CN105422078A - 围岩采动破坏范围分段测试方法 - Google Patents

围岩采动破坏范围分段测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种围岩采动破坏分段测试方法，属于矿山顶底板岩体破坏范围测定技术领域。解决了矿山顶底板岩体观测设备的一次封堵多段测量、封堵测漏一体化及其内部水压力转换测定问题。其所采用的测试系统包括封堵系统、导向系统、供给推进系统和压力转换系统，每个封堵系统的封堵单元均包括漏水管及连接在漏水管两端的管状接头，相邻的封堵单元之间设置有连通管，连通管的两端分别连接在相邻封堵单元的管状接头上，在两个管状接头之间的漏水管外围设置有封堵胶囊，封堵胶囊与漏水管之间形成一定的封堵空间。本发明测试方法可以同时实现一次封堵多段测量、封堵测漏一体化及封堵高压水源向观测低压水源的压力转换。

Description

围岩采动破坏范围分段测试方法
技术领域
本发明属于矿山顶底板岩体破坏范围测定技术领域，具体涉及围岩采动破坏范围分段测试方法。
背景技术
矿山顶底板岩体破坏范围的测量是标志煤岩赋存状态的重要参数。在研究矿井防治水时，它是一个关键性的基础参数，因此，研究采动围岩中的导水通道的形成，就有必要掌握岩层移动规律和确定顶底板岩体破坏范围。通常采用数值模拟、经验公式预计、现场实测等手段。
然而，由于现场条件复杂,在一定程度上,数值模拟不能很好的反映现场情况,经验公式预计的盲目性较大,随着采深加大,经验公式适用性越来越差。首先，由于现有的观测设备中同时工作的管道数量过多，尤其在推进过程中，容易出现钻孔内管道缠绕问题，其次，在实际观测过程中，封堵压力一般取2.5MPa，钻孔观测水压一般取0.1MPa，钻孔内观测水源压力不可过大，否则，会对钻孔孔壁内原有裂隙形成扩张作用。在同一外界水源下，如何让一体化观测设备中封堵水源与观测水源在各自压力下同时工作，最后，由于钻孔长度大致在50-70m，测试现场经常运用单段注水观测仪，每次推进测量长度(约1m)，推进次数过多使得人工工作量大大增加，进而可能影响测量精确性。现有技术未能同时解决上述三个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种围岩采动破坏分段测试方法，该测试方法可以同时实现一次封堵多段测量、封堵测漏一体化及封堵高压水源向观测低压水源的压力转换。
其技术解决方案包括：
一种围岩采动破坏分段测试方法，其所采用的测试系统包括封堵系统、导向系统、供给推进系统和压力转换系统；
所述封堵系统包括第一封堵单元、第二封堵单元和第三封堵单元，其中，第一封堵单元位于围岩钻孔的最内侧，第三封堵单元位于最外侧，第二封堵单元设置有多个，每个封堵单元均包括漏水管及连接在漏水管两端的管状接头，相邻的封堵单元之间设置有连通管；
所述压力转换系统包括水压转换器和卡槽管接头，所述水压转换器包括活塞和基体两部分，所述活塞左端面面积大于右端面面积，所述活塞内设置有相互连通的导水孔，所述导向系统包括导向锥；
所述测试方法包括以下步骤：
a打钻孔，在煤岩巷道中向顶板或底板岩体中先后施工规定角度的多个钻孔，孔深30-70m不等；
b安装观测系统，将导向锥安装在第一封堵单元头部的管状接头上，然后将连通管的两端分别连接在相邻封堵单元的管状接头上，依次安装第一封堵单元、第二封堵单元和第三封堵单元，在每个封堵单元两个管状接头之间的漏水管外围安装封堵胶囊，水压转换器通过卡槽管接头连接在第一封堵单元和第三封堵单元的管状接头上，将活塞内位于右端的导水孔通过小孔与卡槽管接头相连通，将位于左端的导水孔由基体密封，将供给推进系统与连通管接通；
c封闭钻孔，待其到达初始位置后，用注水操作台向观测系统内注入水源至其达到预定初始水压，起胀封堵胶囊密封钻孔；
d测定流水矢量参数，包括以下子步骤：
设置由第三封堵单元向第一封堵单元方向中每段分别为第1测段、第2测段、第3测段..第n测段，将对应的每个测段的压力转换器开启压力分别设定为m1＝2.5MPa,m2＝2.6MPa,m3＝2.7MPa...mi...mn(其中，m1＜m2＜m3...＜mi...＜mn)，取观测水压Pi 外为0.1MPa；
