一种脉冲式注浆封孔装置及封孔方法

1.本发明属于煤层瓦斯抽采利用技术领域，尤其涉及一种脉冲式注浆封孔装置及封孔方法。


背景技术：

2.由于瓦斯抽采钻孔周围煤体存在裂隙和破碎煤粒，注浆封孔工艺既能加固破碎煤粒，又能封堵煤体裂隙。实际注浆过程中，存在注浆材料耗量大、封堵效果差等诸多问题，严重影响钻孔封堵效果。
3.有关学者试图利用改进浆液材料提高封堵效果，例如添加环氧树脂、聚氨酯等化学材料，使浆液有效进入钻孔裂隙。但是，化学材料成本高、固结体强度差、毒害性大，难以大量推广使用。目前，在多数矿区均接受使用水泥材料作为煤层瓦斯抽采钻孔的封孔材料，但是普通42.5水泥水化速率低、自收缩性大、水灰比较小等问题制约瓦斯抽采效率的提高。并且，在注浆封孔的过程中，由于水泥浆液的重力作用，常常出现边住浆变回浆的现象，水泥浆液凝固后容易在钻孔上端形成月牙状空隙，严重影响钻孔的封堵效果。传统的“两堵一注”封孔方式和改进后的“三堵两注”封孔方法对于瓦斯抽采效率的提高，都有一定的实用价值，但仍然存在上述密封效果不严实的情况。
4.因此，提出一种脉冲式注浆封孔装置及封孔方法，利用脉冲压力按照一定频率周期性输出脉冲浆液，实现钻孔的可控性注浆；并添加特种水泥促进普通水泥的反应速率和微观水化作用，对瓦斯高效抽采具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明为了克服现有测定技术存在的不足之处，提出一种脉冲式注浆封孔装置及封孔方法。通过注浆泵将浆液搅拌桶中的注浆液抽送至脉冲发生器，注浆液以脉冲形式注入单向式封孔器，保证注浆液持续注入单向式封孔器，为膨胀囊袋和封孔区域提供充足的注浆液，避免煤层钻孔因注浆材料颗粒沉降形成“月牙形”漏气通道，为煤层瓦斯抽采钻孔封孔方法提供途径参考，煤矿封孔材料的开发提供合理的思路，封孔系统与技术提供新的使用技术方法，从而提高煤层瓦斯的抽放效率。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种脉冲式注浆封孔装置，其特征在于：包括浆液搅拌桶，与浆液搅拌桶相连的脉冲发生器，以及与脉冲发生器相连的单向式封孔器；所述浆液搅拌桶顶部设有入料口，内部设有电动搅拌器，浆液搅拌桶底部设有出料管，所述出料管通过注浆泵与脉冲发生器相连，所述出料管上设有1#阀门和2#阀门，1#阀门位于注浆泵前端，2#阀门位于注浆泵右端，将42.5水泥、硫铝酸盐水泥和水的比例按照2：1：6的质量分数混合，由入料口倒入浆液搅拌桶，开启电动搅拌器把混合水泥和水充分搅拌均匀，制备而成注浆液，为后续注入单向式封孔器做好准备，此时电动搅拌器一直处于工作状态，主要是为了保持注浆液处于流动状态，1#阀门、注浆泵和2#阀门此时处于关闭状态；
所述脉冲发生器由电磁阀控制，脉冲发生器顶部设有入浆孔，底部设有出浆孔，所述出浆孔通过引射泵与单向式封孔器的注浆管相连，所述入浆孔为两个，分别为1#入浆孔和2#入浆孔，引射泵出口通过连接丝扣与注浆管相连，引射泵出口管路上设有3#阀门，1#阀门、注浆泵和2#阀门处于开启状态，浆液搅拌桶制备而成的注浆液进入脉冲发生器，按照电磁阀产生不同的转动速率形成的脉冲式循环程序控制注浆液分别从1#入浆孔和2#入浆孔交替进入，在引射泵的高压作用下，将注浆液送入3#阀门端口，此时3#阀门处于关闭状态；所述单向式封孔器的注浆管位于钻孔内且其外部分别设有一个膨胀囊袋，所述注浆管位于膨胀囊袋处分别设有一个出浆口，每个出浆口均由单向阀控制，钻孔内还设有一个抽采管和一个回浆管。
