阅读说明：本技术 一种分节螺旋橡胶囊封孔装置 (Segmented spiral rubber bag hole sealing device ) 是由 李振峰 李文彩 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种分节螺旋橡胶囊封孔装置,该封孔装置包括扩孔钻头及由结构相同的内部中空且带有螺旋橡胶囊的注水前端管、注水加接管、注水终端管相连接组成的注水管。注水管的各节连接完成后,内部相通,且通过注水管外壁的通水孔和螺旋橡胶囊底部的过水孔与螺旋橡胶囊相通,注水前端管的前部安装有背压单向阀,注水终端管的后部安装有止回单向阀。当注进高压水时,各节注水管的螺旋橡胶囊膨胀,起到密封钻孔周边及同时向深部煤层注水的效果；当回收装置时,释放注水管内的压力,各节注水管靠钻机动力旋转及外拔,可方便地将整个装置回收,能够实现在松软煤层条件下煤层深孔注水时封孔装置的顺利回收。(The invention relates to a hole sealing device for a segmented spiral rubber bag, which comprises a hole expanding drill bit and a water injection pipe which is formed by connecting a water injection front end pipe, a water injection adding pipe and a water injection terminal pipe which are of the same structure, hollow inside and provided with the spiral rubber bag. After each section of water injection pipe is connected and is accomplished, inside communicates with each other, and the limbers through the water injection pipe outer wall and the water hole of crossing of spiral rubber bag bottom communicate with each other with spiral rubber bag, and the forward-mounted of water injection front end pipe has the backpressure check valve, and the back portion of water injection terminal pipe installs the check valve. When high-pressure water is injected, the spiral rubber bags of the water injection pipes expand to seal the periphery of the drilled hole and simultaneously inject water into the deep coal seam; when the device is recovered, the pressure in the water injection pipe is released, and each water injection pipe rotates and is pulled out by the power of the drilling machine, so that the whole device can be conveniently recovered, and the smooth recovery of the hole sealing device can be realized during the deep hole water injection of the coal seam under the condition of a soft coal seam.)

一种分节螺旋橡胶囊封孔装置

技术领域

本发明属于煤矿地下开采技术领域，特别是涉及一种分节螺旋橡胶囊封孔装置。

背景技术

在煤矿井下开采中，煤层超前注水是一种常用的技术工艺，使注入的高压水渗入煤体内部，破坏煤体内原有的煤－瓦斯两相体系的平衡，形成煤－瓦斯－水三相体系，体系内各个介质相互作用，使煤的物理化学性质、力学性质及热力学性质发生变化。煤层注水在矿井生产中的作用有两个重要方面，一是综合防尘，对职业病的预防有着积极作用；二是防止冲击地压、煤与瓦斯突出，促进矿井安全生产。煤层注水操作具体步骤依次为在回采前预先在煤层打若干钻孔、打完钻孔之后用清水冲净孔内煤粉、封孔、通过钻孔注入压力水，其中封孔是煤层注水的一个关键环节，直接影响煤层注水最终效果。现有技术中的封孔方法大多采用橡胶囊封孔、水泥砂浆封孔、机械封孔等。

目前比较常用的注水钻孔橡胶囊封孔器为KJ系列的水压胶囊式封孔器，具体操作步骤为：首先在煤壁上打钻孔，然后将封孔器完全***钻孔内，在一定的水压下，封孔器橡胶管膨胀实现封孔。该封孔器工作原理为水压膨胀方式，封孔段为一端带有水压单向阀的橡胶囊，当高压水注入时，由于单向阀的背压作用，使胶囊内的水压达到一定的压力，橡胶囊膨胀起到封孔作用；当水压超过单向阀的背压以后，单向阀被部分打开，高压水通过单向阀流入钻孔深部，进行煤层注水工作。该类封孔装置的优点是结构简单、运输时可折叠，且单个封孔器的长度可达6m左右，适应在小断面巷道内使用。

另一种常用的注水钻孔橡胶囊封孔装置为气囊分离结构，主管为钢管或硬质橡胶管，主管外套装有一段密封的橡胶气囊，气囊向外连通有充气支管，使用时将封孔装置放入钻孔内，通过充气支管向橡胶气囊内充入高压气体，气囊膨胀将钻孔周边密封严实。该类装置的优点是封孔效果较第一类的封孔装置更好，缺点是该装置不能折叠，也不能接长，长度一般在2m左右。

