用于向上炮孔向下水流量大的超深爆破孔封堵装置及方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采工程技术领域，特别是涉及用于向上炮孔向 下水流量大的超深爆破孔封堵装置及方法。

背景技术

矿井顶板离层涌水主要是指随着煤层开采，由于软硬岩性差异， 煤层上覆岩层在采动作用下不同步下沉而形成的岩层分离所产生多 个大小不一的离层空间，在该空间中形成真空负压，将地下含水层中 的水通过侧向径流补给和垂向渗流、越流补给等形式吸入离层空间聚 集起来，即形成离层积水。这些空间中积存的离层水，一旦随着煤层 开采后所形成的导水裂缝带(或垮落带、导水断层及其它导水通道) 导通其上覆离层空间，便会引起离层水体溃入矿井工作面，引发矿井 突水现象，同时上覆岩体与离层水一起作用在液压支架上，易造成水 压架灾害。同时对于矿井井下采掘空间和采掘活动而言，离层水涌水 现象也是较为严重的离层水害。当某个离层空间积水水量较大时，其 发生离层水涌水的概率也较大，离层水涌水的水害威胁也较大。西部 地区煤层厚度大、上覆岩层富水性强，给厚硬顶板发生离层水害提供 了条件，特厚煤层条件下富水厚硬顶板的离层水害防治是西部矿区安 全生产的关键。

西部地区矿井开采面临的主要难点是西部软岩容易泥化，天然无 水状态或干燥条件下是强度较低的岩石，一但遇水，岩石就泥化、崩 解、膨胀，容易导致围岩变形甚至出现冒顶、塌方等工程事故；由于 西北岩石有遇水泥化的特点，打孔疏水解决离层水害无法实现；采用 间隔式放顶煤间隔式放顶的方法解决离层水害，效果也不明显，开采 过程中仍出现多次出水压架现象，当工作面收采时，支架几乎散架。 针对西部煤炭综放开采，采高过大，垮落带过小，采空区不能充填满 实，必须对煤层顶板进行超深孔爆破强制放顶，在顶板内部产生爆破 损伤，进而随着煤层开采引起顶板破碎冒落，避免顶板沉降不均匀引 起的离层空间，同时深孔爆破加大垮落带高度，使采空区充填满实， 减少顶板的下沉量，进一步有效预防顶板离层水害。

煤层富水顶板超深孔爆破，主要从煤层机巷、风巷或者切眼向煤 层顶板上方钻孔，炮孔方向与水平方向夹角40°～89°，炮孔孔深40 米～80米，最长炮孔能达到100米，对于如此大倾角超深孔，装药也 相对较多，一个炮孔装药100～200公斤，为了保证炸药起爆，需要保 证炸药连续装药，加之炮孔位置位于富水顶板，顶板当中的水会从炮 孔中流出，流出速度较大，每小时1-2立方米，同时西部地区顶板泥 岩有遇水泥化的特点，而传统的炮孔封堵，就是实现炮孔的完全封堵 以实现增加爆生气体作用时间，但面对如此大的炸药量、水流量及围 岩遇水泥化特性，采用完全炮泥封堵时要能抵抗炮孔中炸药与水及泥 浆重量，本身就有很大难度，而且完全封堵极易造成炮孔中水量大引 起围岩膨胀泥化或者浮动使炮孔内炸药位置发生改变，使装药变成不 连续装药产生拒爆等问题。

综上所述对于富水顶板向上炮孔向下涌水量大的炮孔，采用普通 的炮泥封堵，已很难满足要求，故亟需一种用于向上炮孔向下水流量 大的超深爆破孔封堵装置及方法保证炮孔封孔排水的同时不会出现 炮孔冲孔，保证超深孔爆破效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于向上炮孔向下水流量大的超深爆 破孔封堵装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于 向上炮孔向下水流量大的超深爆破孔封堵装置，包括注浆组件，岩体 上开设有若干超深爆破孔，每个所述超深爆破孔内均安装有封孔组件， 所述注浆组件分别与若干所述封孔组件相连通，每个所述超深爆破孔 内均固定有泄水部，所述泄水部一端贯穿所述封孔组件且位于所述超 深爆破孔内，所述泄水部另一端位于所述超深爆破孔外侧。

