CN113466099B - 一种压水试验测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种压水试验测试装置及测试方法，装置：传感器转接头由中间钻杆和转接构件组成；上部钻杆、中间钻杆和下部钻杆依次固接形成测试杆；压力传感器安装在转换构件上，并与压力测量仪连接；上部和下部封孔胶囊由上到下的设置在测试杆的下方，且注水管路相互连接后与测试杆的轴心通孔连通，且两个封孔胶囊的气囊相连通后与气压泵连接；注水箱通过注水管与测试杆的轴心通孔连接。方法：布置设备；连接传感器转接头和压力传感器；开始试验，记录下放深度；开始测量；利用封孔胶囊固定探测杆的位置，观察压力变化值；记录试验段水位流失时间；进行不同位置测试段的测试；计算试压压力下的压入流量。该装置和方法有利于快速、精确地获取岩层渗透性指标。

Description

一种压水试验测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于压水测试技术领域，具体是一种压水试验测试装置及测试方法。

背景技术

现阶段，许多煤田水文地质条件十分复杂，煤层开采过程中受到多种水体的威胁，深入开展带压开采采煤工作面底板破坏突水成灾机理及预警系统研究、有效遏制矿井突水事故的发生、保障煤矿安全生产，是目前我国煤炭工业迫切需要解决的问题，对进一步提高大水矿区生产效果和资源回收率具有重要意义，也能为以后同类型的煤层安全高效开采提供科学可靠的参考依据。

经过多年的底板采动现场实践观测，开采煤层底板也像上覆岩层一样从煤层底面到含水层顶面可分为“下三带”，即底板导水破坏带、完整岩层带、承压水导升带。“下三带”理论比较符合煤层底板破坏、突水规律，在生产实践中得到了较为广泛的应用，由此可见，底板导水破坏带的现场实地观测具有重要意义。为了查明底板变形破坏规律，现今采用的研究方法可采用理论研究、数值模拟研究及实验研究等，虽然这些方法在认识底板岩层移动变形规律方面起到了很重要的作用，但在工程实践中，利用实测数据信息来推断底板岩层移动变形破坏规律无疑是最直接、最可靠的方法。另外地质勘察和水文观测的重要技术参数是地层的渗透系数或渗透率，该测试一般要复合《水利水电工程注水试验规程》规程。

目前现场实地观测的方法有：钻孔声波测试法、底板钻孔位移计法、钻孔窥视测试法、钻孔应力计、钻孔放注水法等。以上几种方法中，钻孔放注水法是获取岩体渗透性指标的常用方法。它主要是通过人工抬高水头，向孔内注入清水，测定岩土体渗透系数的一种原位测试方法。根据地层渗透系数的大小，可以判定岩土体的透水级别，从而为工程的防渗处理方案提供地质依据。钻孔放注水法的成果直接影响对工程岩土体渗透性状况的评价。因此，钻孔放注水法的可靠性是非常重要的，但在传统钻孔放注水法的实际操作过程中时常存在以下难题：

（1）根据《水利水电工程注水试验规程》要求，压水试验测试所需的水压分别为0.3/0.6/1.0MPa，但往往由于钻孔深度较深或水位距离钻孔口落差超过30m水头甚至超过100m水头，常规的实测方法由于受到钻孔内本身的水头落差限制，测试过程中的水压往往超过《水利水电工程注水试验规程》所需要的0.3/0.6/1.0MPa，使其压水测试实验结果存在较大误差；

（2）即使测试钻孔内的水位与钻孔孔口水位落差符合《水利水电工程注水试验规程》0.3/0.6/1.0MPa的要求，但是地层往往由于压水段存在较大的裂隙，压水漏失量较大，超过了注水水泵自身的泵送流量上限，使得测试无法进行而中断，或投入更多的资金购置流量更大的大功率水泵，投资大、耗费时间长等弊端；

（3）压水试验测试所需要的流量值应准确、可靠，但是常规的水泵往往控制水流量的输出存在一定的波动，使得实测的结果存在较大误差。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种压水试验测试装置及测试方法，该装置结构简单，制造成本低，有利于快速、精确地获取岩层渗透性指标；该方法操作步骤简单、实施成本低，便于准确快速的获得设定试验压力下的压入流量，具有较好的推广价值和实用性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压水试验测试装置，包括上部钻杆、下部钻杆、上部封孔胶囊、下部封孔胶囊、传感器转接头、压力传感器、气压泵、压力测量仪和注水箱；

所述传感器转接头由中间钻杆和转接构件组成；

所述上部钻杆、中间钻杆和下部钻杆的外径均相同，并均于轴心处开设有尺寸相同的轴心通孔；上部钻杆、中间钻杆和下部钻杆由上到下同轴心的设置，并两两相固定连接形成测试杆；