上述的两种常见的橡胶囊封孔装置一般都用于中硬以上煤层中，而在松软煤层中使用时效果较差。这是因为松软煤层中水的渗透半径较大，为5m 左右，要求封孔的深度大于渗透半径，才能保证注水过程中，水不会从煤壁渗出。由于煤层的松软特性，封孔长度较短时，难于起到封孔作用，要求封孔长度要大于5m。这使得上述的第二种2m左右长度的气囊分离式封孔器难以在现场使用。当钻孔深度达6m以上时，虽可强行使用该装置，但回收相对困难，因为松软煤层湿水后就会产生膨胀，钻孔周围的煤体将注水管和橡胶囊压紧，即便是强力将装置从钻孔中抽出，但回收出来的橡胶囊也已损坏。而上述的第一种KJ系列水压胶囊式封孔器，由于松软煤层的特殊原因，基本上也是一次性使用，无法回收；另外，由于注水钻孔煤壁孔口附近的松软煤层受巷旁支撑压力的影响，在打孔钻杆抽出后即出现局部塌孔，使水压胶囊式封孔器往钻孔内放置时非常困难，且施工速度缓慢。而且目前市面上长度为6m左右的该类封孔装置售价较高，一次性使用使得松软煤层的注水成本很高。

因此，目前用于松软煤层注水钻孔的封孔装置依然存在两个亟待解决的技术问题：一是无法满足松软煤层中较长的封孔长度的要求，二是封孔装置不能重复回收利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种分节螺旋橡胶囊封孔装置，以解决现有技术中针对松软煤层注水钻孔的封孔长度不达标且封孔装置不能重复回收利用的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供了一种分节螺旋橡胶囊封孔装置，包括注水管、螺旋橡胶囊、管端接合装置、扩孔钻头、单向阀和密封装置，其中：

所述注水管包括从前到后依次连接的注水前端管、若干个相互连接的注水加接管和注水终端管，所述注水前端管、注水加接管和注水终端管的结构相同，均为内部中空结构，外壁均设有螺旋叶片，且外壁上均开设有2个以上的通水孔；

所述螺旋橡胶囊呈内部中空的长条形，两端密封，螺旋橡胶囊缠绕在所述螺旋叶片之间的注水管外壁上，螺旋橡胶囊的底部开设有与所述通水孔一一对应的过水孔；

所述管端接合装置分别位于注水前端管的两端部、注水加接管的两端部、注水终端管的两端部，用于实现两个相邻注水管之间的连接；

所述扩孔钻头安装在所述注水前端管的前端部；

所述单向阀包括安装在注水前端管前部内腔的背压单向阀和安装在注水后端管后部内腔的止回单向阀；

所述密封装置分别设置在注水前端管的前端部、注水加接管的前端部和注水终端管的前端部。

所述螺旋橡胶囊的底部通过粘合或硫化的方式与注水管外壁固定连接。

所述注水前端管、注水加接管、注水终端管的长度均为1~3m，外部直径均为50~200mm，材质均选择金属或者塑料材料。

所述螺旋叶片的升角α为20°~30°。

所述管端接合装置为相互配合使用的内螺纹套筒和外螺纹套头或者为相互配合使用的卡销和卡套。

所述外螺纹套头分别加工在注水前端管的前部、注水加接管的前部及注水终端管的前部，所述内螺纹套筒分别加工在注水前端管的后部、注水加接管的后部及注水终端管的后部。

所述扩孔钻头为圆锥型的半中空结构，扩孔钻头的外壁上加工有导向螺旋，扩孔钻头的后部也加工有与所述注水前端管前部的外螺纹套头相互配合的内螺纹套筒，扩孔钻头的管壁上开凿有2个以上的出水斜孔，出水斜孔的出水方向与扩孔钻头的旋转方向相反。

所述导向螺旋与螺旋叶片的螺旋方向一致且导向螺旋的升角β与螺旋叶片的升角α相同。

所述注水加接管的个数与注水钻孔的深度成正比。

所述的密封装置为分别套装于注水前端管、注水加接管、注水终端管的前端外螺纹套头中螺纹肩部的O型密封圈。

在本说明书及实施例的叙述中，以朝向煤体的方向为前，背离煤体的方向为后。

本发明的有益效果：（1）由于在注水前端管和注水终端管的中间设置若干个注水加接管，且注水加接管的个数与注水钻孔的深度成正比，可随注水钻孔的深度自由加接注水管的长度，能适应对松软煤层长距离封孔的要求，方便使用。（2）螺旋橡胶囊缠绕在螺旋叶片之间的注水管外壁上，螺旋橡胶囊的底部通过粘合或硫化的方式与注水管的外壁固定连接，当封孔结束后，钻机带动注水管顺时针旋转，同时施加向外的拉拔力，钻孔内的碎煤随着各节管路上螺旋叶片的旋转力被逐渐排出，方便回收封孔装置，实现重复利用、节约成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为注水加接管的立体图；