优选的，所述封孔组件包括封孔囊袋，所述封孔囊袋为双囊袋。

优选的，所述双囊袋尺寸为0.4-0.8m，双囊袋尺寸优选为0.6m。

优选的，所述注浆组件包括注浆泵，每个所述超深爆破孔内均安 装有注浆管，所述注浆管一端贯穿第一个封孔囊袋，两个所述封孔囊 袋与注浆管通过卡扣连接，所述注浆管另一端位于所述超深爆破孔外 侧且固定连接有快接，所述注浆泵上通过变径连通有所述注浆管，任 一所述超深爆破孔内的注浆管通过所述快接与所述注浆泵上的所述 注浆管连通。

每个所述封孔囊袋内部注浆管连通有爆破阀，当注浆管压力达到 1MPa时，爆破阀自动爆开，浆液从爆破阀流出，填充封孔囊袋，两 个封孔囊袋之间留有注浆管，注浆管中部设置有爆破阀，当注浆管内 压力达到1.2MPa时，会自动爆开，浆液注入到两个封孔囊袋之间， 填实两个封孔囊到之间的孔隙。所述封孔囊袋最大承受压力为2.5MPa。

优选的，所述泄水部包括泄水管，所述泄水管一端贯穿所述封孔 囊袋位于所述超深爆破孔内，所述泄水管另一端于所述超深爆破孔外 侧且固定连通有泄水阀，所述泄水管送入炮孔长度比双囊袋长 20-40cm。所述泄水管直径10-16mm，承受最大水流速度可达10m/s， 当炮孔直径为94mm时，炮孔最大水流量2m

优选的，所述泄水管最大承受压力为6MPa。

将泄水管与封孔组件一同送入炮孔，关闭泄水阀，注浆管与注浆 泵连接，先往封孔囊袋内注浆，当封孔囊袋中压力达到1MPa时，封 孔囊袋爆破阀爆开，往封另一孔囊袋中注浆，当压力达到1.5MPa时， 两个封孔囊袋之间的单向阀打开，往炮孔中注浆，当整体注浆达到 2MPa时，拔掉注浆泵与注浆管的连接，往下一个超深爆破孔注浆。 同时打开泄水阀，排出炮孔中岩水。

一种用于向上炮孔向下水流量大的超深爆破孔封堵方法，包括以 下步骤，

步骤一：在超深爆破孔内装药完毕后，确认超深爆破孔装药是否 稳定；

步骤二：所述注浆泵一侧设置有搅拌器，利用水管对注浆泵和搅 拌器进行冲洗，并对注浆泵和搅拌器进行试运行；

步骤三：向搅拌器内加入清水和封孔材料，制成浆液；

步骤四：安装封孔囊袋和泄水管，将注浆泵上的注浆管与超深爆 破孔内注浆管分别连通，并进行注浆工作；

步骤五：注浆完成后对注浆泵和搅拌器进行清洗；

步骤六：撤离人员准备爆破。

优选的，步骤四包括，

4.1、根据需要选择一种规格封孔囊袋进行安装，将两个封孔囊 袋一前一后与泄水管一同放入超深炮孔中，关闭泄水阀，注浆管与注 浆泵连接，所述注浆管固定且连通有爆破阀，所述爆破阀分别位于两 个封孔囊袋内以及两个封孔囊袋之间；

4.2、将注浆泵上的注浆管与任一超深爆破孔内的注浆管连通， 开启注浆泵，先向内部的封孔囊袋内注浆，当内部封孔囊袋中压力达 到1MPa时，外部的封孔囊袋内的爆破阀爆开，相外部的封孔囊袋中 注浆，当压力达到1.5MPa时，两个封孔囊袋之间的爆破阀打开，向 超深爆破孔中注浆，当整体注浆压力达到2MPa，完成此超深爆破孔 注浆，关闭注浆泵，将注浆管折弯用扎带扎紧；

