一种封堵深孔的装置与方法

技术领域

本发明属于中深钻孔封堵技术领域，特别涉及一种封堵深孔的装置与方法。

背景技术

在矿山开采过程中，为了保障生产安全，需要对岩体的应力、应变和微震活动等进行监测，这些监测信息的获取要通过在矿山安装的锚杆应力计、多点位移计和微震等多源监测系统感知。多源监测传感器的安装，需要利用矿山已有的钻孔。但是这些钻孔的深度不一，甚至有很多通往地下采空区无底通孔，无法进行封堵。针对超深钻孔和无底通孔，需要在钻孔中间合适位置进行封堵，使孔深符合传感器的安装深度。

矿用封堵技术主要有化学药剂封孔法、物理填塞法和机械注浆法等，其中化学药剂法主要通过将特制药包输送至钻孔中指定位置，使化学药剂发生膨胀反应进行填塞，此法成本较高、承载能力差不适于填塞部位上部仍要安装监测设备的实际工况；物理填塞法通过将填塞物投放入钻孔中进行钻孔封堵，此法不能精确封堵待填塞的部位，并且一旦填塞物的直径过大极有可能造成废孔；机械注浆法是通过特制机械将砂浆输送至钻孔底部，此法不仅不适用于在钻孔指定位置进行封堵的要求，而且当孔深过大后易造成注浆管的堵塞，降低工作效率。所以，现阶段用于深通钻孔局部封堵的技术仍不成熟。

因此，有必要研究如何封堵矿山深通监测孔的问题。

发明内容

本发明的目的是针对于现有封堵矿山深通监测孔技术存在的问题，提供一种封堵深孔的装置与方法。在已知钻孔封堵长度和钻孔直径的前提下，借助钻孔封堵装置向钻孔中依次放入被钢丝绳牵引的铅锤A、适量合适粒径的石子、岩粉和水泥砂浆，在钻孔内形成牢固的封堵结构，从而为后续钻孔中设备的安装等工作奠定基础。

本发明技术方案如下：

一种封堵深孔的装置，包括电机仓、控制仓、加料仓、放料仓和钢丝绳导向筒；电机仓、控制仓、加料仓和放料仓从上到下依次设置，钢丝绳导向筒贯穿于封堵深孔的装置的中心；

电机仓中设有电机A以及缠绕钢丝绳的钢丝绳滚筒和钢丝绳拉力传感器，电机A用于为钢丝绳滚筒转动提供动力，钢丝绳拉力传感器与钢丝绳连接；

控制仓外部安装有电子显示屏及控制按钮面板，内部设置与电机A以及钢丝绳拉力传感器连接的电路和导线；

加料仓包括加料仓壳体和设在壳体内的砂浆桶、石子桶和岩粉桶，三个桶之间设有挡板，三个桶的底部均设有通入到放料仓的放料管，三个桶的侧壁均设有加料口；加料仓壳体的侧壁上设有三个壳体加料口，分别与砂浆桶、石子桶和岩粉桶加料口相通；

放料仓为漏斗状，底部设有出料管，放料仓内壁涂有防水泥粘连的涂料，放料仓外壁均匀设置数个滚轮；

钢丝绳导向筒底部通到出料管内，筒内通过由钢丝绳滚筒放出并经过钢丝绳拉力传感器的钢丝绳，并且钢丝绳末端连接设有牵引环的铅锤。

进一步的，上述封堵深孔的装置，三个桶底部均设有称重传感器，三个放料管均设有电动断流阀，称重传感器与电动断流阀共同组成减重定量控制装置；并且称重传感器与电动断流阀分别与控制仓的电路和导线连接；较好的，每个桶底围绕放料管均布三个卡托，称重传感器设置在卡托底部。

