和回浆管，所述超声脉冲发射器的超声探头位于钻孔内的界面处，回浆管左端位于钻孔外，回浆管右端位于钻孔内1#膨胀囊袋和2#膨胀囊袋之间。
7.进一步的，所述浆液发生器、自修复胶囊存储箱和微生物菌群存储箱均位于底板上，底板底部还设有车轮，所述超声脉冲发射器还包括显示器和传输线，显示器也位于底板上，超声脉冲发射器和显示器、传输线、超声探头连接成为一个系统，依靠超声脉冲发射器发射超声信号，通过传输线传输和接收数据信号，并在显示器转化形成裂隙孔隙率等变化曲线。
8.进一步的，所述浆液发生器顶部设有入料口和出料口，所述出料口通过抽浆泵与出浆管相连，出浆管上设有1#阀门，浆液发生器固定在安装有车轮的装置底板上，便于在煤矿井下向不同工作地点转移，水泥砂浆选择矿用水泥基封孔材料和水混合而成，水泥基封孔材料倒进入料口，在浆液发生器中混合均匀。此时，1#阀门处于关闭状态，抽浆泵为后续注浆过程提供动力。
9.进一步的，所述自修复胶囊存储箱和微生物菌群存储箱均由压风泵机提供动力，自修复胶囊存储箱的出料管上设有2#阀门，微生物菌群存储箱的出料管上设有3#阀门，自修复胶囊存储箱和压风泵机、2#阀门连接成为一个系统，依靠压风泵机提供的风压动力把自修复胶囊存储箱中的自修复胶囊吹向2#阀门处，启动碳化反应过程时再开启2#阀门，微生物菌群存储箱和压风泵机、3#阀门连接成为一个系统，依靠压风泵机提供的风压动力把微生物菌群存储箱中的微生物菌群吹向3#阀门处，启动碳化反应过程时再开启3#阀门，压风泵机可根据使用需要设置一个或两个。
10.进一步的，所述出浆管上位于1#膨胀囊袋位置设有一个1#出浆口，出浆管上位于2#膨胀囊袋位置设有一个2#出浆口，出浆管在1#膨胀囊袋和2#膨胀囊袋之间的位置上设有3#出浆口，所述3#出浆口上设有一个爆破阀，所述出浆管3#出浆口处还设有一个1#超声探头，所述调节管上与3#出浆口对应的位置设有一个碳化材料出料口，调节管上与1#超声探头对应的位置还设有一个2#超声探头，所述抽采管右端部设有一个瓦斯吸入口，左端部设有一个抽采管阀门。
11.一种微生物协同效应下煤层钻孔长效密封装置的密封方法，包括以下步骤：s1.关闭1#阀门，将矿用水泥基封孔材料和水由入料口倒进浆液发生器，推动装置至工作地点，打开1#阀门并启动抽浆泵，水泥砂浆进入pvc注浆抽采管从1#出浆口和2#出浆口分别注入1#膨胀囊袋和2#膨胀囊袋，使其膨胀封堵破碎区、应力集中区和原始应力区的界面处，之后水泥砂浆从3#出浆口注入应力集中区，在回浆管出现反浆时，关闭1#阀门和抽浆泵；s2.打开压风泵机、2#阀门和3#阀门，将自修复胶囊和微生物菌群吹进调节管，通过碳化材料出料口注入应力集中区；s3.开启超声脉冲发射器，通过传输线传输和接收数据信号并在显示器转化形成裂隙孔隙率等变化曲线,通过1#超声探头和2#超声探头观测裂隙修复效果，待裂隙修复效果达到90%以上，关闭压风泵机、2#阀门和3#阀门;
s4.待裂隙修复过程结束后，打开抽采管阀门，将煤层瓦斯从瓦斯吸入口抽出即可。
12.本发明具有以下有益效果：本发明的测试装置方法能够利用自修复胶囊（成分为碳酸钠）消耗水泥砂浆中的钙离子发生碳化反应生成碳酸钙晶体，并结合厌氧型微生物菌群（巴氏芽孢杆菌、产脲酶菌等）诱导煤体矿物化产生钙离子，与水泥砂浆、自修复液发生二次碳化反应生成碳酸钙晶体，有效密封钻孔周围煤层裂隙且固结体的致密度明显提高，并通过超声脉冲速度法测量记录浆液固结体与浆-煤胶结面之间的孔隙率，判断裂缝的修复效果，本发明为煤层钻孔注浆堵漏技术领域提供参考和新方法，能够有效改善传统注浆堵漏工程中出现的浆-煤界面漏气的缺陷，依靠生成的碳酸钙晶体填补应力集中区煤层中的裂隙区域，有利于提高钻孔的瓦斯抽采浓度。