向测试系统内注水，封堵胶囊内压力P1内增加，当P1内稍大于2.5MPa时停止注水，并保持此时水压1-2分钟不变，此时只有第1测段水压转换器开启，并向对应钻孔内充水，当钻孔内水压到达0.1MPa，水压转换器关闭；当钻孔裂隙渗漏，致使钻孔内水压小于0.1MPa，则继续充水，此时读取并计算此时间段内平均漏失量L1；
继续增加水压至稍大于2.6MPa，此时为第1、2测段水压转换器开启并同时工作，读取并计算此时间段内平均漏失量L2，得到第2测段的平均漏失量为L2－L1；
依次类推第3段平均漏失量L3－L2－L1，直到第n测段，随着段数n的增加，
e回撤压力水源，使封堵胶囊处于卸压状态，然后利用供给推进系统移动观测系统至下一观测区域，重复步骤c、d，依次对钻孔进行测量。
作为本发明的一个优选方案，在活塞的右端设置有凸台，所述凸台用于对活塞中的弹簧进行限位，所述活塞用以控制左端的导水孔与围岩中的钻孔保持连通或关闭。
作为本发明的另一个优选方案，所述管状接头上设置有垂直向上和垂直向下的凸起部，所述封堵胶囊缠绕在两个凸起部的漏水管外围。
优选的，距凸起部一定距离的位于漏水管一侧的管状接头上设置有凹槽，所述凹槽通过与固定件配合将所述封堵胶囊固定。
优选的，每段漏水管上均布设有两个漏水孔。
优选的，所述活塞左端面与右端面的面积之比为10～25:1。
优选的，所述连通管与管状接头为螺纹连接。
当活塞满足Pi外Si外+kx≤Pi内Si内时，左端导水孔与围岩中的钻孔连通，其中，Pi外为0.1MPa，Pi内为2.5MPa，Si外为左端活塞面面积，Si内为右端活塞面面积，k为弹簧中弹性系数，x为压缩量，i为探测单元的个数。
优选的，所述供给推进系统包括注水操作台、回水压力表、电子记录器、钻机和钻杆，所述注水操作台向所述连通管内提供高压水源，所述电子记录器安装在注水操作台上，所述回水压力表用于对回水管中的回水压力进行校正检测。
优选的，所述第二封堵单元设置有两个。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明测试方法实现了观测系统的封堵测漏一体化，减少了钻孔内同时工作的管道数量，解决了推进过程中钻孔内多管道相互缠绕问题，提高了矿山顶底板岩体破坏范围测量过程的稳定性。
本发明测试方法实现了一体化过程中封堵水源向观测水源压力转换，解决了观测过程中封堵水源与观测水源在各自压力下工作问题，避免了观测水源压力过高对钻孔裂隙的破坏作用，提高了矿山顶底板岩体破坏范围测量过程的精确性。
本发明测试方法实现了观测系统的一次封堵多段测量，增加了每次推进测量长度，提高了测量效率，为矿山顶底板岩体破坏范围测量过程的高效性、稳定性和精确性奠定基础。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明围岩采动破坏范围分段测试系统的结构示意图；
图2为本发明测试系统中测试探头的整体示意图；
图3为本发明测试系统中第三封堵单元的结构示意图；
图4为本发明测试系统中第二封堵单元的结构示意图；
图5为本发明测试系统中第一封堵单元的结构示意图；
图6、7、8、9、10、11为压力转换系统中部分结构示意图；
图12为分段压力转换系统中水压转换器状态示意图；
图中，1、岩体，2、钻孔，3、封堵胶囊，4、连通管，5、水压转换器，6、管状接头一，7、漏水管，8、卡槽管接头，9、管状接头三，10、高压软管，11、钻杆，12、钻机，13、注水操作台，14、导向锥，15、管状接头二，16、活塞，17、导水孔，18、弹簧，19、凸台，20、基体，21、小孔，22、第一封堵单元，23、第二封堵单元，24、第三封堵单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明围岩采动破坏范围分段测试系统，如图1所示，主要包括封堵系统、导向系统、供给推进系统、压力转换系统和观测系统，其中，供给推进系统包括注水操作台13、回水压力表、电子记录器、钻机12和钻杆11，钻机通过高压软管10与注水操作台连接，注水操作台的作用是通过高压软管向连通管4内提供高压水源，电子记录器安装注水操作台上，作用是记录电子流量计的流水量参数，回水压力表用于对回水管中的回水压力进行校正检测，所述注水操作台13包括流量表、压力表，分别用于观测注水流量和注水压力，钻机12负责推进一体化观测系统至相应的观测区域，对于供给推进系统和观测系统的工作运行方法借鉴现有技术即可实现。
