CN113514383B - 一种顶板两带高度测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种顶板两带高度测试装置及测试方法，装置：第一、第二封孔胶囊通过双作用连接机构进行连接，并通过双作用连接机构的伸缩进行压缩和复位控制；测试杆的上端与第二封孔胶囊中的刚性水管连接；油泵与双作用连接机构的环形无杆腔连接，用于控制其中的两个柱塞顶头的同步伸缩动作；水泵通过注水管与测试杆连接。方法：布置设备；通过双作用连接机构连接第一、第二封孔胶囊；向钻孔中推送，并记录推送深度；通过油泵加压使双作用连接机构伸出并挤压封孔胶囊；启动水泵向封孔段注水；记录开始到结束注入的水量和该过程所使用的时间；计算顶板两带高度。该系统和方法能保证封孔胶囊的快速回缩复位，可有效降低设备的折损对测量结果产生的影响。

Description

一种顶板两带高度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，具体是一种顶板两带高度测试装置及测试方法。

背景技术

煤矿覆岩破坏参数是矿井合理留设防水煤柱的科学依据，是保障矿井安全生产和尽量回收煤炭资源的前提。煤层开采改变了岩体的原岩应力场，使得采场周围岩体特别是上覆岩体发生移动破坏。覆岩破坏的范围和程度直接诀定着水体下采煤，提高开采上限的可能性和安全性。因此，搞清覆岩破坏移动规律就成为解放水体下压煤量和保证矿井安全生产所不可缺少的重要内容。

钻孔注水法是获取覆岩破坏参数并得出两带高度的常用方法。它主要是向孔内注入清水，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，从而为判断覆岩破坏移动规律提供地质依据。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）对于深孔来说，由于测试距离较大，气（水）压注入和排出胶囊的速度较慢，严重影响测试效率；另外，胶囊自动收缩时会与岩体产生较大摩擦力，根据气（水）压表的数值通常很难判断胶囊是否收缩完毕，往往待气（水）压表归零时还要再等上半个小时以上的时间才能正常提钻。若没控制好胶囊收缩时间，会导致提钻过程中胶囊卡在钻孔内，强行提出后，会导致整套胶囊的报废，极大的增加了测试成本；如果未将胶囊强行提出折断在钻孔内，会导致钻孔的报废，从而还需要重新补打钻孔，不仅费时费力费资，更有可能错过最佳观测时间。

（2）测试岩层一般分为硬岩层、软岩层、软硬相间岩层，如果测试期间遇到软岩层或软硬相间岩层，膨胀后的胶囊由于气（水）压较大会镶嵌在软岩层或软硬相间岩层之间，即使测试结束将胶囊泄压，胶囊也无法正常收缩，最终卡死在钻孔中。若强行提出，仍然会导致整套胶囊的报废，进而增加了测试成本；若未将胶囊强行提出，会导致钻孔的报废，从而还需要重新补打钻孔，不仅费时费力费资，更有可能错过最佳观测时间，同时钻孔的频繁更换不仅无法有效采集可用数据，还会导致在同一位置不同时间裂隙宏观改变时没有参考对比，使检测结果的可靠性大大的降低。

（3）由于传统测试方法使用的胶囊属于由气（水）压控制的膨胀型胶囊，稳压层的外表皮较薄。钻孔内岩体结构复杂，若打压过程中遇到尖锐的岩石、有棱角的岩石或者岩石破碎带，造成胶囊稳压层外表皮破损的几率很大，容易导致胶囊出现漏气（水）的情况，进而会造成胶囊隔离效果差，导致同一压力下的注水量偏大，使渗透系数偏大，与实际地层不符，使压水试验数据不能使用。

（4）常规胶囊稳压层表皮较薄，使用次数过多后，会导致胶囊稳压层表皮弹性下降甚至失效，当测试结束回收胶囊时，胶囊可能出现无法收缩的情况，卡在钻孔中的风险系数增大。与上两种情况类似，若强行提出，易导致胶囊的报废；若未将胶囊强行提出，则会导致钻孔报废。

（5）隔离试段往往通过双胶囊打气（水）实现有效隔离，但两个胶囊之间只是通过一根小水管实现进出气（水）的连通，且每次打压均是从上部胶囊打入，然后经过小水管进入到下部胶囊中，这将会导致两胶囊压力不平衡。由于该试验隐蔽性强，无法直接观测胶囊是否同步膨胀，压力表的数值也并非两胶囊的共同压力值，出现误判的可能性很大。在上部胶囊达到压力标准时，下部胶囊实际上可能并未达到压力标准，从而会导致隔离的无效，进而得出无效测量数据。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种顶板两带高度测试装置及测试方法，该系统能保证封孔胶囊的快速回缩复位，可有效降低设备的折损对测量结果产生的影响，能降低钻孔失效率，并可减少测试过程的经济损失，有利于快速、精确地获取岩层渗透性指标，且可以使设备能够多次重复使用、保证数据精确可靠。该方法操作步骤简单、试验效率高，且能有效避免封孔胶囊无法正常回缩的情况发生。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种顶板两带高度测试装置，包括第一封孔胶囊、第二封孔胶囊、测试杆、双作用连接机构、油泵、压力测量仪和水泵；

