CN106644306B - 底板采动破坏带分段观测系统 - Google Patents

底板采动破坏带分段观测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种底板采动破坏带分段观测系统，属于矿山底板岩体破坏范围测定技术领域。该观测系统包括封堵系统、探测系统、压力转换系统和推进供给系统，其中，封堵系统包括封堵外管、胶囊进水开关、封堵胶囊和滑移套管，相邻的封堵胶囊之间通过胶囊连接管接通；探测系统的探测内管包括依次连接在一起的I型探测内管和II型探测内管，在I型探测内管上设置有可伸缩充放水头；探测内管位于封堵外管内，并可在封堵外管内相对滑动；当探测内管在封堵外管内相对滑动时，可伸缩充放水头恰好与所述胶囊进水开关配合形成打开或关闭状态。本发明可以实现观测系统的一次封堵多段依次测量，提高测量效率，并且实现了单系统供水测定一体化。

Description

底板采动破坏带分段观测系统
技术领域
本发明属于矿山底板岩体破坏范围测定技术领域，具体涉及底板采动破坏带分段观测系统。
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。目前现有技术中通常采用数值模拟、经验公式预计、现场实测等手段进行观测。
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。对底板采动破坏带的观测中，存在的技术缺陷还有：首先，现有的双端封堵观测系统在探测时需要多次进行推进探测，分多段进行探测，由于钻孔长度大致在50-70m，每次推进探测长度大约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，并且测量效率不高；其次，在实际观测过程中，需要进行多次的充放水，进行胶囊起胀及裂隙充水，另外，传统的起胀胶囊在高压水的作用下，由于应力的集中导致其容易破裂；最后，钻孔内观测水源压力较大会对钻孔孔壁内原有裂隙形成扩张作用，现有的双端封堵系统需要频繁的更换不同压力水源，现有技术未能同时解决上述四个问题。
发明内容
本发明的任务在于提供一种底板采动破坏带分段观测系统，该探测系统首先可以实现观测系统的一次封堵多段依次测量，提高了测量效率；其次，实现了单系统供水测定一体化，不仅解决了钻孔内多管道绕线问题，而且减少了操作系统个数(传统的测量中封堵系统与测漏系统是分别测量的)，同时实现了同一水源下水压力的转换，保证了封堵过程与探测过程在各自水压力下工作；最后，避免了封堵胶囊的高压充水易破裂问题，提高了测量过程的稳定性。
其技术解决方案包括：
一种底板采动破坏带分段观测系统，其包括封堵系统、探测系统、压力转换系统和推进供给系统，所述探测系统包括导向锥和探测内管，所述探测内管包括依次连接在一起的I型探测内管和II型探测内管，所述I型探测内管用于伸入岩层的最内侧，所述导向锥安装在所述I型探测内管的头部，所述II型探测内管设置有若干段，其特征在于：在所述I型探测内管上设置有可伸缩充放水头；
所述封堵系统包括封堵外管、胶囊进水开关、若干个封堵胶囊和若干个滑移套管，相邻的封堵胶囊之间通过胶囊连接管接通，所述滑移套管套置在所述封堵外管上，其中，每个封堵胶囊均包括外封堵胶囊和内封堵胶囊，所述外封堵胶囊的一端固定在所述滑移套管的外侧，另一端固定在所述封堵外管凸起部的外侧，所述内封堵胶囊的一端固定在所述滑移套管的内侧，另一端固定在所述封堵外管上，相邻的封堵胶囊之间的封堵外管的顶部均设置有漏水孔，所述探测内管位于所述封堵外管内，并可在所述封堵外管内相对滑动；所述胶囊进水开关设置在位于最外侧的封堵胶囊处的封堵外管上，并且，当探测内管在所述封堵外管内相对滑动时，所述可伸缩充放水头恰好与所述胶囊进水开关配合形成打开或关闭状态，
所述推进供给系统包括钻机、钻杆和注水操作台；
所述压力转化系统位于钻机与探测内管之间的钻杆上，其包括套管一、套管二和压力转换阀门，所述套管一、套管二与所述钻杆形成螺纹连接，所述压力转换阀门包括转换管和压力转换器，所述压力转换器位于所述转换管内部。
作为本发明的一个优选方案，所述压力转换器包括不等长活塞组、通水孔、弹簧一、压板和调节螺丝，所述不等长活塞组为圆柱形，其中间被长轴固定连接，所述通水孔位于不等长活塞组两侧，所述弹簧一位于不等长活塞组的下方，通过不等长活塞组的移动来控制是否充水，所述压板和调节螺丝用于调节开启压力。
