CN104453870A - 冻结壁交圈判断系统 - Google Patents

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汤江明
程桦
王成博
姚直书
王晓健
张海骄
刘冠学
余国锋
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Huainan Mining Group Co Ltd
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    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
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    • E21D1/00—Sinking shafts
    • E21D1/10—Preparation of the ground
    • E21D1/12—Preparation of the ground by freezing

Abstract

本发明提供一种冻结壁交圈判断系统，通过压力传感器采集水文孔中的水压，数据采集器采集压力传感器发送的压力数据，并将压力数据发送给处理器，处理器根据压力数据判断冻结壁是否交圈，从而解决了传统方法中由于水位持续上升无固定静水位，需要接很高水管来判断冻结壁交圈的问题，判定准确且易于操作。

Description

冻结壁交圈判断系统
技术领域
本发明涉及机械电子技术，尤其涉及一种冻结壁交圈判断系统。
背景技术
随着煤炭开采深度的增加，新建井筒穿过的地层条件变得越来越复杂。图1是一种新建井筒穿过的地层结构立面图，如图1所示，自上而下包括：表土层S2、风化基岩层S3、红层S4、基岩段S5。
现有煤炭开采的施工中采用三同时建井技术，下面结合图1和图2，对建井过程进行详细说明。图2是三同时建井技术注浆、冻结、水文孔开孔位置平面示意图；如图2和图1所示，以预挖井筒W1中心为圆心，以R1为半径的圆周上自上而下钻一定数量的注浆直孔h2，这些注浆直孔h2穿过表土层S2和风化基岩层S3直到下部基岩段S5，并通过该些注浆直孔h2进行地面预注浆，注浆直孔h2预注浆起始位置为基岩段S5起始位置S61，注浆直孔h2预注浆终止位置位于基岩段S5上，如图1中标号S62所示。然后以预挖井筒W1中心为圆心，在以R2(R2>R1)为半径的圆周上自上而下钻一定数量的呈S型的S孔h4，该S孔h4穿过表土层S2和风化基岩层S3，下部到达基岩段S5，通过该些S孔h4进行地面预注浆，S孔h4预注浆起始位置位于直孔注浆起始位置S61的下方，如图1中标号S81所示，S孔h4预注浆终止位置位于直孔注浆终止位置S62的下方，如图1中标号S82所示，且在进行S孔h4预注浆的同时进行冻结钻孔施工，即以预挖井筒W1中心为圆心，在以R3(R2>R3>R1)为半径的圆周上按序凿一定数量的冻结孔h3并下放冻结器，开始冻结后，每根冻结管周围逐渐形成冻结圆柱，各个冻结圆柱不断向外扩展而相互连成封闭的具有一定厚度和强度的冻结壁，这个过程就是冻结壁交圈。其中，判断冻结壁交圈可以通过观察水文孔h1的水位变化来实现，冻结壁达设计厚度和强度后，即可进行井筒的安全掘砌作业。
然而，在这些新建井筒范围内，由于风化基岩层S3下部存在着红层S4，其水平向渗透性差，而竖向渗透性相对较大，在进行S孔h4预注浆时高压流体作用于红层S4，使得红层S4将向上产生微小弯曲变形，同时，部分高压流体将通过竖向裂隙越流于底部含水层，底部含水层位于基岩段S5下方，图中未示出，在这两方面共同作用下，使得原有底部含水层压力增加，自然水压上升，通过预挖井筒W1的内部的水文孔h1溢出地面。随着预注浆工作一直持续，水文孔h1的水位随着水压的上升持续上升且无固定水位，如果用传统观察水位变化的方法来判断冻结壁交圈，即在水文孔h1中接水文管，通过观察水文管中的水位变化，由于此时水位持续上升，需要接很高的水管，不易操作，且没有固定静水位，从而给判断冻结壁交圈带来困难。
发明内容
本发明提供一种冻结壁交圈判断系统，用以解决传统方法中水文孔中水位持续上升且无固定静水位，从而需要接很高水文管观察水位变化来判断冻结壁交圈的问题。
本发明提供一种冻结壁交圈判断系统，包括：连接装置，压力传感器，数据采集器，数据线，处理器；
其中，所述连接装置分别与水文管和所述压力传感器连接；
