基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置及其封孔方法与流程

本发明涉及一种封孔装置，尤其是涉及基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置及其封孔方法。

背景技术：

瓦斯是煤炭开采过程中常见的伴生气体，一方面如果预防不当，煤炭开采过程中瓦斯气体涌出，就会成为威胁煤矿安全生产的自然灾害；而另一方面，如果抽采措施得当并合理利用，它便成为一种重要的能源。随着我们煤炭开采深度和强度日益增加，高瓦斯矿井越来越多，无论防治灾害还是开采这种能源，瓦斯抽采是最常用的一种技术途径，而钻孔密封是瓦斯抽采的关键技术之一，因为孔底抽采负压具有引流瓦斯和强制瓦斯解析的功效。钻孔密封的效果直接影响着瓦斯抽采的浓度和效率。

我国现在约有65％的采煤工作面预抽瓦斯浓度较低，其中主要的问题就是钻孔密封质量太差。目前，瓦斯抽采封孔最常用的方法主要是往抽放管与钻孔壁之间充填聚氨酯、膨胀水泥等具有膨胀性质的材料，依靠这些材料的膨胀与固化实现对钻孔封孔的目的，然后进行瓦斯的抽采。由于经过一定时期的瓦斯抽采，煤层会因变形、位移或者采动的影响，导致钻孔周边煤层的孔(裂)隙扩张、发育，这时外界的空气就会从裂隙通道进入抽气钻孔内，从而导致瓦斯抽放浓度明显下降，缩短了抽采钻孔的有效抽采期，降低了钻孔的利用率。

为了解决这一问题，技术人员发明了胶囊式封孔器，但是该类封孔器存在一个共同的缺点，就是封孔器膨胀起来虽然能够与钻孔壁紧密结合而将抽放管与钻孔壁之间的空隙密封，但是对于钻孔周围煤体的裂隙无法进行有效的密封，从而导致瓦斯抽擦时漏气，影响抽采浓度。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种操作简单、封孔效果好、安全可靠、适用性强、效率高的基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置及其封孔方法。

本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：

基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置，包括套接于瓦斯抽放管外周的第一芯管和第二芯管，瓦斯抽放管的一端设有瓦斯集气口，沿瓦斯集气口吸气的方向，第一芯管在第二芯管的下游，第一芯管外周套接胶囊A，第二芯管外周套接胶囊B，第一芯管与第二芯管之间预留注浆空间，第一注浆通道依次通向胶囊A和胶囊B，并分别向胶囊A和胶囊B内注入非牛顿流体，第二注浆通道穿过胶囊A向注浆空间内注入流体，第一注浆通道和第二注浆通道上均设有单向逆止阀。

第一芯管内壁沿其纵向一体设有1根一号管和1根二号管，第二芯管内壁沿其纵向一体设有1根一号管，一号管和二号管在预制时两端均为封闭状态，第一芯管上对应其内一号管和二号管的四个近端部的管壁上分别开设连接孔，连接孔分别将第一芯管内的一号管的管腔和二号管的管腔与外界连通，第二芯管上对应其内一号管朝向注浆空间的近端部的管壁上也开设连接孔，连接孔将第二芯管上的一号管的管腔与外界连通，一号管中部设置开孔，开孔贯穿第一芯管或第二芯管的管壁，单向逆止阀密封于开孔处，第一注浆通道包括依次串连贯通的第一注浆管、第一芯管上的一号管、过渡连接管和第二芯管上的一号管，第二注浆通道包括依次串连贯通的第二注浆管和第一芯管上的二号管。

第一注浆管、第一芯管上的一号管、过渡连接管和第二芯管上的一号管之间分别通过直角弯头衔接，第二注浆管和第一芯管上的二号管之间也通过直角弯头衔接，第一芯管上的二号管朝向注浆空间的连接孔与直角弯头连接，直角弯头伸入注浆空间内。

单向逆止阀包括环形凹槽和弹性密封圈，弹性密封圈套装在环形凹槽内，凹槽分别设于第一芯管和第二芯管上对应一号管中部的开孔处。

流体为非牛顿流体，非牛顿流体为聚丙烯酰胺与胶联剂的混合物。

基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置的封孔方法，包括以下步骤：

步骤一、组装基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置，将基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置安装至需要密封的钻孔内；

步骤二、用第一注浆通道分别向胶囊A和胶囊B内注入流体，使胶囊A和胶囊B膨胀，压力达到1.0-1.5MPa时停止注浆，胶囊A和胶囊B将钻孔的两端封堵，两者之间形成密闭空间；

步骤三、用第二注浆通道向注浆空间内注入流体，灌满注浆空间，在注浆压力的作用下流体向煤壁裂隙持续渗透，将钻孔密封；

步骤四、当胶囊A和胶囊B的密封效果下降时，通过第一注浆通道进行二次补浆；

步骤五、当注浆空间的密封效果下降时，第二注浆通道进行二次补浆。

流体为聚丙烯酰胺与交联剂混合而成的流动性的胶状物，随着反应时间的增加，该流体随着时间的增加粘稠度不断提高，2小时后成为流动性小的膏体，一周后粘度达到最大值并保持，最终以高粘度可流动胶体存在于煤层裂隙间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明由两段胶囊组成，工作时先对两段胶囊注浆，使胶囊膨胀后密封注浆空间，再对注浆空间进行注浆密封，当胶囊或注浆空间密封效果下降时，可进行二次补浆，具有操作简单、封孔效果好、安全可靠、适用性强、效率高的特点。

