CN112902883A - 一种岩石钻孔孔径变化的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石钻孔孔径变化的测量装置及方法，涉及岩土工程和测量技术领域，其解决了钻孔施工后孔径连续测量的技术问题。该装置包括液压盒、锚爪、液压油箱、单向液压阀、液压油管和量筒，其中液压盒包括盒体、活塞、推杆和触头，液压油箱和量筒分别通过液压油管与液压盒相连，液压盒和量筒之间的液压油管上设置有单向液压阀，锚爪固定配置在液压盒上；液压盒的两侧设置有活塞，活塞与推杆相连，推杆端部设置有触头，触头接触钻孔的孔壁。利用该装置对钻孔进行测量时，触头压紧孔壁，孔径变化时通过挤压活塞开启单向液压阀，液压油流入量筒，通过记录量筒内体积的变化确定钻孔的截面收缩率；可以实现连续测量，并且操作更加简便。

Description

一种岩石钻孔孔径变化的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程和测量技术领域，尤其是一种岩石钻孔孔径变化的测量装置及方法。

背景技术

通常在煤层上方存在一层或者几层厚且坚硬的岩层，工作面回采过后，坚硬的顶板很难及时垮落，容易形成大面积的悬顶结构。我国的大部分的煤层赋存条件复杂，坚硬顶板的煤层占比较大，大部分的矿区都存在坚硬顶板的煤层。随着综合机械化长壁采煤技术的发展，有的综采工作面会受到来压强烈的坚硬顶板影响，特别是有薄层直接顶的坚硬顶板工作面。一方面由于顶板不能及时垮落使得回采巷道及煤柱的附加载荷增大，巷道的维护难度增大；另一面，当悬顶的跨度达到坚硬岩层的极限跨距时，大面积悬顶突然垮落，会引起工作面岩体的剧烈震动和冲击地压及煤与瓦斯突出等动力灾害。

目前，为了使厚层的坚硬顶板及时垮落，保证工作面回采安全，中国专利(CN110966002A) 公开了一种基于密集钻孔的切顶卸压方法，其机理是通过在顶板中按照一定的钻孔直径、钻孔间距打一系列给定角度和深度的钻孔，在开采扰动作用的影响下各个钻孔周围形成的塑性区叠加联通，在顶板中形成一个人工弱化带，使得坚硬顶板在采动作用的影响下能够沿此弱化带切落，达到人为控制坚硬顶板，降低来压强度的目的。在密集钻孔施工完成后，随着时间的推移，密集钻孔在地应力和工作面超前支承压力的影响下密集钻孔的孔径会发生收缩变化，而监测和分析密集钻孔在不同时期的孔径变化规律并通过能量耗散的方法研究钻孔孔径变形和钻孔围岩能量演化之间的关系，进一步研究密集钻孔切顶卸压机理。

为此，需要对钻孔进行连续的测量，通过连续的测量确定岩石钻孔孔径变化规律，为研究密集钻孔切顶卸压机理提供衣据。

发明内容

为了解决钻孔施工后孔径连续测量的技术问题，消除钻孔初始孔径、钻孔深度等钻孔参数的影响，本发明提供了一种岩石钻孔孔径变化的测量装置及方法，具体的技术方案如下。

一种岩石钻孔孔径变化测量装置，包括液压盒、锚爪、液压油箱、单向液压阀、液压油管和量筒，所述液压油箱和量筒分别通过液压油管与液压盒相连，液压盒和量筒之间的液压油管上设置有单向液压阀，锚爪固定配置在液压盒上；所述液压盒包括盒体、左活塞、右活塞、左推杆、右推杆、左触头和右触头，盒体的两侧分别设置左活塞和右活塞，左活塞与左推杆相连，左推杆的端部设置有左触头，右活塞和右推杆相连，右推杆端部设置有右触头；所述液压油箱设置有液压油加载机构，所述液压盒上设置有进油口和出油口，所述量筒密封并设置有连通管。

