CN114718464A - 地应力测试一次成孔装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地应力测试一次成孔装置与方法，包括依次连接的转换接头、稳定器、扩孔钻头、小钻杆和小钻头，转换接头的另一端用于与钻杆连接；所述转换接头、稳定器、扩孔钻头、小钻杆和小钻头的中间均设置有进水通道，各进水通道相连通。本发明的一种地应力测试一次成孔装置与方法，简化了施工过程中复杂的、反复的拆卸取芯过程，方便快捷，提高了成孔速度，降低了工人劳动强度。

Description

地应力测试一次成孔装置与方法
技术领域
本发明涉及一种地下岩体地应力测试钻进施工的装置，具体是地应力测试一次成孔方法与装置，属于能源与资源领域。
背景技术
地应力数据是矿井最基础的地质资料之一，对地下工程设计和施工具有重要参考价值。随着采矿规模的不断扩大和向深部发展，地应力对地下空间的影响逐渐凸显。不考虑地应力的影响进行设计和施工，往往会导致井下巷道塌陷破坏、冲击矿压等矿井动力现象的发生，给矿井生产带来影响，并可能造成人员伤亡和财产的重大损失。所以，进行地应力测试，掌握开采区域的地应力大小和分布规律，对矿井安全生产具有重要意义。应力解除法是最常用的地应力测量方法，其原理是在具有三维地应力岩体的钻孔岩壁上粘贴弹性圆环层，假设岩体为线弹性体，当围岩被套钻切割时，利用岩芯的弹性恢复(应变)来反算地应力。此方法实施的步骤是先在地下岩体中打测试孔，在孔内安装空心包体式应变传感器，然后通过应力解除使孔底岩体发生弹性恢复应变，在这个过程中采集传感器数据，最后对数据进行分析反算出地应力的大小和方向。
目前，地应力测试钻孔的普遍施工方法是使用钻机，配套多种专用钻头，先后施工大孔、锥形孔和小孔。大孔使用的钻头一般是直径为130mm的取芯套筒，长度通常不超过1500mm。在施工大孔的过程中，当岩芯装满取芯套筒以后，需要退钻，拆卸钻杆和取芯套筒，取出岩芯，然后重新装配钻杆和取芯套筒，直至钻孔达到目标深度。在这一过程中，需要反复拆卸装配钻杆和取芯套筒及取出岩芯。此外，如果取芯套筒装满岩芯而岩芯未断，更会增加拆卸工程量。大钻孔施工好之后，需要把取芯套筒更换为打磨钻头，对大钻孔孔底打磨平整，之后更换锥形钻头施工锥形孔。锥形孔施工好后，更换小钻头施工小钻孔。在这一些更换钻头的过程中，需要反复拆卸和安装钻杆。整个打孔过程，程序复杂，成孔速度慢；矿井地下环境恶劣，打钻过程使用的都是重型的仪器设备，工人劳动强度大。打钻占地应力测试工作量的80％以上。所以，需要发明一种地应力测试一次成孔方法与装置，简化地应力测试钻孔施工流程，提钻孔速度，降低工人劳动强度。
发明内容
为了解决地应力测试孔施工过程中的工序复杂、成孔速度慢的问题，本发明的目的是提供一种地应力测试一次成孔装置及方法，以达到简化施工流程，快速一次成孔的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种地应力测试一次成孔装置，包括依次可拆卸式连接的转换接头、稳定器、扩孔钻头、小钻杆和小钻头，转换接头的另一端用于与钻杆可拆卸式连接；所述转换接头、稳定器、扩孔钻头、小钻杆和小钻头的中间均设置有进水通道，各进水通道相连通。
所述转换接头、稳定器、扩孔钻头、小钻杆和小钻头相互连接的两者之间通过螺纹连接。
所述转换接头与钻杆连接的一端设置有外螺纹，与稳定器连接的一端设置有内螺纹；所述稳定器与转换接头连接的一端设置有外螺纹，与扩孔钻头连接的一端设置有外螺纹；所述扩孔钻头与稳定器连接的一端设置有内螺纹，与小钻杆连接的一端设置有内螺纹；所述小钻杆与扩孔钻头连接的一端设置有外螺纹，与小钻头连接的一端设置有内螺纹；所述小钻头与小钻杆连接的一端设置有外螺纹。
