CN205172554U - 多段封堵双端观测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多段封堵双端观测系统，其包括探测系统、封堵系统和供给推进系统，探测系统包括第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元和第四探测单元，相邻的探测单元之间设置有卡槽接头，每个探测单元均包括平行布置的连通管和漏水管，相邻的探测单元的连通管和漏水管通过所述卡槽接头连接，其中，相邻探测单元的连通管保持连通，位于第一探测单元和第二探测单元、第三探测单元和第四探测单元的漏水管保持连通，位于第二探测单元和第三探测单元之间的漏水管被卡槽接头分隔为独立的两部分，分别为探测I段和探测II段。本实用新型观测系统可以同时向两个探测段内注水，增加了测量端，提高了测量效率。

Description

多段封堵双端观测系统

技术领域

本实用新型属于矿山顶底板岩体破坏范围测定技术领域，具体涉及多段封堵双端观测系统。

背景技术

矿山顶底板岩体破坏范围的测量是标志煤岩赋存状态的重要参数。在研究矿井防治水时，它是一个关键性的基础参数，因此，研究采动围岩中的导水通道的形成，就有必要掌握岩层移动规律和确定顶底板岩体破坏范围。通常采用数值模拟、经验公式预计、现场实测等手段。然而，由于现场条件复杂，在一定程度上，数值模拟不能很好的反映现场情况，经验公式预计的盲目性较大，随着采深加大，经验公式适用性越来越差。

首先，随着开采深度增加，钻孔在短时间内容易变形，需要对钻孔进行快速测量，而钻孔长度大致在50-70m，测试现场经常运用单段注水观测仪，每次推进测量长度(约1m)，这就增加了推进次数和观测时间。其次，现有多段观测设备中未能实现封堵观测一体化，且多段观测时，只有一个测量端，观测效率增加不大。最后，在实际观测过程中，封堵压力一般取2.5MPa，钻孔观测水压一般取0.1MPa，钻孔内观测水源压力不可过大，否则，会对钻孔孔壁内原有裂隙形成扩张作用。在同一外界水源下，如何让一体化观测设备中封堵水源与观测水源在各自压力下同时工作。

现有技术未能同时解决上述三个问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多段封堵双端观测系统，该观测系统可以同时向两个探测段内注水，增加了测量端，提高了测量效率。

其技术解决方案包括：

一种用于围岩裂隙的封堵双端观测系统，其包括探测系统、封堵系统和供给推进系统，所述探测系统安装在围岩裂隙的钻孔中，

所述探测系统包括第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元和第四探测单元，所述第一探测单元位于钻孔的最外侧，所述第四探测单元位于钻孔的最内侧，相邻的探测单元之间、第一探测单元的前部及第四探测单元的尾部均设置有卡槽接头，每个探测单元均包括平行布置的连通管和漏水管，相邻的探测单元的连通管和漏水管通过所述卡槽接头连接，其中，相邻探测单元的连通管保持连通，位于第一探测单元和第二探测单元、第三探测单元和第四探测单元的漏水管保持连通，位于第二探测单元和第三探测单元之间的漏水管被卡槽接头分隔为独立的两部分，分别为探测I段和探测II段，在第一探测单元和第二探测单元之间、第三探测单元和第四探测单元之间的卡槽接头内设置有压力调节阀；

所述第四探测单元伸入钻孔的一端连接有U形管道，第四探测单元尾部的卡槽接头上设置有水压转换系统，所述水压转换系统包括水压转换器和卡槽管接头，所述水压转换器包括活塞和基体两部分，所述活塞左端面面积大于右端面面积，所述活塞内设置有相互连通的导水孔，位于右端的导水孔通过小孔与所述卡槽接头相连通，位于左端的导水孔开始时被基体内壁密封，在活塞的右端设置有凸台，所述凸台用于对活塞中的弹簧一进行限位，所述活塞用以控制左端导水孔与围岩裂隙中的钻孔保持连通或关闭；

所述封堵系统包括封堵胶囊，所述封堵胶囊包绕在每个卡槽接头的外部，所述卡槽接头内设置有起胀孔；

所述供给推进系统包括注水操作台一、注水操作台二和油压装置，所述注水操作台一与探测I段连接，所述注水操作台二与连通管连接，用于向探测II段注水；

在每个探测单元漏水管的上方均设置有通油管路，所述通油管路与所述油压装置连接。

作为本实用新型的一个优选方案，所述卡槽接头内还设置有两个平行的通道，分别为通道I和通道II，所述通道I将相邻探测单元的漏水管连接在一起，所述通道II将相邻探测单元的连通管连接在一起，位于第二探测单元和第三探测单元之间的通道I内设置有挡块，所述挡块将第二探测单元和第三探测单元隔开；所述通道I上方设置有通油管路接口，所述通油管路接口连接在所述通油管路上，所述起胀孔设置在所述通道II下方。

