CN113338884A - 单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置及方法，涉及采矿工程和水压致裂测试技术领域。该装置包括印模调节阀、上部封隔器、下部封隔器、压力调节阀、第一连接器、第二连接器和电子定向仪，印模调节阀的两端分别连接下部封隔器和高压水钢管，压力调节阀两端分别通过两个第一连接器与下部封隔器、上部封隔器连接，上部封隔器和电子定向仪通过第二连接器相连；压力调节阀控制高压水的注入，印模调节阀可为封隔器膨胀、孔壁水压致裂以及印模过程提供高压水。利用该装置对孔壁进行水压致裂测试后，可以快速进行印模，避免了更换测试系统导致水压裂缝闭合的问题，提高了测试结果的准确性和测试效率。

Description

单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置及方法

技术领域

本发明涉及采矿工程和水压致裂测试技术领域，尤其是一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置及方法。

背景技术

地应力是引起煤矿围岩变形失稳的基本作用力，它的大小和方向是巷道布置、支护设计和采煤技术选择的重要数据。因此，快速准确地进行矿区地应力测量，有助于控制巷道应力失稳，从而防止动力灾害的发生。水压致裂法是目前矿井最常用的一种地应力测试方法，即向提前打完的钻孔中伸入双端封堵装置，通过封堵钻孔一段距离，并向中间封堵段注入高压水，直至把孔壁压裂，利用压裂过程中的水压变化数据，可以计算出最大(小)水平主应力的大小，同时可根据压裂缝的方向确定最大水平主应力的方向。

现有技术中，水压致裂地应力测试设备大多是双回路控制方式，即采用一个回路控制封隔器的膨胀，利用另外一个回路控制封隔段内孔壁的压裂过程。中国专利(CN2643300Y)小孔径水压致裂地应力测试装置，以及中国专利(CN107060680B)井下封隔器系统公开的地应力测试装置中压裂过程由连接超高压泵站的供水管路控制，封隔器膨胀回路通过软管与高压手动泵连接。中国专利(CN103900751A)绳索取芯钻杆双回路水压致裂法地应力测试装置及测试方法公开的地应力测试装置中封隔器膨胀和孔壁压裂回路由两根软管与地面高压泵连接，由于多回路控制系统容易导致多根管路在钻孔中缠绕、摩擦，给装置回收带来困难，降低了测试效率。为解决以上问题，中国专利(CN104453865A)单回路水压致裂原地应力测试系统、(CN108756872A)一种等径设计的水压致裂法地应力测试装置和(CN202510760U)一种水压致裂地应力测试法用水路转换阀公开的单回路水压致裂地应力测试方法中，需要提前膨胀并固定封隔器，之后通过水路转换来实现给孔壁压裂分别提供高压水，在孔壁压裂过程中，水压会持续升高，膨胀的封隔器内由于没有高压水输入，不能确定封堵效果。除此之外，以上水压致裂地应力测试装置在进行地应力方向测试时，需要将封堵和孔壁压裂装置撤出钻孔，再将印模装置推送至压裂段进行测试，不仅操作复杂，劳动强度大，而且由于更换测试系统导致水压裂缝闭合，印模效果差。

因此，有必要对现有装备和技术进行改进和发展，以实现矿井水压致裂地应力测试单回路控制、水压致裂与印模一体化、操作简单、劳动强度低、测试效率高，从而为现场工程设计及评价提供可靠依据。

发明内容

为了实现快速印模，避免更换测试系统导致水压裂缝闭合的问题，提高了测试结果的准确性和测试效率，本发明提供了一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置及方法，具体的技术方案如下。

