CN107238458A - 干孔泄压阀及水压致裂地应力测试装置 - Google Patents

Abstract

一种干孔泄压阀及水压致裂地应力测试装置，涉及岩体工程测试技术领域。干孔泄压阀的阀芯由阀体的插入端插入阀腔内，且一端由插入端伸出，阀体远离插入端的端部开设有多个泄压孔，阀芯设置有可封堵阀腔的阻挡部，阀体的插入端设置有用于限制阀芯移动伸出阀体长度的限位螺母，阀芯位于阻挡部和限位螺母之间的部分套设有承重弹簧，该干孔泄压阀结构简单，操作方便，能有效将封隔器内的压力卸掉。水压致裂地应力测试装置的高压泵与钻孔的顶端连通，钻孔的底端与上述的干孔泄压阀连通，阀芯伸出插入端的一端与转换阀连通，转换阀与封隔器连通，该水压致裂地应力测试装置能够在深钻孔、干孔条件下进行水压致裂法地应力测试试验，测试稳定。

Description

干孔泄压阀及水压致裂地应力测试装置

技术领域

本发明涉及岩体工程测试技术领域，具体而言，涉及一种干孔泄压阀及水压致裂地应力测试装置。

背景技术

地应力是存在于地层中的天然应力，它是造成矿山巷道及其它地下工程变形、破坏的根本作用力，因此，地应力的大小、方向直接影响到巷道围岩的稳定性，测量巷道原岩地应力，研究围岩的应力分布特征是进行巷道围岩稳定性分析，以及实现地下工程开挖设计科学化的必要前提。目前，国际上普遍采用的工程岩地应力模量测试方法可以归纳为：表面应力解除法、表面应力恢复法、套孔应力解除法、水压致裂法等。其中，表面应力解除法、套孔应力解除法对岩体质量要求高，需使用岩石力学参数参与计算；表面应力解除法、表面应力恢复法、套孔应力解除法测量深度有限、周期长，且需要单独打测试钻孔；水压致裂法测量深度深；资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算，可以避免因岩石弹性参数取值不准引起的误差；岩壁受力范围较广(钻孔承压段程度可达1-2米)，可以避免“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀性的影响；操作简单，测试周期短。综上，水压致裂法在水利水电、矿山、交通等方面得到了广泛应用。

水压致裂法通常采用单管(密封满足试验要求的钻杆)进行测试，首先通过钻杆对可膨胀的封隔器胶囊加压，两封隔器中间的钻孔形成试验段；推动封隔器上端的转换阀与试验段连通(此时封隔器胶囊为封闭状态)，就可以正式开展测试：在试验段中泵入液体，施压直到孔壁破裂，并记录压力随时间的变化；根据压裂过程曲线的压力特征值计算地应力。测试完成后，提升钻杆，推动转换阀，使钻杆与封隔器胶囊连通，卸掉封隔器胶囊中的压力，使其恢复原状后，再将封隔器提升到下一测试段。

水压致裂法地应力测试的钻孔所在部位的地质条件千变万化，测试钻孔条件也各不相同，测试钻孔的地下水位差别很大，有些钻孔孔口喷水、有些钻孔全孔无水。若钻孔岩体完整、渗漏少，通过人工注水，可以注满；若钻孔岩体完整性差，渗漏大，人工注水无法注满。对于无法注满水的钻孔，其水压致裂法地应力测试难度显著增加，甚至失败，原因是：水压致裂法的封隔器胶囊的自扩张的压力小于0.5MPa，若内外水头差大于50m，封隔器胶囊膨胀，封隔器胶囊与测试钻孔壁摩阻力增加，提升困难，甚至无法提升，还可能造成安全事故。国内在水位低或干孔的水压致裂法地应力测试中，对工作后的封隔器无法有效提升的问题，常采用如下解决方法：

1、在转换阀上端加泄压阀，测试完成后，在钻杆中丢钢珠球，钢珠球堵泄压阀孔口，通过钻杆加压推动泄压阀阀芯下移，阀芯下移到位后，封隔器胶囊与测试孔连通泄压；胶囊恢复原状后，需提升全部钻杆至地面，以取出泄压阀中的钢珠球，将泄压阀阀芯恢复原位，才能再将测试设备放置到下一测试部位。

2、双管加压，具体是用一根高压管对胶囊加压(气压)，另一根高压管对测试段加压(水压)，这种双管加压主要问题有：测试设备复杂、压力传感器要放置到封隔器上端(减小压力误差)。

