CN110107284B - 一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统及方法，它是通过钻测机构将钻头体钻进至在井下巷道内钻孔至超过导水裂隙带所处的最高位置，待钻孔完毕后进行撤钻，在撤钻过程中进行导水裂隙带高度探测，每回撤单位长度注水钻杆时进行一次测量，根据钻测钻头在孔内不同测点位置得到的水位高程值的变化，判断导水裂隙带范围，导水裂隙带区域为水位高程值随孔内测点位置深度变化的区域。本发明边撤钻边探测，减少了劳动量，降低了工人的劳动强度，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、断层较发育地带等容易塌孔条件下，仍能取得较好的探测效果。

Description

一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下覆岩裂隙发育规律探测技术领域，尤其涉及一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统。

背景技术

煤矿开采中，随着工作面的推采，采场中的应力场重新分布，上覆岩层产生裂隙并出现不同程度的破坏，一旦裂隙带贯通并波及到含水层，即形成突水通道，工作面安全生产将受到极大的威胁，因此了解顶板岩层裂隙形态及其演化过程，确定工作面导水裂隙带高度，不仅能够确保水体下采煤的安全生产，而且对掌握煤层开采时顶板的破坏规律，合理确定工作面及巷道支护参数也有着重要作用。

目前针对采场覆岩导水裂隙带的探测方法主要有以下两种：钻孔冲洗液漏失量观测和彩色钻孔电视观测。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。该系统在使用过程中，注水管路和封堵管路均链接在探杆上，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；受塑胶管路分段连接的影响，钻孔探测深度和塑胶管路内部的水压均不易太大，否则管路连接处容易在水压的作用下撑裂。而由于塑胶管路内部水压有限制，经常发生胶囊膨胀不到位，封孔不严实而导致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，从而减少了封孔胶囊的寿命，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“一种覆岩垮落带和导水裂隙带高度钻孔电视探测确定方法(申请号：201410022317.5)”公开了一种通过钻孔电视探测导水裂隙带高度的方法，该方法主要是从地面向工作面上方岩层进行地质钻孔，并通过钻孔成像设备以照片或视频图像的方式直接提供钻孔壁的系统图像。还有部分设备则应用了数字技术并使之具有形成、显示和处理这些图像的能力，得到的图像不但可以被用于定性识别钻孔内的情况，还可以定量地分析钻孔中的地质现象，比如裂隙的宽度、倾角和产状等，通过孔壁上的裂隙发育情况，判断岩层是否断裂从而得到导水裂隙带的高度。该方法虽然较前者直观，但是钻孔施工量也较大，尤其是对于深部矿井，而且监测范围也有限，另外对于确定采动裂隙时，还受原生裂隙及构造的影响。

现有技术在探测过程中均需要提前开挖钻孔，随后再进行探测，在撤钻与探测之间的这一时间段内，钻孔内的裂隙容易继续发育，且裂隙带内的钻孔容易发生塌孔而导致后续探测工作无法进行，使得钻孔作废，造成人力物力上的损失，因此，我们提出了一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统，包括钻测机构和注水控制机构，其中：

所述的钻测机构包括钻头体、至少一个注水钻杆和钻机；所述钻头体通过自身的外螺纹旋在注水钻杆的前端，在钻头体的前端设有钻齿，钻齿内部设有钻齿注水通道，钻头体的中间段是和注水钻杆直径相等的杆体，钻头体的杆体外壁密封包裹有封堵皮囊；所述的注水钻杆内部设有钻齿注水管路和皮囊注水管路，钻齿注水管路和皮囊注水管路通入钻头体的杆体中，伸进后钻齿注水管路与钻齿注水通道相贯通，皮囊注水管路与钻头体的杆体侧壁和封堵皮囊之间的空隙相贯通，多个注水钻杆通过螺纹连接成一个整体；所述钻机通过对注水钻杆旋转推进对上覆岩层进行钻孔探测；

