一种封堵煤岩钻孔中压力流体的封孔器。由专用粘接石材的结构胶、PU膨胀剂和不透水HDPE复合膜组成，封压构件结构胶膜粘接抗剪强度大，封渗构件三层复合结构隔水性强。封体长度0.37m，施工等候时间＞6h为I型，0.5～6h为II型，I型施工等候时间8h封压能力31Mpa(钻孔直径9.5cm)～53Mpa(钻孔直径5.5cm)，渗透系数1.3×10-7m/s；II型施工等候时间30min封压能力15Mpa(钻孔直径12.5cm)～24Mpa(钻孔直径7.5cm)，渗透系数2.5×10-7m/s。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种矿山和岩土工程中泵压注水、泵压注浆钻孔的压力流体封堵，是煤岩层高压注水、水力压裂、注浆堵漏、破碎围岩注浆固化、瓦斯测压等特殊工程必不可少的装置。
技术介绍
岩煤层钻孔压力流体的封堵涉及0.3～40Mpa的液压范围(瓦斯抽放钻孔封体两端压差仅为约0.2大气压的负压，不涉及本专利技术)和数十厘米至十几米的封孔深度。按液压(泵压)考虑可分为两类，压力＞5Mpa应属高压，压力≤5Mpa应属中低压；按封孔深度考虑也可分为两类，封深≤2m应属浅部封孔，封深＞2m应属深部封孔。浅部封孔液压一般为中低压，如注浆堵漏泵压约0.3～2Mpa，破碎围岩固化注液泵压约5Mpa，湿润煤层防尘泵压＜5Mpa等；深部封孔液压一般为高压，如煤层注水防冲防突泵压10～30Mpa，煤层水力压裂防突泵压＞20Mpa等。现有技术浅部封孔使用橡胶封孔器或快硬水泥。橡胶封孔器是利用固体橡胶的弹性在孔壁产生的摩擦力进行封孔的装置，其对不规则的凸凹不平煤孔壁适应性差，往往发生漏液，需有充气或充水装置，成本很高，应用受到限制。快硬水泥是以普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥为基材，掺以外加剂制成的速凝水硬性胶凝材料，胶结强度较大，施工等候时间较短，但向孔壁与液管之间的狭小环形空间送料捣实困难，更不能用于深部封孔。现有技术深部封孔使用聚氨酯(PU)泡沫塑料或水泥石封孔。PU泡沫塑料封孔结构由两端的堵液段和中间泵送双组份液料段组成，堵液段由毛巾布卷缠PU料液组成，料液固化后在钻孔和注水管之间形成泡沫塑料环柱，环柱长＞8m。PU泡沫塑料环柱外边界与岩煤孔壁的粘附抗剪强度低，多孔体易渗透，抗压抗渗能力低，施工等候时间较长(＞8h)，操作需手工、泵送两道工序，使用成本高。水泥石封孔体也由两端的堵浆段和中间泵送水泥浆段组成，堵浆段由专利200710098325.8所述的PU发泡袋或毛巾布卷缠PU料液或水泥浆布袋形成，水泥浆为专利ZL200810019493.8所述水泥料或其它水泥混合物的浆体，水泥石环柱长＞8m。由于水泥石与岩煤钻孔壁的胶结力源于作用力较小的分子间作用力(范德华力或氢键力等)，加上在施工等候时间内水泥柔软胶体尚处在固化强度增长初始阶段，所以水泥柔软环柱的外边界与岩煤孔壁的胶结抗剪强度很低，即抗水压能力很低；在固化初始阶段的柔软水泥环柱又是多孔体，抗渗能力也低(与凝固水泥相比渗透系数差6个数量级)；还有施工等候时间长(一般＞2d)，操作需手工、泵送两道工序。总之，抗压抗渗能力低、施工等候时间长和操作工序多是现有技术压力流体封孔的三个共性问题。
技术实现思路
针对封堵岩煤层钻孔中压力流体需要，提供一种短封体、抗压抗渗能力强、施工等候时间短、手工操作方便、使用成本低的树脂封孔器。按施工等候时间分为普通型(I)和快固型(II)，普通型适用于施工等候时间＞6h，快固型适用于施工等候时间0.5～6h。普通型的特征是：1粘接岩煤孔壁构件为按配比密封分装的环氧胶粘剂，物理力学性能要求符合标准JC887-2001第5条；2将胶压敷在岩煤孔壁上的构件为双组份聚氨酯膨胀剂，乳白时间＞2min，膨胀率＞400％；3兼有抗水渗、送孔载体的装配构件为用于外涂抹1内分装2的双组份有中间隔离的复合土工膜袋，袋长两端包敷高密度聚乙烯(HDPE)膜条并备有两个分离的HDPE膜截锥，复合土工膜、HDPE条膜和HDPE截锥膜物理力学性能要求符合标准GB/T17642-1998第4条。II型的特征是：1粘接岩煤孔壁构件为双组份按配比密封分装的不饱和聚酯胶粘剂，物理力学性能要求符合标准JC/T989-2006第6条；2将胶压敷在岩煤孔壁上的构件为双组份聚氨酯膨胀剂，乳白时间1.5～4min，膨胀率＞400％；3兼有抗水渗、送孔载体的装配构件为用于外涂抹1内分装2的双组份有中间隔离的复合土工膜袋，复合土工膜、HDPE条膜和HDPE截锥膜物理力学性能要求符合标准GB/T17642-1998第4条。