一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，包括印模调节阀、上部封隔器、下部封隔器、压力调节阀、第一连接器、第二连接器和电子定向仪，所述印模调节阀的两端分别连接下部封隔器和高压水钢管，所述压力调节阀两端分别通过两个第一连接器与下部封隔器、上部封隔器连接，所述上部封隔器和电子定向仪通过第二连接器相连；所述印模调节阀包括固定阀、活动阀和封堵阀，封堵阀与固定阀固定连接，活动阀依次穿过封堵阀和固定阀活动配合；所述上部封隔器包括封隔杆体和封隔橡胶，封隔橡胶套设在封隔杆体外形成封堵加压腔，封隔杆体内设置有注水通道，注水通道与封堵加压腔连通；下部封隔器和上部封隔器对称布置；所述压力调节阀包括压力调节阀杆、调压器、调压弹簧和水压控制器，压力调节阀杆为变径杆结构，调压器与压力调节阀杆相连，水压控制器和压力调节阀杆活动连接，调压弹簧套设在压力调节阀杆上，压力调节阀杆内设置有注水通道；所述第一连接器内开始有变径螺纹孔；所述第二连接器两端设置螺纹孔，中部设置阻水板。

优选的是，印模调节阀的固定阀表面套设有印模橡胶，固定阀内设置有变径腔体，印模橡胶与固定阀之间形成印模加压腔。

优选的是，印模加压腔和固定阀的变径腔体之间通过印模导水孔连通，所述印模加压腔的内径沿在长度方向的中部向两端减小。

还优选的是，活动阀内部设置有阀门通道，阀门通道的两侧设置有注水通孔；活动阀沿轴向移动使注水通孔和阀腔导通；所述活动阀和固定阀之间设置有橡胶密封圈，橡胶密封圈固定在印模导水孔的两侧。

还优选的是，封堵阀与固定阀通过螺纹固定连接；所述调压器与压力调节阀杆通过螺纹连接。

还优选的是，印模调节阀、上部封隔器、下部封隔器、压力调节阀、第一连接器、第二连接器和电子定向仪同轴布置。

一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试方法，利用上述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，步骤包括：

S1.在巷道内施工钻孔，并探测钻孔内的围岩结构，确定孔壁光滑的试验段；

S2.将地应力测试装置推送到试验段，活动阀受到上方装置结构的重力作用，活动阀上移，注水通孔和阀腔导通，注水后上部封隔器、下部封隔器膨胀，分段封堵钻孔；

S3.注水通道内的高压水通过压裂导水孔和压裂出水孔，作用在水压控制器上，压缩调压弹簧，水压控制器与压力调节阀杆间出现空隙，高压水进入到压力调节阀杆的外部，继续加压，钻孔封隔段压裂，压裂结束后，打开水泵泄压阀，排出封堵加压腔内及封堵段的水；

S4.利用钻机沿钻孔继续推进地应力测试装置，印模调节阀与钻孔的压裂段重合，启动水泵，注水后上部封隔器、下部封隔器膨胀，压裂出水孔停止出水后关闭水泵，下移高压水钢管，带动活动阀移动，注水通孔与印模导水孔连通，打开水泵，高压水进入印模加压腔内，直至加压至设定压力，完成印模；

S5.印模完成后，打开水泵的泄压阀，排出印模加压腔内的高压水，并放出封隔器内部的水；

S6.确定地应力的大小和方向。

还进一步优选的是，钻孔内的围岩结构通过钻孔窥视仪进行探测，所述钻孔的直径为55-60cm，所述钻孔的深度为15-20m。

还进一步优选的是，在上方装置的重力作用下，活动阀上移，高压水在水泵作用下依次通过阀门通道、注水通孔、阀腔、注水通道、封堵导水孔进入上部封隔器和下部封隔器的封堵加压腔内。

还进一步优选的是，地应力的大小和方向的确定，具体是根据封堵和压裂过程中的水压变化曲线，计算最大水平主应力及最小水平主应力；根据印模橡胶表面的压裂缝印痕及电子定向仪记录的数据，确定最大水平主应力的方向。

本发明提供的单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置及方法有益效果包括：

(1)该装置通过压力调节阀对注入高压水控制，单回路实现了水压致裂测量地应的钻孔封堵、孔壁压裂双过程，简化了操作过程，同时还避免了多回路控制装置存在的钻孔内管路堵塞、缠绕问题，提高了地应力测试的效率。

(2)该方法通过印模调节阀中活动阀在固定阀中的移动，实现注水通孔与阀腔、印模导水孔贯通的来回切换，不仅可以为封隔器膨胀、孔壁水压致裂提供高压水，也可以为印模过程持续提供高压水，简化了操作流程，降低施工的劳动强度。