所述转接构件呈L型，其由位于底部的水平段和位于上部的竖直段组成，其中心开设有延伸到水平段端部和竖直段端部的L形通孔，且水平段的端部与中间钻杆的杆身垂直的固定连接；所述中间钻杆的杆身上开设有连通L形通孔和其轴心通孔的径向连通孔；

所述上部封孔胶囊和下部封孔胶囊由上到下同轴心的设置在测试杆的下方，且上部封孔胶囊中注水管路的上端固定安装于测试杆底部的轴心通孔中，下部封孔胶囊中注水管路的上端通过刚性连接管与上部封孔胶囊中注水管路的下端固定连接；下部封孔胶囊中注水管路的下端封闭；下部封孔胶囊中气囊的上端通过短气管与上部封孔胶囊中气囊的下端贯通的连接；

所述刚性连接管的中部开设有连通其内腔和外部的多个径向透孔；

所述压力传感器固定安装于L形通孔的竖直段中，并与测试杆的轴心通孔连通；

所述气压泵通过长气管与上部封孔胶囊中气囊的上端贯通的连接；

所述压力测量仪与压力传感器的信号线连接；

所述注水箱的出水端通过注水管与测试杆上端的轴心通孔连接。

在该技术方案中，通过传感器转接头的设置，不仅能方便的连接上部钻杆和下部钻杆形成测试杆，而且还能方便的连接压力传感器，并能确保压力传感器与形成的测试杆中心的轴心通孔相连通，从而可以方便的获得测试杆内部的水压值。通过使注水管连接注水箱和测试杆上端的轴心通孔，并使刚性连接管连接上部封孔胶囊和下部封孔胶囊的注水管路，能方便的将注水箱中的水引入到测试杆内部，并能使进入测试杆内部的水通过位于两个封孔胶囊之间的刚性连接管中部的多个径向透孔排入封孔段中，进而有利于水渗透到地层中。使压力测量仪通过信号线与压力传感器连接，能便于实时的获得压力传感器所测得的压力信号，从而便于操作人员直观的观察到压力的变化情况，以便于能获得准确的参数；使气压泵通过长气管与上部封孔胶囊连接，并使短气管连接上部封孔胶囊和下部封孔胶囊的气囊，这样，能方便的通过气压泵向上部封孔胶囊和下部封孔胶囊中充气，从而可以锁定测试杆在钻孔中的不同位置。该装置结构简单，制作便捷、制造成本低，方便操作，且操作过程安全可靠，有利于快速、精确地获取岩层渗透性指标。

作为一种优选，所述中间钻杆杆身的中部开设有与转接构件水平段的端部相适配的定位凹槽，且转接构件水平段的端部焊接于所述定位凹槽中。

进一步，为了方便连接和拆卸，所述L形通孔的上端开设有内螺纹结构A，所述压力传感器的连接端设置有与所述内螺纹结构A相适配的外螺纹结构A，且通过外螺纹结构A和内螺纹结构A的配合固定连接于转接构件的L形通孔中。

作为一种优选，所述上部钻杆的下端设置有倒锥台形凸台一，并于倒锥台形凸台一的外部设置有外螺纹结构一，所述中间钻杆的上端开设有倒锥台形凹槽一，并于倒锥台形凹槽一内部设置有内螺纹结构一，上部钻杆和中间钻杆之间通过外螺纹结构一和内螺纹结构一的螺纹配合固定连接在一起；所中间钻杆的下端设置有倒锥台形凸台二，并于倒锥台形凸台二外部设置有外螺纹结构二，所述下部钻杆的上端开设有倒锥台形凹槽二，并于倒锥台形凹槽二的内部设置有内螺纹结构二，中间钻杆和下部钻杆之间通过外螺纹结构二和内螺纹结构二的螺纹配合固定连接在一起。

进一步，为了提高本装置的通用性，所述上部钻杆由多段尺寸相同的单体钻杆依次连接组成，所述下部钻杆由多段尺寸相同的单体钻杆依次连接组成。

本发明还提供了一种压水试验测试方法，包括以下步骤：

步骤一：在地面做好准备工作；将气压泵、压力测量仪和注水箱摆放在地面上的相应位置，并将长气管的出气端与上部封孔胶囊中气囊的上端贯通连接，将信号线的一端与压力传感器连接；

步骤二：将加工好的中间钻杆与转接构件焊接在一起组成传感器转接头，再将压力传感器通过螺纹配合连接在转接构件上的L形通孔中，并把信号线与压力测量仪进行连接且进行测试，待压力传感器与传感器转接头的连接处无漏水且能正常工作后，进行下一步；