因此，需要一种能在干孔条件下、有效将封隔器内的压力卸掉，且结构简单、操作方便的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干孔泄压阀，其结构简单，操作方便，能有效将封隔器内的压力卸掉。

本发明的另一目的在于提供一种水压致裂地应力测试装置，其能够在深钻孔、干孔条件下进行水压致裂法地应力测试试验，测试稳定。

本发明的实施例是这样实现的：

一种干孔泄压阀，其包括阀体和阀芯，阀体具有沿其轴线布置、且贯通的阀腔，阀芯具有沿其轴线布置的通孔，阀芯由阀体的插入端插入阀腔内，且一端由插入端伸出，阀芯与阀体之间存在间隙，阀体远离插入端的端部开设有多个用于连通阀腔和阀体外的泄压孔，阀芯位于泄压孔和插入端的部分设置有可封堵阀腔的阻挡部，阀体的插入端设置有用于限制阀芯移动伸出阀体长度的限位螺母，阀芯位于阻挡部和限位螺母之间的部分套设有承重弹簧。

在本发明较佳的实施例中，上述阀体具有沿轴线布置、且相互连通的第一阀腔和第二阀腔，第一阀腔的直径小于第一阀腔的直径，泄压孔位于与第一阀腔对应的阀体上，阻挡部位于第二阀腔内，且阻挡部可移动覆盖于第一阀腔与第二阀腔的连通处。

在本发明较佳的实施例中，上述阀芯包括连接成一体的第一阀芯和第二阀芯，第一阀芯的直径小于第二阀芯的直径，阻挡部设置于第二阀芯与第一阀芯的连接处，当阻挡部覆盖于第一阀腔与第二阀腔的连通处，第一阀芯位于第一阀腔内，第二阀芯位于第二阀腔内，且伸出插入端。

在本发明较佳的实施例中，上述第二阀芯包括连接成一体的阻挡段和移动段，阻挡段与第一阀芯连接，阻挡端的直径大于移动端的直径，限位螺母安装于插入端，且套设于移动段，阻挡段的直径大于限位螺母的内径，移动段的直径小于限位螺母的内径。

在本发明较佳的实施例中，上述阀芯位于阀腔内的端部套设有O型密封圈，O型密封圈位于泄压孔和阀体远离插入端的端部之间。

在本发明较佳的实施例中，上述阀芯伸出插入端的一端套设有接头，接头用于与转换阀相互插接连通；限位螺母可以调节承重弹簧的承重力，承重弹簧的承重力大于干孔泄压阀下端连接的各部件的总重量。

一种水压致裂地应力测试装置，其包括高压泵，转换阀，提引器，悬挂于提引器下方且向下插入钻孔内的钻杆，以及位于钻孔内的封隔器，高压泵与钻孔的顶端连通，钻孔的底端与上述的干孔泄压阀远离插入端的端部连通，阀芯伸出插入端的一端与转换阀的顶端连通，转换阀的底端与封隔器连通。

在本发明较佳的实施例中，上述高压泵还与压力表相连；高压泵通过高压管与钻孔连通，高压管连接有流量传感器、压力传感器。

在本发明较佳的实施例中，上述还包括采集仪，流量传感器、压力传感器，以及封隔器之间的应力测量电缆分别与采集仪相连。

在本发明较佳的实施例中，上述提引器通过钢丝绳与钻机相连。

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例的干孔泄压阀包括阀体和阀芯，阀体具有沿其轴线布置、且贯通的阀腔，阀芯具有沿其轴线布置的通孔，阀芯由阀体的插入端移动插入阀腔内，且一端由插入端伸出，阀芯与阀体之间存在间隙，阀体远离插入端的端部开设有多个用于连通阀腔和阀体外的泄压孔，阀芯位于泄压孔和插入端的部分设置有可封堵阀腔的阻挡部，阀体的插入端设置有用于限制阀芯移动伸出阀体长度的限位螺母，阀芯位于阻挡部和限位螺母之间的部分按压套设有承重弹簧，该干孔泄压阀结构简单，操作方便，能有效将封隔器内的压力卸掉。本发明实施例的水压致裂地应力测试装置包括高压泵，转换阀，提引器，悬挂于提引器下方且向下插入钻孔内的钻杆，以及位于钻孔内的封隔器，高压泵与钻孔的顶端连通，钻孔的底端与上述的干孔泄压阀远离插入端的端部连通，阀芯伸出插入端的一端与转换阀的顶端连通，转换阀的底端与封隔器连通，该水压致裂地应力测试装置能够在深钻孔、干孔条件下进行水压致裂法地应力测试试验，测试稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的一种干孔泄压阀的结构示意图；

