礦用封孔器檢驗方法研究

崔 暢 劉藝平 劉哲寧

（撫順中煤科工檢測中心有限公司，撫順 113122）

封孔器是煤層氣抽放和煤層注水鉆孔孔口的密封裝置。按封孔原理，封孔器可分為氣壓式封孔器、水壓式封孔器、推脹式封孔器、吸入式封孔器和注漿式封孔器等。按用途，封孔器可分為注水用封孔器、注漿用封孔器和抽放瓦斯用封孔器等。

在煤礦生產工作中，封孔器可以用于對煤礦掘進工作面進行注水。封孔器在對煤體注入適量水分后，會大幅減少煤礦掘進工作過程中產生的粉塵量，改善煤礦工人的生產環境和勞動條件。使用封孔器注水會促使煤體松弛，便于煤體開采，提高采煤工作效率。此外，在煤礦挖掘工作中，可以使用封孔器在煤礦環境中抽放瓦斯，保證煤礦工人的人身安全。

文章的研究對象是FKZW-140/2.0 型注漿式抽放瓦斯封孔器，其中“FK”指“封孔”，“Z”指此款封孔器的封孔原理是注漿式，“W”指此款封孔器的用途是抽放瓦斯，“140”指此款封孔器最大適用孔徑直徑為140 mm，“2.0”指此款封孔器爆破閥的最小爆破壓強為2.0 kPa。

抽放瓦斯封孔器由快速接頭、注漿管、爆破閥和囊袋等組成。囊袋一般使用尼龍高強線和滌綸高強線，特征是膨脹外徑范圍較小，承受爆破壓強大，易加工，成形能力好，抗靜電性能要求相對較高。該產品具有使用方便、制造成本低、可重復使用、操作簡單、人工勞動強度低、工作效率高等優點。

注漿封孔器主要是向大直徑、濾水效果好、承壓強度高方面發展。最早的注漿式封孔器的注漿管材料主要是橡膠編織管，但由于該材料密封性能不夠好，現階段基本不用橡膠編織管作為注漿式封孔器的注漿管。聚氨酯封孔材料因為不阻燃的問題，現階段也很少使用。目前，注漿封孔器的注漿管大多采用原生聚乙烯（Polyethylene，PE）料[1]。

1 封孔器工作原理及相關技術參數

1.1 工作原理

FKZW-140/2.0 型礦用封孔器應用于瓦斯氣體的抽放和煤層鉆孔的封孔，如圖1 所示。將瓦斯抽放管或注水管和封孔器平行放置，同時插入煤壁或巖壁鉆孔。利用注漿泵將封孔器的注漿管充滿漿液，漿液會從注漿管流入連接著注漿管的囊袋。囊袋膨脹后，囊袋的外徑會緊固在煤層孔壁上，將煤層的鉆孔牢牢封閉[2]。在兩個囊袋之間的注漿管上裝有爆破閥。封孔器上的爆破閥壓強大于其最大工作壓強時，爆破閥會爆破，漿液從爆破的爆破閥流出，從而將封孔器囊袋周圍的部分填充滿漿液。待漿液凝固后，即可實現對煤層鉆孔的封孔，而瓦斯氣體可通過抽放管路進行抽放[3-4]。

圖1 礦用封孔器封孔原理

1.2 注漿封孔器技術參數

第一，注漿封孔器爆破閥的工作壓強應控制在1.2～2.2 MPa，并根據封孔器規格分類控制爆破閥壓強。第二，注漿封孔器扣壓外套應為20#鋼，外套內徑為28 mm±0.1 mm，壁厚為1.5 mm±0.1 mm。第三，注漿封孔器的氣動式快接，強度要求6 MPa 無損傷。第四，注漿封孔器的注漿管用料為MPE100 級原生PE 料，生產直徑為16 mm 的注漿管。要求外徑為15.8 mm±0.1 mm，壁厚為1.9 mm±0.1 mm，在壓強5 MPa 時注漿管應無損傷。

2 封孔器的檢測方法

2.1 檢測標準及樣件選取

封孔器檢測標準遵循《礦用封孔器通用技術條件》（Q/CXJT 16—2021）。注漿封孔器的囊袋是注漿封孔器的重要組成部分，其質量直接影響注漿封孔器的工作效率。因此，在送往專業檢測機構前，生產廠家需要對注漿封孔器的囊袋進行進廠檢驗[5]。

注漿封孔器囊袋的進廠檢驗取樣標準有兩個：一是每批次數量隨機抽檢3～5 個，裁剪為標準試樣片進行拉伸試驗（試片拉力不低于3 000 N）；二是隨機抽取3 套成品封孔器，使用氣動式注漿泵正壓注漿至壓強為1.5 MPa，觀察囊袋縫合處有無損壞。