进一步的，上述封堵深孔的装置，电机仓仓壁设置散热孔，防止电机过热发生损坏。

进一步的，上述封堵深孔的装置，电机仓中设有电机B，与控制仓的电路和导线连接，并且水泥砂浆桶中设有搅拌棒，与电机仓中的电机B连接。

进一步的，上述封堵深孔的装置，加料仓加料口两侧安装有气弹簧支撑杆。

本发明还提供了另外一个技术方案：

一种封堵深孔的方法，包含以下步骤：

步骤一：将装置移至钻孔口，再将牵引铅锤A的钢丝绳下放至深孔中，进行钻孔深度测定；

钻孔深度测定的原理为：借助串联在钢丝绳上的拉力传感器实时感知钢丝绳牵引铅锤引起的拉力值；因为钢丝绳匀速下放，钢丝绳中的拉应力也是均匀增长的；一旦钢丝绳中的拉力发生较大变化，说明铅锤不仅受钢丝绳的牵引力，同时开始受孔底的支撑力，此时钢丝绳的拉力势必降低，当钢丝绳的拉力读数(x)完全等于钢丝绳自重(y)的时候，说明铅锤已运送至孔底，L即为钻孔深度；

钻孔深度测定利用连接在钢丝绳上的拉力传感器，实时进行拉力读数x和钢丝绳自重y的对比，当二者相等时表明铅锤已落于钻孔底部，从而达到测定孔深的目的，即，

x＝mg+γLg (1)

y＝γLg (2)

式中：m为铅锤的重量，Kg；g为重力加速度；γ为每米钢丝绳的重量，Kg/m；L为钻孔深度，m；

钢丝绳材质要求为能够承受足够重量的岩块、岩粉和水泥砂浆，满足捆绑铅锤和固定杆的需要；钢丝绳直径不宜过粗，否则会影响后续设备的安装；钢丝绳的材质和直径根据钻孔直径和铅锤的重量进行适当调整，或者应用钢丝绳的最小破断拉力简易计算公式来判断钢丝绳的承载能力，公式如下：

其中，F

D为钢丝绳的公称直径，单位mm；

R为钢丝绳的工程抗拉强度，单位MPa；

K’为某一指定结构钢丝绳的最小拉力系数(通过标准规范查表获得)；

较好的，所述铅锤A锥底直径小于钻孔直径8～10mm，铅锤直径过大会造成铅锤在钻孔内卡住，无法下放至指定位置，形成废孔；铅锤直径过小不易卡住向孔内投掷的石子，导致封堵钻孔失败；

步骤二：若测得的钻孔深度≥需封堵处的深度，则向砂浆桶中装入砂浆，另外两个桶分别对应放入适量的石子和岩粉；若测得的钻孔深度＜需封堵处的深度，则继续处理钻孔直至测得的钻孔深度≥需封堵处的深度；

步骤三：拉动钢丝绳将铅锤A调整到需封堵钻孔处；

步骤四：根据钻孔中需要封堵的长度和钻孔的直径，依次按量放出石子、岩粉和砂浆；

封堵钻孔需要三种物料的重量计算方法如下：

石子粒径为3～5cm，石子粒径过大可能卡在堵孔装置之中，或卡在钻孔中间位置，过小可能在铅锤与孔壁之间的间隙滑落；

岩粉的粒径尺寸大于1mm，为实现资源的重复利用，使用矿山钻探工作排出的岩粉即可；

水泥砂浆为《JGJ/T98-2010砌筑砂浆配合比设计规程》规定的M10水泥砂浆；

石子、岩粉和水泥砂浆的封堵深度的比例为1:1～1.2:2～2.3；

步骤五：将装置移开钻孔口，剪断钢丝绳，在钻孔口横置一根固定杆，将钢丝绳自由端系于固定杆上，风干20h以上，封孔完成；

所述横放于孔口的固定杆应当具有足够的刚度，以提供足够的牵引力，推荐使用二级钢筋；杆的长度为大于孔口直径的0.5m即可，从而为整个结构提供足够的牵引力。

进一步的，上述封堵深孔的方法，还包括封堵质量的检测方法：

将装置置于已封堵的钻孔孔口，钢丝绳自由端捆绑直径小于钻孔直径的铅锤B，将牵引铅锤B的钢丝绳下放至深孔中，将测定的钻孔深度与欲封堵深度对比，确定封堵深度是否符合要求；若封堵深度不是目标深度，则需要进行二次封堵。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的装置能够准确、便捷的将封堵材料置入钻孔中，封堵效果达到最佳的同时能够极大解放人力。