(3)该方法在对孔壁进行完水压致裂之后，可迅速进行印模过程，避免了由于更换测试系统导致水压裂缝闭合，印模效果差的不足，缩短了测试时间，提高了测试结果的准确性，从而为现场工程设计及评价提供可靠依据。

附图说明

图1是单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置的分解结构示意图；

图2是单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置的组装结构示意图；

图3是印模调节阀的结构示意图；

图4是印模调节阀的剖面结构示意图；

图5是封隔器的结构示意图；

图6是封隔器的剖面结构示意图；

图7是压力调节阀的结构示意图；

图8是压力调节阀的剖面结构示意图；

图9是连接器A的剖面结构示意图；

图10是连接器B的剖面结构示意图。

图中：1-印模调节阀，11-固定阀，12-活动阀，13-封堵阀，14-橡胶密封圈，15-阀门通道，16-印模导水孔，17-注水通孔，18-变径腔体，19-印模橡胶，110-印模加压腔。

2-封隔器，21-封隔杆体，22-封隔橡胶，23-封堵加压腔，24-封堵导水孔，25-注水通道。

3-压力调节阀，31-压力调节阀杆，32-调压器，33-调压弹簧，34-水压控制器，35-压裂导水孔，36-压裂出水孔，37-橡胶密封圈。

4-第一连接器，41-压力调节阀连接螺纹孔，42-封隔器连接螺纹孔。

5-第二连接器，51-电子定向仪连接螺纹孔，52-封隔器连接螺纹孔，53-阻水板。

6-电子定向仪。

具体实施方式

结合图1至图10所示，对本发明提供的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置及方法

一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，包括印模调节阀1、上部封隔器、下部封隔器、压力调节阀3、第一连接器4、第二连接器5和电子定向仪6。印模调节阀1、封隔器2、压力调节阀3、第一连接器4、第二连接器5和电子定向仪6同轴布置。印模调节阀1的两端分别连接下部封隔器和高压水钢管，可以是通过螺纹连接固定，压力调节阀3两端分别通过两个第一连接器与下部封隔器、上部封隔器连接，上部封隔器和电子定向仪通过第二连接器相连。压力调节阀3控制高压水的注入，印模调节阀1可为封隔器膨胀、孔壁水压致裂以及印模过程提供高压水。

其中，印模调节阀1包括固定阀11、活动阀12和封堵阀13，封堵阀13与固定阀11固定连接，封堵阀13与固定阀11通过螺纹固定连接，或者其它可拆卸的固定连接方式，例如插接、扣接等方式。活动阀12依次穿过封堵阀13和固定阀11并与其活动配合。印模调节阀的固定阀11表面套设有印模橡胶19，固定阀11内设置有变径腔体，印模橡胶19与固定阀11的外表面之间形成印模加压腔110。印模加压腔110和固定阀的变径腔体之间通过印模导水孔16连通，变径腔体如图所示，中部为大直径的阀腔18；另外活动阀两端的直径小于阀腔18的直径，并且大于固定阀内部小直径阀腔；直径大小根据同一腔体的内径确定。印模加压腔110的内径沿在长度方向的中部向两端减小，具体是中部直径大，两端的直径小。活动阀内部设置有阀门通道，阀门通道15的两侧设置有注水通孔；活动阀沿轴向移动使注水通孔17和阀腔18导通；其中活动阀运动之前，注水通孔17和印模导水孔16导通，活动阀向上移动一定的距离后，注水通孔17和阀腔18导通。活动阀和固定阀之间设置有两道橡胶密封圈，橡胶密封圈分别固定在印模导水孔的两侧，防止阀门通道15和腔体18内的高压水泄漏，保证装置的密封性，以及测试的准确性。

上部封隔器包括封隔杆体21和封隔橡胶22，封隔橡胶22套设在封隔杆体外形成封堵加压腔，封隔杆体内设置有注水通道25，注水通道25与封堵加压腔23连通。下部封隔器和上部封隔器对称布置，下部封隔器的结构和上部封隔器的结构相同，上部封隔器和下部封隔器都属于封隔器2，封隔器都包括封隔杆体21和封隔橡胶22。