所述的注水控制机构用于向注水钻杆中的钻齿注水管路与皮囊注水管路分别提供高压水。

进一步：所述的注水控制机构包括水管-钻杆接头、高压水管，以及设在注水操作台上的注水转向开关、水位高程表、水压表、进水阀、调压阀和高压水源接口，水管-钻杆接头一端连接高压水管，一端连接注水钻杆，高压水管另一端连接注水转向开关。

优选地，所述水管-钻杆接头内和高压水管内均设有与注水钻杆中的钻齿注水管路5和皮囊注水管路7贯通的两条注水管路。

使用上述上述钻测系统通过水压探测导水裂隙带高度的钻测方法，包括以下步骤：

步骤一：在井下巷道内布置用于导水裂隙带探测的钻测系统，接通高压水源，通过钻机将钻头体钻进至超过导水裂隙带所处的最高位置；

步骤二：待钻孔完毕后进行撤钻，在撤钻过程中测量测点的水位高程值，每回撤单位长度注水钻杆时进行一次测量，具体测量过程为：

通过注水操作台上的注水转向控制阀向皮囊注水管路中注水，使测量位置处的封堵皮囊膨胀鼓起并与孔壁紧密接触，然后调节注水转向控制阀，向钻齿注水管路中注水，钻齿的水进了钻孔之后流入裂隙，当水位高程表显示的数值达到钻孔孔底的高程值时，关闭进水阀，观察水位高程表的示数变化，当水位高程表的示数不再变化时，记录该点处的水位高程值；

步骤三：当一个测点结束后通过调压阀将封堵皮囊中的水放掉，回撤单位长度的注水钻杆至下一个测点；

步骤四：重复步骤二和步骤三的操作，直至注水钻杆全部撤回；

步骤四：在注水钻杆全部回撤结束后，对获得的孔内不同测点位置处的水位高程数据进行处理，依据理论计算可知，水位高程表的设计原理依据液体压力计算表达式P＝ρgh，进过换算可获得

式中：h为水位高程值；P为操作台测量获得的水压值；g为重力加速度；ρ为水的密度；

步骤五：根据钻测钻头在孔内不同测点位置得到的水位高程值的变化，判断导水裂隙带区域；

随着钻测钻头在孔内的测点位置，水位高程的变化存在三个阶段；

当孔内的测点位置在导水裂隙带上方时，由于封堵皮囊的封堵作用，孔内注水的最高水面可直达钻孔孔底，该段区域内部的测点所获得的水位高程值均为钻孔孔底水位的高程值。

当孔内测点位置位于导水裂隙带区域时，由于导水裂隙带的存在，孔内注水通过导水裂隙带区域流失，测量获得的孔内最高水面将与测点位置钻头体所在的高程相同，在该孔段孔内最高水面的高程值随测点高程的降低而降低。

当钻头体撤出导水裂隙带时，也就是说，测点已经不在导水裂隙带内，此时孔内注水到达导水裂隙带下分界点位置发生流失，而在未到达导水裂隙带下分界点位置的孔段区域内，孔内注水不发生流失，所以该孔段内测点所获得的水位高程值均为导水裂隙带下分界点所在的高程值。

基于上述机理，判断导水裂隙带区域为水位高程值随孔内测点位置深度变化的区域；具体方法是：以不同测点处于的孔深为横坐标，以不同测点水位高程值为纵坐标绘制水位高程值-钻孔深度曲线，曲线上水位高程值发生变化的区域为导水裂隙带区域。

