一种封孔裂隙自修复系统及自修复方法

本发明属于煤矿井下瓦斯抽采，具体涉及一种封孔裂隙自修复系统及自修复方法。

背景技术：

1、通过钻孔预抽煤层瓦斯是防治瓦斯灾害的重要措施，而钻孔封堵段周围容易产生裂隙，导致瓦斯泄漏，严重影响了瓦斯抽采效果，井下瓦斯抽采效果直接受封孔质量影响，因此，有效提高钻孔封孔质量对提高瓦斯抽采效果具有重要意义。

2、封孔是钻孔预抽煤层瓦斯的关键环节，密封良好的瓦斯抽采钻孔才能保证抽采负压给煤层瓦斯流入钻孔提供持续动力，从而达到高效抽采瓦斯的目的。目前，为了保证瓦斯抽采钻孔的密封质量，现有的钻孔密封技术需要综合考虑孔内以及孔外漏气的问题。带压注浆封孔是目前煤矿井下应用最为广泛的一种封孔方式，水泥基材料是其普遍使用的注浆材料。然而，传统的水泥材料存在早期强度不高和失水易收缩等缺陷，一方面会导致封孔材料本体、封孔材料和瓦斯抽采管路之间以及封孔材料和钻孔内壁之间出现孔内漏气，另一方面导致已经封堵的围岩产生再生裂隙造成孔外漏气。

3、因此，需要一种新型的封孔裂隙自修复系统和方法，以解决传统封孔技术存在的问题，提高瓦斯抽采效果，保障矿井安全生产。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种结构简单、方便操作、封孔效果好、提高瓦斯抽采效率的封孔裂隙自修复系统及自修复方法。

2、本发明采用以下技术方案：一种封孔裂隙自修复系统，包括注浆管、瓦斯抽采管、外封堵囊袋、内封堵囊袋和蒸气发生器，外封堵囊袋和内封堵囊袋均设在预先开设的钻孔内，外封堵囊袋内部和内封堵囊袋之间的钻孔为封孔段，注浆管、瓦斯抽采管依次穿过外封堵囊袋和内封堵囊袋伸入到钻孔孔底，瓦斯抽采管在伸到孔底的部分为筛管结构，注浆管内端口封堵，注浆管上设有位于外封堵囊袋内部和内封堵囊袋内部的单向阀，注浆管上设有位于外封堵囊袋和内封堵囊袋之间的爆破阀，蒸气发生器进水口与煤矿井下供水管路相连，蒸气发生器出气口通过橡胶管接头与瓦斯抽采管外端口连接。

3、外封堵囊袋内部、内封堵囊袋和封孔段内均通过注浆管注入有封孔浆液，封孔浆液采用均匀混合的水泥浆液和膨胀聚合物。

4、膨胀聚合物是一种温控型膨胀堵漏剂，温控型膨胀堵漏剂在大于90℃被激活开始膨胀并具有形状记忆功能，温控型膨胀堵漏剂的制备步骤具体如下：

5、（1）将重量份比为100： 40 ~ 50：0.2 ~ 3的低聚物单体、交联剂和催化剂倒入容器中，搅拌混合均匀；低聚物单体包括4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯、酚醛环氧树脂、间苯二酚双缩水甘油醚、四氢化苯二甲酯环氧树脂中的任意一种或几种；交联剂为二乙烯三胺、双氰胺、间苯二胺中的任意一种或几种；