2、本发明使用的堵孔材料可在现场就地取材，利用现场爆破产生的废弃岩块和钻孔产生的岩粉。

3、本发明的方法的在实际应用操作中简单、节省人力物力。

4、本发明的装置和方法能够封堵深孔的给定深度，对采空区的深通孔也有极佳的封堵效果。

5、本发明方法能够在钻孔内形成牢固的封堵结构，不易塌落，从而为后续钻孔中设备的安装等工作奠定基础。

附图说明

图1是封堵深孔的装置的内部结构示意图；

图2是封堵深孔的装置的外部结构图；

图3是加料仓俯视图；

图4是本发明实施例1中的钻孔局部封堵结构示意图；

图中：1-电机A；2-电机B；3-钢丝绳滚筒；4-钢丝绳拉力传感器；5-钢丝绳导向筒；6-石子桶；7-岩粉桶；8-砂浆桶；9-挡板；10-壳体加料口；11-搅拌棒；12-加料桶卡托；13-称重传感器；14-放料管；15-出料管；16-滚轮；17-钢丝绳；18-铅锤；19-钻孔；20-电机仓；21-控制仓；22-加料仓；23-放料仓；24-电子显示屏；25-控制按钮面板；26-气弹簧支撑杆；27-加料口；28-加料仓壳体；29-砂浆；30-岩粉；31-石子；32-锁线扣；33-固定杆；34-牵引环。

具体实施方式

为了使发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清晰的、完整的描述，显然，所表述的实施案例是本发明一小部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，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案例，都属于本发明保护范围。

下面就实例进行说明，露天矿钻孔直径为110mm，钻孔深度大于20m，需预留孔深为20m，封堵长度为1m。

实施例1

一种封堵深孔的装置，包括电机仓20、控制仓21、加料仓22、放料仓23和钢丝绳导向筒5；电机仓、控制仓、加料仓和放料仓从上到下依次设置，钢丝绳导向筒贯穿于封堵深孔的装置的中心；

电机仓中有电机A1、电机B2，以及缠绕钢丝绳的钢丝绳滚筒3和钢丝绳拉力传感器4，电机A用于为钢丝绳滚筒转动提供动力，钢丝绳拉力传感器与钢丝绳17连接，所述钢丝绳材质为304不锈钢；

加料仓包括加料仓壳体28和设在壳体内的砂浆桶8、石子桶6和岩粉桶7，三个桶之间设有挡板9，三个桶的底部均设有通入到放料仓的放料管14，三个桶的侧壁均设有加料口27，砂浆桶内设有搅拌棒11，并且搅拌棒与电机B连接；加料仓的侧壁上设有三个壳体加料口10，分别与砂浆桶、石子桶和岩粉桶加料口相通，加料口两侧安装有气弹簧支撑杆26；三个桶在每个桶底围绕放料管均布三个卡托12，每个卡托底部均设有称重传感器13，三个桶的放料管均设有电动断流阀，称重传感器与电动断流阀共同组成减重定量控制装置；水泥砂浆桶中设有搅拌棒，与电机仓中的电机B连接；

放料仓23为漏斗状，底部设有出料管15，放料仓内壁涂有防水泥粘连的涂料，放料仓外壁均匀设置数个滚轮16；

导向筒底部通到出料管内，筒内通过由钢丝绳滚筒放出并经过钢丝绳拉力传感器的钢丝绳，并且钢丝绳末端连接设有牵引环34的铅锤18；

控制仓外部安装有电子显示屏24及控制按钮面板25，内部用于布置与电机A、电机B以及钢丝绳拉力传感器连接的电路和导线，并且称重传感器与电动断流阀分别与控制仓的电路和导线连接，即电机A、电机B、钢丝绳拉力传感器、称重传感器和电动断流阀与控制仓内电路连接，电机A、电机B和电动断流阀与控制按钮面板连接，钢丝绳拉力传感器和称重传感器与电子显示屏连接；电机仓外部设置散热孔，防止电机过热发生损坏。

