CN109341934A - 一种底板含水层水压动态监测设备及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种底板含水层水压动态监测设备及监测方法，涉及矿井监测设备技术领域，解决了含水层水压监测设备安装困难以及监测精度不高的技术问题，该设备包括监测装置、水压平衡装置、封孔装置和注浆装置，其中监测装置包括监测管、压力表、水压记录仪和报警仪，水压平衡装置包括注水仓、稳压泵和注水管，封孔装置包括风机、风管、气囊和孔口密封层，注浆装置包括料仓、注浆泵、注浆管和注浆层。施工时首先在煤层底板打大直径钻孔和小直径钻孔，将注水管沿钻孔中心伸至含水层内，在大直径钻孔段进行封堵，通过稳压泵向注水管注水，监测装置通过监测管实时监测水压。本发明还具有施工简单，快速封堵，实时监测精度高等优点。

Description

一种底板含水层水压动态监测设备及监测方法

技术领域

本发明涉及矿井监测设备技术领域，尤其是一种底板含水层水压动态监测设备及监测方法。

背景技术

随着我国煤层开采强度和深部的逐年增大，承压水上煤层开采受到底板突水的威胁越来越大。煤层开采期间需要及时监测底板承压水的水压，做好安全防治工作。现有技术中，对底板承压水常规的检测方法包括：(1)在底板含水层上开设监测钻孔，监测钻孔的上端再次同心钻出直径大于监测钻孔的套孔，在将压力监测装置安装在监测钻孔之后，在监测钻孔和其上端的套孔之间利用堵料进行注浆封孔，利用压力监测装置对底板承压水的压力进行监测。(2)一次钻凿同一直径的钻孔，包括开设在底板含水层中的监测钻孔，以遇水膨胀堵料和密封料浆进行封堵，由底板含水层向测压钻孔渗出承压水，压力计探头依次穿过封堵段与承压水接触，从而达到监测水压的目的。

现有的底板承压水水压监测方法存在以下问题：(1)在监测钻孔以及其上端的套孔之间填充完堵料之后，如果在底板表面再次施工时，会使对堵料以及其周围的钻孔出现间隙，底板承压水会经由该间隙冒出，从而造成该监测钻孔失效，甚至引发钻孔围岩突水，威胁煤层的安全开采。(2)采用同一直径的钻头钻凿的测压钻孔，可能会由于封堵料浆与钻孔渗出的承压水长期耦合，导致料浆被稀释而难以快速胶结，容易发生底板钻孔突水事故。为解决上述问题，需要对现有的监测设备和监测方法做进一步的改进。

发明内容

为解决含水层水压监测设备安装困难以及水压实时监测精度不高的技术问题，本发明提供了一种底板含水层水压动态监测设备及监测方法，具体技术方案如下。

一种底板含水层水压动态监测设备，包括监测装置、水压平衡装置、封孔装置和注浆装置；所述监测装置包括监测管、压力表、水压记录仪和报警仪；所述水压平衡装置包括注水仓、稳压泵和注水管，所述封孔装置包括风机、风管、气囊和孔口密封层，所述注浆装置包括料仓、注浆泵、注浆管和注浆层；所述水压平衡装置的注水管下端设置在含水层内，注水管下端设置有多个注水孔；所述监测装置的监测管和注水管连通；所述封孔装置的气囊设置在钻孔内，密封层设置在气囊下方；所述注浆装置的注浆层设置在气囊的上方；所述钻孔呈阶梯状，钻孔上部的直径大于钻孔下部的直径。

优选的是，风机通过风管将空气注入气囊内，所述风管上设置有止风阀，所述气囊内设置有气压监测器。

进一步优选的是，气囊呈环装，所述注水管穿过气囊，气囊充气后和钻孔过盈配合。

优选的是，水仓出口处设置有过滤器和水流控制阀，所述稳压泵和注水管连接，所述注水管在钻孔中依次穿过注浆层、气囊和孔口密封层延伸至含水层内的钻孔中。

进一步优选的是，监测管上依次设置有监测控制阀、安全阀、压力表、水压记录仪和报警仪，所述安全阀的动作水压值大于报警仪的动作水压值，所述安全阀和压力表之间设置有试水阀。