6、（2）将混合物注入模具中，先于60 ~ 90℃下固化1 ~ 4小时，再于100 ~ 140℃固化1 ~ 4小时；

7、（3）冷却至室温并脱模，将试样静置于100℃油浴锅中4-6 min后，借助热压缩成型设备，加压保持8-12 min；

8、（4）冷却、卸载外力后形成聚合物记忆板材，再通过粉碎、造粒得到不同粒径的温控型膨胀堵漏剂。

9、瓦斯抽采管外圆设有位于封孔段的导热结构；注浆管上设有分别与外封堵囊袋和内封堵囊袋内外侧接触的卡箍。

10、一种瓦斯抽采钻孔裂隙自修复方法，该方法采用所述的封孔裂隙自修复系统对瓦斯抽采钻孔裂隙进行修复，依次包括以下步骤：

11、s1、在煤矿井下预设位置进行指定深度的钻孔操作，钻孔完成后，观测钻孔周围内壁裂缝开度；

12、s3、在确保钻孔结构完好且通畅后，安装注浆管、瓦斯抽采管、外封堵囊袋和内封堵囊袋，并在钻孔入口外预留注浆管及瓦斯抽采管指定长度；

13、s3、通过注浆管向外封堵囊袋和内封堵囊袋注入与配制好的封孔浆液，封孔浆液先通过两个单向阀注入到外封堵囊袋和内封堵囊袋内，外封堵囊袋和内封堵囊袋膨胀后，与钻孔壁紧密接触；当注浆压力超过爆破阀的开启压力时，爆破阀被开启，浆液通过注浆管向封孔段内部注入浆液，当浆液充满整个封孔段且注浆压力稳定后关闭注浆泵和注浆管上的阀门，完成抽采钻孔的封孔；

14、s4、完成封孔后，通过瓦斯抽采管外端口对钻孔进行瓦斯抽采作业；

15、s5、在瓦斯抽采过程中，当封孔段周围受应力影响产生裂隙，使用便携瓦斯浓度检测仪监测到瓦斯抽采浓度大幅下降时，在瓦斯抽采管外端口安装圆筒型的蒸气发生器；

16、s6、开启蒸气发生器，将高温水蒸气通过瓦斯抽采管注入到钻孔内，高温水蒸气加热瓦斯抽采管，瓦斯抽采管和外圆的导热结构对封孔段内的封孔浆液传导热量，当封孔浆液中的膨胀聚合物温度高于90℃时，膨胀聚合物被激活，膨胀聚合物充分膨胀后并对裂隙进行有效封堵，蒸气注入量与裂缝开度及膨胀聚合物配比进行精确控制，蒸气注入完成后将蒸气发生器卸下，以便下次重复循环使用。

17、步骤s3中与膨胀聚合物均匀混合后的水泥浆液中膨胀聚合物占比根据裂隙特征跟踪考察，适用于不同地质条件和应力环境下；

18、当裂缝开度在2 mm×1mm以内时，采用2%重量比、粒径0.18～0.45 mm +2%重量比、粒径0.45～0.90 mm的膨胀聚合物；

19、当裂缝开度在3 mm×2mm以内时，采用1%重量比、粒径0.18～0.45 mm +2%重量比、粒径0.45～0.90 mm+2%重量比、粒径0.90～2.00 mm的膨胀聚合物；

20、当裂缝开度在4 mm×3mm以内时，采用1%重量比、粒径0.18～0.45 mm +3%重量比、粒径0.45～0.90 mm+3%重量比、粒径0.90～2.00 mm的膨胀聚合物。

21、采用上述技术方案，本发明的工作原理及技术效果为：预先向瓦斯抽采钻孔内注入含有膨胀聚合物的水泥浆液，通过膨胀聚合物受高温激活后膨胀的方法，实现当钻孔封堵段周围受应力影响产生裂隙，瓦斯抽采浓度大幅下降时，在瓦斯抽采管外端安装可拆卸圆筒型的蒸气发生器，该蒸气发生器具有快速安装和拆卸的特点，通过蒸气发生器将高温水蒸气通过瓦斯抽采管向钻孔内注入，通过热传导激活外封堵囊袋内部、内封堵囊袋和封孔段内部的膨胀聚合物，蒸气注入量与裂缝开度及膨胀聚合物配比进行精确控制，确保膨胀聚合物能够充分膨胀并对裂隙进行有效封堵，高温蒸气注入完成后将蒸气发生器卸下，以便循环使用；在受高温激活后的膨胀聚合物抗压强度大幅降低，膨胀后不会对封堵段周围进行二次破坏，从而保证有效地将瓦斯的抽采负压转换为瓦斯抽采过程中的流动动能，此外，注入到钻孔内的高温水蒸气可以进一步促进煤层瓦斯解吸，使吸附态瓦斯转变为游离态瓦斯，从而保证有效地将瓦斯的抽采负压转换为瓦斯抽采过程中的流动动能，最终实现钻孔内瓦斯抽采浓度的提高，本发明的应用前景广阔，具有重要的经济和社会价值。