所述第一封孔胶囊、双作用连接机构和第二封孔胶囊由上到下同轴心的设置；

所述第一封孔胶囊包括位于中心的第一刚性水管、第一胶囊体、第一刚性导向套、第二刚性导向套和多个第一连接环；所述第一刚性水管的上端封闭，其下端外侧设置有外螺纹结构一，所述第一胶囊体的中心设置有第一环形通孔，并通过第一环形通孔套设在第一刚性水管中部的外侧；所述第一刚性导向套固定套装在第一刚性水管上部的外侧，且其下端和第一胶囊体的上端固定连接；所述第二刚性导向套滑动的套设在第一刚性水管下部的外侧，且其上端和第一胶囊体的下端固定连接；多个第一连接环环向均匀的固定连接在第二刚性导向套的下端面；

所述双作用连接机构包括刚性壳体、两个柱塞顶头、刚性连通管、刚性油管B和两个空心套管；所述刚性壳体为筒形结构，刚性壳体的上端内侧和下端内侧分别固定连接有环形限位板A和环形限位板B，环形限位板A的上端面环向均匀的固定连接有多个第二连接环，多个第二连接环与多个第一连接环一一相对应的设置，且第一连接环和第二连接环之间均通过第一弹簧连接；环形限位板B的下端面环向均匀的固定连接有多个第三连接环；两个柱塞顶头轴心处均开设有轴向通孔，且上下对称的设置在刚性壳体内腔的上部和下部，且其外圆面分别与环形限位板A和环形限位板B的内圆面滑动密封配合；两个柱塞顶头相靠近的一端外侧均固定连接有环形凸台A，且两个环形凸台A的外圆面与刚性壳体的内侧壁滑动密封配合；所述刚性连通管的外径与第一刚性水管的外径相同，且插装于两个柱塞顶头的轴向通孔中，且与轴向通孔之间滑动密封配合；刚性连通管的上端内侧和下端内侧分别设置有内螺纹结构一和内螺纹结构二，且其上端通过内螺纹结构一和外螺纹结构一的配合固定套装于第一刚性水管下端的内侧；在刚性壳体、刚性连通管和两个环形凸台A之间围合成环形无杆腔；在刚性壳体的上部、上侧的柱塞顶头、上侧的环形凸台A和环形限位板A之间围合形成上环形有杆腔，在刚性壳体的上部固定连接有与上环形有杆腔相连通的上进出油管路；在刚性壳体的下部、下侧的柱塞顶头、下侧的环形凸台A和环形限位板B之间围合形成下环形有杆腔，在刚性壳体的下部固定连接有与下环形有杆腔相连通的下进出油管路；所述刚性油管B同轴心的设置在刚性连通管的中心，其上端弯折后由刚性连通管的中部穿出进入环形无杆腔中，并与刚性连通管固定连接；刚性油管B的下端通过多根连杆一与刚性连通管下端的内侧壁固定连接；两个空心套管均径向的设置在环形无杆腔中，且其里端分别固定连接在刚性连通管中部相对两侧的侧壁上，且通过开设在刚性连通管中部相对两侧的两个径向孔A与刚性连通管的内腔连通；两个空心套管的外端分别固定插装在刚性壳体中部相对两侧的两个径向孔B中，并与径向孔B之间密封配合；上进出油管路和下进出油管路各通过一根长油管A与设置在地面上的油箱连通；

所述第二封孔胶囊包括位于中心的第二刚性水管、刚性油管A、第二胶囊体、第三刚性导向套、第四刚性导向套和多个第四连接环；所述第二刚性水管的外径与第一刚性水管的外径相同，第二刚性水管下端固定连接有测试杆接头，其上端外侧设置有外螺纹结构二，并通过外螺纹结构二与内螺纹结构二的螺纹配合插装在刚性连通管下端的外侧；所述刚性油管A同轴心的设置在第二刚性水管的中心，且上端与刚性油管B的下端固定连接，其上端的管壁通过径向分布的多根连杆A与第二刚性水管上端的内侧壁固定连接，其下端弯折后由第二刚性水管下端的管壁穿出，并与第二刚性水管固定连接；所述第二胶囊体的中心设置有第二环形通孔，并通过第二环形通孔套设在第二刚性水管中部的外侧；所述第三刚性导向套滑动的套设在第二刚性水管上部的外侧，且其下端和第二胶囊体的上端固定连接；所述第四刚性导向套固定套装在第二刚性水管下部的外侧，且其上端和第二胶囊体的下端固定连接；多个第四连接环环向均匀的固定连接在第三刚性导向套的上端面；多个第四连接环与多个第三连接环一一对应的设置，且第四连接环与第三连接环之间均通过第二弹簧连接；