作为本发明的另一个优选方案，所述封堵外管内壁底部设置有导向轨，所述探测内管的外壁底部设置有与所述导向轨配合滑动的凹槽。
优选的，所述胶囊进水开关包括密封盖板、胶囊充水孔和弹簧二，所述密封盖板包括横向密封盖板和与其连接的垂向密封盖板，所述胶囊充水孔位于所述横向的密封盖板上，所述弹簧二位于垂向密封盖板的两侧。
优选的，所述可伸缩充放水头为一球状凸起，当可伸缩充放水头在封堵外管内滑动至胶囊进水开关位置时，所述可伸缩充放水头恰好弹出，将所述密封盖板推起，导通胶囊充水孔，通过注水操作台进行充水。
优选的，所述导向轨呈半圆拱形。
优选的，所述内封堵胶囊、外封堵胶囊的两端通过紧固螺圈进行固定。
优选的，I型探测内管与II型探测内管、相邻的II型探测内管之间均通过螺纹连接。
本发明所带来的有益技术效果：
(1)本发明实现了观测系统的一次封堵完成多段依次测量，相对传统双端封堵测漏装置，可成倍减少封堵装置移动次数，提高了系统的稳定性及测量工作的效率。
(2)实现了由单一操作系统供水封堵测定，同时实现了探测内管在固定轨道滑移探测，解决了钻孔内多管道绕线问题，保证了探测过程的稳定性。
(3)实现了同一外界水源下高低水压的转换，保证了封堵过程与探测过程在各自不同水压力下有序工作，不仅有效避免了高压水源对钻孔裂隙的破坏作用，而且提高了测量过程的准确性。
(4)封堵胶囊在高压水源下起胀时，可以随滑移套管在一定范围内移动，避免了封堵胶囊因为应力集中现象造成的高压充水易破裂问题，提高了封堵胶囊的密封效果。
(5)实现了一次充水所有封堵胶囊的全部起胀，减少了操作步骤。
本发明系统结构简单，易于操作，制作成本低，测量效率高，稳定性强。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明底板采动破坏带分段观测系统的总体结构示意图；
图2为本发明封堵系统结构(位于最外侧的封堵胶囊处)的示意图；
图3为本发明封堵系统结构(其余封堵胶囊处)的示意图；
图4、图5为本发明封堵系统状态示意图；
图6为本发明胶囊进水开关的结构示意图；
图7为本发明滑移套管的结构示意图；
图8为本发明胶囊连接管结构示意图；
图9为本发明Ⅰ型探测内管结构示意图；
图10为本发明Ⅰ型探测内管中伸缩充放水头结构示意图；
图11为本发明Ⅰ型探测内管中伸缩充放水头工作状态示意图；
图12为本发明压力转换阀门分解图；
图13、图14为本发明压力转换阀门状态示意图；
图15为本发明压力转换器结构示意图；
图16为本发明压力转换器状态示意图；
图17为本发明封堵外管结构示意图；
图18为本发明导向轨结构示意图；
图中，1、岩体，2、钻孔，3、外封堵胶囊，4、内封堵胶囊，5、胶囊连接管，6、封堵外管，7、II型探测内管，8、导向锥，9、钻杆，10、钻机，11、高压软管，12、注水操作台，13、套管一，14、套管二，15、压力转换阀门，16、不等长活塞组，17、通水孔，18、弹簧一，19、压板，20、调节螺丝，21、滑移套管，22、紧固螺圈，23、漏水孔，24、导向轨，25、胶囊进水开关，26、胶囊充水孔，27、弹簧二，28、可伸缩充放水头，29、压力转换器，30、密封盖板，31、Ⅰ型探测内管，32、转换管。
具体实施方式
本发明提出了一种底板采动破坏带分段观测系统，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
如如1所示，本发明底板采动破坏带分段观测系统，包括封堵系统、探测系统、压力转换系统和推进供给系统。
探测系统结合图1、图9所示，包括导向锥8和探测内管，探测内管包括依次连接在一起的I型探测内管31和II型探测内管7，其中，I型探测内管31有一段，II型探测内管7可设置为若干段，具体数量根据实际测量需求来选取，相邻的探测内管之间通过螺纹连接在一起，并且方便拆卸，安装后的探测内管，I型探测内管伸入岩层的最内侧，并且导向锥8安装在I型探测内管的头部，作为本发明的主要改进点之一，在I型探测内管31上设置有可伸缩充放水头28，可伸缩充放水头28的具体结构结合图10和图11所示，其为球状凸起设计，内部有弹簧帮助球状凸起弹起，其具体作用原理是，当I型探测内管滑动至封堵系统的胶囊进水开关25处时，此时可伸缩充放水头28恰好自动弹出。