优选的是，液压油管包括进油管和出油管，液压盒与液压油箱之间设置进油管，液压盒与量筒之间设置有出油管，所述进油管和出油管上都设置有阀门。

优选的是，所述液压油箱内装有液压油，所述液压油加载机构的液压油箱活塞加压输送液压油，出油管上设置有压力表。

还优选的是，出油管上设置有单向液压阀，出油管上的阀门设置在出油管与量筒的连接端；所述单向液压阀的开启压力大于液压盒内液压油的重力。

还优选的是，锚爪设置有多个，锚爪与液压盒的盒体后端相连，锚爪由液压盒向钻孔侧壁延伸。

还优选的是，左触头和右触头对称设置，左触头和右触头均为弧面，左触头和右触头的弧面为1/4～1/2圆周。

一种岩石钻孔孔径变化的测量方法，利用上述的一种岩石钻孔孔径变化测量装置，步骤包括；

S1.钻孔施工完成后，将液压盒伸入钻孔中进入待测区域，锚爪贴合钻孔孔壁；

S2.打开进油管上的阀门，关闭出油管上的阀门，液压油加载机构向液压盒内注入液压油；

S3.液压盒内持续注入液压油并增压，左活塞和右活塞驱动左推杆和右推杆运动，直至左触头和右触头贴紧钻孔内壁；

S4.打开出油管上的阀门，继续向液压盒内注入液压油，当液压油流入量筒时关闭进油管上的阀门，并停止注入液压油；

S5.保持液压盒在钻孔内的位置，当钻孔孔径收缩时，液压盒的左触头和右触头受到挤压，左推杆和右推杆推动左活塞和右活塞滑动；

S6.左活塞和右活塞滑动液压盒内的液压油的油压增大，单向液压阀受压开启，液压油流入量筒内；

S7.记录量筒内液压油的体积变化量，计算钻孔的截面收缩率和钻孔的孔径变化量。

进一步优选的是，钻孔的截面收缩率η的计算：

η＝ΔS/S₀＝ΔV/l＝(V_n-V_n-1)/l

所述钻孔的孔径变化量Δd的计算：

其中，量筒内的液压油初始体积为V₀，第n次记录的量筒内的液压油体积为V_n，量筒内的液压油体积的变化量为ΔV＝V_n-V_n-1，左触头和右触头之间的长度为l，测量区域钻孔截面的收缩面积为ΔS，钻孔的初始截面积为S₀，π为圆周率。

本发明提供的一种岩石钻孔孔径变化的测量装置及方法有益效果是，该装置可以应用于煤矿井下施工的各类钻孔，对孔径的变化进行连续性的测量，并且测量过程中根据液压变化确定孔径变化量和截面收缩率，不受钻孔初始直径和钻孔深度等因素的影响。该方法适用于煤矿井下顶板岩层中施工的竖直钻孔，能够测定钻孔在不同时期的变化规律。测量装置还具有结构简单，操作方便，成本低等优点。

附图说明

图1是岩石钻孔孔径变化测量装置的结构示意图；

图2是图1中的B-B截面示意图；

图3是图1中的A-A截面示意图；

图4是岩石钻孔孔径变化测量装置的变形例结构示意图

图中：1-钻孔；2-钻孔孔壁；3-液压盒，301-盒体，302-左活塞，303-右活塞，304-左推杆，305-右推杆，306-左触头，307-右触头，308-进油口，309-出油口；4-锚爪；5-液压油箱；6-液压油加载机构；7-液压油；8-进油管；9-阀门；10-单向液压阀；11-出油管；12- 阀门；13-量筒；14-量筒盖；15-连通管。

具体实施方式

结合图1至图4所示，对本发明提供的一种岩石钻孔孔径变化的测量装置及方法具体实施方式进行说明。

一种岩石钻孔孔径变化测量装置，包括液压盒3、锚爪4、液压油箱5、单向液压阀10、液压油管和量筒13，液压盒3置于岩石钻孔内的待测区域，锚爪4用于固定液压盒的位置，液压油箱向液压盒内输送有压油液，单向液压阀10控制液压盒内的油液流出，量筒13测量确定液压油的变化，计算得到钻孔孔径的变化。液压油箱和量筒分别通过液压油管与液压盒相连，液压盒3和量筒13之间的液压油管上设置有单向液压阀，锚爪4固定配置在液压盒上，锚爪可以和液压盒铰接。液压盒3包括盒体301、左活塞302、右活塞303、左推杆304、右推杆305、左触头306和右触头307，盒体301的两侧分别设置左活塞和右活塞，左活塞302 与左推杆304相连，左推杆305的端部设置有左触头，右活塞303和右推杆305相连，右推杆305端部设置有右触头。液压油箱5设置有液压油加载机构，液压盒3上设置有进油口和出油口，进油口308和出油口309均设置在液压盒的同侧。量筒13密封并设置有连通管15，连通管15设置在量筒的上方并与大气连通。