实施例2

一种封堵深孔的方法，包含以下步骤：

步骤一：将装置移至钻孔19的钻孔口，再将牵引铅锤A的钢丝绳下放至深孔中，进行钻孔深度测定；

钻孔深度测定的原理为：借助串联在钢丝绳上的拉力传感器实时感知钢丝绳牵引铅锤引起的拉力值；因为钢丝绳匀速下放，钢丝绳中的拉应力也是均匀增长的；一旦钢丝绳中的拉力发生较大变化，说明铅锤不仅受钢丝绳的牵引力，同时开始受孔底的支撑力，此时钢丝绳的拉力势必降低，当钢丝绳的拉力读数(x)完全等于钢丝绳自重(y)的时候，说明铅锤已运送至孔底，L即为钻孔深度；

钻孔深度测定利用串联在钢丝绳上的拉力传感器，实时进行拉力读数x和钢丝绳自重y的对比，当二者相等时表明铅锤已落于钻孔底部，从而达到测定孔深的目的，即，

x＝mg+γLg

y＝γLg

式中：m为铅锤的重量，Kg；g为重力加速度；γ为每米钢丝绳的重量，Kg/m；L为钻孔深度，m；

钢丝绳材质要求为能够承受足够重量的岩块、岩粉和水泥砂浆，满足捆绑铅锤和固定杆的需要；钢丝绳直径不宜过粗，否则会影响后续设备的安装；钢丝绳的材质和直径根据钻孔直径和铅锤的重量进行适当调整，或者应用钢丝绳的最小破断拉力简易计算公式来判断钢丝绳的承载能力，公式如下：

其中，F

D为钢丝绳的公称直径，单位mm；

R为钢丝绳的工程抗拉强度，单位MPa；

K’为某一指定结构钢丝绳的最小拉力系数(通过标准规范查表获得)。

较好的，所述铅锤A锥底直径小于钻孔直径8～10mm，铅锤直径过大会造成铅锤在钻孔内卡住，无法下放至指定位置，形成废孔；铅锤直径过小不易卡住向孔内投掷的石子，导致封堵钻孔失败；

步骤二：若测得的钻孔深度≥需封堵处的深度，则向砂浆桶中装入砂浆，另外两个桶分别对应放入适量的石子和岩粉；若测得的钻孔深度＜需封堵处的深度，则继续处理钻孔直至测得的钻孔深度≥需封堵处的深度；

步骤三：拉动钢丝绳将铅锤A调整到需封堵钻孔处；

步骤四：根据钻孔中需要封堵的长度和钻孔的直径，依次按量放出石子31、岩粉30和砂浆29；

其中石子在钻孔中的累计深度为0.25m，岩粉在钻孔中的累计深度为0.25m，水泥砂浆在钻孔的累计深度为0.5m，结合石子、岩粉和M10砂浆的堆积密度分别为：1550kg/m

石子粒径为3～5cm，石子粒径过大可能卡在堵孔装置之中，或卡在钻孔中间位置，过小可能在铅锤与孔壁之间的间隙滑落；

岩粉的粒径尺寸应大于1mm，为实现资源的重复利用，使用矿山钻探工作排出的岩粉即可；

所述水泥砂浆为《JGJ/T98-2010砌筑砂浆配合比设计规程》规定的M10水泥砂浆。

步骤五：将装置移开钻孔口，剪断钢丝绳，在钻孔口横置一根固定杆33，将钢丝绳自由端系于固定杆上，用锁线扣32固定，风干20h以上，封孔完成；

所述横放于孔口的固定杆应当具有足够的刚度，以提供足够的牵引力，推荐使用二级钢筋；杆的长度为大于孔口直径的0.5m即可，从而为整个结构提供足够的牵引力。

步骤六，对封孔的封堵质量进行检测：

将装置置于已封堵的钻孔孔口，钢丝绳自由端捆绑一质量较大、直径小于钻孔直径的铅锤B，将牵引铅锤B的钢丝绳下放至深孔中，将测定的钻孔深度与欲封堵深度对比，若封堵深度为目标深度，然后在钻孔中放置待安装的设备；若封堵深度不是目标深度，则需要进行二次封堵。