CN104632075A - 一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统及方法，具体涉及煤矿井下覆岩裂隙发育规律探测领域。本发明的目的是为了解决现有的覆岩裂隙探测存在的开挖钻孔与覆岩裂隙探测不能同时进行，钻孔长时间放置会产生新的裂隙，导致一定的测量误差甚至产生塌孔，以及探测过程中是否完成封孔以及封孔的可靠性无法人为验证的不足。一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，包括探管、钻进装置和控制装置；探管杆体上部套有封孔胶囊，封孔胶囊两端分别通过位于探管上的上凸台和下凸台固定，封孔胶囊内部为电动三通球阀，下凸台下部的探管杆体上开有凹槽。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下覆岩裂隙发育规律探测领域，尤其涉及一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统及方法。
背景技术
煤矿井下开采引起周围岩体的应力场、变形场等重新分布，导致上覆岩层出现不同程度的破坏。其中，岩层采动破断裂隙是煤矿突水的通道，采动裂隙演化规律是判断矿井突水发生条件、进行矿井突水预测和制订矿井水害防治对策的重要理论基础。
现有技术中，专利一种覆岩导水裂隙带监测系统及其探测钻进方法(申请号201110457012.3，)与煤层采空区裂隙带注水观测系统(申请号201020248915.1)公开了一种双端堵水观测系统，该系统主要包括探杆、控制装置和推进装置；探管由两个封堵胶囊、注水管路、封堵管路、连接管等构成；控制装置包括注水控制装置和封堵控制装置，由压力表、流量表、开关等构成；推进装置由钻机、钻杆构成。该系统在使用过程中，注水管路和封堵管路均连接在探杆上，随探杆和钻杆一块进入钻孔内，在井下恶劣的条件下，管路很容易与钻孔壁和钻杆之间产生摩擦、挤压，破坏管路的密封性，甚至使管路断裂；受管路连接等的影响，探测深度不能太大，否则连接处容易断裂，而且封孔胶囊起涨压力不能太大，否则胶囊不能膨胀，经常发生因胶囊膨胀不到位而使测量结果错误的现象；为了提高封孔的可靠性，有时会将封孔压力调的较大，从而减小封孔胶囊寿命，甚至发生破裂，严重影响导水裂隙带的正常观测及观测结果的准确性。
现有技术中，专利一种电控式单回路堵水覆岩裂隙探测仪(申请号：201220663940.5)与一种电控式单回路堵水覆岩裂隙探测方法(申请号：201210517637.9)公开了一种覆岩裂隙检测系统与方法，该覆岩裂隙检测系统主要包括探管、注水控制装置和推进装置；探管由水流调节装置、两个封孔胶囊、连接杆、连接块等构成；注水控制装置由压力表、流量表、开关等构成；推进装置由钻机、钻杆构成。该系统封堵和注水采用同一回路，取消了封堵管路，并直接通过钻杆注水，从而避免了封堵管路、注水管路与钻孔壁和钻杆摩擦、挤压而发生破裂，造成不能有效堵孔和注水，简化了探测系统，极大提高了堵水可靠性，而且探测深度不受限制；自动检测封孔胶囊内的压力，达到预设值时及时切断水源，消除了人工操作的误差，既能保证有效堵孔，又对封孔胶囊起到保护作用，在现场应用中获得了较好的效果。
然而，现有技术在使用过程中均需要提前开挖钻孔，钻孔长时间放置会产生新的裂隙，导致一定的测量误差；特别是当上覆岩层较软或较破碎时，甚至会出现塌孔，导致后续探测工作无法进行；另外，探测过程中是否完成封孔以及封孔的可靠性无法人为验证。
发明内容
本发明的目的是针对现有的覆岩裂隙探测存在的开挖钻孔与覆岩裂隙探测不能同时进行，钻孔长时间放置会产生新的裂隙，导致一定的测量误差甚至产生塌孔，以及探测过程中是否完成封孔以及封孔的可靠性无法人为验证等问题，提出了一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统及方法。
本发明采用如下技术方案：
一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，包括探管、钻进装置和控制装置；
所述探管杆体上套有封孔胶囊，探管上端设有外螺纹，下端设有内螺纹，所述封孔胶囊两端分别通过位于探管的上凸台和下凸台固定，所述上凸台与下凸台的横截面为梯形，下凸台下部的探管杆体上开有凹槽；所述封孔胶囊内部设有电动三通球阀，所述电动三通球阀包括执行器、电磁线圈、上通口和侧通口，所述执行器可以在上通口与侧通口之间旋转。