2.2 檢測步驟

2.2.1 外觀質量檢驗

要求封孔器的表面不應有裂口、凹陷、氣泡、鼓包、骨架層外露和機械雜質等缺陷[6]。FKZW-140/2.0 型礦用封孔器外觀如圖2 所示。

圖2 FKZW-140/2.0 型礦用封孔器外觀圖

2.2.2 規格尺寸檢驗

測量封孔器長度3 次，取其平均值作為封孔器的長度。封孔器的外徑公差須符合表1 的規定，公差超過表1 的公差范圍視為該項檢驗不合格。

表1 長度允許公差表

進行自由膨脹外徑測量時，隨機取一根封孔器組件，將其注漿管與注漿泵連接起來，向封孔器的囊袋注漿，在60～120 s 內，注漿壓強應達到設計工作壓強下限值。用游標卡尺在互成直角方向測量封孔器囊袋的最大外徑3 次，結果取算術平均值，結果保留1位小數。測量時應不使樣品狀態變形。

2.2.3 整機密封性能檢驗

將封孔器內勻速注入漿液，注漿泵的儀表顯示的壓強值保持在封孔器的最大設計工作壓強的1.1 倍。持續5 min，若封孔器無泄漏和其他損傷現象，則此項檢驗合格。

2.2.4 注漿管導電性能檢驗

此封孔器屬于抽放瓦斯封孔器，注漿管的表面電阻應小于1.0×106Ω。若滿足，則此項檢驗合格[7]。

2.2.5 注漿管的阻燃性能檢驗

取3 根注漿管試件進行阻燃性能檢驗，先清潔試件，然后將試件放在酒精噴燈火焰的外焰處直至燃燒，并撤走火源。若這3 根注漿管試件的火焰和火星都在30 s 內自動熄滅，則此項檢驗合格[8]。

2.2.6 爆破閥爆破壓強檢驗

爆破閥（見圖3）的爆破壓強應大于產品的最大設計工作壓強2.0 MPa。用注漿泵將封孔器內勻速注入漿液，直至爆破閥爆裂。如果爆裂前的瞬間，注漿泵的測量儀表（見圖4）顯示的壓強值的最大值小于最大設計工作壓強2.0 MPa，那么此項檢驗不合格；注漿泵的測量儀表顯示的最大壓強值大于最大設計工作壓強2.0 MPa，那么此項檢驗合格。爆破閥爆破壓強檢驗對于封孔器檢測至關重要。注漿時爆破閥壓強等于最大設計工作壓強時，漿液才能注滿囊袋，使囊袋牢固密封煤層孔洞。如果注漿時爆破閥在小于最大設計工作壓強時爆破泄露漿液，則囊袋未能注滿漿液，不能牢固密封煤層孔洞。因此，爆破閥爆破壓強檢驗對于封孔器檢測至關重要。通過試驗了解到爆破閥爆破壓強檢驗的試驗方法還存在改進空間。

此外，封孔器使用的非金屬瓦斯抽放管材應取得礦用產品安全標志證書。若所有檢驗項目都滿足要求，則此FKZW-140/2.0 型礦用封孔器檢驗即可判定為合格。

3 爆破閥爆破壓強檢驗的改進

3.1 目前爆破閥爆破壓強檢驗的局限性

爆破閥爆破壓強檢驗存在一定的危險。注漿泵將泥漿注入封孔器，爆破閥會緩慢膨脹直到炸裂。炸裂時，爆破閥碎片和泥漿四濺，可能會傷到試驗人員，且破壞試驗環境。此項檢驗存在一定的局限性。

3.2 爆破壓強檢驗改進

爆破閥爆破壓強檢驗有改進的空間，可以在原試驗方案上進行改進。原試驗方案是在戶外選擇一處空地將封孔器與注漿泵連接，隨后注漿并錄視頻記錄測量儀表的示數變化，直至爆破閥爆裂。爆破閥爆裂時，爆破閥的碎片和漿液四處飛濺，很大概率會飛濺到試驗人員的身上，不衛生且危險。改進后爆破閥爆破壓強試驗的原理，如圖5 所示。在做爆破閥的爆破壓強檢驗前，將封孔器和注漿泵放置在有防爆玻璃隔離的實驗室內，防爆玻璃內側（圖5 虛線右側）放置封孔器和注漿泵，防爆玻璃外側（圖5 虛線左側）試驗人員遠程操作進行爆破閥爆破壓強試驗。此過程需要用到數字智能化系統。試驗人員通過操控可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）來遠程操控注漿泵的注漿速率和注漿時間。RS-485 是一種廣泛使用的串行通信方式。PLC 設備和注漿泵通過RS-485 總線連接，可以通過PLC 設備遠程控制注漿泵的工作狀態。封孔器的爆破閥爆裂時，四濺的爆破閥碎片和漿液會被防爆玻璃隔斷，從而有效保障試驗人員的人身安全，使得此項檢驗更加安全、便捷及智能。

圖5 改進后的爆破閥爆破壓強試驗原理

4 結語

文章闡述FKZW-140/2.0 型礦用封孔器的名稱型號含義、組成結構、制作材料和工作原理，給出目前封孔器的類型規格及技術背景，并介紹封孔器的檢測方法，描述了檢驗的具體檢測步驟和檢測內容。目前，爆破閥爆破壓強檢驗存在一定的局限性。文章在原有的爆破閥爆破壓強試驗方案上進行改進，給出了智能化遠程控制爆破閥爆破壓強檢驗新的試驗方法。試驗人員通過操控PLC 設備來遠程操控注漿泵對爆破閥加壓，用防爆玻璃隔離開工作人員與封孔器的爆破閥，提升了該項檢驗的安全性和環保性。