7.进一步的，所述膨胀囊袋为两个，分别为位于钻孔进口处的1#膨胀囊袋和位于钻孔深处的2#膨胀囊袋，所述注浆管位于1#膨胀囊袋处设有一个1#出浆口，位于2#膨胀囊袋处设有一个3#出浆口，注浆管位于两个膨胀囊袋之间位置设有一个2#出浆口，1#出浆口处设有1#单向阀，2#出浆口处设有2#单向阀，3#出浆口处设有3#单向阀，所述抽采管前端伸出2#膨胀囊袋并位于钻孔最深处，抽采管另一端位于钻孔外并设有4#阀门，回浆管前端位于1#膨胀囊袋和2#膨胀囊袋之间，回浆管另一端位于钻孔外，注浆管和3#阀门的出口端相连接，3#阀门处于开启状态，注浆液进入注浆管，在持续脉冲压力作用下，注浆液推动并打开1#单向阀和3#单向阀，待注浆液充满并使1#膨胀囊袋和2#膨胀囊袋膨胀鼓起；另外，注浆液推动并打开2#单向阀，注浆液填充在应力集中区。
8.进一步的，所述1#单向阀、2#单向阀、3#单向阀均包括单向阀管，套设于单向阀管外的两个紧固件，连接两个紧固件的螺丝和一个h形限位件，所述h形限位件包括第一竖杆，第二竖杆和连接两个竖杆的横杆，所述横杆上从左至右依次穿设有截面为圆形的帽状启动片、弹簧和截止瓣膜，所述单向阀管位于两个紧固件之间的部分为弧形管，单向阀管两端通过连接丝扣连接注浆管、回浆管或抽采管，使用螺丝和抽采管紧固件以及h形限位件将启动片、弹簧和截止瓣膜组装成为单向阀，并使用连接丝扣连接注浆管、回浆管和抽采管等管路。其中，截止瓣膜采用硅胶材质便于受压产生变形，利于注浆液流入、阻止注浆液回流。当带有脉动压力的注浆液接触启动片时，弹簧被压缩致使注浆液流入，而由于注浆液的重力作用产生回流趋势时，注浆液挤压截止瓣膜使单向阀闭合，在注浆液的脉动压力再次到达启动片时，这种步骤循环进行，保证注浆液源源不断地向注浆管内单向流动，大大降低注浆液回流的材料浪费和低效能。
9.一种脉冲式注浆封孔装置的封孔方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.关闭1#阀门，然后将42.5水泥、硫铝酸盐水泥和水按照2：1：6的质量比混合，由入料口倒入浆液搅拌桶，开启电动搅拌器搅拌均匀即可；s2.打开1#阀门、注浆泵和2#阀门并关闭3#阀门，使注浆液进入脉冲发生器，开启电磁阀并产生脉冲式循环程序控制注浆液分别从1#入浆孔和2#入浆孔交替进入形成脉冲注浆液;s3.开启3#阀门，通过引射泵将脉冲注浆液送入注浆管挤压启动片，连接的弹簧被压缩致使注浆液流入，通过截止瓣膜后，1#单向阀闭合，2#单向阀和3#单向阀开合同1#单向阀；s4.在持续脉冲压力作用下，待注浆液充满1#膨胀囊袋和2#膨胀囊袋后，注浆液推
动并打开2#单向阀，从2#出浆口流出，待回浆管流出注浆液后，关闭3#阀门停止注浆，待注浆液凝固后按照瓦斯抽采要求开启4#阀门，进行钻孔的瓦斯抽采。
10.本发明具有以下有益效果：本发明的测试装置和测定方法能够通过脉冲压力把浆液按照一定的周期频率输送到钻孔裂隙通道，在脉冲压力作用下，煤层形成的压力梯度促使浆液扩散渗透，并疏通裂隙通道避免浆液分布不均匀；松动煤颗粒卷入脉冲浆液，为材料固结体提供一定的支撑力，特种水泥的加入改善了传统水泥的凝结性能和微观水化过程。
附图说明