附图说明
13.图1是本发明一种微生物协同效应下煤层钻孔长效密封装置的结构示意图；图2是本发明浆液发生器的结构示意图；图3是本发明pvc注浆抽采管的结构示意图；图4是本发明碳化材料二次碳化过程的示意图。
14.图中：1-浆液发生器、2-入料口、3-水泥砂浆、4-底板、5-车轮、6-压风泵机、7-抽浆泵、8-显示器、9-超声脉冲发射器、10-传输线、11-自修复胶囊存储箱、12-微生物菌群存储箱、13-1#阀门、14-2#阀门、15-3#阀门、16-抽采管阀门、17-出浆管、18-1#膨胀囊袋、19-2#膨胀囊袋、20-1#出浆口、21-2#出浆口、22-3#出浆口、23-碳化材料出料口、24-1#超声探头、25-2#超声探头、26-回浆管、27-瓦斯吸入口、28-破碎区、29-应力集中区、30-原始应力区、31-裂隙、32-钙矾石晶体、33-水泥粗骨料、34-碳酸钙晶体、35-自修复胶囊、36-微生物菌群。
具体实施方式
15.以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
16.一种微生物协同效应下煤层钻孔长效密封装置，包括浆液发生器1、自修复胶囊存储箱11和微生物菌群存储箱12，所述浆液发生器1的出浆管17延伸至钻孔内部，自修复胶囊存储箱11和微生物菌群存储箱12的出液管于钻孔外汇至一根调节管内，所述出浆管17端部设有一个1#膨胀囊袋18和一个2#膨胀囊袋19，所述1#膨胀囊袋18位于钻孔内破碎区28与应力集中区29的界面处，2#膨胀囊袋19位于应力集中区29与和原始应力区30的界面处，还包括一个pvc抽采管，所述pvc抽采管端部位于钻孔底部，还包括一个超声脉冲发射器9和回浆管26，所述超声脉冲发射器9的超声探头位于钻孔内的界面处，回浆管26左端位于钻孔外，回浆管26右端位于钻孔内1#膨胀囊袋18和2#膨胀囊袋19之间，所述浆液发生器1、自修复胶囊存储箱11和微生物菌群存储箱12均位于底板4上，底板底部还设有车轮5，所述超声脉冲发射器9还包括显示器8和传输线10，显示器8也位于底板4上，超声脉冲发射器9和显示器8、传输线10、超声探头连接成为一个系统，依靠超声脉冲发射器发射超声信号，通过传输线传输和接收数据信号，并在显示器转化形成裂隙孔隙率等变化曲线；所述浆液发生器1顶部设有入料口2和出料口，所述出料口通过抽浆泵7与出浆管17相连，出浆管17上设有1#阀门13，
浆液发生器1固定在安装有车轮5的底板4上，便于在煤矿井下向不同工作地点转移，水泥砂浆3选择矿用水泥基封孔材料和水混合而成，水泥基封孔材料倒进入料口2，在浆液发生器1中混合均匀。此时，1#阀门13处于关闭状态，抽浆泵7为后续注浆过程提供动力。
17.自修复胶囊存储箱11主要有压风泵机6、自修复胶囊存储箱11和2#阀门14组成，自修复胶囊存储箱11和压风泵机6、2#阀门14连接成为一个系统，依靠压风泵机6提供的风压动力把自修复胶囊存储箱11中的自修复胶囊35吹向2#阀门14处，启动碳化反应过程时再开启2#阀门14。