压力调节阀3包括压力调节阀杆31、调压器32、调压弹簧33和水压控制器34，压力调节阀杆31为变径杆结构，调压器32与压力调节阀杆31相连，水压控制器34和压力调节阀杆31活动连接，调压弹簧33套设在压力调节阀杆上，压力调节阀杆31内设置有注水通道25。调压器32与压力调节阀杆31之间通过螺纹连接。水压控制器34与压力调节阀杆31小直径段活动连接，调压弹簧33套在压力调节阀杆31的小直径段外部，且位于调压器32与水压控制器34之间，直径小于调压器32和水压控制器34直径，通过控制调压器32压缩调压弹簧33，可以调节压裂出水孔36的出水压力；压力调节阀杆体31内部为注水通道25，通过压裂导水孔35、压裂出水孔36与压力调节阀杆体31外部连通，水压控制器34与压力调节阀杆体31之间设置有橡胶密封圈，位于压裂导水孔35下侧，用于防止高压水从压裂导水孔35下侧流出，保证高压水在压裂出水孔36的单向流动。

第一连接器4内开始有变径螺纹孔，其中一侧为压力调节阀连接螺纹孔41，另一侧为封隔器连接螺纹孔42。

第二连接器5两端设置螺纹孔，中部设置阻水板53。其中一侧为封隔器连接螺纹孔52，另一侧为电子定向仪连接螺纹孔51，中间为阻水板53。

一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试方法，利用上述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，步骤包括：

S1.在巷道内施工钻孔，并探测钻孔内的围岩结构，确定孔壁光滑的试验段。其中钻孔内的围岩结构通过钻孔窥视仪进行探测，钻孔的直径为55-60cm，所述钻孔的深度为15-20m。

S2.将地应力测试装置推送到试验段，活动阀受到其上方装置结构重力的作用，在重力作用下活动阀上移，注水通孔和阀腔导通，注水后上部封隔器、下部封隔器膨胀，分段封堵钻孔。其中活动阀在重力作用下活动阀上移后，高压水在水泵作用下依次通过阀门通道、注水通孔、阀腔、注水通道、封堵导水孔进入上部封隔器和下部封隔器的封堵加压腔内。

S3.注水通道内的高压水通过压裂导水孔和压裂出水孔，作用在水压控制器上，压缩调压弹簧，水压控制器与压力调节阀杆间出现空隙，高压水进入到压力调节阀杆的外部，继续加压，钻孔封隔段压裂，压裂结束后，打开水泵泄压阀，排出封堵加压腔内及封堵段的水。

S4.利用钻机沿钻孔继续推进地应力测试装置，印模调节阀与钻孔的压裂段重合，启动水泵，注水后上部封隔器、下部封隔器膨胀，压裂出水孔停止出水后关闭水泵，下移高压水钢管，带动活动阀移动，注水通孔与印模导水孔连通，打开水泵，高压水进入印模加压腔内，直至加压至设定压力，完成印模。

对孔壁进行完水压致裂之后，可迅速进行印模过程，避免了由于更换测试系统导致水压裂缝闭合，印模效果差的不足，缩短了测试时间，提高了测试结果的准确性，从而为现场工程设计及评价提供可靠依据。

S5.印模完成后，打开水泵的泄压阀，排出印模加压腔内的高压水，并放出封隔器内部的水，利用钻机向上移动活动阀使设备可以自由移动。利用该装置测量简化了操作流程，降低了施工劳动强度，并且装置结构稳定，拆卸方便。

S6.确定地应力的大小和方向。其中地应力的大小和方向的确定，具体是根据封堵和压裂过程中的水压变化曲线，计算最大水平主应力及最小水平主应力；根据印模橡胶表面的压裂缝印痕及电子定向仪记录的数据，确定最大水平主应力的方向。

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 (10)

1.一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，其特征在于，包括印模调节阀、上部封隔器、下部封隔器、压力调节阀、第一连接器、第二连接器和电子定向仪，所述印模调节阀的两端分别连接下部封隔器和高压水钢管，所述压力调节阀两端分别通过两个第一连接器与下部封隔器、上部封隔器连接，所述上部封隔器和电子定向仪通过第二连接器相连；