下面通过探测过程中水位高程值的变化来论述本发明探测结果的合理性和本发明技术方案的积极效果。

1、本发明在钻孔钻进结束后的撤钻过程中进行覆岩裂隙探测，探测过程中水位高程值的变化存在三个阶段；当孔内测点位置在导水裂隙带上方时，由于封堵皮囊的封堵作用，孔内最高水面可直达钻孔孔底，该段区域内部的测点所获得的水位高程值均为钻孔孔底水位的高程值；当孔内测点位置位于导水裂隙带区域时，由于导水裂隙带的存在，孔内水通过导水裂隙带区域流失，测量获得的孔内最高水面将与测点位置钻测钻头所在的高程相同，在该孔段孔内最高水面的高程值随测点高程的降低而降低；当钻测钻头撤出导水裂隙带时，孔内水到达导水裂隙带下分界点位置发生流失，而在未到达导水裂隙带下分界点位置的孔段区域内，孔内水不发生流失，所以该孔段内测点所获得的水位高程值均为导水裂隙带下分界点所在的高程值。

2、本发明与以往采用漏失量探测导水裂隙带高度的原理不同，本探测方法仅通过水位高程值的变化规律即可获得导水裂隙带范围，其测量原理简单易行；

3、本发明在钻孔钻进结束后的撤钻过程中进行覆岩裂隙探测，减少了因提前开挖钻孔后加剧裂隙发育而引起的测量误差，也避免了因钻孔长时间放置导致塌孔等使探测工作无法进行的问题；

4、本发明直接通过注水钻杆进行注水和封孔，有效避免了软管易磨损和断裂的问题，而且水压可以很大，为采用高强封孔皮囊封孔提供了可能，克服了封孔胶囊易磨损的问题，显著提高了封孔可能性；

5、本发明边撤钻边探测，减少了劳动量，降低了工人的劳动强度，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、断层较发育地带等容易塌孔条件下，仍能取得较好的探测效果。

附图说明

图1为本发明提出的一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统的钻头体的结构示意图；

图2(a)为本发明提出的一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统的注水钻杆的径向半剖视图；

图2(b)为本发明提出的一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统的注水钻杆的轴向剖面图；

图3为本发明提出的一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统在的结构示意图，图中显示了钻探系统在钻孔中布置关系；

图4为本发明提出的一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统的钻测方法施工图；

图5(a)为测点位于导水裂隙带上方区域时的水位高程测量图；

图5(b)为测点位于导水裂隙带区域时的水位高程测量图；

图5(c)为测点位于空口至裂隙带区域时的水位高程测量图；

图6为根据测点在孔内不同位置处测得的水位高程值的数据处理结果绘制的曲线图。

图中：

1-封堵皮囊；2-皮囊注水孔；3-钻齿；4-钻齿注水通道；5-钻齿注水管路；6-内螺纹；7-皮囊注水管路；8-外螺纹；9-注水钻杆；10-孔内注水；11-钻孔；12-钻头体；13-上覆岩层；14-钻机；15-水管-钻杆接头；16-高压水管；17-注水转向开关；18-水位高程表；19-水压表；20-进水阀；21-调压阀；22-高压水源接口；23-巷道；24-注水操作台；25-导水裂隙带；26-冒落带；27-采空区；28-煤层；29-孔底；30-最高水面。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“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，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。

参照图1-6，一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统，包括钻测机构和注水控制机构；所述的钻测机构包括钻头体12、封堵皮囊1、至少一个注水钻杆9和钻机14；所述的注水控制机构用于向注水钻杆9中的钻齿注水管路5与皮囊注水管路7分别提供高压水。其中：

参照图1，所述钻头体12通过自身的外螺纹旋在注水钻杆9的前端内螺纹6上，在钻头体12的前端设有钻齿3，钻齿3内部设有钻齿注水通道4，钻头体12的中间段是和注水钻杆9直径相等的杆体，钻头体的杆体壁上设有皮囊注水孔2并密封包裹有封堵皮囊1。

参照图2(a)和图2(b)，所述的注水钻杆9内部设有钻齿注水管路5和皮囊注水管路7，钻齿注水管路5和皮囊注水管路7通入钻头体12的杆体中，通入后钻齿注水管路5与钻齿注水通道4相贯通，皮囊注水管路7与钻头体12的皮囊注水孔2相贯通；参照图2(a)在注水钻杆9一端设有内螺纹6、一端设有外螺纹8，多个注水钻杆9通过内螺纹6和外螺纹8连接成一个整体以便对深部围岩进行钻孔；