封体结构：袋3送入钻孔中预定部位后，袋中聚氨酯膨胀剂膨胀，将袋外表面的膏状胶压敷于孔壁上，材料经凝胶固化形成固态封孔环柱体，封孔环柱体的结构可分成三个构件，见图1。(1)抗流体压力构件为外边界的结构胶膜；(2)抗压力流体渗透构件是复合结构的三层不透水HDPE膜和PU膨胀体；(3)抗压抗渗构件的连接构件是胶浸润土木布层。材料和结构特点：(1)抗流体压力结构件的强化。封孔环柱外边界与岩煤孔壁的粘接面是封体承受流体压力作用的约束支座，即剪切力集中的部位。本专利技术使用粘接石材和钢材受力部位的专用结构胶作为抗流体压力构件，因为一方面它是以化学键力作为粘接主要贡献的粘性材料，化学键力比分子间作用力大一两个数量级，另一方面它是固化时间相对较短的粘性材料，到施工等候时间已处于固化过程的后期，粘结力接近最大值。而现有技术使用的粘性材料与石材的粘结作用主要源于分子间的作用力(范德华力或氢键力等)，比化学键力要小一两个数量级；另一方面，水泥完全凝固时间为28d，到施下等候时间水泥石只呈柔软固体状态，刚处于固化初期，胶结力很小。(2)抗压力流体渗透构件的隔水性。材料渗透性主要取决于孔隙率。本专利技术使用三层不透水HDPE膜和PU膨胀体复合材料结构抗渗，其中渗透系数为10-11～-13cm/s的HDPE膜属非多孔的隔水材料，PU膨胀体虽然是多孔材料，但从加密抗渗和压胶密实考虑，袋内PU料按在孔中膨胀率约为200％装重，密度比现有技术PU泡沫塑料密度大4倍左右。到施工等候时间，现有技术材料都为多孔材料，其中PU泡沫塑料封体密度约为PU膨胀体孔中密度的1/4，柔软体水泥石的渗透系数比完全凝固水泥石大6个数量级。(3)II型速凝结构胶的选用和合适乳白时间、凝胶时间PU膨胀剂的配制。针对施工等候时间短的工程需要，本专利技术II型速凝结构胶的选用实现了封压构件的早强；PU膨胀剂的配制满足了乳白时间略小于结构胶初干时间，凝胶时间略大于结构胶初干时间，实现了顺利送孔和敷胶。这两点解决了短施工等候时间的深部封孔问题。有益效果：本专利技术封孔器的有益效果集中体现于单位封体长度的封压能力和封渗能力。通过模拟试验测定了本专利技术和现有技术单位封体长度的封压能力和封渗能力，并对其进行对比。封孔环柱是一端承受均布流体压力作用，另一端为自由端的悬柱，外边界的剪切力等于流体压强与钻孔截面积之积。设剪切力在剪切面上均布，则封孔环柱抗流体压强能力的表达式为：式中σ-被封流体最大压强(MPa)，[τ]-封孔环柱外界面粘接剪切强度(MPa)，L-封孔环柱长度(m)，R钻孔半径(m)。对于一个具体封孔环柱，无量纲数2L/R为常数，因此，[τ]是封孔环柱抗流体压强能力的唯一指标。依据达西定律，封孔环柱抗压力流体渗流量的表达式为：式中Q-封孔环柱渗流量(m3/h)，K-封孔环柱渗透系数(m/s)，其它符号意义同式(1)。对于一个具体封孔环柱，比值1.13×106σR2/L为常数，因此K是封孔环柱抗压力流体渗流量的唯一指标。采用模拟实验测定本专利技术和现有技术各自封孔环柱的[τ]和K值，进而由式(1)(2)换算它们的封压能力和封渗能力。模拟实验装置见图2，钻孔模拟钢管长35cm，内径6cm；注水管长25cm，外径2.7cm；渗水接收钢管长20c本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种封堵煤岩层钻孔中压力流体的封孔器，按施工等候时间分为普通型(I)和快固型(II)，普通型适用于施工等候时间＞6h，快固型适用于施工等候时间0.5～6h，其特征是：封孔器表面外涂双组份按配比密封分装的环氧胶粘剂或不饱和聚酯胶粘剂，封孔器内装双组份聚氨酯膨胀剂，I型乳白时间＞2min、II型乳白时间1.5～4min，膨胀率＞400％，封孔器表面外涂抹双组份按配比密封分装的环氧胶粘剂或不饱和聚酯胶粘剂与封孔器内装双组份聚氨酯膨胀剂之间存有隔离的复合土工膜袋，袋长两端包敷高密度聚乙烯(HDPE)膜条并备有两个分离的HDPE膜截锥、复合土工膜、HDPE条膜和HDPE截锥膜。
【技术特征摘要】
1.一种封堵煤岩层钻孔中压力流体的封孔器，按施工等候时间分为普通型(I)和快固型(II)，普通型适用于施工等候时间＞6h，快固型适用于施工等候时间0.5～6h，其特征是：封孔器表面外涂双组份按配比密封分装的环氧胶粘剂或不饱和聚酯胶粘剂，封孔器内装双组份聚氨酯膨胀剂，I型乳白时间＞2min...
【专利技术属性】
技术研发人员：段克信，刘刚，国风，
申请(专利权)人：阜新贝格科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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