所述稳定器为中空管状结构，稳定器外壁设置有螺旋状翅片，螺旋状翅片之间空隙作为岩粉排渣通道。
所述扩孔钻头为PDC复合钻头。
所述扩孔钻头外部锥形部分均匀分布有4块合金片，每块合金片上均设置有截齿，相邻的两块合金片之间留有空隙，作为排渣通道，用于将成孔过程中产生的碎屑输送到稳定器的排渣通道中。
所述小钻头的另一端装配截齿。
一种地应力测试一次成孔方法，包括以下步骤：
步骤S1,确定测试孔的位置，移动钻机到相对应的位置，装配好钻杆，依次连接转换接头、稳定器、扩孔钻头、小钻杆和小钻头，调整钻机和钻杆的高度以及角度；
步骤S2,启动钻机，缓慢推动钻杆使得小钻头打进墙体里面，等到稳定器、转换接头全部进入墙体里面，匀速推进，小钻头打小孔，扩孔钻头扩大孔，两者产生的石头碎屑通过水流顺着扩孔钻头的合金片之间的空隙输送到稳定器的外部空隙一直到转换接头，最后输送至孔外，直到钻孔深度达到设定深度，抽出钻杆，打孔结束。
有益效果：本发明的一种地应力测试一次成孔装置与方法，简化了施工过程中每钻进一米就需拆卸取芯、重复组装的繁琐过程，每个地应力测试孔施工完成时间从2～3天缩减为0.5天，方便快捷，提高了成孔速度，降低了工人劳动强度。使用本发明的地应力测试一次成孔装置代替普通地应力测试孔施工钻头，可以实现地应力测试孔一次成型。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2a和2b分别为转换接头的正视图和侧视图；
图3为稳定器的正视图；
图4a和4b分别为扩孔钻头的正视图和侧视图；
图5为小钻杆的正视图；
图6为小钻头的正视图；
图7为地应力测试一次成孔方法的示意图；
图中，1-转换接头，2-稳定器，3-扩孔钻头，4-小钻杆，5-小钻头，6-螺旋状翅片，7-合金片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种地应力测试一次成孔装置，包括依次可拆卸式连接的转换接头1、稳定器2、扩孔钻头3、小钻杆4和小钻头5，转换接头1的另一端用于与钻杆可拆卸式连接。转换接头1、稳定器2、扩孔钻头3、小钻杆4和小钻头5中均设置有进水通道，各进水通道相连通。
如图2a至图6，转换接头1、稳定器2、扩孔钻头3、小钻杆4和小钻头5相互连接的两者之间通过螺纹连接，具体的：转换接头1与钻杆连接的一端设置有外螺纹，与稳定器2连接的一端设置有内螺纹；稳定器2与转换接头1连接的一端设置有外螺纹，与扩孔钻头3连接的一端设置有外螺纹；所述扩孔钻头3与稳定器2连接的一端设置有内螺纹，与小钻杆4连接的一端设置有内螺纹；小钻杆4与扩孔钻头3连接的一端设置有外螺纹，与小钻头5连接的一端设置有内螺纹；小钻头5与小钻杆4连接的一端设置有外螺纹。
如图2a和2b，转换接头1为中空结构，中间的孔作为进水通道。
如图3，稳定器2为中空管状结构，中间的孔作为进水通道，稳定器2外壁设置有螺旋状翅片6，螺旋状翅片6之间空隙作为岩粉排渣通道。稳定器直径110mm，长度1000mm，材质为42CrMo合金钢。稳定器的作用是保证钻孔平直。
如图4a和4b，扩孔钻头3为PDC复合钻头。扩孔钻头3中设置有通水通道。扩孔钻头3外部锥形部分均匀分布有4块合金片7，每块合金片7上均设置有截齿，相邻的两块合金片7之间留有空隙，作为排渣通道，用于将成孔过程中产生的碎屑输送到稳定器2的排渣通道中。
如图5，小钻杆4为中空结构，中间的孔作为进水通道。小钻杆4外径27.5mm，长度450mm，材质为42CrMo合金钢。
如图6，小钻头5为PDC复合钻头(聚晶金刚石复合片钻头)，小钻头5为中空结构，中部空间用作通水通道。小钻头直径为36mm。小钻头5的另一端装配截齿。