4.3、将注浆泵上的注浆管快速与另一注浆管的快接连通，然后 进行注浆，直至所有超深爆破孔注浆完毕。

优选的，步骤三中，先向搅拌器内加入清水，同时缓慢加入封孔 材料，直至清水与封孔材料的比值为1:1。

优选的，步骤五中将吸浆泵吸入清水，全速运转2-3分钟，使吸 浆泵主体及吸浆泵上的吸浆管被冲洗干净。

优选的，步骤四中，在注浆过程中观察注浆管管路是否通畅，终 点观察接口变径处。

本发明公开了以下技术效果：本发明将封孔组件于超深爆破孔内， 通过向里面注入浆液，泄水部能够将超深爆破孔内多余水分排出，水 泥浆液留在封孔组件中，使封孔组件与超深爆破孔内壁紧密接触，凝 固后实现了对超深爆破孔的封堵，克服了大药量下传统炮泥封堵易冲 孔及向上炮孔水流量大传统炮泥无法封堵，封堵效果差等问题。能够 有效解决西部地区综放开采煤层上覆富水厚硬顶板强制放顶时，超深 孔大药量起爆不冲孔，同时解决炮孔封堵后，由于炮孔中水量大引起 围岩膨胀泥化或者浮动使炮孔内炸药位置发生改变，使装药变成不连 续装药产生拒爆等问题。解决了西部地区向上炮孔向下涌水量大，不 易封堵的问题，能够实现深孔爆破任意长度快速封堵，保证了深孔爆 破的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。

图1为本发明封堵装置结构示意图；

图2为本发明封堵方法流程示意图；

图3为实施例2封堵装置结构示意图；

图4为实施例3封堵装置结构示意图；

其中：1-封孔囊袋，2-注浆管，3-泄水管，4-超深爆破孔，5- 泄水阀，6-爆破阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结 合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图1-2，本实施例提供一种用于向上炮孔向下水流量大的超 深爆破孔封堵装置，包括注浆组件，岩体上开设有若干超深爆破孔4， 每个超深爆破孔4内均安装有封孔组件，注浆组件分别与若干封孔组 件相连通，每个超深爆破孔4内均固定有泄水部，泄水部一端贯穿封 孔组件且位于超深爆破孔4内，泄水部另一端位于超深爆破孔4外侧。 通过注浆组件相封孔组件中注浆，使封孔组件在泄水部的作用下与超 深爆破孔内壁贴合，完成对超深爆破孔的封堵。

进一步优化方案，封孔组件包括封孔囊袋1，封孔囊袋1为双囊 袋。

进一步优化方案，双囊袋尺寸为0.6m。

进一步优化方案，注浆组件包括注浆泵，每个超深爆破孔4内均 安装有注浆管2，注浆管2一端贯穿封孔囊袋1位于超深爆破孔4内， 注浆管2另一端位于超深爆破孔4外侧且固定连接有快接，注浆泵上 通过变径连通有注浆管2，任一超深爆破孔4内的注浆管2通过快接 与注浆泵上的注浆管2连通。利用快接使注浆泵上的注浆管2在断开 后迅速与下一个注浆管2对接，防止浆液裸露时间较长而凝固，使后 续注浆无法正常进行。

进一步的，注浆管2一端贯穿一个封孔囊袋1，端部插入到封孔 囊袋1底部，两个封孔囊袋与注浆管2通过卡扣紧密连接，封孔囊袋 1内部注浆管2设置有爆破阀，当注浆管压力达到1MPa时，会自动 爆开，浆液会从压力阀流出，充填注浆囊袋1；两个封孔囊袋1之间留有注浆管2，留有的注浆管中间设置爆破阀6，当注浆管2内压力 达到1.2MPa时，会自动爆开，注浆浆液会通过该开口注入到两个封 孔囊袋1之间，填实囊袋1、2之间的空隙。炮孔真实封孔长度为两 个封孔囊袋1及留有注浆管2长度之和。

进一步优化方案，泄水部包括泄水管3，泄水管3一端贯穿封孔 囊袋1位于超深爆破孔4内，泄水管3另一端于超深爆破孔4外侧且 固定连通有泄水阀5，泄水管3送入炮孔长度比双囊袋长20-40cm。 将泄水管3与封孔组件一同送入超深爆破孔，关闭泄水阀，注浆管2与注浆泵连接，先往封孔囊袋1内注浆，当封孔囊袋1中压力达到 1MPa时，封孔囊袋1爆破阀爆开，往封另一封孔囊袋1中注浆，当 压力达到1.5MPa时，两个封孔囊袋1之间的爆破阀打开，往炮孔中 注浆，当整体注浆达到2MPa时，拔掉注浆泵与注浆管2的连接，往 下一个超深爆破孔注浆。同时打开泄水阀，排出炮孔中岩水。

进一步优化方案，为实现快速高效封孔，拟选用滤积式封孔囊袋 1，封孔囊袋1的材料为高弹涤纶双面布，封孔囊袋1仅能通过水向 钻孔内注浆，多余的水分可以从封孔囊袋1中流出，而水泥浆液则留 在封孔囊袋1中，从而实现水、气体与浆料的分离。封孔囊袋1内的 水分滤除后，水灰比约为0.3：1左右。封孔囊袋1与钻孔壁面紧密 接触，高浓度的水泥浆液在孔内凝固的同时，实现了钻孔的封堵。