作为本发明的另一个主要改进点，封堵系统结合图2、3、4、5、6所示，包括封堵外管6、胶囊进水开关25、若干个封堵胶囊和若干个滑移套管21，封堵胶囊的数量与滑移套管21相同，而封堵胶囊的个数可根据实际测量需要进行设计，如图8所示，相邻的封堵胶囊之间通过胶囊连接管5接通，滑移套管21套置在封堵外管6上，封堵外管6的具体结构见图17所示，其包括呈圆柱状的管体部和位于管体部最右侧的凸起部，其中，每个封堵胶囊均包括外封堵胶囊3和内封堵胶囊4，外封堵胶囊3的一端固定在滑移套管21的外侧，另一端固定在封堵外管6凸起部的外侧，内封堵胶囊4的一端固定在滑移套管的内侧，另一端固定在封堵外管6上，为了将外封堵胶囊和内封堵胶囊更好的固定，在它们与滑移套管和封堵外管的连接处通过紧固螺圈22进行加固，相邻的封堵胶囊之间的封堵外管的顶部均设置有漏水孔23。
胶囊进水开关25仅有一个，它设置在位于最外侧的封堵胶囊处的封堵外管上，并且，当探测内管在所述封堵外管内相对滑动时，可伸缩充放水头恰好与胶囊进水开关配合形成打开或关闭状态，它的具体结构见图6所示，包括密封盖板30、胶囊充水孔26和弹簧二27，密封盖板30包括横向密封盖板和与其连接的垂向密封盖板，胶囊充水孔26位于横向的密封盖板30上，弹簧二27位于垂向密封盖板的两侧，当可伸缩充放水头28自动弹出时，可将胶囊进水开关的密封盖板顶起，通过胶囊充水孔向胶囊内充水。
滑移套管21的具体结构见图7所示，将它安设在封堵胶囊处，在对封堵胶囊充水时，可以减少其内部应力，滑移套管通过在封堵胶囊处小范围移动，降低封堵胶囊内部应力，从而防止封堵胶囊发生破裂。
结合图4、图5和图18所示，探测内管位于所述封堵外管内，并可在所述封堵外管内相对滑动；具体的结构为：封堵外管内壁底部设置有导向轨24，探测内管的外壁底部设置有与导向轨24配合滑动的凹槽，为了与凹槽形成滑动配合，导向轨24的形状优选设置为半圆拱形。
压力转换系统详见图12-图16所示，包压力转化系统位于钻机与探测内管之间的钻杆上，包括套管一13、套管二14、转换管32、压力转换阀门15和压力转换器29；其中套管一和套管二位于压力转化阀门15的两侧，并且套管一和套管二的两端分别通过螺纹连接在钻杆上，压力转换阀门15其内部有转换管32和压力转换器29，它们可以随压力转换阀门15转动；压力转换器29螺纹连接于转换管32内部，其数量为一个，转换管32数量为两个，只在一个内部装有压力转换器29；压力转换器29包括不等长活塞组16、通水孔17、弹簧一18、压板19和调节螺丝20，不等长活塞组16为圆柱形，其中间被长轴固定连接，通水孔17位于不等长活塞组16两侧，当不等长活塞组16移动至另一端时，恰好与通水孔17接通，压板19和调节螺丝20负责调节开启压力。
上述压力转换器29工作原理为：
压力转换器29中的不等长活塞组16上端较小的端头面积为S小，接触水压为外界注水操作台12的高压水压P高，下端较大的端头面积为S大，接触水压为钻孔测试水压P低，弹簧一18中弹性系数k，压缩量x，由二力平衡原理可知：
当P高S小≥P低S大+kx，则压力转换器29处于打开状态，不等长活塞组16下移，通水孔17与探测内管连通，开始进行充水。
当P高S小≤P低S大+kx，则压力转换器29处于关闭状态，不等长活塞组16保持关闭状态，通水孔17被压力转换器29内壁封堵，不进行充水。
推进供给测定系统详见图1所示，包括钻机10、钻杆9和注水操作台12，注水操作台通过高压软管11向封堵胶囊内供水。推进供给测定系统中的钻杆9兼具接长推进封堵外管6和探测内管及导水功能。
下面结合具体的观测方法对本发明做进一步说明。
本发明观测方法，具体包括以下步骤：
第一步、打探测钻孔，用钻机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2数个；
第二步、安装上述观测系统的结构将其安装好；
第三步、起胀所有封堵胶囊，
将探测内管的I型探测内管段放置在封堵外管内，并沿封堵外管滑动将I型探测内管段推送至最外侧的封堵胶囊的胶囊进水开关处，此时，位于I型探测内管上的可伸缩充放水头自动弹出，将胶囊进水开关顶开，此时通过压力转化系统将水压转换为高压状态，即工程中通常的数据为2.5MPa，开启注水操作台向最外侧的封堵胶囊进行充水，最外侧的封堵胶囊充满后，依次向相邻的封堵胶囊进行充水，此时所有的封堵胶囊会依次起胀，待所有封堵胶囊起胀完成后，关闭注水操作台，同时将探测内管继续向上推进至第一个漏水孔；