作为本实用新型的另一个优选方案，所述压力调节阀包括不对称活塞组、弹簧二、位于顶部的通油孔和位于侧部的方形孔，所述通油孔与所述通油管路连接。

优选的，所述供给推进系统还包括回水压力表、电子记录器、钻机和钻杆，所述电子记录器安装在注水操作台上，所述回水压力表用于对回水管中的回水压力进行校正检测。

优选的，所述油压装置包括提供油源的油压罐、储能器和截止阀，所述储能器与截止阀设置在通油管路上。

优选的，所述水压转换器通过卡槽管接头连接在第四探测单元的卡槽接头上。

本实用新型所带来的有益技术效果：

通过注水操作台一和注水操作台二向探测系统同时注水，独立的探测I段和探测II段，实现了所封堵测段的两端对头同步测量，增加了测量端，提高了测量效率，尤其适用于矿山顶底板岩体破坏范围的快速测量。

通过封堵胶囊起胀形成封堵空间，本系统实现了封堵测漏一体化。

注水操作台二提供的水源经连通管进入水压转换器中，水压转换器中的活塞可以控制左端导水孔与围岩裂隙中的钻孔保持连通或关闭，从而实现了一体化过程中封堵高压水源向观测低压水源的压力转换，保证观测过程中封堵水源与观测水源在各自压力下工作问题，避免了观测水源压力过高对钻孔裂隙的破坏作用。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

图1为本实用新型观测系统的结构示意图；

图2为本实用新型观测系统中测试探头的整体示意图；

图3-1、3-2、3-3为本实用新型压力调节阀结构示意图；

图4-1、4-2为水压转换器结构示意图；

图5-1、5-2、5-3、5-4为水压转换器和卡槽管接头结构示意图；

图6为水压转换器状态示意图；

图7为多段封堵双端观测系统中通油管路结构示意图；

图8为漏水管结构示意图；

图9为连通管结构示意图；

图10为卡槽接头一结构示意图；

图11为卡槽接头二结构示意图；

图12为卡槽接头三结构示意图；

图13为卡槽接头四结构示意图；

图14为卡槽接头五结构示意图；

图中，1、岩体，2、钻孔，3、卡槽接头一，301、第一探测单元，302、第二探测单元，303、第三探测单元，304，第四探测单元，4、卡槽接头二，5、卡槽接头三，6、卡槽接头四，7、卡槽接头五，8、水压转换系统，9、压力调节阀，10、封堵胶囊，11、漏水管，12、连通管，13、通油管路，14、卡槽管接头，15、水压转换器，16、小孔，17、活塞，18、基体，19、弹簧一，20、凸台，21、通水孔，22、活塞组，23、方形孔，24、弹簧二，25、通油孔，26、紧固螺丝，27、漏水孔，28、注水操作台一，29、注水操作台二，30、钻机，31、钻杆，32、储能器，33、截止阀，34、油压罐，35、通油管路接口，36、起胀孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做详细说明。

本实用新型，多段封堵双端观测系统如图1所示，包括观测系统、封堵系统和供给推进系统，观测系统为多段观测，由图2所示，观测系统主要由第一探测单元301、第二探测单元302、第三探测单元303和第四探测单元304组成，其中，每个探测单元均包括有漏水管11、连通管12，第四探测单元304的头部设置卡槽接头一3，第四探测单元304与第三探测单元303之间通过卡槽接头二4连接、第三探测单元303与第二探测单元302之间通过卡槽接头三5连接，第二探测单元302与第一探测单元301之间通过卡槽接头四6连接，在第一探测单元301的另一端设置卡槽接头五7。

结合图2、图8和图9所示，漏水管11上设置有多个漏水孔27，用于向钻孔2漏水，观测孔壁裂隙特征，连通管12的初端通过卡槽接头五与注水操作台二29连接，相邻封堵单元的漏水管和连通管均通过卡槽接头连接。

结合图10-图14所示，分别是本实用新型五个卡槽接头的结构图，卡槽接头一3位于第四探测单元304右侧，有两个中心对称管道，一侧分别与漏水管11、水压转化阀8、连通管12呈螺纹连接，卡槽接头一3中连通管12侧的下方开有一起胀孔36。