11.图1是本发明的一种脉冲式注浆封孔装置的结构示意图；图2是本发明单向式封孔器的结构示意图；图3是本发明单向阀开启的结构示意图；图4是本发明单向阀截止的结构示意图。
12.图中：1-浆液搅拌桶、2-入料口、3-电动搅拌器、4-注浆液、5-1#阀门、6-注浆泵、7-2#阀门、8-脉冲发生器、9-电磁阀、10-1#入浆孔、11-2#入浆孔、12-出浆孔、13-引射泵、14-3#阀门、15-连接丝扣、16-注浆管、17-1#膨胀囊袋、18-2#膨胀囊袋、19-1#单向阀、20-2#单向阀、21-3#单向阀、22-1#出浆口、23-2#出浆口、24-3#出浆口、25-抽采管、26-4#阀门、27-回浆管、28-破碎区、29-应力集中区、30-原始应力区、31-瓦斯气体、32-紧固件、33-螺丝、34-启动片、35-弹簧、36-截止瓣膜、37-h形限位件。
具体实施方式
13.以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
14.由图所示，一种脉冲式注浆封孔装置，包括浆液搅拌桶，与浆液搅拌桶相连的脉冲发生器，以及与脉冲发生器相连的单向式封孔器；所述浆液搅拌桶1顶部设有入料口2，内部设有电动搅拌器3，浆液搅拌桶1底部设有出料管，所述出料管通过注浆泵6与脉冲发生器8相连，所述出料管上设有1#阀门5和2#阀门7，1#阀门5位于注浆泵6前端，2#阀门7位于注浆泵6右端，将42.5水泥、硫铝酸盐水泥和水的比例按照2：1：6的质量分数混合，由入料口2倒入浆液搅拌桶1，开启电动搅拌器3把混合水泥和水充分搅拌均匀，制备而成注浆液4，为后续注入单向式封孔器做好准备，此时电动搅拌器3一直处于工作状态，主要是为了保持注浆液4处于流动状态，1#阀门5、注浆泵6和2#阀门7此时处于关闭状态。
15.脉冲发生器8由电磁阀9控制，脉冲发生器顶部设有入浆孔，底部设有出浆孔12，所述出浆孔12通过引射泵13与单向式封孔器的注浆管16相连，所述入浆孔为两个，分别为1#入浆孔10和2#入浆孔11，引射泵13出口通过连接丝扣15与注浆管16相连，引射泵13出口管路上设有3#阀门14，1#阀门5、注浆泵6和2#阀门7处于开启状态，浆液搅拌桶1制备而成的注浆液4进入脉冲发生器8，按照电磁阀9产生不同的转动速率形成的脉冲式循环程序控制注浆液4分别从1#入浆孔10和2#入浆孔11交替进入，在引射泵13的高压作用下，将注浆液4送入3#阀门14端口，此时3#阀门14处于关闭状态。
16.单向式封孔器的注浆管16位于钻孔内且其外部分别设有一个膨胀囊袋，所述注浆管位于膨胀囊袋处分别设有一个出浆口，每个出浆口均由单向阀控制，钻孔内还设有一个抽采管和一个回浆管，所述膨胀囊袋为两个，分别为位于钻孔进口处的1#膨胀囊袋17和位
于钻孔深处的2#膨胀囊袋18，所述注浆管16位于1#膨胀囊袋处设有一个1#出浆口22，位于2#膨胀囊袋处设有一个3#出浆口24，注浆管位于两个膨胀囊袋之间位置设有一个2#出浆口23，1#出浆口处设有1#单向阀19，2#出浆口处设有2#单向阀20，3#出浆口处设有3#单向阀21，所述抽采管25前端伸出2#膨胀囊袋并位于钻孔最深处，抽采管25另一端位于钻孔外并设有4#阀门26，回浆管27前端位于1#膨胀囊袋和2#膨胀囊袋之间，回浆管27另一端位于钻孔外，注浆管16和3#阀门的出口端相连接，注浆管16和3#阀门14的出口端相连接，3#阀门14处于开启状态，注浆液4进入注浆管16，在持续脉冲压力作用下，注浆液4推动并打开1#单向阀19和3#单向阀21，待注浆液4充满并使1#膨胀囊袋17和2#膨胀囊袋18膨胀鼓起；另外，注浆液4推动并打开2#单向阀20，注浆液4填充在应力集中区29。