优选的是，钻孔上部的直径为120～160mm，钻孔下部的直径为50～90mm；所述注水管的直径为10～20mm。

一种底板含水层水压动态监测方法，利用上述的一种底板含水层水压动态监测设备进行监测，步骤包括：

步骤一.底板钻孔，先施工大直径钻孔，再在钻孔下部施工小直径钻孔；

步骤二.安装注水管，将注水管在钻孔中依次穿过注浆层、气囊和孔口密封层延伸送至含水层内的钻孔中；

步骤三.封堵钻孔，在大直径钻孔和小直径钻孔连接处利用孔口密封层封堵，孔口密封层上方采用气囊封堵，在气囊上部通过注浆装置施工注浆层完成封堵；

步骤四.安装水压平衡装置，利用稳压泵通过注水管向含水层注水，利用监测装置监测含水层水压。

本发明的有益效果包括：

(1)该监测系统采用外注静压水透过注水孔与承压水达到动态平衡的原理监测水压，可实现实时监测煤层开采期间底板含水层的水压变化。

(2)该系统在钻凿测压钻孔时，采用直径不同的两种钻头，在即将钻入含水层时，采用小直径钻头，可有效防止含水层水压过大，封堵不及时，造成突水灾害的发生。

(3)该系统采用密封料浆、气囊以及遇水膨胀堵料进行封堵，可实现快速密封，多重防突保障，防止承压水涌入上部钻孔。

(4)利用注水管的小孔直接注水，与承压水达到动态平衡，避免钻孔环境变化对水压监测装置的影响，提高水压监测的精度。

附图说明

图1是底板含水层水压动态监测设备的结构示意图；

图2是底板含水层水压动态监测设备的水压平衡装置结构示意图；

图3是底板含水层水压动态监测设备的注浆装置结构示意图；

图4是底板含水层水压动态监测设备的风机结构示意图；

图5是底板含水层水压动态监测设备的钻孔内部结构示意图；

图6为底板含水层内结构示意图。

图中：1-监测装置；11-监测管；12-压力表；13-水压记录仪；14-报警仪；15-监测控制阀；16-安全阀；17-试水阀；2-水压平衡装置；21-注水仓；22-稳压泵；23-注水管；231-注水孔；24-过滤器；25-水流控制阀；3-封孔装置；31-风机；32-风管；33-气囊；34-孔口密封层；4-注浆装置；41-料仓；42-注浆泵；43-注浆管；44-注浆层。

具体实施方式

结合图1至图6所示，本发明提供的一种底板含水层水压动态监测设备及监测方法具体实施方式如下。

实施例1

一种底板含水层水压动态监测设备，如图1所示，具体包括监测装置1、水压平衡装置2、封孔装置3和注浆装置4。监测装置1和水压平衡装置2相连通，用于监测含水层的实时水压状态，水压平衡装置2通过注水管下部的孔径较小的注水孔向含水层内注水，监测装置1利用注水孔231与承压水达到动态平衡的原理监测水压，封孔装置3利用了遇水膨胀的孔口密封材料、充气式气囊快速封堵材料以及注浆装置进行钻孔注浆进一步的密封，实现了钻孔的快速封堵。

其中，监测装置1具体包括监测管11、压力表12、水压记录仪13和报警仪14，监测管11上依次设置有监测控制阀15、安全阀16、压力表12、水压记录仪13和报警仪14，安全阀16的动作水压值大于报警仪14的动作水压值，用于保证压力表12等监测装置1的安全，在安全阀16和压力表12之间设置有试水阀17，用于安装后检查管路的运行情况。

水压平衡装置2包括注水仓21、稳压泵22和注水管23，如图1和图2所示，水压平衡装置2通过注水实现水压平衡，用于水压监测。水压平衡装置2的注水管23下端设置在含水层内，注水管23下端设置有多个注水孔231，注水孔231在注水管23上均匀排列布置。监测装置1的监测管11和注水管23连通，通过与注水管23水压保持平衡方便水压测量。注浆装置的注浆层44设置在气囊33的上方，在气囊33充气后进行注浆实现对钻孔的密封。钻孔呈阶梯状，钻孔上部的直径大于钻孔下部的直径，其中钻孔上部的直径可以设置为120～160mm，钻孔下部的直径可以设置为50～90mm，注水管23的直径可以设置为10～20mm。在该比例情况下的钻孔，能够方便封堵，达到更好的封堵效果。采用直径不同的两种钻头，在即将钻入含水层时，采用小直径钻头，可有效防止含水层水压过大，封堵不及时，造成底板突水灾害的发生