所述测试杆的轴心处开设有轴向贯通孔，其上端固定插装于测试杆接头中，且通过测试杆接头与第二刚性水管的内腔连通；

所述油泵通过长油管B与第二封孔胶囊中刚性油管A的上端贯通的连接；

所述水泵通过带有压力测量仪的注水管与测试杆的轴向贯通孔连接。

在该技术方案中，通过使两个柱塞顶头滑动的设置在刚性壳体中，并使其分别与第一、第二封孔胶囊相接触配合，这样，在向环形无杆腔中注入液压油后，可以使两个柱塞顶头同步向上、下两侧快速伸出，进而可以将第三刚性导向套向下顶起、将第二刚性导向套向上顶起，使第一和第二胶囊体均被压缩，继而使胶囊体膨胀并紧贴围岩；通过使第二刚性导向套与第一刚性水管滑动配合，且使第一刚性导向套与第一刚性水管固定连接，能通过第二刚性导向套在第一刚性水管上的滑动来改变第一胶囊体的状态，进而实现胀紧和复位状态的便捷切换；通过使第三刚性导向套与第二刚性水管滑动配合，且使第四刚性导向套与第二刚性水管固定连接，能通过第三刚性导向套在第二刚性水管上的滑动来改变第二胶囊体的状态，进而实现胀紧和复位状态的便捷切换；通过第一和第二弹簧的设置，能在环形无杆腔泄压后，且两个柱塞顶头回缩的过程中，将第二刚性导向套和第三刚性导向套分别向下和向上拉起，进而使第一和第二胶囊体迅速恢复原状，可以有效避免胶囊体靠本身的弹性无法从镶嵌的软岩中正常回缩的情况出现，有利于整体测试组件的快速回收。通过使刚性连通管的两端分别连接第一刚性水管和第二刚性水管，使两根套管连通刚性连通管的内腔和刚性壳体的外部，能方便的将注水引入封孔段中，进而有利于水渗透到孔壁裂隙中。通过水泵、调压水阀和压力测量仪的设置能便于实现恒压注水，从而能满足试验过程中所需要的多种试验条件；使油泵通过长油管B与第二封孔胶囊中的中刚性油管A的上端连接，这样，能方便的通过油泵向双作用连接机构中环形无杆腔中充入液压油，从而可以锁定测试杆在钻孔中的不同位置。该系统结构简单，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。

进一步，为了方便安装和拆卸，所述测试杆接头的内部设置有螺纹腔，所述测试杆的上端外侧设置有螺纹接头，测试杆通过螺纹配合固定插装于测试杆接头的螺纹腔。

进一步，为了方便安装和拆卸，所述刚性连通管在两个径向孔A的外侧固定连接有两个短接头，两个短接头均为筒状结构，其外侧内腔均开设有内螺纹结构D，其里端内腔均通过径向孔A与刚性连通管的内腔连通；两个空心套管的里端均开设有外螺纹结构D，且通过外螺纹结构D和内螺纹结构D的螺纹配合插装于两个短接头中。

进一步，为了能具有良好的密封性能，所述刚性壳体在两个径向孔B的部分对应设置有向内侧凹陷的两个容纳凹槽；

两个空心套管的外端在两个容纳凹槽的外侧对应固定连接有两个环形凸台B；

两个环形凸台B和两个容纳凹槽之间对应的设置有两个防水密封圈。

进一步，为了提高本系统的通用性，所述测试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顶板两带高度测试方法，包括以下步骤：

步骤一：将油泵、压力测量仪、水泵和油箱摆放在地面上的相应位置，并将长油管B的出油端与第二封孔胶囊中刚性油管A的上端贯通的连接；

步骤二：将第一封孔胶囊和第二封孔胶囊通过双作用连接机构进行固定连接，并通过第二弹簧连接第三连接环与第四连接环，通过第一弹簧连接第一连接环和第二连接环，从而组装成封孔组件；将组装好的封孔组件下端的测试杆接头固定连接在测试杆的上端，从而形成测试组件，并开始向开挖在顶板上的钻孔中推送；

步骤三：实时记录好推送深度，确保封孔组件精确推送到测试段位置；

步骤四：推送完毕后，将长油管B的进油端与油泵的出油口连接，通过注水管将水泵和测试杆上端的轴向贯通孔连接；

步骤五：启动油泵向双作用连接机构中的环形无杆腔中注油，使两个柱塞顶头完全向上下两侧伸出，进而压缩第一胶囊体和第二胶囊体，使第一胶囊体和第二胶囊体膨胀并紧贴围岩，然后启动水泵将储水箱中的水注入测试杆中的轴向贯通孔中，进而注入到封堵孔段中，该过程中，通过设置在注水管上的调压阀门和压力测量仪来进行恒压注水；

步骤六：通过观察压力测量仪和秒表，记录开始到结束注入的水量和该过程所使用的时间；

步骤七：每分段实验结束后，对双作用连接机构进行泄压，然后再回收测试杆对下一段压水试验段重复步骤五和六，待全部测试段测试完毕后，拆掉注水管和长油管B，开始将封孔组件从钻孔内全部拉出；

步骤八：根据注入的总水量和所使用的总时间，计算出单位时间注入孔段并经孔壁裂隙漏失的水量，并以此确定出顶板两带高度。

本方法中，通过使双作用连接机构的两个柱塞顶头分别作用于第一、第二封孔胶囊，且使两个柱塞顶头通过第一、第二弹簧分别与第一、第二封孔胶囊中的可滑动刚性导向套连接，能在加压的过程中通过两个柱塞顶头向外伸出的方式来压缩两个封孔胶囊，进而快速实现胀紧；另外，还能在泄压的过程中通过第一和第二弹簧的带动使第一、第二封孔胶囊快速的复位，避免了出现卡死的情况，还能极大的缩小封孔胶囊的恢复时间，这样，通过油压作用于两个柱塞顶头，即可方便的实现封孔胶囊的膨胀和收缩，大大缩短了打压和泄压时间，提高了试验效率。该方法投资小、易于施工、操作步骤简单、测试过程时间短、操作过程安全可靠，能解决在软岩较多的测试工况下传统胶囊难以回缩的问题，且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。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中的第一封孔胶囊的结构示意图；