所述钻进装置包括钻机、多个钻杆和钻头，所述钻头通过螺纹与所述探管上端连接，位于前端的钻杆通过螺纹与所述探管下端连接，各钻杆之间通过螺纹连接，钻杆杆体均开有一凹槽，钻杆与探管及钻杆间紧密连接时，探管下部的凹槽与钻杆凹槽均在同一条直线上。
所述控制装置包括水流调节装置和注水操作台，所述水流调节装置包括24V直流电源、电缆线和三通球阀开关，所述24V直流电源、三通球阀开关和所述探管内电动三通球阀的电磁线圈通过电缆线连接构成回路，所述注水操作台包括连接管、进水阀、压力表、流量表、放水阀、支架和水管，所述钻杆及探管内部均具有水流通道，上通口和侧通口与水流通道相连通，所述水管与所述钻杆的水流通道相连，所述钻头上开有出水口，出水口与水流通道相连通。
一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化方法，使用上述的一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，包括以下步骤：
步骤一：在井下硐室或巷道内布置用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，配备3～6MPa水压的水源；安装钻机，依次连接水源、注水操作台、钻杆、探管和钻头，并连接电磁线圈、电缆线、24V直流电源和三通球阀开关，将电缆线置于探管和钻杆杆体的凹槽内，并用扎带固定以防电缆线滑出凹槽，同时将24V直流电源和三通球阀开关固定在钻孔外部的钻杆上；开动钻机进行钻进时，三通球阀开关处于打开状态，电磁线圈不通电，执行器位于侧通口处，此时电动三通球阀的上通口打开，侧通口关闭，水流经过钻头上的出水口进入钻孔内，起降温除尘作用。
步骤二：钻进至预定位置时，停止钻进，闭合三通球阀开关，电磁线圈通电，使执行器旋转至上通口处，此时电动三通球阀的上通口关闭，侧通口打开，水流进入封孔胶囊内，使封孔胶囊膨胀；当流量表的示数不再变化时，打开三通球阀开关，完成封孔。
步骤三：调节进水阀大小，使压力表数值达到设定值，压力表的设定值为固定压力值(一般为1MPa左右)与高程水压(注水操作台与探管所在孔段高度的静水压力)之和。观测流量表记录每1分钟内水的流量，共观测3次，记录3个流量值，完成该位置的测量工作；关闭进水阀，闭合三通球阀开关，打开放水阀，使封孔胶囊内的水流出，若出现大量水沿钻孔壁流出，表明封孔是良好的。
步骤四：关闭放水阀，打开三通球阀开关，打开进水阀，继续钻进钻孔，到达预定位置时，重复步骤二和步骤三，直至完成所有的测量工作；取每个测量位置处3个流量值的平均值为y轴数据，钻孔深度为x轴数据，绘制流量―钻孔深度曲线，流量值越大的位置，覆岩裂隙越发育。
优选地，所述步骤二还包括：完成封孔后，关闭进水阀，若压力表的示数保持不变，表明各管路连接良好，无漏水现象；待无水流沿钻孔壁流出时，重新打开进水阀，若不出现大量水沿钻孔壁流出，表明封孔良好。
优选地，所述步骤一、步骤四还包括：随着钻机钻进，24V直流电源和三通球阀开关不断随钻杆向上运动，每钻进一定距离，需向下调整24V直流电源和三通球阀开关的位置，以保证24V直流电源和三通球阀开关始终固定在钻孔外部的钻杆上。
本发明具有如下有益效果：
1、钻孔钻进与覆岩裂隙探测同步进行，显著减小了因提前开挖钻孔加剧裂隙发育而引起的测量误差，对地质条件变化(软岩、断层等)的适应性强，克服了因钻孔塌孔导致卡钻等使探测工作无法进行的问题。
2、直接通过钻杆注水和封孔，取消了注水和封堵软管，克服了软管易磨损和断裂的问题，而且水压可以很大，为采用高强封孔胶囊封孔提供了可能，克服了封孔胶囊易磨损和破裂的问题，显著提高了封孔可靠性。
3、通过电动三通球阀人为控制注水和封孔，可以随时检查封孔的可靠性，从而为探测的准确性提供了保证。
4、边钻进边探测，减少了劳动量，降低了工人劳动强度，提高了探测效率。本发明不仅适用于中硬以上覆岩裂隙发育规律的探测，而且在软弱覆岩、断层较发育地带等易塌孔条件下，仍能取得较好的探测效果，具有探测精度高、封孔效果好、操作简单、效率高等优点，便于推广使用。
附图说明
图1是一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统的结构示意图；
图2是本发明中探管结构的平面示意图；
图3是本发明中探管结构的断面示意图；
图4是本发明中电动三通球阀及上通口流向的示意图；
图5是本发明中电动三通球阀及侧通口流向的示意图；
图6是本发明中电动三通球阀控制回路的示意图；
图7是本发明中钻杆的示意图；
图8是本发明中钻杆的立面示意图；