一种用于向上炮孔向下水流量大的超深爆破孔封堵方法，包括以 下步骤，

步骤一：在超深爆破孔4内装药完毕后，确认超深爆破孔4装药 是否稳定；

步骤二：注浆泵一侧设置有搅拌器，利用水管对注浆泵和搅拌器 进行冲洗，并对注浆泵和搅拌器进行试运行；

步骤三：向搅拌器内加入清水和封孔材料，制成浆液；

步骤四：安装封孔囊袋1和泄水管，将注浆泵上的注浆管2与超 深爆破孔4内注浆管2分别连通，并进行注浆工作；

步骤五：注浆完成后对注浆泵和搅拌器进行清洗；

步骤六：撤离人员准备爆破。

进一步优化方案，步骤四包括，

4.1、根据需要选择一种规格封孔囊袋1进行安装，将两个封孔 囊袋一前一后与泄水管一同放入超深炮孔4中，关闭泄水阀，注浆管2与注浆泵连接，所述注浆管2固定且连通有爆破阀6，所述爆破阀 6分别位于两个封孔囊袋1内以及两个封孔囊袋1之间；

安装时将两个封孔囊袋一前一后放入超深爆破孔内，两个封孔囊 袋之间的距离为0.4-0.8m，0.6m双囊袋对应着“两堵一注”封孔工 艺，注浆过程中，一前一后两个囊袋会首先被注满并膨胀。当压力达 到1.2MPa时，囊袋之间管路上的爆破阀会自动爆开，此时水泥浆液 会流入囊袋中间的钻孔段，并注满这个区域。当水泥浆液凝固后，即 可实现钻孔的封孔。为了保证这一部分的封孔效果，最后注浆泵压力 表示数为2MPa时，停止注浆。中间段的浆液具有2MPa的压力，与孔 壁具有粘结力，还可对顶端的封孔囊袋起到缓冲作用。通过让两个囊 袋之间的爆破阀爆开，使水泥浆液流入囊袋之间的孔隙，注满整个区 域，能够将两个囊袋连接起来，增加封堵组件与超深爆破孔之间的接 触面积，使封堵更加稳定。

4.2、将注浆泵上的注浆管2与任一超深爆破孔4内的注浆管2 连通，开启注浆泵，先向内部的封孔囊袋1内注浆，当内部封孔囊袋 1中压力达到1MPa时，外部的封孔囊袋1内的爆破阀爆开，相外部 的封孔囊袋1中注浆，当压力达到1.5MPa时，两个封孔囊袋1之间 的爆破阀打开，向超深爆破孔4中注浆，当整体注浆压力达到2MPa， 完成此超深爆破孔4注浆，关闭注浆泵，将注浆管2折弯用扎带扎紧；

4.3、使用剪刀将注浆完成的注浆管2剪断，将注浆泵上的注浆 管2快速与另一注浆管2的快接连通，然后进行注浆，直至所有超深 爆破孔4注浆完毕。

进一步优化方案，步骤4.2中压力表示数不超过2.5MPa，压力 超过2.5MPa会导致封孔囊袋1破损，影响封堵效果。

进一步优化方案，步骤三中，先向搅拌器内加入清水，同时缓慢 加入封孔材料，直至清水与封孔材料的比值为1:1。根据实验可知， 浆液太稠，会导致注浆管堵塞，浆液太稀，凝固时间会变长，故选用 1:1能够保证注浆管不会堵塞的前提下减少凝固时间，使封堵更加迅 速。

进一步优化方案，步骤五中将吸浆泵吸入清水，全速运转2-3分 钟，使吸浆泵主体及吸浆泵上的吸浆管被冲洗干净。使吸浆管管路和 注浆泵泵体冲洗干净，防止浆液凝固在管路或泵体内影响下次使用。

进一步优化方案，步骤四中，在注浆过程中观察注浆管2管路是 否通畅，终点观察接口变径处。

进一步优化方案，将注浆管管路更换至另一注浆管时，因为管中 带有压力，禁止将管口对着工人，避免浆液喷出对人的眼睛、口鼻造 成伤害。

实施例二：

本实施例提供一种用于向上炮孔向下水流量大的超深炮孔封堵 方法，本实施例与实施例一的区别仅在于采用1.5m单囊袋的封孔囊 袋，1.5m单囊袋对应着“一堵”的封孔工艺，在注浆之后，封孔囊 袋1内的压力可以达到2MPa，因为封孔囊袋1是由只透水不透料的 特殊材质制造而成的，注浆液中的大部分水流出。浆液凝固后，能达 到较高的强度。