步骤三：开始试验；将上部封孔胶囊和下部封孔胶囊之间的注水管路通过刚性连接管进行固定连接，并将上部封孔胶囊和下部封孔胶囊之间的气囊通过短气管进行连接，从而组装成封孔组件；将组装好的封孔组件上端的注水管路的上端固定插装在下部钻杆下端的轴心通孔中，并开始向预开挖的钻孔内下放；

步骤四：实时记录好下放深度，在下放过程中将传感器转接头的下端固定连接在下部钻杆的上端，再将上部钻杆的下端固定连接在传感器转接头的上端，从而形成测试杆，然后将连接好的测试杆继续下放，当下部封孔胶囊下放到最深试验段时，确保传感器转接头上连接的压力传感器的上端位于钻孔中水位的下方；

步骤五：下放完毕后，将长气管的进气端与气压泵的出气口连接，将信号线的另一端与压力测量仪的接入端连接，通过注水管将注水箱和测试杆上端的轴心通孔连接，准备开始测量；

步骤六：启动气压泵向上部封孔胶囊和下部封孔胶囊的内部充气，使上部封孔胶囊和下部封孔胶囊膨胀并紧贴围岩，然后将注水箱内部的水注入测试杆的轴心通孔中，在测试杆内注满水后，观察压力测量仪的压力值的变化情况；

步骤七：在测试杆内的水位不断下降的过程中，通过观察压力测量仪压力值的变化来直接测量出测试杆内部水压达到压水试验测试所需的试验压力时的设计位置o，压水试验测试所需的试验压力分别为0.3/0.6/1.0MPa，对应测试杆内部水位面达到设计位置o到水位面的距离分别为30/60/100m,然后以该位置为界向上取L的距离为位置a，向下取L的距离为位置b,其中，L根据现场多次试验获得，其最佳长度为10m；以位置a到位置b的距离为流量计算的压水试验段，然后再记录测试杆内水位从位置a降到位置b所用的流失时间；

步骤八：在一段压水试验段实验结束后，对上部封孔胶囊和下部封孔胶囊进行泄压，然后再将测试杆向上提取设定距离并对下一段压水试验段重复步骤六和七，待全部压水试验段测试完毕后，拆掉信号线和长气管，并将测试装置从钻孔内全部提出；

步骤九：根据测试杆轴心通孔的内径、测试杆内水位面到压力传感器的高度、水位面深度、压力传感器到地面的深度、位置a及位置b到测试位置的距离和流失时间，计算出设定试验压力下的压入流量。

在步骤四中，根据是否满足公式（1）来确定传感器转接头上连接的压力传感器的上端是否位于钻孔中水位的下方；

（1）;

式中：H表示隔离段中心到地面的距离，单位m；h ₁表示水位面深度，单位m；h ₃表示测试杆下放的深度，单位m。

在步骤九中，根据公式（2）计算出设定试验压力下的压入流量Q；

（2）;

式中：R表示测试杆半径，单位m；h-(h ₂ -h ₁)表示测试杆内水压等于试验压力时测试杆内水位到钻孔水位面的高度，单位m；h表示测试杆内水位面到压力传感器的高度，由压力传感器监测得到，单位m；h ₂表示压力传感器到地面的深度，单位m； t表示测试杆内水流流过测试杆内水压等于试验压力位置上下各10m长度所用时间，单位s。

本方法通过传感器转接头将压力传感器与测试杆进行连接并随测试杆同步下放，并使压力传感器的上端始终位于水位面以下，这样，在向测试杆内注水后，可直接测得压力传感器所在位置的测试杆内部水压值，再根据该水压值与轴心通孔内原水位的差值，进而便于确定出水压等于试验压力时的设计位置，然后以该位置为界限，再向上、向下取一定长度，并结合测试杆内径与水位流失的时间便可方便的计算出该试验压力下的压入流量。该方法易于施工、操作步骤简单、操作过程安全可靠、且能节约测试成本，并能使数据的测量结果更精准，具有较好的推广价值和实用性，适用于煤矿、铁矿、水利、地质勘察、隧道、边坡等需要压水的测试领域，尤其适用于深孔的压水试验测试。

对于浅孔且地层裂隙发育较大、水量流失大的地况，传统的方法需配合大流量的水泵，大流量的水泵体积大、重量大、投资高、搬运不方便、且误差大；本方法解决了传统压水试验对于深孔试验使用大型水泵控制试验压力的问题，减少了工人劳动强度，节省了工序时间。本方法对于漏失量较大的隔离段，无需提供额外压力，只需不间断向测试杆内注水，然后通过观察压力测量仪的读数确定出测试杆内水压等于试验压力时的设计位置，最终根据计算式求出压入流量即可。本发明实验数据精准可靠，解决了浅孔且地层裂隙发育较大、水量流失大的地况现场测试的难题，其投资小、测试数据可靠、测试过程时间短。