导向系统结合图2所示，主要包括安装在围岩最内侧的导向锥14，与管状接头三9呈螺纹连接，本发明优选将导向锥设计为锥状，便于钻孔2内出现凹凸不平台阶状时，起到导向作用。
封堵系统详见图1至图5所示，包括第一封堵单元22、第二封堵单元23、第三封堵单元24和连通管4，连通管4连接相邻的封堵单元，其中，第一封堵单元22和第三封堵单元24分别位于围岩钻孔的最内侧和最外侧，第二封堵单元23优选设置有两个，每个封堵单元均包括漏水管7及连接在漏水管两端的管状接头，管状接头分别是管状接头一6、管状接头二15和管状接头三9，连通管4的两端分别连接在相邻封堵单元的管状接头上以将相邻的封堵单元连接在一起。
相邻的封堵单元的具体结构与连接方式如：第二封堵单元23包括管状接头一6、管状接头二15、漏水管7和封堵胶囊3；第一封堵单元22包括管状接头二15、漏水管7、管状接头三9和封堵胶囊3，连通管4为一密封管道，管状接头一6上设置有凸状结构及凹槽，其中，凸状结构可以为垂直向上和垂直向下的凸起部，或与该结构类似的其它凸起部，凸起部的作用是挡住封堵胶囊3，以防滑落，凹槽的作用是可通过固定构件将封堵胶囊3固定其上。封堵胶囊3包绕在两个管状接头一6的凹槽状结构上，通过与漏水管7配合形成起胀封堵胶囊3的空间。
第一封堵单元中部件的连接关系与上述第二封堵单元大体相同，第一封堵单元中漏水管7左右两端与管状接头二15、管状接头三9也是螺纹连接，管状接头二15、管状接头三9外部设置凹槽状结构，可通过固定构件固定封堵胶囊3，封堵胶囊3包绕在管状接头二15、管状接头三9外部设置凹槽状结构上，通过与漏水管7配合形成起胀封堵胶囊3的空间。
本发明优选连通管4与其连接的管状接头也是螺纹连接。
上述压力转换系统详见图6至图12所示，包括水压转换器5和卡槽管接头8，卡槽管接头8左端与连通管4螺纹连接，右端与管状接头二15螺纹连接，卡槽管接头8左端面外侧区域与4个水压转换器5呈螺纹连接，水压转换器5分活塞16和基体20两部分，活塞16呈左右两端不等大的圆柱体，左端较大的圆柱体活塞面面积为Si外，接触水压为Pi内,右端较小的圆柱体活塞面面积为Si内,接触水压为Pi内，靠近活塞16的右端有一凸台19设置，通过弹簧18与基体20内部相应部位配合，保证活塞16在基体20内移动的同时不致脱离基体20。
活塞16内设置有相互连通的导水孔17，右端导水孔17通过小孔21与卡槽管接头8相连通，左端导水孔17开始时被基体20内壁密封，当活塞16向左伸出基体20大于某一位置时，左端导水孔17与钻孔2连通。
假设该测试系统有n段，段数n中第i段(i≤n)中水压转换器5所设计的开启压力比为mi，当Pi内/Pi外≤mi时，水压转化器5处于关闭状态，当Pi内/Pi外≥mi时，水压转化器5处于开启状态，其中mi由尾部测试单元段向头部测试单元段依次呈梯度递增。
活塞16中右端较小的圆柱体活塞面面积为Si内与左端较大的圆柱体活塞面面积为Si外的面积比Si内/Si外，可根据测试系统设置的段数n中第i段(i≤n)中水压转换器5所设计的开启压力比mi设计。
本发明水压转换器5的工作原理为：
测试系统设置的段数n中第i段(i≤n)中左端较大的圆柱体活塞面面积为Si外，接触水压为钻孔观测水压Pi外,右端较小的圆柱体活塞面面积为Si内,接触水压为封堵胶囊3封堵水压Pi 内，弹簧18中弹性系数k，压缩量x，由二力平衡原理可知：
当Fi外+Fi弹≥Fi内，即Pi外Si外+kx≥Pi内Si内，则水压转换器5处于关闭状态，活塞16不外移，导水孔17被基体20内壁阻挡，不能与钻孔2连通。
当Fi外+Fi弹≤Fi内，即Pi外Si外+kx≤Pi内Si内，则水压转换器5处于开启状态，活塞16向外移，导水孔17露出基体20内壁，与钻孔2连通，对钻孔2内进行补水。
上述过程既可实现由内测(指封堵胶囊3)封堵高压水(一般为2.5MPa)向外侧(指钻孔2内)观测低压水(0.1MPa)转化，又可根据需要实现钻孔2内实时补水过程。