液压油管包括进油管8和出油管11，进油管8和出油管11可以使用金属管等从而方便安装，液压盒3与液压油箱5之间设置进油管，从液压油箱5向液压盒输送液压油，并且可以对液压盒内的液压油进行加压；液压盒3与量筒13之间设置有出油管11，进油管和出油管上都设置有阀门，出油管上的阀门12和进油管上的阀门9可以选用电磁阀或闸阀，从而方便控制加压和测量。液压油箱5内装有液压油，液压油加载机构6的液压油箱活塞加压输送液压油7，出油管11上设置有压力表；液压油加载机构6还可以为液压泵，液压泵从液压油箱内泵送液压油并加压。出油管11上设置有单向液压阀10，出油管上的阀门12设置在出油管与量筒的连接端。单向液压阀10的开启压力大于液压盒内液压油的重力，从而可以避免在钻孔稳定状态下液压油自重导致单向液压阀开启。

锚爪4可以设置有多个，锚爪4与液压盒3的盒体后端相连，在将液压盒3向上送入垂直钻孔或倾斜钻孔时，锚爪4进入后向后张开，锚爪4由液压盒向钻孔侧壁延伸，从而将液压盒固定在钻孔内的待测位置。

左触头306和右触头307对称设置，左触头和右触头均为弧面，左触头和右触头的弧面为1/4～1/2圆周。左右两个触头可以随钻孔收缩，触头的形状和钻孔孔壁2贴合。

另外液压盒的盒体301可以是可拆分的结构，包括前盖、后盖、上端盖和下端盖，进油口和出油口都设置在下端盖上，从而可以方便拆卸和维护。

本实施例的另一变形例中，可以设置多个液压盒3，多个液压盒共用1个液压油箱5，多个液压盒3分别连接多个量筒13，从而可以实现对钻孔内多个点位的测量。液压盒3和量筒 13之间的液压油管上均设置有单向液压阀10，多个锚爪4固定配置在液压盒3上，锚爪4可以和液压盒铰接。各个液压盒分别包括盒体301、左活塞302、右活塞303、左推杆304、右推杆305、左触头306和右触头307，盒体301的两侧分别设置左活塞和右活塞，左活塞302 与左推杆304相连，左推杆304的端部设置有左触头，右活塞303和右推杆305相连，右推杆305端部设置有右触头。另外如果钻孔1不同测点的原始直径不同可以选用尺寸不同的多个液压盒。液压油箱设置有液压油加载机构，液压盒上设置有进油口和出油口，进油口和出油口均设置在液压盒的同侧。量筒密封并设置有连通管，连通管设置在量筒的上方并与大气连通。

其中量筒13可以加装液位计，液位计实现自动采集数据，从而实现岩石钻孔孔径变化测量的自动测量。另外在液压盒3上还可以装压力表，压力表也可以实现数据的自动化采集。

该装置用于煤矿井下岩石钻孔的孔径变化测量，还可以可用于煤矿井下的各类钻孔，适用于煤矿井下钻孔施工后不同时期内钻孔孔径变化规律的测量，通过钻孔孔径变化前后液压油的体积变化分析钻孔孔径的截面收缩率及钻孔孔径平均变化量的连续变化规律。

一种岩石钻孔孔径变化的测量方法，利用上述的一种岩石钻孔孔径变化测量装置，步骤包括；

S1.钻孔施工完成后，根据需要确定钻孔的测量区域，将液压盒伸入钻孔中进入待测区域，锚爪贴合钻孔孔壁；此时两侧的触头并未与围岩贴合。

其中当需要对钻孔内的多个区域进行测量时，需要安装多个液压盒分别对各个区域进行测量，液压盒推送至指定位置后，锚爪将其固定在钻孔内。

S2.打开进油管上的阀门，关闭出油管上的阀门，通过液压油加载机构向液压盒内注入液压油，液压油只能流入液压盒中，并充满液压盒。

S3.液压盒内持续注入液压油并增压，液压盒内的液压油油压持续升高，左活塞和右活塞驱动左推杆和右推杆运动，直至左触头和右触头贴紧钻孔内壁贴合。

S4.打开出油管上的阀门，继续向液压盒内注入液压油，当液压油流入量筒时关闭进油管上的阀门，并停止注入液压油。

S5.保持液压盒在钻孔内的位置，当钻孔孔径收缩时，液压盒的左触头和右触头受到挤压，左推杆和右推杆推动左活塞和右活塞滑动。

S6.左活塞和右活塞滑动液压盒内的液压油的油压增大，单向液压阀受压开启，液压油流入量筒内。

S7.记录量筒内液压油的体积变化量，计算钻孔的截面收缩率η和钻孔的孔径变化量Δd。其中钻孔的截面收缩率η的计算：

η＝ΔS/S₀＝ΔV/l＝(V_n-V_n-1)/l

钻孔的孔径变化量Δd的计算：

其中，量筒内的液压油初始体积为V₀，第n次记录的量筒内的液压油体积为V_n，V_n-1为第n-1次记录的量筒内的液压油体积，n为大于1的正整数；量筒内的液压油体积的变化量为ΔV＝V_n-V_n-1，左触头和右触头之间的长度为l，测量区域钻孔截面的收缩面积为ΔS，钻孔的初始截面积为S₀，π为圆周率。