图3是本发明中双作用连接机构的结构示意图；

图4是本发明中第二封孔胶囊的结构示意图；

图5是本发明中测试方法的装配示意图；

图6是本发明中测试方法的装配示意图。

图中: 1、油泵，2、压力测量仪，3、水泵，4、轴向贯通孔，5、长油管B，6、注水管，7、测试杆， 8、第一弹簧，9、第二弹簧，10、防水密封圈，11、第二封孔胶囊，11.1、第二刚性水管，11.2、刚性油管A，11.3、第四刚性导向套，11.4、外螺纹结构二，11.5、第二胶囊体，11.6、第四连接环，11.7、连杆A，11.8、第三刚性导向套，11.9、测试杆接头，12、第一封孔胶囊，12.1、第一刚性水管，12.2、第一连接环，12.3、第二刚性导向套 ，12.5、第一胶囊体，12.6、第一刚性导向套，12.7、外螺纹结构一，13、双作用连接机构，13.1、柱塞顶头，13.2、连杆一，13.3、刚性连通管，13.4、短接头，13.5、刚性壳体，13.6、空心套筒，13.7、刚性油管B， 13.8、内螺纹结构一，13.9、环形限位板B，13.10、环形限位板A，13.11、环形凸台A，13.12、上进出油管路，13.13、下进出油管路，13.14、第三连接环，13.15、第二连接环，13.16、内螺纹结构二，13.17、容纳凹槽，13.18、环形凸台B，14、1号钻孔，15、2号钻孔，16、3号钻孔。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图6所示，本发明提供一种顶板两带高度测试装置，包括第一封孔胶囊12、第二封孔胶囊11、测试杆7、双作用连接机构13、油泵1、压力测量仪2和水泵3；

所述第一封孔胶囊12、双作用连接机构13和第二封孔胶囊11由上到下同轴心的设置；

所述第一封孔胶囊12包括位于中心的第一刚性水管12.1、第一胶囊体12.5、第一刚性导向套12.6、第二刚性导向套12.3和多个第一连接环12.2；所述第一刚性水管12.1的上端封闭，其下端外侧设置有外螺纹结构一12.7，所述第一胶囊体12.5的中心设置有第一环形通孔，并通过第一环形通孔套设在第一刚性水管12.1中部的外侧；所述第一刚性导向套12.6固定套装在第一刚性水管12.1上部的外侧，且其下端和第一胶囊体12.5的上端固定连接；所述第二刚性导向套12.3滑动的套设在第一刚性水管12.1下部的外侧，且其上端和第一胶囊体12.5的下端固定连接；多个第一连接环12.2环向均匀的固定连接在第二刚性导向套12.3的下端面；

所述双作用连接机构13包括刚性壳体13.5、两个柱塞顶头13.1、刚性连通管13.3、刚性油管B13.7和两个空心套管13.6；所述刚性壳体13.5为筒形结构，刚性壳体13.5的上端内侧和下端内侧分别固定连接有环形限位板A13.10和环形限位板B13.9，环形限位板A13.10的上端面环向均匀的固定连接有多个第二连接环13.15，多个第二连接环13.15与多个第一连接环12.2一一相对应的设置，且第一连接环12.2和第二连接环13.15之间均通过第一弹簧8连接；环形限位板B13.9的下端面环向均匀的固定连接有多个第三连接环13.14；两个柱塞顶头13.1轴心处均开设有轴向通孔，且上下对称的设置在刚性壳体13.5内腔的上部和下部，且其外圆面分别与环形限位板A13.10和环形限位板B13.9的内圆面滑动密封配合；两个柱塞顶头13.1相靠近的一端外侧均固定连接有环形凸台A13.11，且两个环形凸台A13.11的外圆面与刚性壳体13.5的内侧壁滑动密封配合；所述刚性连通管13.3的外径与第一刚性水管12.1的外径相同，且插装于两个柱塞顶头13.1的轴向通孔中，且与轴向通孔之间滑动密封配合；刚性连通管13.3的上端内侧和下端内侧分别设置有内螺纹结构一13.8和内螺纹结构二13.16，且其上端通过内螺纹结构一13.8和外螺纹结构一12.7的配合固定套装于第一刚性水管12.1下端的内侧；在刚性壳体13.5、刚性连通管13.3和两个环形凸台A13.11之间围合成环形无杆腔；在刚性壳体13.5的上部、上侧的柱塞顶头13.1、上侧的环形凸台A13.11和环形限位板A13.10之间围合形成上环形有杆腔，在刚性壳体13.5的上部固定连接有与上环形有杆腔相连通的上进出油管路13.12；在刚性壳体13.5的下部、下侧的柱塞顶头13.1、下侧的环形凸台A13.11和环形限位板B13.9之间围合形成下环形有杆腔，在刚性壳体13.5的下部固定连接有与下环形有杆腔相连通的下进出油管路13.13；所述刚性油管B13.7同轴心的设置在刚性连通管13.3的中心，其上端弯折后由刚性连通管13.3的中部穿出进入环形无杆腔中，并与刚性连通管13.3固定连接；刚性油管B13.7的下端通过多根连杆一13.2与刚性连通管13.3下端的内侧壁固定连接；两个空心套管13.6均径向的设置在环形无杆腔中，且其里端分别固定连接在刚性连通管13.3中部相对两侧的侧壁上，且通过开设在刚性连通管13.3中部相对两侧的两个径向孔A与刚性连通管13.3的内腔连通；两个空心套管13.6的外端分别固定插装在刚性壳体13.5中部相对两侧的两个径向孔B中，并与径向孔B之间密封配合；上进出油管路13.12和下进出油管路13.13各通过一根长油管A与设置在地面上的油箱连通；