其中，Pi外为观测水压，工程常取0.1MPa，Pi内为封堵系统内起胀封堵胶囊3用水压，工程常大于2.5MPa，由此可知，Si外与Si内的比值约为25:1，考虑到面积差值太大，故加入弹簧18进行调节，一是可以降低内外面积比，便于实际制造需要，二是可使活塞16可自动回位。
本发明测试系统工作原理为：
设置由尾部测试单元段向头部测试单元段中压力转换器5开启压力分别为m1＝2.5MPa,m2＝2.6MPa,m3＝2.7MPa...mi...mn(其中，m1＜m2＜m3...＜mi...＜mn)，取观测水压Pi 外为0.1MPa；
向系统内注水，封堵胶囊3内压力P1内增加，当P1内稍大于2.5MPa时停止注水，并保持此时水压1-2分钟不变，此时只有第1测段水压转换器5开启，并向对应钻孔2内充水，按照转换关系，当钻孔2内水压到达0.1MPa，水压转换器5关闭，当钻孔2裂隙渗漏，致使钻孔2内水压小于0.1MPa，则继续充水，读取并计算此时间段内平均漏失量L1；
继续增加水压至稍大于2.6MPa，此时只有第1、2测段水压转换器5开启并同时工作，读取并计算此时间段内平均漏失量L2，故第2测段的平均漏失量为L2－L1；
依次类推第3段平均漏失量L3－L2－L1，直到测完n段，随着段数n的增加，累计误差会随之增大，因此，在误差允许的范围内，段数n取3段较为适宜。
下面对本发明围岩采动破坏范围分段测试系统的观测方法做详细说明，主要步骤包括：
(1)打钻孔2：用常规的煤矿钻机12在煤岩巷道中向顶板或底板岩体1中先后施工规定角度钻孔多个，孔深30-70m不等；
(2)安装观测系统：清理钻孔中的杂物，根据钻孔2长度，选择观测系统每次推进观测的段数n，并在钻孔2中安装观测系统，将导向锥安装在第一封堵单元头部的管状接头上，然后将连通管的两端分别连接在相邻封堵单元的管状接头上，依次安装第一封堵单元、第二封堵单元和第三封堵单元，在每个封堵单元两个管状接头之间的漏水管外围安装封堵胶囊，水压转换器通过卡槽管接头连接在第一封堵单元和第三封堵单元的管状接头上，将活塞内位于右端的导水孔通过小孔与卡槽管接头相连通，将位于左端的导水孔由基体密封，将供给推进系统与连通管接通；通过相应管道连接钻机12、注水操作台13等，并利用钻机12和钻杆11将其送达钻孔2初始位置；
(3)封闭钻孔2：待其到达初始位置后，即用注水操作台13向观测系统内注入水源至其达到预定初始水压，起胀封堵胶囊3密封钻孔2；
(4)测定流水矢量参数：封堵合格后，进行流水矢量参数测定，即按照梯度依次增加水压稳定后，分别等待1-2分钟，分别读取并计算各孔段平均漏失量L1,L2-L1,L3-L2-L1.....，回撤压力水源，使封堵胶囊3处于卸压状态，然后利用钻机12和钻杆11移动观测系统至下一观测区域，重复步骤(3)和(4)，依次对钻孔2进行测量。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
尽管本文中较多的使用了诸如水压转换器、卡槽管接头等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，本领域技术人员在本发明的启示下对这些术语所做的简单替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：其所采用的测试系统包括封堵系统、导向系统、供给推进系统和压力转换系统；
所述封堵系统包括第一封堵单元、第二封堵单元和第三封堵单元，其中，第一封堵单元位于围岩钻孔的最内侧，第三封堵单元位于最外侧，第二封堵单元设置有多个，每个封堵单元均包括漏水管及连接在漏水管两端的管状接头，相邻的封堵单元之间设置有连通管；
所述压力转换系统包括水压转换器和卡槽管接头，所述水压转换器包括活塞和基体两部分，所述活塞左端面面积大于右端面面积，所述活塞内设置有相互连通的导水孔，所述导向系统包括导向锥；
所述测试方法包括以下步骤：
a打钻孔，在煤岩巷道中向顶板或底板岩体中先后施工规定角度的多个钻孔，孔深30-70m；