所述数据采集器通过所述数据线和所述压力传感器连接，用于采集所述压力传感器发送的压力数据；
所述处理器通过所述数据线与所述数据采集器连接，用于接收所述数据采集器发送的压力数据，并根据所述压力数据判断冻结壁是否交圈。
所述处理器具体用于：确定第一时刻、第二时刻、第三时刻以及第四时刻接收的所述数据采集器发送的压力数据；
判断所述第二时刻、第三时刻以及第四时刻的压力数据对应的压力值相对于所述第一时刻的压力数据对应的压力值的增大值超过预设阈值的预设倍数时，则确定在所述第二时刻所述冻结壁交圈；其中，所述第一时刻至所述第二时刻，所述第二时刻至所述第三时刻，所述第三时刻至所述第四时刻，分别经历预设时间段。
所述连接装置为三通装置，所述三通装置的第一通与所述水文管连接，第二通与所述压力传感器连接，第三通连接泄水阀。
所述压力传感器为流体压力传感器，用于获取随水位变化的压力数据。
所述流体压力传感器由压力敏感元件、电容测微器组成。
所述数据采集器为批处理数据采集器。
所述系统还包括显示器，所述显示器通过所述数据线和所述处理器连接，所述显示器用于接收所述处理器发送的压力值随时间的变化关系，并显示所述压力值随时间的变化关系。
本发明提供一种冻结壁交圈判断系统，通过压力传感器采集水文孔中的水压，数据采集器采集压力传感器发送的压力数据，并发送给处理器，处理器根据压力数据判断冻结壁是否交圈，从而解决了传统方法中由于水位持续上升无固定静水位，需要接很高水管来判断冻结壁交圈的问题，判定准确且易于操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种新建井筒穿过的地层结构立面图；
图2是三同时建井技术注浆、冻结、水文孔开孔位置平面示意图；
图3是本发明实施例一的冻结壁交圈判断系统的装置示意图；
图4是本发明实施例二的三通装置的结构示意图；
图5是本发明实施例三的冻结壁交圈判断系统的另一装置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图3是本发明实施例一的冻结壁交圈判断系统的装置示意图；如图3所示，本发明的冻结壁交圈判断系统包括：连接装置1，压力传感器2，数据采集器3，数据线4，处理器5；其中，连接装置1分别与水文管和压力传感器2连接；数据采集器3通过数据线4和压力传感器2连接，用于采集压力传感器2发送的压力数据；处理器5通过数据线4与数据采集器3连接，用于接收数据采集器3发送的压力数据，并根据压力数据判断冻结壁是否交圈。
在通过该装置判断冻结壁是否交圈的具体操作过程中，首先将预挖的水文孔孔口密封，在孔口安装连接装置1，压力传感器2与连接装置1连接，用于实时监测水文孔中的水压，再通过数据线4将数据采集器3与压力传感器2连接，数据采集器3用来采集压力传感器2发送的压力数据，并将该压力数据发送给处理器5，其中，处理器5通过数据线4和数据采集器3连接，处理器5通过分析处理实时采集的压力数据，判断冻结壁是否交圈。
本实施例的冻结壁交圈判断系统，通过压力传感器采集水文孔中的水压，数据采集器采集压力传感器发送的压力数据，并发送给处理器，处理器根据该压力数据判断冻结壁是否交圈，从而解决了传统方法中由于水位持续上升无固定静水位，需要接很高水管来判断冻结壁交圈的问题，不需要接很高的水文管，判定准确且易于操作。
进一步地，上述处理器5具体用于：确定第一时刻、第二时刻、第三时刻以及第四时刻接收的数据采集器3发送的压力数据；判断第二时刻、第三时刻以及第四时刻的压力数据对应的压力值相对于第一时刻的压力数据对应的压力值的增大值超过预设阈值的预设倍数时，则确定在第二时刻所述冻结壁交圈；其中，第一时刻至第二时刻，第二时刻至第三时刻，第三时刻至第四时刻，分别经历预设时间段。
其中，从第一时刻到第四时刻依次经历预设时间段，该预设时间段在此近似设定为24小时，第一时刻至第四时刻分别为随机设定的某一天中的某一时刻，例如，在具体处理过程中，处理器5实时收集数据采集器3发送的一天24小时的压力数值，假设当2014年1月2号13点的压力数值相对于2014年1月1号13点的压力数值的增大值超过预设阈值(比如0.1MPa)的5倍，此处预设倍数设定为5倍，且增大5倍的数据持续三天，即2014年1月3号、4号13点的压力数值的增大值也超过预设阈值的5倍，则确定冻结壁在2014年1月2号13点交圈。上述第一时刻(第二时刻，第三时刻，第四时刻)，近似到某个时刻，实际操作过程中可以根据需要精确到分钟或者其他参考时间。