图3为螺旋橡胶囊的立体图；

图4为注水前端管安装螺旋橡胶囊及背压单向阀后的纵向剖面示意图；

图5为注水加接管安装螺旋橡胶囊后的纵向剖面示意图；

图6为注水终端管安装螺旋橡胶囊及止回单向阀后的纵向剖面示意图；

图7为扩孔钻头的剖面示意图。

附图标记：1—扩孔钻头、2—注水前端管、3—注水加接管、4—注水终端管、5—螺旋橡胶囊、6—背压单向阀、7—止回单向阀、8—导向螺旋、9—出水斜孔、10—外螺纹套头、11—内螺纹套筒、12—螺旋叶片、13—O型密封圈、14—通水孔、15—过水孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明封孔装置包括扩孔钻头1、从前到后依次连接的注水前端管2、若干个相互连接的注水加接管3，（图1中只示出一个注水加接管3）和注水终端管4、螺旋橡胶囊5。注水前端管2、注水加接管3、注水终端管4的结构相同，均为内部中空结构；外壁均设有螺旋叶片12，螺旋叶片12的升角α为20°~30°，所述的升角为螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角，且外壁上均开设有2个以上的通水孔14。所述注水前端管2、注水加接管3、注水终端管4，三种管件的长度均为1~3m，外部直径均为50~200mm，材质均选择金属或者塑料材料。扩孔钻头1安装在注水前端管2的前端部，注水前端管2的前部内腔设有背压单向阀6，注水终端管4的后部内腔设有止回单向阀7。如图3和图4所示，螺旋橡胶囊5呈内部中空的长条形，两端密封，螺旋橡胶囊5缠绕在螺旋叶片12之间的注水管外壁上，螺旋橡胶囊5的底部通过粘合或硫化的方式与注水管的外壁固定连接，螺旋橡胶囊5的底部开设有与通水孔14一一对应的过水孔15。如图4、图5、图6所示，在注水前端管2的前部、注水加接管3的前部和注水终端管4的前部均加工有外螺纹套头10，在注水前端管2的后部、注水加接管3的后部和注水终端管4的后部均加工有内螺纹套筒11，外螺纹套头10与内螺纹套筒11相互配合，用于实现两个相邻注水管之间的连接。在注水前端管2、注水加接管3、注水终端管4的前端外螺纹套头的螺纹肩部均套装有O型密封圈13，使体系保持良好的气密性。如图7所示，扩孔钻头1为圆锥型半中空结构，扩孔钻头1外壁上加工有导向螺旋8，扩孔钻头1后部内壁上也设有与注水前端管2前部的外螺纹套头10相互配合的内螺纹套筒11，扩孔钻头1的管壁上开凿有2个以上的出水斜孔9，出水斜孔9的出水方向与扩孔钻头1的旋转方向相反；导向螺旋8与螺旋叶片12的螺旋方向一致且导向螺旋8的升角β与螺旋叶片12的升角α相同。

本发明的分节螺旋橡胶囊封孔装置在使用时，先用深孔钻机在待注水工作面的上风巷内，按预先设计的孔间距，用配套钻杆、钻头向下方煤层内打注水钻孔，当钻孔达到设计深度时，抽出钻杆、钻头。然后，用原来的钻机先换上带有扩孔钻头1的注水前端管2，以钻机为动力源进行顺时针旋转，逐渐放入已打好的注水钻孔中，待下放到合适深度时，在注水前端管2的后端加接第一根注水加接管3，继续向孔内旋进；注水加接管3的个数视钻孔的深度而定，最后将注水终端管4旋进钻孔内；当注水终端管4完全旋进煤层后，去掉钻机，在注水终端管4的后端加接上高压水源，即可进行煤层的注水工作。注水过程中，由于背压单向阀6的作用，注水管内的水被升压，依次通过通水孔14、过水孔15流入螺旋橡胶囊5内，螺旋橡胶囊5产生膨胀，从而胀满煤体内的钻孔，实现封孔效果。与此同时，超过背压单向阀6压力的水流，则流过背压单向阀6，通过扩孔钻头1上的出水斜孔9向煤层注水。注水结束后，稳定一段时间，人工向内挤压止回单向阀7上的钢珠，使各节管路内的水压完全释放，然后，钻机带动注水管做顺时针旋转，同时施加向外的拉拔力，钻孔内的碎煤随着各节管路上螺旋叶片12的旋转力被逐渐排出，可逐节将注水终端管4、注水加接管3、注水前端管2一一拉出，此时，封孔、注水及回收工作全部结束。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围，如管端接合装置除了实施例和附图中示出的外螺纹套头和内螺纹套筒外，还可以采用配套的卡销和卡套，密封装置除了实施例中示出的O型密封圈还可以是加装于注水前端管、注水加接管、注水终端管前端部的密封垫片。