b安装观测系统，将导向锥安装在第一封堵单元头部的管状接头上，然后将连通管的两端分别连接在相邻封堵单元的管状接头上，依次安装第一封堵单元、第二封堵单元和第三封堵单元，在每个封堵单元两个管状接头之间的漏水管外围安装封堵胶囊，水压转换器通过卡槽管接头连接在第一封堵单元和第二封堵单元的管状接头上，将活塞内位于右端的导水孔通过小孔与卡槽管接头相连通，将位于左端的导水孔由基体密封，将供给推进系统与连通管接通；
c封闭钻孔，待其到达初始位置后，用注水操作台向观测系统内注入水源至其达到预定初始水压，起胀封堵胶囊密封钻孔；
d测定流水矢量参数，包括以下子步骤：
设置由第三封堵单元向第一封堵单元方向中每段分别为第1测段、第2测段、第3测段..第n测段，将对应的每个测段的压力转换器开启压力分别设定为m1＝2.5MPa,m2＝2.6MPa,m3＝2.7MPa...mi...mn(其中，m1＜m2＜m3...＜mi...＜mn)，取观测水压Pi 外为0.1MPa；
向测试系统内注水，封堵胶囊内压力P1内增加，当P1内稍大于2.5MPa时停止注水，并保持此时水压1-2分钟不变，此时只有第1测段水压转换器开启，并向对应钻孔内充水，当钻孔内水压到达0.1MPa，水压转换器关闭；当钻孔裂隙渗漏，致使钻孔内水压小于0.1MPa，则继续充水，此时读取并计算此时间段内平均漏失量L1；
继续增加水压至稍大于2.6MPa，此时为第1、2测段水压转换器开启并同时工作，读取并计算此时间段内平均漏失量L2，得到第2测段的平均漏失量为L2－L1；
依次类推第3段平均漏失量L3－L2－L1，直到第n测段，随着段数n的增加，
e回撤压力水源，使封堵胶囊处于卸压状态，然后利用供给推进系统移动观测系统至下一观测区域，重复步骤c、d，依次对钻孔进行测量。
2.根据权利要求1所述的围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：在活塞的右端设置有凸台，所述凸台用于对活塞中的弹簧进行限位，所述活塞用以控制左端的导水孔与围岩中的钻孔保持连通或关闭。
3.根据权利要求1所述的围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：所述管状接头上设置有垂直向上和垂直向下的凸起部，所述封堵胶囊缠绕在两个凸起部的漏水管外围。
4.根据权利要求3所述的围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：距凸起部一定距离的位于漏水管一侧的管状接头上设置有凹槽，所述凹槽通过与固定件配合将所述封堵胶囊固定。
5.根据权利要求1所述的围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：每段漏水管上均布设有两个漏水孔。
6.根据权利要求1所述的围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：所述活塞左端面与右端面的面积之比为10～25:1。
7.根据权利要求1所述的围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：所述连通管与管状接头为螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：当活塞满足Pi外Si外+kx≤Pi内Si内时，左端导水孔与围岩中的钻孔连通，其中，Pi外为0.1MPa，Pi内为2.5MPa，Si外为左端活塞面面积，Si内为右端活塞面面积，k为弹簧中弹性系数，x为压缩量，i为探测单元的个数。
9.根据权利要求1所述的围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：所述供给推进系统包括注水操作台、回水压力表、电子记录器、钻机和钻杆，所述注水操作台向所述连通管内提供高压水源，所述电子记录器安装在所述注水操作台上，所述回水压力表用于对回水管中的回水压力进行校正检测。
10.根据权利要求1所述的围岩采动破坏分段测试方法，其特征在于：所述第二封堵单元设置有两个。
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