本发明解决了传统压水试验测试方法无法测定水位与孔口间距、无法确定测试杆内部实际水压而导致实验结果出现误差的技术问题，省掉了采用大型水泵控制试验压力的关键环节。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A部的局部放大图；

图3是本发明中传感器转接头的结构示意图；

图4是本发明中中间钻杆的结构示意图；

图5是本发明中转换构件的结构示意图；

图6是本发明中下部钻杆或上部钻杆的结构示意图。

图中: 1、钻机，2、气压泵，3、压力测量仪，4、注水箱，5、长气管，6、注水管，7、测试杆，7.1、上部钻杆，7.2、下部钻杆，8、传感器转接头，8.1、中间钻杆，8.2、转接构件，9、压力传感器，10、信号线，11、上部封孔胶囊，12、下部封孔胶囊，13、短气管，14、刚性连接管，15、轴心通孔，16、位置a，17、位置b，18、设计位置o。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种压水试验测试装置，包括上部钻杆7.1、下部钻杆7.2、上部封孔胶囊11、下部封孔胶囊12、传感器转接头8、压力传感器9、气压泵2、压力测量仪3和注水箱4；

所述传感器转接头8由中间钻杆8.1和转接构件8.2组成；中间钻杆8.1为侧面有断面的贯通型钻杆加工件，在加工时，用车床将杆件加工出所需尺寸即可，转接构件8.2为“L”状贯通型金属加工件，加工好的中间钻杆8.1和转接构件8.2焊接在一起组成传感器转接头8。作为一种优选，转接构件8.2可以由不锈钢、铜、铁、塑料等有机或无机材料制作而成。

所述上部钻杆7.1、中间钻杆8.1和下部钻杆7.2的外径均相同，并均于轴心处开设有尺寸相同的轴心通孔15；上部钻杆7.1、中间钻杆8.1和下部钻杆7.2由上到下同轴心的设置，并两两相固定连接形成测试杆7；

所述转接构件8.2呈L型，其由位于底部的水平段和位于上部的竖直段组成，其中心开设有延伸到水平段端部和竖直段端部的L形通孔，且水平段的端部与中间钻杆8.1的杆身垂直的固定连接；所述中间钻杆8.1的杆身上开设有连通L形通孔和其轴心通孔15的径向连通孔，从而使轴心通孔15与L形通孔之间相互连通；

所述上部封孔胶囊11和下部封孔胶囊12由上到下同轴心的设置在测试杆7的下方，且上部封孔胶囊11中注水管路的上端固定安装于测试杆7底部的轴心通孔15中，且注水管路与轴心通孔15之间密封连接，下部封孔胶囊12中注水管路的上端通过刚性连接管14与上部封孔胶囊11中注水管路的下端固定连接；下部封孔胶囊12中注水管路的下端封闭；下部封孔胶囊12中气囊的上端通过短气管13与上部封孔胶囊11中气囊的下端贯通的连接；

所述刚性连接管14的中部开设有连通其内腔和外部的多个径向透孔；

所述压力传感器9固定安装于L形通孔的竖直段中，并与测试杆7的轴心通孔15连通，且压力传感器9与L形通孔的竖直段密封连接；

所述气压泵2通过长气管5与上部封孔胶囊11中气囊的上端贯通的连接；

所述压力测量仪3与压力传感器9的信号线10连接；

所述注水箱4的出水端通过注水管6与测试杆7上端的轴心通孔15连接。

作为一种优选，所述中间钻杆8.1杆身的中部开设有与转接构件8.2水平段的端部相适配的定位凹槽，且转接构件8.2水平段的端部焊接于所述定位凹槽中。

为了方便连接和拆卸，所述L形通孔的上端开设有内螺纹结构A，所述压力传感器9的连接端设置有与所述内螺纹结构A相适配的外螺纹结构A，且通过外螺纹结构A和内螺纹结构A的配合固定连接于转接构件8.2的L形通孔中。

作为一种优选，所述上部钻杆7.1的下端设置有倒锥台形凸台一，并于倒锥台形凸台一的外部设置有外螺纹结构一，所述中间钻杆8.1的上端开设有倒锥台形凹槽一，并于倒锥台形凹槽一内部设置有内螺纹结构一，上部钻杆7.1和中间钻杆8.1之间通过外螺纹结构一和内螺纹结构一的螺纹配合固定连接在一起；所中间钻杆8.1的下端设置有倒锥台形凸台二，并于倒锥台形凸台二外部设置有外螺纹结构二，所述下部钻杆7.2的上端开设有倒锥台形凹槽二，并于倒锥台形凹槽二的内部设置有内螺纹结构二，中间钻杆8.1和下部钻杆7.2之间通过外螺纹结构二和内螺纹结构二的螺纹配合固定连接在一起。