所述第二封孔胶囊11包括位于中心的第二刚性水管11.1、刚性油管A11.2、第二胶囊体11.5、第三刚性导向套11.8、第四刚性导向套11.3和多个第四连接环11.6；所述第二刚性水管11.1的外径与第一刚性水管12.1的外径相同，第二刚性水管11.1下端固定连接有测试杆接头11.9，其上端外侧设置有外螺纹结构二11.4，并通过外螺纹结构二11.4与内螺纹结构二13.16的螺纹配合插装在刚性连通管13.3下端的外侧；所述刚性油管A11.2同轴心的设置在第二刚性水管11.1的中心，且上端与刚性油管B13.7的下端固定连接，其上端的管壁通过径向分布的多根连杆A11.7与第二刚性水管11.1上端的内侧壁固定连接，其下端弯折后由第二刚性水管11.1下端的管壁穿出，并与第二刚性水管11.1固定连接；所述第二胶囊体11.5的中心设置有第二环形通孔，并通过第二环形通孔套设在第二刚性水管11.1中部的外侧；所述第三刚性导向套11.8滑动的套设在第二刚性水管11.1上部的外侧，且其下端和第二胶囊体11.5的上端固定连接；所述第四刚性导向套11.3固定套装在第二刚性水管11.1下部的外侧，且其上端和第二胶囊体11.5的下端固定连接；多个第四连接环11.6环向均匀的固定连接在第三刚性导向套11.8的上端面；多个第四连接环11.6与多个第三连接环13.14一一对应的设置，且第四连接环11.6与第三连接环13.14之间均通过第二弹簧9连接；

所述测试杆7的轴心处开设有轴向贯通孔4，其上端固定插装于测试杆接头11.9中，且通过测试杆接头11.9与第二刚性水管11.1的内腔连通；

所述油泵1通过长油管B5与第二封孔胶囊11中刚性油管A11.2的上端贯通的连接；

所述水泵3通过带有压力测量仪2的注水管6与测试杆7的轴向贯通孔4连接。

所述测试杆接头11.9的内部设置有螺纹腔，所述测试杆7的上端外侧设置有螺纹接头，测试杆7通过螺纹配合固定插装于测试杆接头11.9的螺纹腔。

为了方便安装和拆卸，所述刚性连通管13.3在两个径向孔A的外侧固定连接有两个短接头13.4，两个短接头13.4均为筒状结构，其外侧内腔均开设有内螺纹结构D，其里端内腔均通过径向孔A与刚性连通管13.3的内腔连通；两个空心套管13.6的里端均开设有外螺纹结构D，且通过外螺纹结构D和内螺纹结构D的螺纹配合插装于两个短接头13.4中。

为了能具有良好的密封性能，所述刚性壳体13.5在两个径向孔B的部分对应设置有向内侧凹陷的两个容纳凹槽13.17；

两个空心套管13.6的外端在两个容纳凹槽13.17的外侧对应固定连接有两个环形凸台B13.18；

两个环形凸台B13.18和两个容纳凹槽13.17之间对应的设置有两个防水密封圈10。

为了提高本系统的通用性，所述测试杆7由多段尺寸相同的单体钻杆依次连接组成。

由于常规胶囊只是通过一根小水管实现进出气（水），而每次打压是从一侧的胶囊打入，然后经过气管进入到下部胶囊中，这将会导致两胶囊压力不平衡，导致两胶囊不能同时进行有效隔离，出现误判的可能性也很大。而通过双作用连接机构连接第一、第二封孔胶囊，并进行试段的隔离，且两个实体胶囊能同时受到两个柱塞顶头的作用，能使两个封孔胶囊的受力均匀，提高了试验结果的准确性。

作为一种优选，第一胶囊体12.5和第二胶囊体11.5采用实体橡胶制作而成，不会出现像常规充气（水）胶囊那种稍有划破漏气（水）就无法使用的情况，消除了设备损伤无法使用的风险，厚实的结构提高了隔离时的稳定性和密闭性，因而，较常规胶囊使用寿命更长。