卡槽接头二4位于第三探测单元303和第四探测单元304之间，有两个中心对称管道，分别与漏水管11、压力调节阀9、连通管12呈螺纹连接，卡槽接头二4中漏水管11侧的上方固连有直角形通油管路接口35，与压力调节阀9上的通油孔25相通，另一端与卡槽接头二4的侧壁固连，通油管路接口35与通油管路13呈螺纹连接，内通高压油，卡槽接头二4中连通管12侧的下方开有一起胀孔36，通油管路经过紧固螺丝26固定在每个卡槽接头上。

如图4-1、4-2所示，卡槽接头三5位于第二探测单元302、第三探测单元303之间，有两个中心对称管道，分别与漏水管11、连通管12呈螺纹连接，卡槽接头三5内与漏水管11相连的中间部分不连通，为实体堵塞结构，可分为探测I段和探测II段，卡槽接头三5中漏水管11侧的上方固连有一通油管路接口35，通油管路接口35两端与卡槽接头三5的侧壁固连，通油管路接口35与通油管路13呈螺纹连接，内通高压油，卡槽接头三5中连通管35侧的下方开有一起胀孔36。

卡槽接头四6位于第一探测单元301、第二探测单元302之间，有两个中心对称管道，分别与漏水管11、压力调节阀9、连通管12呈螺纹连接，卡槽接头四6中漏水管11侧的上方固连有一“丁字形”通油管路，与压力调节阀9上的通油孔25相通，通油管路两端与卡槽接头四6的侧壁固连，通油管路接口与通油管路呈螺纹连接，内通高压油，卡槽接头四6中连通管12侧的下方开有一起胀孔36。

卡槽接头五7位于第一探测单元301的左端，有两个中心对称管道，分别与漏水管11、连通管12呈螺纹连接，卡槽接头五7中漏水管11侧的上方有一通油管路接口与卡槽接头五7的侧壁固连，通油管路接口与通油管路呈螺纹连接，内通高压油，卡槽接头五7中连通管12侧的下方开有一起胀孔36。

水压转换系统8包括水压转换器15和卡槽管接头14，该水压转换器位于卡槽接头一3内，并通过卡槽管接头14与卡槽接头一3呈螺纹连接。结合图3-1、3-2、3-3、4-1、4-2所示，水压转换器15分活塞17和基体18两部分，活塞17呈左右两端不等大的圆柱体，左端较大的圆柱体活塞17面面积为S_左，接触水压为P_左,右端较小的圆柱体活塞17面面积为S_右,接触水压为P_右。靠近活塞17的右端有一凸台20设置，通过弹簧一19与基体18内部相应部位配合，保证活塞17在基体18内移动的同时不致脱离基体18。

活塞17内设置有相互连通的通水孔21，右端通水孔21通过小孔16与卡槽管接头14相连通，左端通水孔21开始时被基体18内壁密封。当活塞17向左伸出基体18大于某一位置时，左端通水孔21与钻孔2连通。

水压转换器15所设计的开启压力比为m，当P_左/P_右≤m时，水压转化器15处于关闭状态，当P_左/P_右≥m时，水压转化器15处于开启状态。

活塞17中右端较小的圆柱体活塞17面面积为S_右与左端较大的圆柱体活塞17面面积为S_左的面积比S_右/S_左可根据水压转换器15所设计的开启压力比m设计。

水压转换器15工作原理为：

如图6所示，水压转换器15中左端较大的圆柱体活塞17面面积为S_左，接触水压为第四探测单元304漏水管11中观测钻孔2用水压P_左,右端较小的圆柱体活塞17面面积为S_右,接触水压为第四探测单元304连通管12中水压P_右，弹簧一19中弹性系数k，压缩量x，由二力平衡原理可知：

当F_左+F_弹≥F_右，即P_左S_左+kx≥P_右S_右，则水压转换器15处于关闭状态，活塞17不外移，通水孔21被基体18内壁阻挡，不能与漏水管11连通。

当F_左+F_弹≤F_右，即P_左S_左+kx≤P_右S_右，则水压转换器15处于开启状态，活塞17向外移，通水孔21露出基体18内壁，与漏水管11连通，对钻孔2内进行补水。