图2为图1中阀体和限位螺母的结构示意图；

图3为图1中阀芯和接头的结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的一种水压致裂地应力测试装置的结构示意图。

图标：001-干孔泄压阀；100-阀体；110-泄压孔；120-插入端；200-阀芯；210-第一阀芯；220-第二阀芯；221-阻挡段；222-移动段；230-阻挡部；300-阀腔；310-第一阀腔；320-第二阀腔；400-通孔；500-限位螺母；600-接头；700-承重弹簧；800-O型密封圈；002-水压致裂地应力测试装置；010-高压泵；011-流量传感器；012-压力传感器；013-高压管；014-滑轮；015-钢丝绳；016-井架；017-提引器；018-钻杆；019-钻孔；020-转换阀；021-封隔器；022-测试段；023-采集仪；024-控制阀门；025-压力表。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1至图3所示，本实施例提供一种干孔泄压阀001，其包括阀体100和阀芯200，阀体100具有沿其轴线布置、且贯通的阀腔300，阀芯200具有沿其轴线布置的通孔400，阀芯200由阀体100的插入端120移动插入阀腔300内，且一端由插入端120伸出，阀芯200与阀体100之间存在间隙，阀体100远离插入端120的一端通过阀腔300与阀芯200的一端连通，再通过通孔400与阀芯200伸出插入端120的一端连通，实现干孔泄压阀001两端的连通，当将干孔泄压阀001安装在钻杆上，就可以通过干孔泄压阀001对封隔器胶囊加压，使封隔器胶囊在预定测试深度封隔一段钻孔，形成试验段。阀体100远离插入端120的端部开设有多个用于连通阀腔300和阀体100外的泄压孔110，阀芯200位于泄压孔110和插入端120的部分设置有可封堵阀腔300的阻挡部230，阀体100的插入端120设置有用于限制阀芯200移动伸出阀体100长度的限位螺母500，阀芯200位于阻挡部230和限位螺母500之间的部分按压套设有承重弹簧700。自由状态：在承重弹簧700的弹力作用下，阀芯200相对阀体100向上移动，直至阻挡部230封堵阀腔300，则阀腔300与阀体100外无法连通；泄压状态：在外力作用下，阀芯200相对阀体100向下运动一段距离后，阻挡部230无法封堵阀腔300，阀芯200与阀体100之间的阀腔300通过泄压孔110与阀体100外连通。而且，在限位螺母500的限位作用下，阀芯200只能相对阀体100下移固定具体，避免由于位移过大导致承重弹簧700变形。

参见图2所示，阀体100的具体结构为：阀体100具有沿轴线布置、且相互连通的第一阀腔310和第二阀腔320，第一阀腔310的直径小于第一阀腔310的直径，泄压孔110位于与第一阀腔310对应的阀体100上，阻挡部230位于第二阀腔320内，且阻挡部230可移动覆盖于第一阀腔310与第二阀腔320的连通处。

对应的，参见图3所示，阀芯200的具体结构为：阀芯200包括连接成一体的第一阀芯210和第二阀芯220，第一阀芯210的直径小于第二阀芯220的直径，阻挡部230设置于第二阀芯220与第一阀芯210的连接处，当阻挡部230覆盖于第一阀腔310与第二阀腔320的连通处，第一阀芯210位于第一阀腔310内，第二阀芯220位于第二阀腔320内，且伸出插入端120。

实现限位螺母500限制阀芯200移动伸出阀体100长度的具体结构为：第二阀芯220包括连接成一体的阻挡段221和移动段222，阻挡段221与第一阀芯210连接，阻挡端的直径大于移动端的直径，限位螺母500安装于插入端120，二者螺纹配合，且套设于移动段222，阻挡段221的直径大于限位螺母500的内径，移动段222的直径小于限位螺母500的内径。第二阀芯220的移动段222可以在限位螺母500的孔内自由移动，但一旦第二阀芯220下移至阻挡端抵住限位螺母500时，则第二阀芯220无法再继续下移，使阀芯200伸出阀体100的长度不会超过一定长度。本发明实施例的这种变径的阀芯200，是最为独特的结构，可以使阀芯200下移固定长度，既可以使泄压孔110与阀腔300内贯通，卸掉水头差，又可以让操作变得简单。这是因为将干孔泄压阀001提升是手动操控，提升力的大小不易控制，将阀芯200下移距离限制为固定长度后，就算提升力大了，也不会使泄压阀中的承重弹簧700压缩变形过大，失去作用。另外，提升力大小可以通过调节限位螺母500进行调节，降低了劳动强度。