图9是本发明中注水操作台结构示意图；
图10是本发明获得的流量―钻孔深度曲线示意图。
其中，1为探管，2为钻机，3为钻杆，4为钻头，5为注水操作台，6为电缆线，7为24V直流电源及三通球阀开关，8为钻孔，9为杆体，10为电动三通球阀，11为封孔胶囊，12为上凸台，13为下凸台，14为凹槽，15为电磁线圈，16为执行器，17为侧通口，18为上通口，19为水管，20为24V直流电源，21为三通球阀开关，22为进水阀，23为压力表，24为流量表，25为放水阀，26为支架，27为连接管，28为出水口，29为水流通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1-图9所示，一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，包括探管1、钻进装置和控制装置。
所述探管1杆体上套有封孔胶囊11，探管1上端设有外螺纹，下端设有内螺纹，所述封孔胶囊11两端分别通过位于探管1的上凸台12和下凸台13固定，所述上凸台12与下凸台13的横截面为梯形，下凸台13下部的探管1杆体上开有凹槽14；所述封孔胶囊11内部设有电动三通球阀10，所述电动三通球阀10包括执行器16、电磁线圈15、上通口18和侧通口17，所述执行器16可以在上通口18与侧通口17之间旋转。
所述钻进装置包括钻机2、多个钻杆3和钻头4，所述钻头4通过螺纹与所述探管1上端连接，位于前端的钻杆3通过螺纹与所述探管1下端连接，各钻杆3之间通过螺纹连接，钻杆3杆体均开有一凹槽14，钻杆3与探管1及钻杆3之间紧密连接时，探管1下部与钻杆3上的凹槽14在同一条直线上。
所述控制装置包括水流调节装置和注水操作台5，所述水流调节装置包括24V直流电源7、电缆线6和三通球阀开关7，所述24V直流电源7、三通球阀开关7和所述探管内电动三通球阀10的电磁线圈15通过电缆线6连接构成回路，所述注水操作台5包括连接管27、进水阀22、压力表23、流量表24、放水阀25、支架26和水管19，所述钻杆3及探管1内部均具有水流通道29，上通口18和侧通口17与水流通道29相连通，所述水管19与所述钻杆3的水流通道29相连，所述钻头4上开有出水口28，出水口28与水流通道29相连通。
一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化方法，使用上述的一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，包括以下步骤：
步骤一：在井下硐室或巷道内布置用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，配备3～6MPa水压的水源；安装钻机2，依次连接水源、注水操作台5、钻杆3、探管1和钻头4，并连接电磁线圈15、电缆线、24V直流电源20和三通球阀开关21，将电缆线6置于探管1和钻杆3杆体的凹槽14内，并用扎带固定以防电缆线6滑出凹槽，同时将24V直流电源和三通球阀开关7固定在钻孔8外部的钻杆3上；开动钻机2进行钻进时，三通球阀开关21处于打开状态，电磁线圈15不通电，执行器16位于侧通口17处，此时电动三通球阀10的上通口18打开，侧通口17关闭，水流经过钻头4上的出水口28进入钻孔8内，起降温除尘作用。
步骤二：钻进至预定位置时，停止钻进，闭合三通球阀开关21，电磁线圈15通电，使执行器16旋转至上通口18处，此时电动三通球阀10的上通口18关闭，侧通口17打开，水流进入封孔胶囊11内，使封孔胶囊11膨胀；当流量表24的示数不再变化时，打开三通球阀开关21，完成封孔。
步骤三：调节进水阀22大小，使压力表23数值达到设定值，压力表23的设定值为某固定压力值P(一般为1MPa左右)与高程水压Q(Q为注水操作台与探管所在孔段高度的静水压力，随钻孔深度的增大而增大)之和。观测流量表24记录每1分钟内水的流量，共观测3次，记录3个流量值，完成该位置的测量工作；关闭进水阀22，闭合三通球阀开关21，打开放水阀25，使封孔胶囊内11的水流出，若出现大量水沿钻孔壁流出，表明封孔是良好的。
步骤四：关闭放水阀25，打开三通球阀开关21，打开进水阀22，继续钻进钻孔8，到达预定位置时，重复步骤二和步骤三，直至完成所有的测量工作；取每个测量位置处3个流量值的平均值为y轴数据，钻孔深度为x轴数据，绘制流量―钻孔深度曲线，流量值越大的位置，覆岩裂隙越发育。