上述过程既可实现由第四探测单元304中连通管12中高压水向第四探测单元304漏水管11中观测钻孔2用低压水转化，又可根据需要实现向钻孔2内实时补水过程。

其中，P_左为观测钻孔2用水压，工程常取0.1MPa，P_右为连通管内12水压，一方面可用于起胀封堵胶囊10，另一方面经压力转化后，可用于向该测段漏水管11中实时补水，工程常大于2.5MPa，由此可知，S_左与S右的比值约为25:1，考虑到面积差值太大，故加入弹簧一19进行调节，一是可以降低左右面积比，便于实际制造需要，二是可使活塞17自动回位。

结合图5-1至5-4所示，压力调节阀9位于卡槽接头二4、卡槽接头四6内，压力调节阀9周端设置螺纹，通过螺纹与卡槽接头二4、卡槽接头四6相连，力调节阀9两侧端开有对称的方形孔23数个，周端上开有一螺纹式通油孔25。

所述压力调节阀9包含不对称活塞组22和弹簧二24，初始状态时，弹簧二24作用下，不对称活塞组22位于压力调节阀9内腔的一端，此时恰好完全封堵压力调节阀9侧端方形孔23，工作状态时，高压油通过通油孔25进入压力调节阀9内腔，作用于活塞组22一侧，将活塞组22推向弹簧二24端，此时，活塞组22间空隙恰巧与方形孔23连通，水流可通过压力调节阀9。

封堵系统详见图1至图2、图6至图14所示，主要包括封堵胶囊10，封堵胶囊10分别包绕在卡槽接头一3、卡槽接头二4、卡槽接头三5、卡槽接头四6和卡槽接头五7上，通过固定构件将其密封固定，通过起胀孔36与外界水源沟通，通油管路两端设置紧固螺丝26，可将通油管路固定在各卡槽接头间的通油管上，通油管路与油压装置连接，其内部通有高压油。

油压装置包括油压罐34、截止阀33和储能器32，油压罐34负责提供使压力调节阀9中活塞组22移动的高压油，截止阀33负责高压油的流通与截止，储能器32通过与截止阀33配合，保证截止阀33处于截至状态时，保证通油管35和胶囊连接管13中的高压油保持一定压力状态。

供给推进系统详见图1所示，包括注水操作台一28、注水操作台二29、钻杆31、钻机30、回水压力表和电子记录器等，注水操作台一28负责向第一探测单元301、第二探测单元302提供压力水源，水源压力为0.1MPa，注水操作台二29负责向第三探测单元303、第四探测单元304、封堵胶囊10提供压力水源，压力水源为2.5MPa，一方面，经过压力转换阀9转换后，以0.1MPa的水压向第三探测单元303、第四探测单元304供水，另一方面，以2.5MPa的压力水源通过起胀孔36，起胀封堵胶囊10。

本实用新型观测系统的工作过程为：

步骤1、设置卡槽接头一3中水压转换器15开启压力比分别为m＝2.5，取观测水压P_左为0.1MPa；

步骤2、注水操作台二29通过连通管12提供2.5MPa高压水，一方面，此高压水通过起胀孔36起胀封堵胶囊10，另一方面，此高压水通过水压转换器15转换后以0.1MPa向第四探测单元304内注水，观测；保持水压，1-2分钟后，读取并计算此时间段内平均漏失量L₁，与此对应，注水操作台一28，向第一探测单元301内直接提供0.1MPa观测水源，对应读取并计算此时间段内平均漏失量L₂；

步骤3、上述过程完毕后，油压罐34通过相关管道向压力调节阀9中提供一定压力的高压油，使活塞组22向另一端移动，方形孔23连通。此时，第一探测单元301与第二探测单元302连通，第四探测单元304与第三探测单元303连通，打开截止阀33和储能器32，保持高压油压力，使观测水源分别向第二探测单元302、第三探测单元301内补充，并以0.1MPa压力继续工作，等待1-2分钟，分别读取并计算第一、二探测单元301、302和第三、四探测单元303、304平均漏失量L₃，L₄，此时，L₃－L₂即为第二探测单元302平均漏失量，L₄－L₁即为第三探测单元平303均漏失量；

步骤4、将压力调节阀9和封堵胶囊10泄压，用钻机30和钻杆31将观测系统推至下一观测区域进行观测，直至钻孔2长度内全部观测完毕。

本实用新型观测系统的观测方法，具体包括以下步骤：

(1)打钻孔2：用常规的煤矿钻机30在煤岩巷道中向顶板或底板岩体1中先后施工规定角度钻孔2数个，孔深30-70m不等；

(2)安装观测系统：清理钻孔中的杂物，安装观测系统，通过相应管道连接钻机30、注水操作台一28、注水操作台二29等，并利用钻机30和钻杆31将其送达钻孔2初始位置；