如图7，本发明的地应力测试一次成孔方法，具体的使用步骤为：
S1，地应力测量孔地点选取，选取岩性较好、扰动较小的岩层巷道，供水供电方便，不影响矿井正常的日常生产。
S2，钻机就位，钻机接水接电，配备相对应的专业操作人员。
S3，装配钻杆，调整钻机高度、角度和方位角，依次连接转换接头1、稳定器2、扩孔钻头3、小钻杆4和小钻头5。
S4，启动钻机，缓慢推动钻杆使小钻头5进入岩体，等到稳定器2、转换接头1全部进入墙体里面，匀速推进，小钻头5打小孔8，扩孔钻头3扩锥形孔9和大孔10，碎屑通过水流的带动顺着扩孔钻头的复合片7之间的空隙输送到稳定器2的外部的翅片6 之间，最后输送至孔外，直到钻孔深度达到设定深度。
S5，用钻机接水管冲洗小孔8，排出孔内的碎屑，擦干小孔8后在小孔8内安装测试仪器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种地应力测试一次成孔装置，其特征在于：包括依次可拆卸式连接的转换接头（1）、稳定器（2）、扩孔钻头（3）、小钻杆（4）和小钻头（5），转换接头（1）的另一端用于与钻杆可拆卸式连接；所述转换接头（1）、稳定器（2）、扩孔钻头（3）、小钻杆（4）和小钻头（5）中均设置有进水通道，各进水通道相连通。
2.根据权利要求1所述的地应力测试一次成孔装置，其特征在于：所述转换接头（1）、稳定器（2）、扩孔钻头（3）、小钻杆（4）和小钻头（5）相互连接的两者之间通过螺纹连接。
3.根据权利要求1或2所述的地应力测试一次成孔装置，其特征在于：所述转换接头（1）与钻杆连接的一端设置有外螺纹，与稳定器（2）连接的一端设置有内螺纹；所述稳定器（2）与转换接头（1）连接的一端设置有外螺纹，与扩孔钻头（3）连接的一端设置有外螺纹；所述扩孔钻头（3）与稳定器（2）连接的一端设置有内螺纹，与小钻杆（4）连接的一端设置有内螺纹；所述小钻杆（4）与扩孔钻头（3）连接的一端设置有外螺纹，与小钻头（5）连接的一端设置有内螺纹；所述小钻头（5）与小钻杆（4）连接的一端设置有外螺纹。
4.根据权利要求1所述的地应力测试一次成孔装置，其特征在于：所述稳定器（2）为中空管状结构，稳定器（2）外壁设置有螺旋状翅片（6），螺旋状翅片（6）之间空隙作为岩粉排渣通道。
5.根据权利要求1所述的地应力测试一次成孔装置，其特征在于：所述扩孔钻头（3）为PDC复合钻头。
6.根据权利要求1或5所述的地应力测试一次成孔装置，其特征在于：所述扩孔钻头（3）外部锥形部分均匀分布有4块合金片（7），每块合金片（7）上均设置有截齿，相邻的两块合金片（7）之间留有空隙，作为排渣通道，用于将成孔过程中产生的碎屑输送到稳定器（2）的排渣通道中。
7.根据权利要求1所述的地应力测试一次成孔装置，其特征在于：所述小钻头（5）的另一端装配截齿。
8.一种基于权利要求1所述装置的地应力测试一次成孔方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1,确定测试孔的位置，移动钻机到相对应的位置，装配好钻杆，依次连接转换接头（1）、稳定器（2）、扩孔钻头（3）、小钻杆（4）和小钻头（5），调整钻机和钻杆的高度以及角度；
步骤S2,启动钻机，缓慢推动钻杆使得小钻头（5）打进墙体里面，等到稳定器（2）、转换接头（1）全部进入墙体里面，匀速推进，小钻头（5）打小孔，扩孔钻头（3）扩大孔，两者产生的石头碎屑通过水流顺着扩孔钻头（3）的合金片之间的空隙输送到稳定器（2）的外部空隙一直到转换接头（1），最后输送至孔外，直到钻孔深度达到设定深度，抽出钻杆，打孔结束。
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