矿用封孔器检验方法研究

崔 畅 刘艺平 刘哲宁

（抚顺中煤科工检测中心有限公司，抚顺 113122）

封孔器是煤层气抽放和煤层注水钻孔孔口的密封装置。按封孔原理，封孔器可分为气压式封孔器、水压式封孔器、推胀式封孔器、吸入式封孔器和注浆式封孔器等。按用途，封孔器可分为注水用封孔器、注浆用封孔器和抽放瓦斯用封孔器等。

在煤矿生产工作中，封孔器可以用于对煤矿掘进工作面进行注水。封孔器在对煤体注入适量水分后，会大幅减少煤矿掘进工作过程中产生的粉尘量，改善煤矿工人的生产环境和劳动条件。使用封孔器注水会促使煤体松弛，便于煤体开采，提高采煤工作效率。此外，在煤矿挖掘工作中，可以使用封孔器在煤矿环境中抽放瓦斯，保证煤矿工人的人身安全。

文章的研究对象是FKZW-140/2.0 型注浆式抽放瓦斯封孔器，其中“FK”指“封孔”，“Z”指此款封孔器的封孔原理是注浆式，“W”指此款封孔器的用途是抽放瓦斯，“140”指此款封孔器最大适用孔径直径为140 mm，“2.0”指此款封孔器爆破阀的最小爆破压强为2.0 kPa。

抽放瓦斯封孔器由快速接头、注浆管、爆破阀和囊袋等组成。囊袋一般使用尼龙高强线和涤纶高强线，特征是膨胀外径范围较小，承受爆破压强大，易加工，成形能力好，抗静电性能要求相对较高。该产品具有使用方便、制造成本低、可重复使用、操作简单、人工劳动强度低、工作效率高等优点。

注浆封孔器主要是向大直径、滤水效果好、承压强度高方面发展。最早的注浆式封孔器的注浆管材料主要是橡胶编织管，但由于该材料密封性能不够好，现阶段基本不用橡胶编织管作为注浆式封孔器的注浆管。聚氨酯封孔材料因为不阻燃的问题，现阶段也很少使用。目前，注浆封孔器的注浆管大多采用原生聚乙烯（Polyethylene，PE）料[1]。

1 封孔器工作原理及相关技术参数

1.1 工作原理

FKZW-140/2.0 型矿用封孔器应用于瓦斯气体的抽放和煤层钻孔的封孔，如图1 所示。将瓦斯抽放管或注水管和封孔器平行放置，同时插入煤壁或岩壁钻孔。利用注浆泵将封孔器的注浆管充满浆液，浆液会从注浆管流入连接着注浆管的囊袋。囊袋膨胀后，囊袋的外径会紧固在煤层孔壁上，将煤层的钻孔牢牢封闭[2]。在两个囊袋之间的注浆管上装有爆破阀。封孔器上的爆破阀压强大于其最大工作压强时，爆破阀会爆破，浆液从爆破的爆破阀流出，从而将封孔器囊袋周围的部分填充满浆液。待浆液凝固后，即可实现对煤层钻孔的封孔，而瓦斯气体可通过抽放管路进行抽放[3-4]。

图1 矿用封孔器封孔原理

1.2 注浆封孔器技术参数

第一，注浆封孔器爆破阀的工作压强应控制在1.2～2.2 MPa，并根据封孔器规格分类控制爆破阀压强。第二，注浆封孔器扣压外套应为20#钢，外套内径为28 mm±0.1 mm，壁厚为1.5 mm±0.1 mm。第三，注浆封孔器的气动式快接，强度要求6 MPa 无损伤。第四，注浆封孔器的注浆管用料为MPE100 级原生PE 料，生产直径为16 mm 的注浆管。要求外径为15.8 mm±0.1 mm，壁厚为1.9 mm±0.1 mm，在压强5 MPa 时注浆管应无损伤。

2 封孔器的检测方法

2.1 检测标准及样件选取

封孔器检测标准遵循《矿用封孔器通用技术条件》（Q/CXJT 16—2021）。注浆封孔器的囊袋是注浆封孔器的重要组成部分，其质量直接影响注浆封孔器的工作效率。因此，在送往专业检测机构前，生产厂家需要对注浆封孔器的囊袋进行进厂检验[5]。

注浆封孔器囊袋的进厂检验取样标准有两个：一是每批次数量随机抽检3～5 个，裁剪为标准试样片进行拉伸试验（试片拉力不低于3 000 N）；二是随机抽取3 套成品封孔器，使用气动式注浆泵正压注浆至压强为1.5 MPa，观察囊袋缝合处有无损坏。