(3)封闭钻孔2：待其到达初始位置后，起胀封堵胶囊10密封钻孔2，即用注水操作台28、29向观测系统内注入水源至其达到预定初始水压；

(4)测定流水矢量参数：封堵合格后，进行流水矢量参数测定，分别读取并计算第一探测单元301、第二探测单元302、第三探测单元303、第四探测单元304的平均漏失量L₂，L₃－L₂，L₄－L₁，L₁。回撤压力水源和高压油，使封堵胶囊10和压力调节阀9处于卸压状态，然后利用钻机30和钻杆31移动观测系统至下一观测区域，重复步骤3至步骤4，依次对钻孔2进行测量。

本实用新型中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

Claims (6)

1.一种用于围岩裂隙的封堵双端观测系统，其包括探测系统、封堵系统和供给推进系统，所述探测系统安装在围岩裂隙的钻孔中，其特征在于：

所述探测系统包括第一探测单元、第二探测单元、第三探测单元和第四探测单元，所述第一探测单元位于钻孔的最外侧，所述第四探测单元位于钻孔的最内侧，相邻的探测单元之间、第一探测单元的前部及第四探测单元的尾部均设置有卡槽接头，每个探测单元均包括平行布置的连通管和漏水管，相邻的探测单元的连通管和漏水管通过所述卡槽接头连接，其中，相邻探测单元的连通管保持连通，位于第一探测单元和第二探测单元、第三探测单元和第四探测单元的漏水管保持连通，位于第二探测单元和第三探测单元之间的漏水管被卡槽接头分隔为独立的两部分，分别为探测I段和探测II段，在第一探测单元和第二探测单元之间、第三探测单元和第四探测单元之间的卡槽接头内设置有压力调节阀；

所述第四探测单元伸入钻孔的一端连接有U形管道，第四探测单元尾部的卡槽接头上设置有水压转换系统，所述水压转换系统包括水压转换器和卡槽管接头，所述水压转换器包括活塞和基体两部分，所述活塞左端面面积大于右端面面积，所述活塞内设置有相互连通的导水孔，位于右端的导水孔通过小孔与所述卡槽接头相连通，位于左端的导水孔开始时被基体内壁密封，在活塞的右端设置有凸台，所述凸台用于对活塞中的弹簧一进行限位，所述活塞用以控制左端导水孔与围岩裂隙中的钻孔保持连通或关闭；

所述封堵系统包括封堵胶囊，所述封堵胶囊包绕在每个卡槽接头的外部，所述卡槽接头内设置有起胀孔；

所述供给推进系统包括注水操作台一、注水操作台二和油压装置，所述注水操作台一与探测I段连接，所述注水操作台二与连通管连接，用于向探测II段注水；

在每个探测单元漏水管的上方均设置有通油管路，所述通油管路与所述油压装置连接。

2.根据权利要求1所述的用于围岩裂隙的封堵双端观测系统，其特征在于：所述卡槽接头内还设置有两个平行的通道，分别为通道I和通道II，所述通道I将相邻探测单元的漏水管连接在一起，所述通道II将相邻探测单元的连通管连接在一起，位于第二探测单元和第三探测单元之间的通道I内设置有挡块，所述挡块将第二探测单元和第三探测单元隔开；所述通道I上方设置有通油管路接口，所述通油管路接口连接在所述通油管路上，所述起胀孔设置在所述通道II下方。

3.根据权利要求1所述的用于围岩裂隙的封堵双端观测系统，其特征在于：所述压力调节阀包括不对称活塞组、弹簧二、位于顶部的通油孔和位于侧部的方形孔，所述通油孔与所述通油管路连接。

4.根据权利要求1所述的用于围岩裂隙的封堵双端观测系统，其特征在于：所述供给推进系统还包括回水压力表、电子记录器、钻机和钻杆，所述电子记录器安装在注水操作台上，所述回水压力表用于对回水管中的回水压力进行校正检测。

5.根据权利要求1所述的用于围岩裂隙的封堵双端观测系统，其特征在于：所述油压装置包括提供油源的油压罐、储能器和截止阀，所述储能器与截止阀设置在通油管路上。

6.根据权利要求1所述的用于围岩裂隙的封堵双端观测系统，其特征在于：所述水压转换器通过卡槽管接头连接在第四探测单元的卡槽接头上。