封孔装置3具体包括风机31、风管32、气囊33和孔口密封层34，如图1和图5所示，封孔装置的气囊33设置在钻孔内，孔口密封层34设置在气囊33下方。风机31通过风管32将空气注入气囊33内，气囊33外层使用防水材料，可以实现孔口快速封堵。风管32上设置有止风阀，气囊内还设置有气压监测器，用于保护气囊33的安全。气囊33呈环装，注水管23穿过气囊33，气囊33充气后和钻孔过盈配合，保证封孔的严密性。

注浆装置4包括料仓41、注浆泵42、注浆管43和注浆层44，如图1和图3所示，水仓出口处设置有过滤器24和水流控制阀25，稳压泵22和注水管23连接，注水管23在钻孔中依次穿过注浆层44、气囊33和孔口密封层34延伸至含水层内的钻孔中，使用小直径注水管进行注水注水量小，因此对含水层的水量及水压不回造成影响。

一种底板含水层水压动态监测方法，利用上述底板含水层水压动态监测设备进行监测，步骤包括：

步骤一.底板钻孔，先施工大直径钻孔，钻孔上部的直径可以为120～160mm，该部分钻孔施工至靠近含水层的位置，距含水层约15cm～50cm，再在钻孔下部施工小直径钻孔，钻孔下部的直径可以为50～90mm，由于不直接钻至含水层因此保证了钻孔过程的安全，也避免了先施工小直径钻孔再施工大直径钻孔导致底板岩层破碎，以及底板裂隙封堵不完全带来的渗水问题。

步骤二.安装注水管23，将注水管23在钻孔中依次穿过大直径钻孔和小直径钻孔，利用大直径钻孔内的注浆层44、气囊33和孔口密封层34固定注水管23，注水管23延伸送至含水层内的钻孔中接触含水层。

步骤三.封堵钻孔，在大直径钻孔和小直径钻孔连接处利用孔口密封层封堵，孔口密封层34采用高吸水凝胶材料制作而成，高吸水凝胶材料遇水膨胀，快速凝固方便封堵，孔口密封层34上方采用气囊33封堵，在气囊33上部通过注浆装置施工注浆层44完成封堵，注浆泵将料仓41内的注浆材料送至大直径钻孔内，完成注浆层44的施工。

步骤四.安装水压平衡装置，利用稳压泵22通过注水管23向含水层注水，接通监测装置1，打开监测管11上的试水阀17，试验管路的性能，利用监测装置1监测含水层的水压。

实施例2

在实施例1的基础上，为进一步的说明本发明的结构和施工方法，本实施例中选取矿井的工作面埋深为600m，工作面沿煤层走向布置，工作面长度为200m，隔水层的厚度为30m，承压含水层厚度为5m，2煤层厚度为3m作为工程背景，具体施工如下。

步骤一.底板钻孔，先施工大直径钻孔，使用直径140mm的钻头进行施工，该部分钻孔施工至靠近含水层的位置，根据矿井地质资料可知距含水层的距离约为8m，在距含水层约40cm时，再在钻孔下部施工小直径钻孔，更换直径为70mm的钻头，由于通过不直接钻孔至含水层因此保证了钻孔过程的安全防止钻孔溢水，也避免了先施工小直径钻孔再施工大直径钻孔导致底板岩层破碎，以及底板裂隙封堵不完全带来的渗水问题。

步骤二.安装注水管23，选用长度为8.5m的注水管，注水管23的出水孔均匀排列布置，稳压泵22将注水仓内的水由稳压泵22送至含水层，稳压泵22根据含水层水压调节输出水压。注水管23在钻孔中依次穿过大直径钻孔和小直径钻孔，利用大直径钻孔内的注浆层44、气囊33和孔口密封层34固定注水管23，注水管23延伸送至含水层内的钻孔中接触含水层。