技术特征：

1.一种封孔裂隙自修复系统，其特征在于：包括注浆管、瓦斯抽采管、外封堵囊袋、内封堵囊袋和蒸气发生器，外封堵囊袋和内封堵囊袋均设在预先开设的钻孔内，外封堵囊袋内部和内封堵囊袋之间的钻孔为封孔段，注浆管、瓦斯抽采管依次穿过外封堵囊袋和内封堵囊袋伸入到钻孔孔底，瓦斯抽采管在伸到孔底的部分为筛管结构，注浆管内端口封堵，注浆管上设有位于外封堵囊袋内部和内封堵囊袋内部的单向阀，注浆管上设有位于外封堵囊袋和内封堵囊袋之间的爆破阀，蒸气发生器进水口与煤矿井下供水管路相连，蒸气发生器出气口通过橡胶管接头与瓦斯抽采管外端口连接。

2.根据权利要求1所述的封孔裂隙自修复系统，其特征在于：外封堵囊袋内部、内封堵囊袋和封孔段内均通过注浆管注入有封孔浆液，封孔浆液采用均匀混合的水泥浆液和膨胀聚合物。

3.根据权利要求2所述的封孔裂隙自修复系统，其特征在于：膨胀聚合物是一种温控型膨胀堵漏剂，温控型膨胀堵漏剂在大于90℃被激活开始膨胀并具有形状记忆功能，温控型膨胀堵漏剂的制备步骤具体如下：

4.根据权利要求3所述的封孔裂隙自修复系统，其特征在于：瓦斯抽采管外圆设有位于封孔段的导热结构；注浆管上设有分别与外封堵囊袋和内封堵囊袋内外侧接触的卡箍。

5.一种瓦斯抽采钻孔裂隙自修复方法，该方法采用权利要求3所述的封孔裂隙自修复系统对瓦斯抽采钻孔裂隙进行修复，其特征在于：依次包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的瓦斯抽采钻孔裂隙自修复方法，其特征在于：步骤s3中与膨胀聚合物均匀混合后的水泥浆液中膨胀聚合物占比根据裂隙特征跟踪考察，适用于不同地质条件和应力环境下；

技术总结本发明涉及井下瓦斯抽采技术领域，公开了一种封孔裂隙自修复封孔系统，包括设置在预先开设的钻孔内部的注浆管、瓦斯抽采管、外封堵囊袋、内封堵囊袋、水泥、膨胀聚合物和蒸气发生器；本发明通过瓦斯抽采管注入高温水蒸气激活膨胀聚合物，蒸气注入量与裂缝开度及膨胀聚合物配比进行精确控制，确保膨胀聚合物能够充分膨胀并对裂隙进行有效封堵；在受高温激活后的膨胀聚合物抗压强度大幅降低，膨胀后不会对封孔段周围进行二次破坏，从而保证有效地将瓦斯的抽采负压转换为瓦斯抽采过程中的流动动能，此外，高温水蒸气可以进一步促进煤层瓦斯解吸，使吸附态瓦斯转变为游离态瓦斯，最终实现钻孔内瓦斯抽采浓度的提高，值得大范围推广。技术研发人员：刘晓,张宇博,金毅,卫少任,倪小明,谢佳伟,蔺海晓,张宇恒,张小东,潘结南,李定启,简阔,王利,李庆超,王乾受保护的技术使用者：河南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18