第四步、测定漏水量参数，
接步骤三，完成所有封堵胶囊的起胀后，进行漏水量参数测定，探测内管的I型探测内管段在推进至第一个漏水孔时，可伸缩充放水头再次自动弹出，与第一个漏水孔形成导水通道，此时通过压力转化系统将水压转换为低压状态如0.1MPa，开启注水操作台进行充水，充水完成后，关闭注水操作台，同时将探测内管继续向上推进至下一个漏水孔，并进行充水，依次完成后面漏水孔的充水测量；即按照顺序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水量L1、L2、L3、...；
第五步、对封堵胶囊进行泄压排水，
通过探测内管沿封堵外管滑动，将探测内管的Ⅰ型探测内管段向下回撤至最外侧的封堵胶囊进水开关位置，此时可伸缩充放水头自动弹出，将胶囊进水开关顶开，此时通过压力转换系统将水压转换为0MPa，并关闭注水操作台，此时所有封堵胶囊开始同时泄压排水，完成所有封堵胶囊的泄压排水。
需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种底板采动破坏带分段观测系统，其包括封堵系统、探测系统、压力转换系统和推进供给系统，所述探测系统包括导向锥和探测内管，所述探测内管包括依次连接在一起的I型探测内管和II型探测内管，所述I型探测内管用于伸入岩层的最内侧，所述导向锥安装在所述I型探测内管的头部，所述II型探测内管设置有若干段，其特征在于：在所述I型探测内管上设置有可伸缩充放水头；
所述封堵系统包括封堵外管、胶囊进水开关、若干个封堵胶囊和若干个滑移套管，相邻的封堵胶囊之间通过胶囊连接管接通，所述滑移套管套置在所述封堵外管上并可在一定范围内滑动，其中，每个封堵胶囊均包括外封堵胶囊和内封堵胶囊，所述外封堵胶囊的一端固定在所述滑移套管的外侧，另一端固定在所述封堵外管凸起部的外侧，所述内封堵胶囊的一端固定在所述滑移套管的内侧，另一端固定在所述封堵外管上，相邻的封堵胶囊之间的封堵外管的顶部均设置有漏水孔，所述探测内管位于所述封堵外管内，并可在所述封堵外管内相对滑动；所述胶囊进水开关设置在位于最外侧的封堵胶囊处的封堵外管上，并且，当探测内管在所述封堵外管内相对滑动时，所述可伸缩充放水头恰好与所述胶囊进水开关配合形成打开或关闭状态，
所述推进供给系统包括钻机、钻杆和注水操作台，所述注水操作台用于向封堵胶囊内注水；
所述压力转换系统位于钻机与探测内管之间的钻杆上，其包括套管一、套管二和压力转换阀门，所述套管一、套管二与所述钻杆形成螺纹连接，所述压力转换阀门包括转换管和压力转换器，所述压力转换器位于所述转换管内部。
2.根据权利要求1所述的底板采动破坏带分段观测系统，其特征在于：所述压力转换器包括不等长活塞组、通水孔、弹簧一、压板和调节螺丝，所述不等长活塞组为圆柱形，其中间被长轴固定连接，所述通水孔位于不等长活塞组两侧，所述弹簧一位于不等长活塞组的下方，通过不等长活塞组的移动来控制是否充水，所述压板和调节螺丝用于调节开启压力。
3.根据权利要求1所述的底板采动破坏带分段观测系统，其特征在于：所述封堵外管内壁底部设置有导向轨，所述探测内管的外壁底部设置有与所述导向轨配合滑动的凹槽。
4.根据权利要求1所述的底板采动破坏带分段观测系统，其特征在于：所述胶囊进水开关包括密封盖板、胶囊充水孔和弹簧二，所述密封盖板包括横向密封盖板和与其连接的垂向密封盖板，所述胶囊充水孔位于所述横向的密封盖板上，所述弹簧二位于垂向密封盖板的两侧。
5.根据权利要求4所述的底板采动破坏带分段观测系统，其特征在于：所述可伸缩充放水头为一球状凸起，当可伸缩充放水头在封堵外管内滑动至胶囊进水开关位置时，所述可伸缩充放水头恰好弹出，将所述密封盖板推起，导通胶囊充水孔，通过注水操作台进行充水。
6.根据权利要求3所述的底板采动破坏带分段观测系统，其特征在于：所述导向轨呈半圆拱形。
7.根据权利要求1所述的底板采动破坏带分段观测系统，其特征在于：所述内封堵胶囊、外封堵胶囊的两端通过紧固螺圈进行固定。
8.根据权利要求1所述的底板采动破坏带分段观测系统，其特征在于：I型探测内管与II型探测内管、相邻的II型探测内管之间均通过螺纹连接。
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