通过使两个柱塞顶头滑动的设置在刚性壳体中，并使其分别与第一、第二封孔胶囊相接触配合，这样，在向环形无杆腔中注入液压油后，可以使两个柱塞顶头同步向上、下两侧快速伸出，进而可以将第三刚性导向套向下顶起、将第二刚性导向套向上顶起，使第一和第二胶囊体均被压缩，继而使胶囊体膨胀并紧贴围岩；通过使第二刚性导向套与第一刚性水管滑动配合，且使第一刚性导向套与第一刚性水管固定连接，能通过第二刚性导向套在第一刚性水管上的滑动来改变第一胶囊体的状态，进而实现胀紧和复位状态的便捷切换；通过使第三刚性导向套与第二刚性水管滑动配合，且使第四刚性导向套与第二刚性水管固定连接，能通过第三刚性导向套在第二刚性水管上的滑动来改变第二胶囊体的状态，进而实现胀紧和复位状态的便捷切换；通过第一和第二弹簧的设置，能在环形无杆腔泄压后，且两个柱塞顶头回缩的过程中，将第二刚性导向套和第三刚性导向套分别向下和向上拉起，进而使第一和第二胶囊体迅速恢复原状，可以有效避免胶囊体靠本身的弹性无法从镶嵌的软岩中正常回缩的情况出现，有利于整体测试组件的快速回收。通过使刚性连通管的两端分别连接第一刚性水管和第二刚性水管，使两根套管连通刚性连通管的内腔和刚性壳体的外部，能方便的将注水引入封孔段中，进而有利于水渗透到孔壁裂隙中。通过水泵、调压水阀和压力测量仪的设置能便于实现恒压注水，从而能满足试验过程中所需要的多种试验条件；使油泵通过长油管B与第二封孔胶囊中的中刚性油管A的上端连接，这样，能方便的通过油泵向双作用连接机构中环形无杆腔中充入液压油，从而可以锁定测试杆在钻孔中的不同位置。该系统结构简单，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顶板两带高度测试方法，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顶板两带高度测试为例，如图二所示，三个钻孔孔深分别为1^#孔孔深60m、2^#孔孔深100m、3^#孔孔深90m，钻孔孔径100mm，现场水泵功率30KW，分别测量三个钻孔试验段的压入流量。

采用本发明中的一种顶板两带高度测试方法进行测试的步骤如下：

步骤一：将油泵1、压力测量仪2、水泵3和油箱摆放在地面上的相应位置，并将长油管B5的出油端与第二封孔胶囊11中刚性油管A11.2的上端贯通的连接；

步骤二：将第一封孔胶囊12和第二封孔胶囊11通过双作用连接机构13进行固定连接，并通过第二弹簧9连接第三连接环13.14与第四连接环11.6，通过第一弹簧8连接第一连接环12.2和第二连接环13.15，从而组装成封孔组件，在本实施例中，双作用连接机构13中刚性壳体13.5的最大直径为75mm，且封孔组件的最大直径为80mm；将组装好的封孔组件下端的测试杆接头11.9固定连接在测试杆7的上端，从而形成测试组件，并开始向开挖在顶板上的1号钻孔14中推送；

步骤三：实时记录好推送深度，确保封孔组件精确推送到测试段位置；

步骤四：推送完毕后，将长油管B5的进油端与油泵1的出油口连接，通过注水管6将水泵3和测试杆7上端的轴向贯通孔4连接；

步骤五：启动油泵1向双作用连接机构13中的环形无杆腔中注油，使两个柱塞顶头13.1完全向上下两侧伸出，进而压缩第一胶囊体12.5和第二胶囊体11.5，使第一胶囊体12.5和第二胶囊体11.5膨胀并紧贴围岩，然后启动水泵3将储水箱中的水注入测试杆7中的轴向贯通孔4中，进而注入到封堵孔段中，该过程中，通过设置在注水管6上的调压阀门和压力测量仪2来进行恒压注水；通过两个空心套筒13.6将注入的水注入到封堵孔段中；

步骤六：通过观察压力测量仪2和秒表，记录开始到结束注入的水量和该过程所使用的时间；

步骤七：每分段实验结束后，对双作用连接机构13进行泄压，然后再回收测试杆7对下一段压水试验段重复步骤五和六，待全部测试段测试完毕后，拆掉注水管6和长油管B5，开始将封孔组件从钻孔内全部拉出，并开始对2号钻孔15和3号钻孔16进行测试；

步骤八：根据注入的总水量和所使用的总时间，计算出单位时间注入孔段并经孔壁裂隙漏失的水量，并以此确定出顶板两带高度。

本方法中，通过使双作用连接机构的两个柱塞顶头分别作用于第一、第二封孔胶囊，且使两个柱塞顶头通过第一、第二弹簧分别与第一、第二封孔胶囊中的可滑动刚性导向套连接，能在加压的过程中通过两个柱塞顶头向外伸出的方式来压缩两个封孔胶囊，进而快速实现胀紧；另外，还能在泄压的过程中通过第一和第二弹簧的带动使第一、第二封孔胶囊快速的复位，避免了出现卡死的情况，还能极大的缩小封孔胶囊的恢复时间，这样，通过油压作用于两个柱塞顶头，即可方便的实现封孔胶囊的膨胀和收缩，大大缩短了打压和泄压时间，提高了试验效率。该方法投资小、易于施工、操作步骤简单、测试过程时间短、操作过程安全可靠，能解决在软岩较多的测试工况下传统胶囊难以回缩的问题，且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。

Claims (6)

1.一种顶板两带高度测试装置，包括第一封孔胶囊（12）、第二封孔胶囊（11）和测试杆（7），其特征在于，还包括双作用连接机构（13）、油泵（1）、压力测量仪（2）和水泵（3）；