该装置及方法可以实现煤矿井下施工的各类钻孔孔径变化的连续性测量，不受钻孔初始直径、钻孔深度等钻孔参数的影响，岩石钻孔孔径变化的测量装置尤其适用于煤矿井下顶板岩层中施工的竖直钻孔在不同时期的钻孔孔径变化规律。该装置还具有结构简单，易于操作，且制造成本低等优点。

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 (8)

1.一种岩石钻孔孔径变化测量装置，其特征在于，包括液压盒、锚爪、液压油箱、单向液压阀、液压油管和量筒，所述液压油箱和量筒分别通过液压油管与液压盒相连，液压盒和量筒之间的液压油管上设置有单向液压阀，锚爪固定配置在液压盒上；所述液压盒包括盒体、左活塞、右活塞、左推杆、右推杆、左触头和右触头，盒体的两侧分别设置左活塞和右活塞，左活塞与左推杆相连，左推杆的端部设置有左触头，右活塞和右推杆相连，右推杆端部设置有右触头；所述液压油箱设置有液压油加载机构，所述液压盒上设置有进油口和出油口，所述量筒密封并设置有连通管。

2.根据权利要求1所述的一种岩石钻孔孔径变化测量装置，其特征在于，所述液压油管包括进油管和出油管，液压盒与液压油箱之间设置进油管，液压盒与量筒之间设置有出油管，所述进油管和出油管上都设置有阀门。

3.根据权利要求2所述的一种岩石钻孔孔径变化测量装置，其特征在于，所述液压油箱内装有液压油，所述液压油加载机构的液压油箱活塞加压输送液压油，出油管上设置有压力表。

4.根据权利要求2或3所述的一种岩石钻孔孔径变化测量装置，其特征在于，所述出油管上设置有单向液压阀，出油管上的阀门设置在出油管与量筒的连接端；所述单向液压阀的开启压力大于液压盒内液压油的重力。

5.根据权利要求1所述的一种岩石钻孔孔径变化测量装置，其特征在于，所述锚爪设置有多个，锚爪与液压盒的盒体后端相连，锚爪由液压盒向钻孔侧壁延伸。

6.根据权利要求1所述的一种岩石钻孔孔径变化测量装置，其特征在于，所述左触头和右触头对称设置，左触头和右触头均为弧面，左触头和右触头的弧面为1/4～1/2圆周。

7.一种岩石钻孔孔径变化的测量方法，利用权利要求1至6任一项所述的一种岩石钻孔孔径变化测量装置，其特征在于，步骤包括；

S1.钻孔施工完成后，将液压盒伸入钻孔中进入待测区域，锚爪贴合钻孔孔壁；

S2.打开进油管上的阀门，关闭出油管上的阀门，液压油加载机构向液压盒内注入液压油；

S3.液压盒内持续注入液压油并增压，左活塞和右活塞驱动左推杆和右推杆运动，直至左触头和右触头贴紧钻孔内壁；

S4.打开出油管上的阀门，继续向液压盒内注入液压油，当液压油流入量筒时关闭进油管上的阀门，并停止注入液压油；

S5.保持液压盒在钻孔内的位置，当钻孔孔径收缩时，液压盒的左触头和右触头受到挤压，左推杆和右推杆推动左活塞和右活塞滑动；

S6.左活塞和右活塞滑动液压盒内的液压油的油压增大，单向液压阀受压开启，液压油流入量筒内；

S7.记录量筒内液压油的体积变化量，计算钻孔的截面收缩率和钻孔的孔径变化量。

8.根据权利要求7所述的一种岩石钻孔孔径变化的测量方法，其特征在于，所述钻孔的截面收缩率η的计算：

η＝ΔS/S₀＝ΔV/l＝(V_n-V_n-1)/l

所述钻孔的孔径变化量Δd的计算：

其中，量筒内的液压油初始体积为V₀，第n次记录的量筒内的液压油体积为V_n，量筒内的液压油体积的变化量为ΔV＝V_n-V_n-1，左触头和右触头之间的长度为l，测量区域钻孔截面的收缩面积为ΔS，钻孔的初始截面积为S₀，π为圆周率。

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