所述钻机14通过对注水钻杆9旋转推进对上覆岩层13进行钻孔探测；

进一步：参照图3，所述的注水控制机构包括水管-钻杆接头15、高压水管16，以及设在注水操作台上的注水转向开关17、水位高程表18、水压表19、进水阀20、调压阀21和高压水源22接口，水管-钻杆接头15一端连接高压水管16，一端连接注水钻杆9，高压水管16另一端连接注水操作台23上的注水转向开关17；

进一步，所述水管-钻杆接头15内和高压水管16内均设有两条注水管路，两条注水管路分别和注水钻杆9中的钻齿注水管路5与皮囊注水管路7相贯通，从而在整个探测系统中形成两路注水管路，一路为钻齿注水通道4提供水，一路为封堵皮囊1与钻头体12之间的空隙提供水。

具体地，本发明的钻机14为矿用地质钻机，勘测区域内设有上覆岩层13，钻机14通过对注水钻杆9旋转推进对勘测区域内的上覆岩层13进行钻孔探测。

本发明的具体探测方法是：

第一步：如图3所示，煤层28中的工作面已经回采结束并形成采空区27，采空区27上方为冒落带26和导水裂隙带25，首先在井下巷道23内布置用于导水裂隙带探测的钻测系统，配备3～6MPa水压的水源，安装钻机14，将高压水源连接在注水操作台24上的高压水源接口22上，并依此连接调压阀21、进水阀20、水压表19、水位高程表18、注水转向开关17、高压水管16和水管-钻杆接头15；利用钻探机构对在上覆岩层13进行钻孔，利用钻机14将钻头体钻至孔底29；钻孔施工如图4，图中看出钻孔11处于上覆岩层13。

第二步：待钻孔结束后进行撤钻，在撤钻过程中进行导水裂隙带高度探测，每回撤单位长度注水钻杆9时进行一次测量，测量过程为通过注水操作台23上的注水转向开关17向皮囊注水管路7中注水，使测量位置处的封堵皮囊1膨胀鼓起并与孔壁紧密接触，然后调节注水转向开关17，向钻齿注水管路5中注水，当水位高程表18显示的数值达到钻孔孔底的高程值时，关闭进水阀20，观察水位高程表18的示数变化，当水位高程表18的示数不再变化时，记录该点处的水位高程值。

第三步：当一个测点探测结束后，通过调压阀21将封堵皮囊1中的水放掉，回撤单位长度的注水钻杆9至下一个测点；

第四步：重复步骤二和步骤三的操作，对下一个测点进行探测，以此类推，直至注水钻杆全部撤回；

第五步：在注水钻杆9全部回撤结束后，对获得的孔内不同位置处的水位高程数据进行处理，依据理论计算可知，水位高程表18的设计原理依据液体压力计算表达式P＝ρgh，进过换算可获得h＝P/ρg，式中：h为水位高程值；P为操作台测量获得的水压值；g为重力加速度；ρ为水的密度。

根据钻测钻头在孔内的测点位置，水位高程的变化存在三个阶段；

首先是如图5(a)所示，当孔内的测点位置在导水裂隙带25上方时，由于封堵皮囊1的封堵作用，孔内注水10的最高水面30可直达钻孔11孔底，该段区域内部的测点所获得的水位高程值均为钻孔孔底水位的高程值；

如图5(b)所示，当孔内测点位置位于导水裂隙带25区域时，由于导水裂隙带25的存在，孔内注水10通过导水裂隙带25区域流失，测量获得的孔内最高水面30将与测点位置钻头体12所在的高程相同，在该孔段孔内最高水面的高程值随测点高程的降低而降低；