为了提高本装置的通用性，所述上部钻杆7.1由多段尺寸相同的单体钻杆依次连接组成，所述下部钻杆7.2由多段尺寸相同的单体钻杆依次连接组成。

通过传感器转接头的设置，不仅能方便的连接上部钻杆和下部钻杆形成测试杆，而且还能方便的连接压力传感器，并能确保压力传感器与形成的测试杆中心的轴心通孔相连通，从而可以方便的获得测试杆内部的水压值。通过使注水管连接注水箱和测试杆上端的轴心通孔，并使刚性连接管连接上部封孔胶囊和下部封孔胶囊的注水管路，能方便的将注水箱中的水引入到测试杆内部，并能使进入测试杆内部的水通过位于两个封孔胶囊之间的刚性连接管中部的多个径向透孔排入封孔段中，进而有利于水渗透到地层中。使压力测量仪通过信号线与压力传感器连接，能便于实时的获得压力传感器所测得的压力信号，从而便于操作人员直观的观察到压力的变化情况，以便于能获得准确的参数；使气压泵通过长气管与上部封孔胶囊连接，并使短气管连接上部封孔胶囊和下部封孔胶囊的气囊，这样，能方便的通过气压泵向上部封孔胶囊和下部封孔胶囊中充气，从而可以锁定测试杆在钻孔中的不同位置。该装置结构简单，制作便捷、制造成本低，方便操作，且操作过程安全可靠，有利于快速、精确地获取岩层渗透性指标。

本发明还提供了一种压水试验测试方法，为了进行详细的说明，给出以下实施例：

以华北煤田某矿现场压水试验为例，钻孔孔深650m，钻孔孔径100mm，测试杆内径（轴心通孔）50mm，水位面到孔口距离为300m，现场水泵功率30KW，分别测量630m、620m、610m、600m、590m、580m、570m、560m、550m、540m十个试验段的压入流量。

采用传统方式测试使用过程中，由于压水段地层存在较大的裂隙，压水漏失量较大，超过了注水水泵自身的泵送流量上限，使得测试无法进行而中断。

采用本发明中的一种压水试验测试方法进行测试的步骤如下：

步骤一：在地面做好准备工作；将气压泵2、压力测量仪3和注水箱4摆放在地面上的相应位置，并将长气管5的出气端与上部封孔胶囊11中气囊的上端贯通连接，将信号线10的一端与压力传感器9连接；

步骤二：将加工好的中间钻杆8.1与转接构件8.2焊接在一起组成传感器转接头8，再将压力传感器9通过螺纹配合连接在转接构件8.2上的L形通孔中，并把信号线10与压力测量仪3进行连接且进行测试，待压力传感器9与传感器转接头8的连接处无漏水且能正常工作后，进行下一步；

步骤三：开始试验；将上部封孔胶囊11和下部封孔胶囊12之间的注水管路通过刚性连接管14进行固定连接，并将上部封孔胶囊11和下部封孔胶囊12之间的气囊通过短气管13进行连接，从而组装成封孔组件；将组装好的封孔组件上端的注水管路的上端固定插装在下部钻杆7.2下端的轴心通孔15中，并开始向预开挖的钻孔内下放；

步骤四：实时记录好下放深度，在下放过程中将传感器转接头8的下端固定连接在下部钻杆7.2的上端，再将上部钻杆7.1的下端固定连接在传感器转接头8的上端，从而形成测试杆7，然后将连接好的测试杆7继续下放，当下部封孔胶囊12下放到最深试验段时，确保传感器转接头8上连接的压力传感器9的上端位于钻孔中水位的下方；

保证压力传感器9在水位面以下的具体方法是：在测试杆7下放过程中，根据下放单体杆体的根数计算好测试杆7下放总长度，然后计算隔离段深度与测试杆7下放总长度的差值，当该差值刚好大于或等于水位面深度1m时开始安装传感器转接头8和压力传感器9，最后连接测试杆7继续下放上部封孔胶囊11和下部封孔胶囊12到达隔离段时结束。具体地，根据是否满足公式（1）来确定传感器转接头8上连接的压力传感器9的上端是否位于钻孔中水位的下方；

（1）;