所述步骤二还包括：完成封孔后，关闭进水阀22，若压力表23的示数保持不变，表明各管路连接良好，无漏水现象；待无水流沿钻孔壁流出时，重新打开进水阀22，若不出现大量水沿钻孔壁流出，表明封孔良好。
所述步骤一、步骤四还包括：随着钻机2钻进，24V直流电源和三通球阀开关7不断随钻杆3向上运动，每钻进一定距离，需向下调整24V直流电源和三通球阀开关7的位置，以保证24V直流电源和三通球阀开关7始终固定在钻孔8外部的钻杆3上。
如图10所示，为本发明步骤四绘制的流量―钻孔深度曲线示意图。由图可获得钻孔深度13～78m位置为覆岩裂隙较发育的范围。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，其特征在于，包括探管、钻进装置和控制装置；
所述探管杆体上套有封孔胶囊，探管上端设有外螺纹，下端设有内螺纹，所述封孔胶囊两端分别通过位于探管上的上凸台和下凸台固定，所述上凸台与下凸台的横截面为梯形，下凸台下部的探管杆体上开有凹槽；所述封孔胶囊内部设有电动三通球阀，所述电动三通球阀包括执行器、电磁线圈、上通口和侧通口，所述执行器可以在上通口与侧通口之间旋转；
所述钻进装置包括钻机、多个钻杆和钻头，所述钻头通过螺纹与所述探管上端连接，位于前端的钻杆通过螺纹与所述探管下端连接，各钻杆之间通过螺纹连接，钻杆杆体均开有一凹槽，钻杆与探管及钻杆之间紧密连接时，探管下部的凹槽与钻杆凹槽均在同一条直线上；
所述控制装置包括水流调节装置和注水操作台，所述水流调节装置包括24V直流电源、电缆线和三通球阀开关，所述24V直流电源、三通球阀开关和所述探管内电动三通球阀的电磁线圈通过电缆线连接构成回路，所述注水操作台包括连接管、进水阀、压力表、流量表、放水阀、支架和水管，所述钻杆及探管内部均具有水流通道，上通口和侧通口设置在水流通道上，与水流通道相连通，所述水管与所述钻杆的水流通道相连，所述钻头上开有出水口，出水口与水流通道相连通。
2.一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化方法，使用如权利要求1所述的一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在井下硐室或巷道内布置用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，配备3～6MPa水压的水源；安装钻机，依次连接水源、注水操作台、钻杆、探管和钻头，并连接电磁线圈、电缆线、24V直流电源和三通球阀开关，将电缆线置于探管和钻杆杆体的凹槽内，用扎带将防电缆线束在探管及钻杆杆体上；开动钻机进行钻进时，三通球阀开关处于打开状态，电磁线圈不通电，此时电动三通球阀的上通口打开，侧通口关闭，水流经过钻头上的出水口进入钻孔内，起降温除尘作用；
步骤二：钻进至预定位置时，停止钻进，闭合三通球阀开关，电磁线圈通电，此时电动三通球阀的上通口关闭，侧通口打开，水流进入封孔胶囊内，使封孔胶囊膨胀；当流量表的示数不再变化时，打开三通球阀开关，完成封孔；
步骤三：调节进水阀大小，使压力表数值达到设定值，观测流量表记录每1分钟内水的流量，共观测3次，记录3个流量值，完成该位置的测量工作；关闭进水阀，闭合三通球阀开关，打开放水阀，使封孔胶囊内的水流出，若出现大量水沿钻孔壁流出，表明封孔是良好的；
步骤四：关闭放水阀，打开三通球阀开关，打开进水阀，继续钻进钻孔，到达预定位置时，重复步骤二和步骤三，直至完成所有的测量工作；取每个测量位置处3个流量值的平均值为y轴数据，钻孔深度为x轴数据，绘制流量―钻孔深度曲线，流量值越大的位置，覆岩裂隙越发育。
3.如权利要求2所述的一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化方法，其特征在于，所述步骤二还包括：完成封孔后，关闭进水阀，若压力表的示数保持不变，表明各管路连接良好，无漏水现象；待无水流沿钻孔壁流出时，重新打开进水阀，若不出现大量水沿钻孔壁流出，表明封孔良好。
4.如权利要求2所述的一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化方法，其特征在于，所述步骤一、步骤四还包括：随着钻机钻进，24V直流电源和三通球阀开关不断随钻杆向上运动，每钻进一定距离，需向下调整24V直流电源和三通球阀开关的位置，以保证24V直流电源和三通球阀开关始终固定在钻孔外部的钻杆上。
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