17.1#单向阀19、2#单向阀20、3#单向阀21均包括单向阀管，套设于单向阀管外的两个紧固件32，连接两个紧固件32的螺丝33和一个h形限位件37，所述h形限位件37包括第一竖杆，第二竖杆和连接两个竖杆的横杆，所述横杆上从左至右依次穿设有截面为圆形的帽状启动片34、弹簧35和截止瓣膜36，所述单向阀管位于两个紧固件之间的部分为弧形管，单向阀管两端通过连接丝扣15分别连接注浆管、回浆管或抽采管；使用螺丝33和紧固件32以及h形限位件37将启动片34、弹簧35和截止瓣膜36组装成为单向阀，并使用连接丝扣15连接注浆管16、单向阀（19、20、21）、回浆管27和抽采管25等管路。其中，截止瓣膜36采用硅胶材质便于受压产生变形，利于注浆液4流入、阻止注浆液4回流。当带有脉动压力的注浆液4接触启动片34时，弹簧35被压缩致使注浆液4流入，而由于注浆液4的重力作用产生回流趋势时，注浆液4挤压截止瓣膜36使单向阀（19、20、21）闭合，在注浆液4的脉动压力再次到达启动片34时，这种步骤循环进行，保证注浆液4源源不断地向注浆管16内单向流动，大大降低注浆液4回流的材料浪费和低效能。
18.一种脉冲式注浆封孔装置的封孔方法，包括以下步骤：第一步，首先关闭1#阀门5，然后将42.5水泥、硫铝酸盐水泥和水的比例按照2：1：6的质量分数混合，由入料口2倒入浆液搅拌桶1，开启电动搅拌器3把混合水泥和水充分搅拌均匀，利用浆液搅拌桶制备而成注浆液4，为后续注入单向式封孔器做好准备。
19.第二步，打开1#阀门5、注浆泵6和2#阀门7并关闭3#阀门14，使注浆液4进入脉冲发生器8，开启电磁阀9并以不同的转动速率产生脉冲式循环程序，形成的程序控制注浆液4分别从1#入浆孔10和2#入浆孔11交替进入形成脉冲注浆液4。
20.第三步，使用连接丝扣15连接注浆管16和3#阀门14出口端并开启3#阀门14，在引射泵13的高压作用下，将脉冲注浆液4送入注浆管16。随后，脉冲注浆液4到达单向式封孔器的1#单向阀19，带有脉动压力的注浆液4挤压启动片34，连接的弹簧35被压缩致使注浆液4流入，当注浆液4通过截止瓣膜36后，1#单向阀19形成了单向闭合状态，防止注浆液4的重力作用产生回流；2#单向阀20和3#单向阀21的具有相同的原理，在注浆液4的脉动压力再次到达启动片34时，这种步骤循环进行。
21.第四步，在持续脉冲压力作用下，待注浆液4分别从1#出浆口22和3#出浆口24流出并充满1#膨胀囊袋17和2#膨胀囊袋18，使其膨胀鼓起；之后，注浆液4推动并打开2#单向阀20，从2#出浆口23流出，待回浆管27流出注浆液4后，关闭3#阀门14停止注浆，待注浆液4凝固后按照瓦斯抽采要求开启4#阀门26，进行钻孔的瓦斯气体31的抽采，注浆液4能够避开煤层破碎区28和原始应力区30而填充在应力集中区29，注浆液4近乎全部聚集在囊袋封堵区
间，实现高效、节能的钻孔封堵效果。
22.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。