所述第一封孔胶囊（12）、双作用连接机构（13）和第二封孔胶囊（11）由上到下同轴心的设置；

所述第一封孔胶囊（12）包括位于中心的第一刚性水管（12.1）、第一胶囊体（12.5）、第一刚性导向套（12.6）、第二刚性导向套（12.3）和多个第一连接环（12.2）；所述第一刚性水管（12.1）的上端封闭，其下端外侧设置有外螺纹结构一（12.7），所述第一胶囊体（12.5）的中心设置有第一环形通孔，并通过第一环形通孔套设在第一刚性水管（12.1）中部的外侧；所述第一刚性导向套（12.6）固定套装在第一刚性水管（12.1）上部的外侧，且其下端和第一胶囊体（12.5）的上端固定连接；所述第二刚性导向套（12.3）滑动的套设在第一刚性水管（12.1）下部的外侧，且其上端和第一胶囊体（12.5）的下端固定连接；多个第一连接环（12.2）环向均匀的固定连接在第二刚性导向套（12.3）的下端面；

所述双作用连接机构（13）包括刚性壳体（13.5）、两个柱塞顶头（13.1）、刚性连通管（13.3）、刚性油管B（13.7）和两个空心套管（13.6）；所述刚性壳体（13.5）为筒形结构，刚性壳体（13.5）的上端内侧和下端内侧分别固定连接有环形限位板A（13.10）和环形限位板B（13.9），环形限位板A（13.10）的上端面环向均匀的固定连接有多个第二连接环（13.15），多个第二连接环（13.15）与多个第一连接环（12.2）一一相对应的设置，且第一连接环（12.2）和第二连接环（13.15）之间均通过第一弹簧（8）连接；环形限位板B（13.9）的下端面环向均匀的固定连接有多个第三连接环（13.14）；两个柱塞顶头（13.1）轴心处均开设有轴向通孔，且上下对称的设置在刚性壳体（13.5）内腔的上部和下部，且其外圆面分别与环形限位板A（13.10）和环形限位板B（13.9）的内圆面滑动密封配合；两个柱塞顶头（13.1）相靠近的一端外侧均固定连接有环形凸台A（13.11），且两个环形凸台A（13.11）的外圆面与刚性壳体（13.5）的内侧壁滑动密封配合；所述刚性连通管（13.3）的外径与第一刚性水管（12.1）的外径相同，且插装于两个柱塞顶头（13.1）的轴向通孔中，且与轴向通孔之间滑动密封配合；刚性连通管（13.3）的上端内侧和下端内侧分别设置有内螺纹结构一（13.8）和内螺纹结构二（13.16），且其上端通过内螺纹结构一（13.8）和外螺纹结构一（12.7）的配合固定套装于第一刚性水管（12.1）下端的内侧；在刚性壳体（13.5）、刚性连通管（13.3）和两个环形凸台A（13.11）之间围合成环形无杆腔；在刚性壳体（13.5）的上部、上侧的柱塞顶头（13.1）、上侧的环形凸台A（13.11）和环形限位板A（13.10）之间围合形成上环形有杆腔，在刚性壳体（13.5）的上部固定连接有与上环形有杆腔相连通的上进出油管路（13.12）；在刚性壳体（13.5）的下部、下侧的柱塞顶头（13.1）、下侧的环形凸台A（13.11）和环形限位板B（13.9）之间围合形成下环形有杆腔，在刚性壳体（13.5）的下部固定连接有与下环形有杆腔相连通的下进出油管路（13.13）；所述刚性油管B（13.7）同轴心的设置在刚性连通管（13.3）的中心，其上端弯折后由刚性连通管（13.3）的中部穿出进入环形无杆腔中，并与刚性连通管（13.3）固定连接；刚性油管B（13.7）的下端通过多根连杆一（13.2）与刚性连通管（13.3）下端的内侧壁固定连接；两个空心套管（13.6）均径向的设置在环形无杆腔中，且其里端分别固定连接在刚性连通管（13.3）中部相对两侧的侧壁上，且通过开设在刚性连通管（13.3）中部相对两侧的两个径向孔A与刚性连通管（13.3）的内腔连通；两个空心套管（13.6）的外端分别固定插装在刚性壳体（13.5）中部相对两侧的两个径向孔B中，并与径向孔B之间密封配合；上进出油管路（13.12）和下进出油管路（13.13）各通过一根长油管A与设置在地面上的油箱连通；