2.2 检测步骤

2.2.1 外观质量检验

要求封孔器的表面不应有裂口、凹陷、气泡、鼓包、骨架层外露和机械杂质等缺陷[6]。FKZW-140/2.0 型矿用封孔器外观如图2 所示。

图2 FKZW-140/2.0 型矿用封孔器外观图

2.2.2 规格尺寸检验

测量封孔器长度3 次，取其平均值作为封孔器的长度。封孔器的外径公差须符合表1 的规定，公差超过表1 的公差范围视为该项检验不合格。

表1 长度允许公差表

进行自由膨胀外径测量时，随机取一根封孔器组件，将其注浆管与注浆泵连接起来，向封孔器的囊袋注浆，在60～120 s 内，注浆压强应达到设计工作压强下限值。用游标卡尺在互成直角方向测量封孔器囊袋的最大外径3 次，结果取算术平均值，结果保留1位小数。测量时应不使样品状态变形。

2.2.3 整机密封性能检验

将封孔器内匀速注入浆液，注浆泵的仪表显示的压强值保持在封孔器的最大设计工作压强的1.1 倍。持续5 min，若封孔器无泄漏和其他损伤现象，则此项检验合格。

2.2.4 注浆管导电性能检验

此封孔器属于抽放瓦斯封孔器，注浆管的表面电阻应小于1.0×106Ω。若满足，则此项检验合格[7]。

2.2.5 注浆管的阻燃性能检验

取3 根注浆管试件进行阻燃性能检验，先清洁试件，然后将试件放在酒精喷灯火焰的外焰处直至燃烧，并撤走火源。若这3 根注浆管试件的火焰和火星都在30 s 内自动熄灭，则此项检验合格[8]。

2.2.6 爆破阀爆破压强检验

爆破阀（见图3）的爆破压强应大于产品的最大设计工作压强2.0 MPa。用注浆泵将封孔器内匀速注入浆液，直至爆破阀爆裂。如果爆裂前的瞬间，注浆泵的测量仪表（见图4）显示的压强值的最大值小于最大设计工作压强2.0 MPa，那么此项检验不合格；注浆泵的测量仪表显示的最大压强值大于最大设计工作压强2.0 MPa，那么此项检验合格。爆破阀爆破压强检验对于封孔器检测至关重要。注浆时爆破阀压强等于最大设计工作压强时，浆液才能注满囊袋，使囊袋牢固密封煤层孔洞。如果注浆时爆破阀在小于最大设计工作压强时爆破泄露浆液，则囊袋未能注满浆液，不能牢固密封煤层孔洞。因此，爆破阀爆破压强检验对于封孔器检测至关重要。通过试验了解到爆破阀爆破压强检验的试验方法还存在改进空间。

此外，封孔器使用的非金属瓦斯抽放管材应取得矿用产品安全标志证书。若所有检验项目都满足要求，则此FKZW-140/2.0 型矿用封孔器检验即可判定为合格。

3 爆破阀爆破压强检验的改进

3.1 目前爆破阀爆破压强检验的局限性

爆破阀爆破压强检验存在一定的危险。注浆泵将泥浆注入封孔器，爆破阀会缓慢膨胀直到炸裂。炸裂时，爆破阀碎片和泥浆四溅，可能会伤到试验人员，且破坏试验环境。此项检验存在一定的局限性。

3.2 爆破压强检验改进

爆破阀爆破压强检验有改进的空间，可以在原试验方案上进行改进。原试验方案是在户外选择一处空地将封孔器与注浆泵连接，随后注浆并录视频记录测量仪表的示数变化，直至爆破阀爆裂。爆破阀爆裂时，爆破阀的碎片和浆液四处飞溅，很大概率会飞溅到试验人员的身上，不卫生且危险。改进后爆破阀爆破压强试验的原理，如图5 所示。在做爆破阀的爆破压强检验前，将封孔器和注浆泵放置在有防爆玻璃隔离的实验室内，防爆玻璃内侧（图5 虚线右侧）放置封孔器和注浆泵，防爆玻璃外侧（图5 虚线左侧）试验人员远程操作进行爆破阀爆破压强试验。此过程需要用到数字智能化系统。试验人员通过操控可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）来远程操控注浆泵的注浆速率和注浆时间。RS-485 是一种广泛使用的串行通信方式。PLC 设备和注浆泵通过RS-485 总线连接，可以通过PLC 设备远程控制注浆泵的工作状态。封孔器的爆破阀爆裂时，四溅的爆破阀碎片和浆液会被防爆玻璃隔断，从而有效保障试验人员的人身安全，使得此项检验更加安全、便捷及智能。

图5 改进后的爆破阀爆破压强试验原理

4 结语

文章阐述FKZW-140/2.0 型矿用封孔器的名称型号含义、组成结构、制作材料和工作原理，给出目前封孔器的类型规格及技术背景，并介绍封孔器的检测方法，描述了检验的具体检测步骤和检测内容。目前，爆破阀爆破压强检验存在一定的局限性。文章在原有的爆破阀爆破压强试验方案上进行改进，给出了智能化远程控制爆破阀爆破压强检验新的试验方法。试验人员通过操控PLC 设备来远程操控注浆泵对爆破阀加压，用防爆玻璃隔离开工作人员与封孔器的爆破阀，提升了该项检验的安全性和环保性。