式中：H表示隔离段中心到地面的距离，单位m， h ₁表示水位面深度，单位m；h ₃表示测试杆7下放的深度，单位m。

按照公式（1）的判别方法，可确定出压力传感器9到孔口的距离h₂为303m。

步骤五：下放完毕后，将长气管5的进气端与气压泵2的出气口连接，将信号线10的另一端与压力测量仪3的接入端连接，通过注水管6将注水箱4和测试杆7上端的轴心通孔15连接，准备开始测量；

该过程中，试验压力不需要任何水泵进行注水控制水压，只需在测试杆7内注入水后观察压力测量仪3的压力值的变化即可确定试验水压。

步骤六：启动气压泵2向上部封孔胶囊11和下部封孔胶囊12的内部充气，使上部封孔胶囊11和下部封孔胶囊12膨胀并紧贴围岩，然后将注水箱4内部的水注入测试杆7的轴心通孔15中，在测试杆7内注满水后，人工观察压力测量仪3的压力值的变化情况；

该过程中，进入测试杆内部的水通过刚性连接管14中部的多个径向透孔排入封孔段中；

步骤七：在测试杆7内的水位不断下降的过程中，通过观察压力测量仪3压力值的变化来直接测量出测试杆7内部水压达到压水试验测试所需的试验压力时的设计位置o18，压水试验测试所需的试验压力分别为0.3/0.6/1.0MPa，对应测试杆（7）内部水位面达到设计位置o18到水位面的距离分别为30/60/100m,然后以该位置为界向上取L的距离为位置a16，向下取L的距离为位置b17；以位置a16到位置b17的距离为流量计算的压水试验段，然后再记录测试杆7内水位从位置a16降到位置b17所用的流失时间；

其中，测试杆7内部水压达到试验压力时的位置a16、位置b17取长度L的距离源于现场多次实验验证与数据分析获得，所得最优长度L的最佳长度为10m，同一个压水试验段重复测试过程不少于三次，最后取其平均值。

具体到本实施例中，记录得到的测试杆7内水位从位置a16降到位置b17所用的时间为2s。

步骤八：在一段压水试验段实验结束后，对上部封孔胶囊11和下部封孔胶囊12进行泄压，然后再将测试杆7向上提取设定距离并对下一段压水试验段重复步骤六和七，待全部压水试验段测试完毕后，拆掉信号线10和长气管5，并将测试装置从钻孔内全部提出；

步骤九：根据测试杆7轴心通孔15的内径、测试杆7内水位面到压力传感器9的高度、水位面深度、压力传感器7到地面的深度、位置a16及b到测试位置的距离和流失时间，根据公式（2）计算出设定试验压力下的压入流量Q；

（2）;

式中：R表示测试杆半径，单位m；h-(h ₂ -h ₁)表示测试杆内水压等于试验压力时测试杆内水位到钻孔水位面的高度，单位m；h表示测试杆内水位面到压力传感器9的高度，由压力传感器7监测得到，单位m；h ₂表示压力传感器到地面的深度，单位m； t表示测试杆7内水流流过测试杆7内水压等于试验压力位置上下各10m长度所用时间，单位s。

其中，测试杆7的下放和提升过程通过设置在钻孔上方的钻机1进行操作。

具体到本实施例中，以630m试段为例，取试验压力为1.0MPa，此时根据监测得到设计位置o18的距离h为103m，则位置a16深度为93m，位置b17深度为113m，记录水流从位置a16到位置b17的流失时间为2s，再根据测试杆7内径、水位面到孔口距离以及压力传感器9到孔口的距离，最终根据式子（2）计算出该试验压力下的压入流量。

。

本方法通过传感器转接头将压力传感器与测试杆进行连接并随测试杆同步下放，并使压力传感器的上端始终位于水位面以下，这样，在向测试杆内注水后，可直接测得压力传感器所在位置的测试杆内部水压值，再根据该水压值与轴心通孔内原水位的差值，进而便于确定出水压等于试验压力时的设计位置，然后以该位置为界限，再向上、向下取一定长度，并结合测试杆内径与水位流失的时间便可方便的计算出该试验压力下的压入流量。该方法易于施工、操作步骤简单、操作过程安全可靠、且能节约测试成本，并能使数据的测量结果更精准，具有较好的推广价值和实用性，适用于煤矿、铁矿、水利、地质勘察、隧道、边坡等需要压水的测试领域，尤其适用于深孔的压水试验测试。

对于浅孔且地层裂隙发育较大、水量流失大的地况，传统的方法需配合大流量的水泵，大流量的水泵体积大、重量大、投资高、搬运不方便、且误差大；本方法解决了传统压水试验对于深孔试验使用大型水泵控制试验压力的问题，减少了工人劳动强度，节省了工序时间。本方法对于漏失量较大的隔离段，无需提供额外压力，只需不间断向测试杆内注水，然后通过观察压力测量仪的读数确定出测试杆内水压等于试验压力时的设计位置，最终根据计算式求出压入流量即可。本发明实验数据精准可靠，解决了浅孔且地层裂隙发育较大、水量流失大的地况现场测试的难题，其投资小、测试数据可靠、测试过程时间短。