18.微生物菌群存储箱12主要有压风泵机6、微生物菌群存储箱12和3#阀门15组成，微生物菌群存储箱12和压风泵机6、3#阀门15连接成为一个系统，依靠压风泵机6提供的风压动力把微生物菌群存储箱12中的微生物菌群36吹向3#阀门15处，启动碳化反应过程时再开启3#阀门15。
19.所述出浆管17上位于1#膨胀囊袋18位置设有一个1#出浆口20，出浆管上位于2#膨胀囊袋位置设有一个2#出浆口21，出浆管在1#膨胀囊袋和2#膨胀囊袋之间的位置上设有3#出浆口22，所述3#出浆口22上设有一个爆破阀，爆破阀在达到一定压力时爆破喷出浆液，所述出浆管3#出浆口处还设有一个1#超声探头24，所述调节管上与3#出浆口对应的位置设有一个碳化材料出料口23，调节管上与1#超声探头对应的位置还设有一个2#超声探头25，所述抽采管右端部设有一个瓦斯吸入口27，左端部设有一个抽采管阀门，注浆管17和1#膨胀囊袋18、2#膨胀囊袋19相连接，通过1#出浆口20和2#出浆口21分别向1#膨胀囊袋18和2#膨胀囊袋19注入水泥砂浆3使其膨胀，防止后续注浆浆液漏失；然后，水泥砂浆3首先从3#出浆口22注入1#膨胀囊袋18和2#膨胀囊袋19之间的区域，在回浆管26出现反浆现象的同时，把自修复胶囊35和微生物菌群36通过碳化材料出料口23注入此区域，混合材料能够快速凝结并达到一定的致密程度，通过1#超声探头24和2#超声探头25观测裂隙修复效果，控制自修复胶囊35和微生物菌群36的注入启停。待裂隙修复效果达到90%以上，即可打开抽采管阀门16，将煤层瓦斯从瓦斯吸入口27抽出。
20.一种微生物协同效应下煤层钻孔长效密封方法，包括以下步骤：第一步，首先关闭1#阀门13，选择矿用水泥基封孔材料和水由入料口2倒进浆液发生器1，混合而成水泥砂浆3，推动装置底板4至工作地点。然后打开1#阀门13并启动抽浆泵7，水泥砂浆3进入pvc注浆抽采管17，水泥砂浆3从1#出浆口20和2#出浆口21分别注入1#膨胀囊袋18和2#膨胀囊袋19，使其膨胀封堵破碎区28、应力集中区29和原始应力区30的界面处；之后，水泥砂浆3从3#出浆口22注入应力集中区29，在回浆管26出现反浆现象时，关闭1#阀门13和抽浆泵7。
21.第二步，打开压风泵机6、2#阀门14和3#阀门15，依靠压风泵机6提供的风压动力把自修复胶囊存储箱11中的自修复胶囊35和微生物菌群存储箱12中的微生物菌群36吹进pvc注浆抽采管17，通过碳化材料出料口23注入应力集中区29，利用二次碳化作用提高煤层裂隙31的致密度。
22.第三步，开启超声脉冲发射器9，依靠超声脉冲发射器9发射超声信号，通过传输线10传输和接收数据信号，并在显示器8转化形成裂隙31孔隙率等变化曲线。通过1#超声探头24和2#超声探头25观测裂隙31修复效果，待裂隙31修复效果达到90%以上，关闭压风泵机6、2#阀门14和3#阀门15，便于实施检测并控制材料的用量。
23.第四步，待裂隙31修复过程结束后，打开抽采管阀门16，将煤层瓦斯从瓦斯吸入口27抽出。此时，煤层裂隙31中水泥砂浆3的水化产物有钙矾石晶体32和未水化的水泥粗骨料33；自修复胶囊35溶解后与碱性水泥砂浆3溶液中钙离子发生反应生成较多的碳酸钙晶体34，填充了煤层的部分裂隙31；另外，微生物菌群36诱导煤层矿物化反应与溶解的碳酸盐矿物反应生成更多的碳酸钙晶体34，持续填充在煤层裂隙31之中。因此，持续生长的碳酸钙晶体31提高了煤层钻孔的长效密封效果。
24.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。