本实施例中的处理器，通过确定第一时刻至第四时刻的压力数据对应的压力值，当满足第二时刻、第三时刻以及第四时刻的压力数据对应的压力值相对于第一时刻的压力数据对应的压力值的增大值超过预设阈值的预设倍数时，则确定在第二时刻冻结壁交圈，从而实现了冻结壁交圈的判断过程。
可选地，上述连接装置1为三通装置，所述三通装置的第一通11与所述水文孔连接，第二通12与所述压力传感器连接，第三通13连接泄水阀。
具体的，如图4所示，图4是本发明实施例二的三通装置的结构示意图；上述三通装置可以为不锈钢三通管件，其中第一通11通过水管或者其他管体连接水文孔，第二通12连接压力传感器，以便压力传感器测量水文孔中的水压，第三通13连接泄水阀，以便当水压过高时，起到泄水作用。具体连接方式可以根据施工环境和工艺需求进行适当连接。
本实施例中的三通装置，一通和水文孔连接，一通连接压力传感器，一通和泄水阀连接，可以在测量水文孔中水压的同时，实现当水文孔中的水压过高时，通过泄水阀起到泄水的作用，避免了水压过大对冻结壁产生破坏。
可选地，上述压力传感器2为流体压力传感器，用于获取随水位变化的水压数据。本实施例中流体压力传感器主要适用于液体压力的自动检测，可以解决硅压力传感器反应信号弱、精度低、在腐蚀性介质中使用不便的问题。
可选地，上述流体压力传感器由压力敏感元件、电容测微器组成。压力敏感元件为弹性膜片，测微器为电容测微器。
可选地，上述数据采集器3为批处理数据采集器。批处理数据采集器通过USB线或串口数据线和计算机进行通信，它具有现场实时数据采集、自动存储、自动传输功能。批处理数据采集器保证了现场数据的真实性、有效性、实时性。
进一步地，上述系统还包括显示器6，如图5所示，图5是本发明实施例三的冻结壁交圈判断系统的另一装置示意图；显示器6通过数据线4和处理器5连接，显示器6用于接收处理器5发送的压力值随时间的变化关系，并显示所述压力值随时间的变化关系。
具体的，该显示器6可以将压力值和时间的变化关系以曲线的形式显示在屏幕上，或者以表格的形式显示给使用者，以便使用者直观、准确的从显示器的屏幕上看出压力随时间的变化关系，用户体验更高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种冻结壁交圈判断系统，其特征在于，包括：连接装置，压力传感器，数据采集器，数据线，处理器；
其中，所述连接装置分别与水文孔和所述压力传感器连接；
所述数据采集器通过所述数据线和所述压力传感器连接，用于采集所述压力传感器发送的压力数据；
所述处理器通过所述数据线与所述数据采集器连接，用于接收所述数据采集器发送的压力数据，并根据所述压力数据判断冻结壁是否交圈。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器具体用于：确定第一时刻、第二时刻、第三时刻以及第四时刻接收的所述数据采集器发送的压力数据；
判断所述第二时刻、第三时刻以及第四时刻的压力数据对应的压力值相对于所述第一时刻的压力数据对应的压力值的增大值超过预设阈值的预设倍数时，则确定在所述第二时刻所述冻结壁交圈；其中，所述第一时刻至所述第二时刻，所述第二时刻至所述第三时刻，所述第三时刻至所述第四时刻，分别经历预设时间段。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连接装置为三通装置，所述三通装置的第一通与所述水文孔连接，第二通与所述压力传感器连接，第三通连接泄水阀。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压力传感器为流体压力传感器，用于获取随水位变化的压力数据。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述流体压力传感器由压力敏感元件、电容测微器组成。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集器为批处理数据采集器。
7.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，还包括显示器，所述显示器通过所述数据线和所述处理器连接，所述显示器用于接收所述处理器发送的压力值随时间的变化关系，并显示所述压力值随时间的变化关系。
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