本发明解决了传统压水试验测试方法无法测定水位与孔口间距、无法确定测试杆内部实际水压而导致实验结果出现误差的技术问题，省掉了采用大型水泵控制试验压力的关键环节。

Claims (8)

1.一种压水试验测试装置，包括上部钻杆（7.1）、下部钻杆（7.2）、上部封孔胶囊（11）和下部封孔胶囊（12），其特征在于，还包括传感器转接头（8）、压力传感器（9）、气压泵（2）、压力测量仪（3）和注水箱（4）；

所述传感器转接头（8）由中间钻杆（8.1）和转接构件（8.2）组成；

所述上部钻杆（7.1）、中间钻杆（8.1）和下部钻杆（7.2）的外径均相同，并均于轴心处开设有尺寸相同的轴心通孔（15）；上部钻杆（7.1）、中间钻杆（8.1）和下部钻杆（7.2）由上到下同轴心的设置，并两两相固定连接形成测试杆（7）；

所述转接构件（8.2）呈L型，其由位于底部的水平段和位于上部的竖直段组成，其中心开设有延伸到水平段端部和竖直段端部的L形通孔，且水平段的端部与中间钻杆（8.1）的杆身垂直的固定连接；所述中间钻杆（8.1）的杆身上开设有连通L形通孔和其轴心通孔（15）的径向连通孔；

所述上部封孔胶囊（11）和下部封孔胶囊（12）由上到下同轴心的设置在测试杆（7）的下方，且上部封孔胶囊（11）中注水管路的上端固定安装于测试杆（7）底部的轴心通孔（15）中，下部封孔胶囊（12）中注水管路的上端通过刚性连接管（14）与上部封孔胶囊（11）中注水管路的下端固定连接；下部封孔胶囊（12）中注水管路的下端封闭；下部封孔胶囊（12）中气囊的上端通过短气管（13）与上部封孔胶囊（11）中气囊的下端贯通的连接；

所述刚性连接管（14）的中部开设有连通其内腔和外部的多个径向透孔；

所述压力传感器（9）固定安装于L形通孔的竖直段中，并与测试杆（7）的轴心通孔（15）连通；

所述气压泵（2）通过长气管（5）与上部封孔胶囊（11）中气囊的上端贯通连接；

所述压力测量仪（3）与压力传感器（9）的信号线（10）连接；

所述注水箱（4）的出水端通过注水管（6）与测试杆（7）上端的轴心通孔（15）连接。

2.根据权利要求1 所述的一种压水试验测试装置，其特征在于，所述中间钻杆（8.1）杆身的中部开设有与转接构件（8.2）水平段的端部相适配的定位凹槽，且转接构件（8.2）水平段的端部焊接于所述定位凹槽中。

3.根据权利要求1 所述的一种压水试验测试装置，其特征在于，所述L形通孔的上端开设有内螺纹结构A，所述压力传感器（9）的连接端设置有与所述内螺纹结构A相适配的外螺纹结构A，且通过外螺纹结构A和内螺纹结构A的配合固定连接于转接构件（8.2）的L形通孔中。

4.根据权利要求3所述的一种压水试验测试装置，其特征在于，所述上部钻杆（7.1）的下端设置有倒锥台形凸台一，并于倒锥台形凸台一的外部设置有外螺纹结构一，所述中间钻杆（8.1）的上端开设有倒锥台形凹槽一，并于倒锥台形凹槽一内部设置有内螺纹结构一，上部钻杆（7.1）和中间钻杆（8.1）之间通过外螺纹结构一和内螺纹结构一的螺纹配合固定连接在一起；所中间钻杆（8.1）的下端设置有倒锥台形凸台二，并于倒锥台形凸台二外部设置有外螺纹结构二，所述下部钻杆（7.2）的上端开设有倒锥台形凹槽二，并于倒锥台形凹槽二的内部设置有内螺纹结构二，中间钻杆（8.1）和下部钻杆（7.2）之间通过外螺纹结构二和内螺纹结构二的螺纹配合固定连接在一起。

5.根据权利要求4所述的一种压水试验测试装置，其特征在于，所述上部钻杆（7.1）由多段尺寸相同的单体钻杆依次连接组成，所述下部钻杆（7.2）由多段尺寸相同的单体钻杆依次连接组成。