(2)钻孔两端采用胶囊膨胀的方法密封瓦斯抽放管与钻孔壁之间的空隙，注浆空间内注入非牛顿流体密封材料，在压力作用下，非牛顿流体渗入煤体，从而将钻孔周围的裂隙密封，有效防止瓦斯抽放时漏气，保证抽采浓度。

(3)第一注浆通道和第二注浆通道上均设有单向逆止阀，有效防止非牛顿流体逆流，保证密封效果。

(4)注浆介质采用非牛顿流体，非牛顿流体相较于现有技术中采用的介质具有流动性和粘性，且随着反应时间的增加，粘稠度不断提高，2小时后成为额流动性较差的膏体，一周后粘度达到最大值，之后粘度不再变化，最终以高粘度可流动胶体存在于煤层裂隙间。

附图说明

图1为本发明的基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置的安装结构示意图；

图2为第一芯管的结构示意图；

图3为单向逆止阀处的截面图。

其中：1、瓦斯抽放管；2、第一注浆管；3、第二注浆管；4、胶囊A；5、胶囊B；6、单向逆止阀；7、煤体；8、钻孔；9、瓦斯集气口；10、第一芯管；11、第二芯管；12、注浆空间；13、一号管；14、二号管；15、过渡连接管；16-环形凹槽；17-连接孔；18-开孔；19-芯管外壁；20-芯管内壁。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

图中包括以下结构：瓦斯抽放管1、第一注浆管2、第二注浆管3、胶囊A4、胶囊B5、单向逆止阀6、煤体7、钻孔8、瓦斯集气口9、第一芯管10、第二芯管11、注浆空间12、一号管13、二号管14、过渡连接管15、环形凹槽16、连接孔17、开孔18、芯管外壁19和芯管内壁20。

如图1-3所示，基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置，包括套接于瓦斯抽放管外周的第一芯管和第二芯管，瓦斯抽放管的一端设有瓦斯集气口，沿瓦斯集气口吸气的方向，第一芯管在第二芯管的下游，第一芯管外周套接胶囊A，第二芯管外周套接胶囊B，第一芯管与第二芯管之间预留注浆空间，第一注浆通道依次通向胶囊A和胶囊B，并分别向胶囊A和胶囊B内注入非牛顿流体，第二注浆通道穿过胶囊A向注浆空间内注入流体，第一注浆通道和第二注浆通道上均设有单向逆止阀。

第一芯管内壁沿其纵向一体设有1根一号管和1根二号管，第二芯管内壁沿其纵向一体设有1根一号管，一号管和二号管在预制时两端均为封闭状态，第一芯管上对应其内一号管和二号管的四个近端部的管壁上分别开设连接孔，连接孔分别将第一芯管内的一号管的管腔和二号管的管腔与外界连通，第二芯管上对应其内一号管朝向注浆空间的近端部的管壁上也开设连接孔，连接孔将第二芯管上的一号管的管腔与外界连通，一号管中部设置开孔，开孔贯穿第一芯管或第二芯管的管壁，单向逆止阀密封于开孔处，第一注浆通道包括依次串连贯通的第一注浆管、第一芯管上的一号管、过渡连接管和第二芯管上的一号管，第二注浆通道包括依次串连贯通的第二注浆管和第一芯管上的二号管。

第一注浆管、第一芯管上的一号管、过渡连接管和第二芯管上的一号管之间分别通过直角弯头衔接，第二注浆管和第一芯管上的二号管之间也通过直角弯头衔接，第一芯管上的二号管朝向注浆空间的连接孔与直角弯头连接，直角弯头伸入注浆空间内，直角弯头通过螺纹匹配连接在连接孔上，直角弯头与连接孔之间设置橡胶垫圈。

单向逆止阀包括环形凹槽和弹性密封圈，弹性密封圈套装在环形凹槽内，凹槽分别设于第一芯管和第二芯管上对应一号管中部的开孔处。具有弹性的密封圈在没有外力作用时恰好置于环形凹槽内，注浆时，密封圈由于压力作用膨胀，使流体通过环形凹槽处的开孔进入胶囊，待胶囊内压力达到要求并停止注浆时，密封圈不再受到流体的挤压力作用而收缩，重新封闭环形凹槽内开孔。

流体为非牛顿流体，非牛顿流体为聚丙烯酰胺与胶联剂的混合物。

基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置的封孔方法，包括以下步骤：

步骤一、组装基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置，将基于流体的分段胶囊式注浆封孔装置安装至需要密封的钻孔内；

步骤二、用第一注浆通道分别向胶囊A和胶囊B内注入流体，使胶囊A和胶囊B膨胀，压力达到1.0-1.5MPa时停止注浆，胶囊A和胶囊B将钻孔的两端封堵，两者之间形成密闭空间；

步骤三、用第二注浆通道向注浆空间内注入流体，灌满注浆空间，在注浆压力的作用下流体向煤壁裂隙持续渗透，将钻孔密封；

步骤四、当胶囊A和胶囊B的密封效果下降时，通过第一注浆通道进行二次补浆；

步骤五、当注浆空间的密封效果下降时，第二注浆通道进行二次补浆。

流体为聚丙烯酰胺与交联剂混合而成的流动性的胶状物，随着反应时间的增加，该流体随着时间的增加粘稠度不断提高，2小时后成为流动性小的膏体，一周后粘度达到最大值并保持，最终以高粘度可流动胶体存在于煤层裂隙间。