所述印模调节阀包括固定阀、活动阀和封堵阀，封堵阀与固定阀固定连接，活动阀依次穿过封堵阀和固定阀活动配合；所述上部封隔器包括封隔杆体和封隔橡胶，封隔橡胶套设在封隔杆体外形成封堵加压腔，封隔杆体内设置有注水通道，注水通道与封堵加压腔连通；下部封隔器和上部封隔器对称布置；所述压力调节阀包括压力调节阀杆、调压器、调压弹簧和水压控制器，压力调节阀杆为变径杆结构，调压器与压力调节阀杆相连，水压控制器和压力调节阀杆活动连接，调压弹簧套设在压力调节阀杆上，压力调节阀杆内设置有注水通道；所述第一连接器内开始有变径螺纹孔；所述第二连接器两端设置螺纹孔，中部设置阻水板。

2.根据权利要求1所述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，其特征在于，所述印模调节阀的固定阀表面套设有印模橡胶，固定阀内设置有变径腔体，印模橡胶与固定阀之间形成印模加压腔。

3.根据权利要求2所述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，其特征在于，所述印模加压腔和固定阀的变径腔体之间通过印模导水孔连通，所述印模加压腔的内径沿在长度方向的中部向两端减小。

4.根据权利要求2所述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，其特征在于，所述活动阀内部设置有阀门通道，阀门通道的两侧设置有注水通孔；活动阀沿轴向移动使注水通孔和阀腔导通；所述活动阀和固定阀之间设置有橡胶密封圈，橡胶密封圈固定在印模导水孔的两侧。

5.根据权利要求4所述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，其特征在于，所述封堵阀与固定阀通过螺纹固定连接；所述调压器与压力调节阀杆通过螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，其特征在于，所述印模调节阀、上部封隔器、下部封隔器、压力调节阀、第一连接器、第二连接器和电子定向仪同轴布置。

7.一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试方法，其特征在于，利用权利要求1至6任一项所述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试装置，步骤包括：

S1.在巷道内施工钻孔，并探测钻孔内的围岩结构，确定孔壁光滑的试验段；

S2.将地应力测试装置推送到试验段，活动阀在重力作用下上移，注水通孔和阀腔导通，注水后上部封隔器、下部封隔器膨胀，分段封堵钻孔；

S3.注水通道内的高压水通过压裂导水孔和压裂出水孔，作用在水压控制器上，压缩调压弹簧，水压控制器与压力调节阀杆间出现空隙，高压水进入到压力调节阀杆的外部，继续加压，钻孔封隔段压裂，压裂结束后，打开水泵泄压阀，排出封堵加压腔内及封堵段的水；

S4.利用钻机沿钻孔继续推进地应力测试装置，印模调节阀与钻孔的压裂段重合，启动水泵，注水后上部封隔器、下部封隔器膨胀，压裂出水孔停止出水后关闭水泵，下移高压水钢管，带动活动阀移动，注水通孔与印模导水孔连通，打开水泵，高压水进入印模加压腔内，直至加压至设定压力，完成印模；

S5.印模完成后，打开水泵的泄压阀，排出印模加压腔内的高压水，并放出封隔器内部的水；

S6.确定地应力的大小和方向。

8.根据权利要求7所述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试方法，其特征在于，所述钻孔内的围岩结构通过钻孔窥视仪进行探测，所述钻孔的直径为55-60cm，所述钻孔的深度为15-20m。

9.根据权利要求7所述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试方法，其特征在于，所述活动阀在重力作用下活动阀上移后，高压水在水泵作用下依次通过阀门通道、注水通孔、阀腔、注水通道、封堵导水孔进入上部封隔器和下部封隔器的封堵加压腔内。

10.根据权利要求7所述的一种单回路水压致裂与印模一体化的地应力测试方法，其特征在于，所述地应力的大小和方向的确定，具体是根据封堵和压裂过程中的水压变化曲线，计算最大水平主应力及最小水平主应力；根据印模橡胶表面的压裂缝印痕及电子定向仪记录的数据，确定最大水平主应力的方向。

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