本实施例中，阀芯200位于阀腔300内的端部套设有O型密封圈800，O型密封圈800位于泄压孔110和阀体100远离插入端120的端部之间。由于O型密封圈800的密封作用，封堵了阀芯200与阀体100之间的阀腔300，避免干孔泄压阀001的插入端120通过阀芯200与阀体100之间的阀腔300与另一端连通。

本实施例中，阀芯200伸出插入端120的一端套设有接头600，接头600用于与转换阀相互插接连通；限位螺母500可以调节承重弹簧700的承重力，承重弹簧700的承重力大于干孔泄压阀001下端连接的各部件(比如转换阀、封隔器等)的总重量。

第二实施例

请参照图4所示，本实施例提供一种水压致裂地应力测试装置002，其包括采集仪023，高压泵010，转换阀020，提引器017，悬挂于提引器017下方且向下插入钻孔019内的钻杆018，以及位于钻孔019内的封隔器021，高压泵010与钻孔019的顶端连通，钻孔019的底端与第一实施例中的干孔泄压阀001的顶端连通，干孔泄压阀001的底端与转换阀020的顶端连通，转换阀020的底端与封隔器021连通。

本实施例中，干孔泄压阀001垂直布置，干孔泄压阀001的顶端为远离插入端120的端部，干孔泄压阀001的底端为套设有接头600的一端，接头600与转换阀020相互插接连通，干孔泄压阀001的承重弹簧700的承重力大于干孔泄压阀001下端连接的转换阀020、封隔器021等的总重量。

本实施例中，高压泵010还与压力表025、用于控制高压泵010输出气压的控制阀门024相连；高压泵010通过高压管013与钻孔019连通，高压管013连接有流量传感器011、压力传感器012，流量传感器011、压力传感器012，以及封隔器021之间的应力测量电缆分别与采集仪023相连。

提引器017的设置结构为：钻孔019上方架设有井架016，井架016下方悬挂有滑轮014，提引器017通过钢丝绳015与钻机相连，钢丝绳015挂绕过井架016滑轮014。

水压致裂地应力测试装置002适用于不同钻孔019孔径(Φ75mm、Φ91mm、Φ110mm)岩体，深钻孔019、干孔条件下岩体地应力的测试，采用水压致裂地应力测试装置002的水压致裂地应力测试方法是：

利用钻机，钻取一段基岩裸露的钻孔019；利用提引器017，将悬挂于下方的钻杆018伸入钻孔019内，直至钻杆018底端连接的两个封隔器021位于地应力待测试段022的两端。

封隔器021顶端的转换阀020和干孔泄压阀001处于自由状态，转换阀020使钻杆018与封隔器021连通，干孔泄压阀001在承重弹簧700的弹力作用下，阀芯200相对阀体100向上移动，直至阻挡部230封堵阀腔300，阀腔300与阀体100外无法连通。通过钻杆018对封隔器021胶囊加压膨胀，两个封隔器021密封它们之间的钻孔019形成试验段；推动转换阀020，使钻杆018与试验段连通(此时两个封隔器021胶囊之间为封闭状态)，就可以正式开展试验段的地应力测试：通过钻杆018在试验段中泵入液体，施压直到孔壁破裂，并记录压力随时间的变化；根据压裂过程曲线的压力特征值计算地应力。

测试完成后，利用提引器017提升钻杆018，钻杆018推动转换阀020，使钻杆018与封隔器021胶囊连通、同时带动阀体100，阀体100受到向上的提引力，但由于此时水头差大，封隔器021胶囊膨胀，封隔器021胶囊与钻孔019壁摩阻力增加，封隔器021无法被提取移动，阀芯200也无法移动。在提升力保持的作用下，阀体100内的阀芯200相对阀体100向下运动，阻挡部230无法封堵阀腔300，阀芯200与阀体100之间的阀腔300通过泄压孔110与阀体100外连通，直至阀芯200下移固定具体后，阀芯200在限位螺母500的限制作用下，停止移动，此时为泄压状态，钻杆018内的液体进入阀芯200与阀体100之间的阀腔300内，并由泄压孔110流出至钻杆018外的钻孔019内，卸掉水头差，即卸掉封隔器021胶囊中的压力，待封隔器021恢复原状后，再利用提引器017将封隔器021提升到下一测试段。