6.一种压水试验测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在地面做好准备工作；将气压泵（2）、压力测量仪（3）和注水箱（4）摆放在地面上的相应位置，并将长气管（5）的出气端与上部封孔胶囊（11）中气囊的上端贯通连接，将信号线（10）的一端与压力传感器（9）连接；

步骤二：将加工好的中间钻杆（8.1）与转接构件（8.2）焊接在一起组成传感器转接头（8），再将压力传感器（9）通过螺纹配合连接在转接构件（8.2）上的L形通孔中，并把信号线（10）与压力测量仪（3）进行连接且进行测试，待压力传感器（9）与传感器转接头（8）的连接处无漏水且能正常工作后，进行下一步；

步骤三：开始试验；将上部封孔胶囊（11）和下部封孔胶囊（12）之间的注水管路通过刚性连接管（14）进行固定连接，并将上部封孔胶囊（11）和下部封孔胶囊（12）之间的气囊通过短气管（13）进行连接，从而组装成封孔组件；将组装好的封孔组件上端的注水管路的上端固定插装在下部钻杆（7.2）下端的轴心通孔（15）中，并开始向预开挖的钻孔内下放；

步骤四：实时记录好下放深度，在下放过程中将传感器转接头（8）的下端固定连接在下部钻杆（7.2）的上端，再将上部钻杆（7.1）的下端固定连接在传感器转接头（8）的上端，从而形成测试杆（7），然后将连接好的测试杆（7）继续下放，当下部封孔胶囊（12）下放到最深试验段时，确保传感器转接头（8）上连接的压力传感器（9）的上端位于钻孔中水位的下方；

步骤五：下放完毕后，将长气管（5）的进气端与气压泵（2）的出气口连接，将信号线（10）的另一端与压力测量仪（3）的接入端连接，通过注水管（6）将注水箱（4）和测试杆（7）上端的轴心通孔（15）连接，准备开始测量；

步骤六：启动气压泵（2）向上部封孔胶囊（11）和下部封孔胶囊（12）的内部充气，使上部封孔胶囊（11）和下部封孔胶囊（12）膨胀并紧贴围岩，然后将注水箱（4）内部的水注入测试杆（7）的轴心通孔（15）中，在测试杆（7）内注满水后，观察压力测量仪（3）的压力值的变化情况；

步骤七：在测试杆（7）内的水位不断下降的过程中，通过观察压力测量仪（3）压力值的变化来直接测量出测试杆（7）内部水压达到压水试验测试所需的试验压力时的设计位置o（18）,压水试验测试所需的试验压力分别为0.3/0.6/1.0MPa，对应测试杆（7）内部水位面达到设计位置o（18）到水位面的距离分别为30/60/100m,然后以该位置为界向上取L的距离为位置a（16），向下取L的距离为位置b（17）,其中，L根据现场多次试验获得，其长度为10m；再以位置a（16）到位置b（17）的距离为流量计算的压水试验段，然后再记录测试杆（7）内水位从位置a（16）降到位置b（17）所用的流失时间；

步骤八：在一段压水试验段实验结束后，对上部封孔胶囊（11）和下部封孔胶囊（12）进行泄压，然后再将测试杆（7）向上提取设定距离并对下一段压水试验段重复步骤六和七，待全部压水试验段测试完毕后，拆掉信号线（10）和长气管（5），并将测试装置从钻孔内全部提出；

步骤九：根据测试杆（7）轴心通孔（15）的内径、测试杆（7）内水位面到压力传感器（9）的高度、水位面深度、压力传感器（7）到地面的深度、位置a（16）及位置b（17）到测试位置的距离和流失时间，计算出设定试验压力下的压入流量。

7.根据权利要求6所述一种压水试验测试方法，其特征在于，在步骤四中，根据是否满足公式（1）来确定传感器转接头（8）上连接的压力传感器（9）的上端是否位于钻孔中水位的下方；

（1）;

式中：H表示隔离段中心到地面的距离，单位m；h ₁表示水位面深度，单位m；h ₃表示测试杆（7）下放的深度，单位m。

8.根据权利要求7所述一种压水试验测试方法，其特征在于，在步骤九中，根据公式（2）计算出设定试验压力下的压入流量Q；

（2）;

式中：R表示测试杆（7）半径，单位m；h-(h ₂ -h ₁)表示测试杆（7）内水压等于试验压力时测试杆（7）内水位到钻孔水位面的高度，单位m；h表示测试杆（7）内水位面到压力传感器（9）的高度，由压力传感器（7）监测得到，单位m；h ₂表示压力传感器（7）到地面的深度，单位m； t表示测试杆（7）内水流流过测试杆（7）内水压等于试验压力位置上下各10m长度所用时间，单位s。