所述第二封孔胶囊（11）包括位于中心的第二刚性水管（11.1）、刚性油管A（11.2）、第二胶囊体（11.5）、第三刚性导向套（11.8）、第四刚性导向套（11.3）和多个第四连接环（11.6）；所述第二刚性水管（11.1）的外径与第一刚性水管（12.1）的外径相同，第二刚性水管（11.1）下端固定连接有测试杆接头（11.9），其上端外侧设置有外螺纹结构二（11.4），并通过外螺纹结构二（11.4）与内螺纹结构二（13.16）的螺纹配合插装在刚性连通管（13.3）下端的外侧；所述刚性油管A（11.2）同轴心的设置在第二刚性水管（11.1）的中心，且上端与刚性油管B（13.7）的下端固定连接，其上端的管壁通过径向分布的多根连杆A（11.7）与第二刚性水管（11.1）上端的内侧壁固定连接，其下端弯折后由第二刚性水管（11.1）下端的管壁穿出，并与第二刚性水管（11.1）固定连接；所述第二胶囊体（11.5）的中心设置有第二环形通孔，并通过第二环形通孔套设在第二刚性水管（11.1）中部的外侧；所述第三刚性导向套（11.8）滑动的套设在第二刚性水管（11.1）上部的外侧，且其下端和第二胶囊体（11.5）的上端固定连接；所述第四刚性导向套（11.3）固定套装在第二刚性水管（11.1）下部的外侧，且其上端和第二胶囊体（11.5）的下端固定连接；多个第四连接环（11.6）环向均匀的固定连接在第三刚性导向套（11.8）的上端面；多个第四连接环（11.6）与多个第三连接环（13.14）一一对应的设置，且第四连接环（11.6）与第三连接环（13.14）之间均通过第二弹簧（9）连接；

所述测试杆（7）的轴心处开设有轴向贯通孔（4），其上端固定插装于测试杆接头（11.9）中，且通过测试杆接头（11.9）与第二刚性水管（11.1）的内腔连通；

所述油泵（1）通过长油管B（5）与第二封孔胶囊（11）中刚性油管A（11.2）的上端贯通的连接；

所述水泵（3）通过带有压力测量仪（2）的注水管（6）与测试杆（7）的轴向贯通孔（4）连接。

2.根据权利要求1 所述的一种顶板两带高度测试装置，其特征在于，所述测试杆接头（11.9）的内部设置有螺纹腔，所述测试杆（7）的上端外侧设置有螺纹接头，测试杆（7）通过螺纹配合固定插装于测试杆接头（11.9）的螺纹腔。

3.根据权利要求1或2 所述的一种顶板两带高度测试装置，其特征在于，所述刚性连通管（13.3）在两个径向孔A的外侧固定连接有两个短接头（13.4），两个短接头（13.4）均为筒状结构，其外侧内腔均开设有内螺纹结构D，其里端内腔均通过径向孔A与刚性连通管（13.3）的内腔连通；两个空心套管（13.6）的里端均开设有外螺纹结构D，且通过外螺纹结构D和内螺纹结构D的螺纹配合插装于两个短接头（13.4）中。

4.根据权利要求3所述的一种顶板两带高度测试装置，其特征在于，所述刚性壳体（13.5）在两个径向孔B的部分对应设置有向内侧凹陷的两个容纳凹槽（13.17）；

两个空心套管（13.6）的外端在两个容纳凹槽（13.17）的外侧对应固定连接有两个环形凸台B（13.18）；

两个环形凸台B（13.18）和两个容纳凹槽（13.17）之间对应的设置有两个防水密封圈（10）。

5.根据权利要求4所述的一种顶板两带高度测试装置，其特征在于，所述测试杆（7）由多段尺寸相同的单体钻杆依次连接组成。

6.一种顶板两带高度测试方法，采用如权利要求1至5任一项所述的一种顶板两带高度测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将油泵（1）、压力测量仪（2）、水泵（3）和油箱摆放在地面上的相应位置，并将长油管B（5）的出油端与第二封孔胶囊（11）中刚性油管A（11.2）的上端贯通的连接；

步骤二：将第一封孔胶囊（12）和第二封孔胶囊（11）通过双作用连接机构（13）进行固定连接，并通过第二弹簧（9）连接第三连接环（13.14）与第四连接环（11.6），通过第一弹簧（8）连接第一连接环（12.2）和第二连接环（13.15），从而组装成封孔组件；将组装好的封孔组件下端的测试杆接头（11.9）固定连接在测试杆（7）的上端，从而形成测试组件，并开始向开挖在顶板上的钻孔中推送；

步骤三：实时记录好推送深度，确保封孔组件精确推送到测试段位置；

步骤四：推送完毕后，将长油管B（5）的进油端与油泵（1）的出油口连接，通过注水管（6）将水泵（3）和测试杆（7）上端的轴向贯通孔（4）连接；

步骤五：启动油泵（1）向双作用连接机构（13）中的环形无杆腔中注油，使两个柱塞顶头（13.1）完全向上下两侧伸出，进而压缩第一胶囊体（12.5）和第二胶囊体（11.5），使第一胶囊体（12.5）和第二胶囊体（11.5）膨胀并紧贴围岩，然后启动水泵（3）将储水箱中的水注入测试杆（7）中的轴向贯通孔（4）中，进而注入到封堵孔段中，该过程中，通过设置在注水管（6）上的调压阀门和压力测量仪（2）来进行恒压注水；

步骤六：通过观察压力测量仪（2）和秒表，记录开始到结束注入的水量和该过程所使用的时间；

步骤七：每分段实验结束后，对双作用连接机构（13）进行泄压，然后再回收测试杆（7）对下一段压水试验段重复步骤五和六，待全部测试段测试完毕后，拆掉注水管（6）和长油管B（5），开始将封孔组件从钻孔内全部拉出；

步骤八：根据注入的总水量和所使用的总时间，计算出单位时间注入孔段并经孔壁裂隙漏失的水量，并以此确定出顶板两带高度。