实施例三：本实施例提供一种用于向上炮孔向下水流量大的超深 炮孔封堵方法，本实施例与实施例一的区别仅在于采用0.7m单囊袋， 将封孔囊袋直接安装在超深爆破孔靠近入口的一端，0.7m单囊袋对 应着“一堵一注”封孔工艺，在注浆时过程中，孔口的封孔囊袋首先 被注满，当浆液压力达到1.2MPa时，管路顶端的爆破阀会自动爆开， 水泥浆液把药管和封孔囊袋之间的部分填满。由于因为封孔囊袋上部 的浆液浓度较低，要求凝固时间较长。本发明能够将装药部分与封孔 囊袋之间的缝隙用水泥浆液填满，使封堵效果更好，同时提升了炸药 在超深爆破孔内的稳定性，为之后的起爆提供便利。

为了寻找快速高效的封孔方法，对不同结构囊袋、不同的试验材 料以及不同的凝结时间进行井下试验，具体试验结果如表1所示，实 验目的是对“囊袋一堵”、“两堵一注”、“一堵一注”三种工艺进 行对比分析，得到最佳的封孔工艺或方法。

表1不同封孔材料封孔试验结果汇总表

在试验材料为I型封孔材料时，对1.5m单囊袋与1m单囊袋进行 了测试，试验注浆时由于水灰比为0.6:1时，浆液太稠，会导致注浆 管堵塞；便对浆液进行了稀释，此时保证注浆管不堵塞时注浆液的水 灰比大致为1.5:1。待注浆完毕后，等候凝固时间从15min逐步提升 至1h，然而试验结果较差，所有钻孔均出现冲孔现象，百米外可以 感受到强烈爆轰波，对冲孔材料进行检查分析时，发现材料用手指即 可碾碎，则可将冲孔的原因归结为材料的凝固效果未达到，此类材料 暂不适合井下封孔

使用II型材料时，测试囊袋为1.5m单囊、0.7m单囊、0.6m双 囊，注浆时材料的水灰比为1:1，通过压力表示数严格控制注浆压力 为2MPa，试验时材料凝固时间均为1h，最终试验结果囊袋试验均较 好。实验结果表明，利用囊袋进行的封孔工艺就可以满足超深爆破孔的封孔需要，因此，建议工作面爆破作业采用“囊袋堵”的封孔工艺。

通过现场工业性实验的结果，确定了工作面爆破钻孔高效封孔技 术关键参数。

(1)煤矿用气动注浆泵，要求体积小、重量轻，易于移动，适 合多个超深爆破孔的快速封孔；要求实际注浆压力必须大于2MPa， 保证囊袋与钻孔内壁的充分结合；注浆流量满足式1，保证浆液在 20min内充满囊袋的孔间。

Q≥V/20 式1

启动注浆泵型号为ZBQ便捷式气动注浆泵，注浆泵以压缩空气为 动力源，全自动气动搅拌，操作简单，能有效减轻井下工人劳动强度。 清洗时只需打开搅拌装置加清水即可，以防止速凝水泥堵塞气泵。该 设备具有较好的通用性，在易燃易爆、温度湿度变化较大的场所，均 可使用。

(2)连接管路，采用强度高于6MPa的管路，保证在注浆泵开启 瞬间，管路不被冲破。

(3)封孔囊袋，采用滤积式封孔囊袋，材料为高弹涤纶双面布， 封孔囊袋长度小于切顶超深爆破孔长的三分之一，注浆过程的压力不 可超过2.5MPa，压力过大会导致封孔囊袋破损。

(4)封孔材料，采用Ⅱ型封孔材料。在注浆时，将水和Ⅱ型封 孔材料按照水灰比1：1进行配置。封孔结束后，材料需要凝固时间 建议不少于30min。

采用调研、实验室试验方法，确定了封孔材料和封孔设备，并通 过井下封孔试验的方法，确定了最佳封孔工艺，即“囊袋+泄水孔” 封孔工艺。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、 “下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、 “内”、“外”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，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，因此不能理解为 对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本 发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普 通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本 发明权利要求书确定的保护范围内。