综上所述，本发明实施例的干孔泄压阀结构简单，操作方便，能有效将封隔器内的压力卸掉；本发明实施例的水压致裂地应力测试装置能够在深钻孔、干孔条件下进行水压致裂法地应力测试试验，测试稳定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种干孔泄压阀，其特征在于，其包括阀体和阀芯，所述阀体具有沿其轴线布置、且贯通的阀腔，所述阀芯具有沿其轴线布置的通孔，所述阀芯由所述阀体的插入端插入所述阀腔内，且一端由所述插入端伸出，所述阀芯与所述阀体之间存在间隙，所述阀体远离所述插入端的端部开设有多个用于连通所述阀腔和所述阀体外的泄压孔，所述阀芯位于所述泄压孔和所述插入端的部分设置有可封堵所述阀腔的阻挡部，所述阀体的插入端设置有用于限制所述阀芯移动伸出阀体长度的限位螺母，所述阀芯位于所述阻挡部和所述限位螺母之间的部分套设有承重弹簧。

2.根据权利要求1所述的干孔泄压阀，其特征在于，所述阀体具有沿轴线布置、且相互连通的第一阀腔和第二阀腔，所述第一阀腔的直径小于所述第一阀腔的直径，所述泄压孔位于与所述第一阀腔对应的所述阀体上，所述阻挡部位于所述第二阀腔内，且所述阻挡部可移动覆盖于所述第一阀腔与所述第二阀腔的连通处。

3.根据权利要求1所述的干孔泄压阀，其特征在于，所述阀芯包括连接成一体的第一阀芯和第二阀芯，所述第一阀芯的直径小于所述第二阀芯的直径，所述阻挡部设置于所述第二阀芯与所述第一阀芯的连接处，当所述阻挡部覆盖于所述第一阀腔与所述第二阀腔的连通处，所述第一阀芯位于所述第一阀腔内，所述第二阀芯位于所述第二阀腔内，且伸出所述插入端。

4.根据权利要求3所述的干孔泄压阀，其特征在于，所述第二阀芯包括连接成一体的阻挡段和移动段，所述阻挡段与所述第一阀芯连接，所述阻挡端的直径大于所述移动端的直径，所述限位螺母安装于所述插入端，且套设于移动段，所述阻挡段的直径大于所述限位螺母的内径，所述移动段的直径小于所述限位螺母的内径。

5.根据权利要求1所述的干孔泄压阀，其特征在于，所述阀芯位于所述阀腔内的端部套设有O型密封圈，所述O型密封圈位于所述泄压孔和所述阀体远离所述插入端的端部之间。

6.根据权利要求1所述的干孔泄压阀，其特征在于，所述阀芯伸出所述插入端的一端套设有接头，所述接头用于与转换阀相互插接连通；所述限位螺母可以调节所述承重弹簧的承重力，所述承重弹簧的承重力大于所述干孔泄压阀下端连接的各部件的总重量。

7.一种水压致裂地应力测试装置，其特征在于，其包括高压泵，转换阀，提引器，悬挂于所述提引器下方且向下插入钻孔内的钻杆，以及位于钻孔内的封隔器，所述高压泵与所述钻孔的顶端连通，所述钻孔的底端与如权利要求1至6中任一项所述的干孔泄压阀远离所述插入端的端部连通，所述阀芯伸出所述插入端的一端与所述转换阀的顶端连通，所述转换阀的底端与所述封隔器连通。

8.根据权利要求7所述的水压致裂地应力测试装置，其特征在于，所述高压泵还与压力表相连；所述高压泵通过高压管与所述钻孔连通，所述高压管连接有流量传感器、压力传感器。

9.根据权利要求8所述的水压致裂地应力测试装置，其特征在于，还包括采集仪，所述流量传感器、所述压力传感器，以及所述封隔器之间的应力测量电缆分别与所述采集仪相连。

10.根据权利要求7所述的水压致裂地应力测试装置，其特征在于，所述提引器通过钢丝绳与钻机相连。