步骤三.封堵钻孔，在大直径钻孔和小直径钻孔连接处利用孔口密封层34封堵，孔口密封层34采用高吸水凝胶材料制作而成，高吸水凝胶材料遇水膨胀，快速凝固方便封堵，孔口密封层34可以在安装注水管的同时布置孔口密封层，在大直径钻孔和小直径钻孔之间布置高吸水凝胶材料快速封堵钻孔。孔口密封层34上方采用气囊33封堵，在气囊33上部通过注浆装置施工注浆层完成封堵，气囊33内设置气压监测设备，保证加气的安全性，注浆泵42将料仓41内的注浆材料送至大直径钻孔内，完成注浆层44的施工。

步骤四.安装水压平衡装置，利用稳压泵22通过注水管23向含水层注水，接通监测装置1，打开监测管11上的试水阀17，试验管路的性能。利用监测装置1监测含水层的水压，根据实际测得稳压泵22的出水水压为1.8MPa，正常状态下稳压泵22根据含水层水压的变化调整泵送的水压，由于测量管的高度和含水层的高度差大于7m，因此在设置报警仪14的报警值时考虑注水管的高度差产生的压力差，适当增大报警仪14的动作值设定，根据实际情况设置安全阀16的动作水压值为3.5MPa，以保证监测管路的安全，报警仪14的动作水压值为3.1MPa。根据矿井开采过程中的监测实际数据，本装置能够实时监测含水层的水压变化，并且具有封堵及时，防止承压水涌入上部钻孔，监测精度高等优点。

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 (7)

1.一种底板含水层水压动态监测设备，其特征在于，包括监测装置、水压平衡装置、封孔装置和注浆装置；所述监测装置包括监测管、压力表、水压记录仪和报警仪；所述水压平衡装置包括注水仓、稳压泵和注水管，所述封孔装置包括风机、风管、气囊和孔口密封层，所述注浆装置包括料仓、注浆泵、注浆管和注浆层；

所述水压平衡装置的注水管下端设置在含水层内，注水管下端设置有多个注水孔；所述监测装置的监测管和注水管连通；所述封孔装置的气囊设置在钻孔内，密封层设置在气囊下方；所述注浆装置的注浆层设置在气囊的上方；所述钻孔呈阶梯状，钻孔上部的直径大于钻孔下部的直径。

2.根据权利要求1所述的一种底板含水层水压动态监测设备，其特征在于，所述风机通过风管将空气注入气囊内，所述风管上设置有止风阀，所述气囊内设置有气压监测器。

3.根据权利要求2所述的一种底板含水层水压动态监测设备，其特征在于，所述气囊呈环装，所述注水管穿过气囊，气囊充气后和钻孔过盈配合。

4.根据权利要求1所述的一种底板含水层水压动态监测设备，其特征在于，所述水仓出口处设置有过滤器和水流控制阀，所述稳压泵和注水管连接，所述注水管在钻孔中依次穿过注浆层、气囊和孔口密封层延伸至含水层内的钻孔中。

5.根据权利要求4所述的一种底板含水层水压动态监测设备，其特征在于，所述监测管上依次设置有监测控制阀、安全阀、压力表、水压记录仪和报警仪，所述安全阀的动作水压值大于报警仪的动作水压值，所述安全阀和压力表之间设置有试水阀。

6.根据权利要求1所述的一种底板含水层水压动态监测设备，其特征在于，所述钻孔上部的直径为120～160mm，钻孔下部的直径为50～90mm；所述注水管的直径为10～20mm。

7.一种底板含水层水压动态监测方法，利用权利要求1～6任一项所述的一种底板含水层水压动态监测设备进行监测，其特征在于，步骤包括：

步骤一.底板钻孔，先施工大直径钻孔，再在钻孔下部施工小直径钻孔；

步骤二.安装注水管，将注水管在钻孔中依次穿过注浆层、气囊和孔口密封层延伸送至含水层内的钻孔中；

步骤三.封堵钻孔，在大直径钻孔和小直径钻孔连接处利用孔口密封层封堵，孔口密封层上方采用气囊封堵，在气囊上部通过注浆装置施工注浆层完成封堵；

步骤四.安装水压平衡装置，利用稳压泵通过注水管向含水层注水，利用监测装置监测含水层水压。