如图5(c)所示，当钻头体12撤出导水裂隙带时，也就是说，测点已经不在导水裂隙带25内，此时孔内注水10到达导水裂隙带25下分界点位置发生流失，而在未到达导水裂隙带25下分界点位置的孔段区域内，孔内注水10不发生流失，所以该孔段内测点所获得的水位高程值均为导水裂隙带下分界点所在的高程值。

基于上述机理，本发明在对数据进行处理后，以不同测点的孔深为横坐标，以不同测点水位高程值为纵坐标绘制水位高程值-钻孔深度曲线，绘制出的曲线图见图6，曲线上水位高程值发生变化的区域为导水裂隙带区域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统的使用方法，其特征在于，所述的通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统包括钻测机构和注水控制机构，其中：

所述的钻测机构包括钻头体、至少一个注水钻杆和钻机；所述钻头体通过自身的外螺纹旋在注水钻杆的前端，在钻头体的前端设有钻齿，钻齿内部设有钻齿注水通道，钻头体的中间段是和注水钻杆直径相等的杆体，钻头体的杆体外壁上密封包裹有封堵皮囊；所述的注水钻杆内部设有钻齿注水管路和皮囊注水管路，钻齿注水管路和皮囊注水管路通入钻头体的杆体中，伸进后钻齿注水管路与钻齿注水通道相贯通，皮囊注水管路与钻头体的杆体侧壁和封堵皮囊之间的空隙相贯通，多个注水钻杆通过螺纹连接成一个整体；所述钻机通过对注水钻杆旋转推进对上覆岩层进行钻孔探测；

所述的注水控制机构用于向注水钻杆中的钻齿注水管路与皮囊注水管路分别提供高压水；所述的注水控制机构包括水管-钻杆接头、高压水管，以及设在注水操作台上的注水转向开关、水位高程表、水压表、进水阀、调压阀和高压水源接口，水管-钻杆接头一端连接高压水管，一端连接注水钻杆，高压水管另一端连接注水转向开关；

上述通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统的使用方法包括以下步骤：

步骤一：在井下巷道内布置用于导水裂隙带探测的钻测系统，接通高压水源，通过钻机将钻头体钻进至超过导水裂隙带所处的最高位置；

步骤二：待钻孔完毕后进行撤钻，在撤钻过程中进行导水裂隙带高度探测，每回撤单位长度注水钻杆时进行一次测量，具体测量过程为：

通过注水操作台上的注水转向开关向皮囊注水管路中注水，使测量位置处的封堵皮囊膨胀鼓起并与孔壁紧密接触，然后调节注水转向开关，向钻齿注水管路中注水，钻齿的水进了钻孔之后流入裂隙，当水位高程表显示的数值达到钻孔孔底的高程值时，关闭进水阀，观察水位高程表的示数变化，当水位高程表的示数不再变化时，记录该测量位置处的水位高程值；

步骤三：当一个测点结束后通过调压阀将封堵皮囊中的水放掉，回撤单位长度的注水钻杆至下一个测点；

步骤四：重复步骤二和步骤三的操作，直至注水钻杆全部撤回；

步骤五：在注水钻杆全部回撤结束后，对获得的孔内不同测点位置处的水位高程数据进行处理，依据理论计算可知，水位高程表的设计原理依据液体压力计算表达式P＝ρgh，经过换算获得

式中：h为水位高程值；P为注水操作台测量获得的水压值；g为重力加速度；ρ为水的密度；

步骤六：根据钻测钻头在孔内不同测点位置得到的水位高程值的变化，判断导水裂隙带范围，导水裂隙带区域为水位高程值随孔内测点位置深度变化的区域；具体方法是：

以不同测点处于的孔深为横坐标，以不同测点水位高程值为纵坐标绘制水位高程值-钻孔深度曲线，曲线上水位高程值发生变化的区域为导水裂隙带区域。

2.如权利要求1所述的通过水压探测导水裂隙带高度的钻测系统的使用方法，其特征在于，所述水管-钻杆接头内和高压水管内均设有与注水钻杆中的钻齿注水管路和皮囊注水管路贯通的两条注水管路。

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