双端封堵测漏一体化观测系统

摘要

本发明公开了一种双端封堵测漏一体化观测系统，属于矿山顶底板岩体破坏范围测定技术领域。其包括封堵系统、导向系统、供给推进系统和压力转换系统，封堵系统包括连通管、位于连通管两端的第一封堵单元和第二封堵单元，第一封堵单元靠近岩体钻孔的内侧，封堵单元包括漏水管、连接在漏水管两端的管状接头和封堵胶囊，封堵单元和连通管通过管状接头连接，封堵胶囊设置在两个管状接头的漏水管外围，封堵胶囊与漏水管之间形成一定的封堵空间。本发明通过封堵系统和压力转换系统的配合，实现了一体化过程中封堵水源向观测水源压力转换，解决了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。

权利要求

1.一种用于矿山顶底板岩体的封堵测漏一体化观测系统，其特征在于：其包括封堵系统、导向系统、供给推进系统和压力转换系统；

所述封堵系统包括连通管、位于连通管两端的第一封堵单元和第二封堵单元，所述第一封堵单元靠近岩体钻孔的内侧，所述第一封堵单元、第二封堵单元均包括漏水管、连接在漏水管两端的管状接头和封堵胶囊，所述第一封堵单元和连通管、第二封堵单元和连通管之间通过所述管状接头连接，所述封堵胶囊设置在两个管状接头的漏水管外围，所述封堵胶囊与漏水管之间形成一定的封堵空间；

所述压力转换系统包括水压转换器和卡槽管接头，所述水压转换器通过卡槽管接头连接在所述第一封堵单元尾部的管状接头上，所述水压转换器包括活塞和基体两部分，所述活塞左端面的面积大于右端面的面积，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管接头相连通，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进行限位，所述活塞用以控制左端导水孔与围岩中的钻孔保持连通或关闭；

所述导向系统包括导向锥，所述导向锥与所述第一封堵单元头部的管状接头连接；

所述供给推进系统与所述连通管连通，用于向所述连通管内注水，显示并记录各个参数；

每段漏水管上均布设有两个漏水孔。

2.根据权利要求1所述的用于矿山顶底板岩体的封堵测漏一体化观测系统，其特征在于：所述管状接头上设置有垂直向上和垂直向下的凸起部，所述封堵胶囊缠绕在两个凸起部的漏水管外围。

3.根据权利要求2所述的用于矿山顶底板岩体的封堵测漏一体化观测系统，其特征在于：距凸起部一定距离的位于漏水管一侧的管状接头上设置有凹槽，所述凹槽通过与固定件配合将所述封堵胶囊固定。

4.根据权利要求1所述的用于矿山顶底板岩体的封堵测漏一体化观测系统，其特征在于：所述连通管与管状接头为螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的用于矿山顶底板岩体的封堵测漏一体化观测系统，其特征在于：当活塞满足P外S外+kx≤P内S内时，左端导水孔与围岩中的钻孔连通，其中，P外为观测水压，P内为封堵系统内起胀封堵胶囊用水压，S外为左端活塞面面积，S内为右端活塞面面积，k为弹簧中弹性系数，x为压缩量。

6.根据权利要求5所述的用于矿山顶底板岩体的封堵测漏一体化观测系统，其特征在于：所述P内为2.5MPa。

7.根据权利要求1所述的用于矿山顶底板岩体的封堵测漏一体化观测系统，其特征在于：所述供给推进系统包括注水操作台、回水压力表、电子记录器、钻机和钻杆，所述注水操作台向所述连通管内提供高压水源，所述电子记录器安装注水操作台上，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。

8.根据权利要求1所述的用于矿山顶底板岩体的封堵测漏一体化观测系统，其特征在于：所述活塞左端面的面积与右端面的面积之比为10～25:1。

说明书

双端封堵测漏一体化观测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及矿山顶底板岩体破坏范围测定技术领域，具体涉及一种双端封堵测漏一体化观测系统。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。由于现有的观测设备中同时工作的管道数量过多，尤其在推进过程中，容易出现钻孔内管道缠绕问题，另外，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两个问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种双端封堵测漏一体化观测系统，该观测系统可以同时实现封堵测漏一体化，减少了钻孔内同时工作的管道数量，并且可完成封堵测漏一体化及封堵高压水源向观测低压水源的压力转换。

[0005] 其技术解决方案包括：

[0006] 一种用于矿山顶底板岩体的封堵测漏一体化观测系统，其包括封堵系统、导向系统、供给推进系统和压力转换系统；

[0007] 所述封堵系统包括连通管、位于连通管两端的第一封堵单元和第二封堵单元，所述第一封堵单元靠近岩体钻孔的内侧，所述封堵单元包括漏水管、连接在漏水管两端的管状接头和封堵胶囊，所述封堵单元和连通管通过所述管状接头连接，所述封堵胶囊设置在两个管状接头的漏水管外围，所述封堵胶囊与漏水管之间形成一定的封堵空间；

[0008] 所述压力转换系统包括水压转换器和卡槽管接头，所述水压转换器通过卡槽管接头连接在所述第一封堵单元尾部的管状接头上，所述水压转换器包括活塞和基体两部分，所述活塞左端面的面积大于右端面的面积，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管接头相连通，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进行限位，所述活塞用以控制左端导水孔与围岩中的钻孔保持连通或关闭；

[0009] 所述导向系统包括导向锥，所述导向锥与所述第一封堵单元头部的管状接头连接；

[0010] 所述供给推进系统与所述连通管连通，用于向所述连通管内注水，显示并记录各个参数。

[0011] 上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

[0012] 活塞呈左右两端不等大的圆柱体，左端较大的圆柱体活塞面面积为S外，接触水压为P外,右端较小的圆柱体活塞面面积为S内,接触水压为P内。靠近活塞的右端有一凸台设置，通过弹簧与基体内部相应部位配合，保证活塞在基体内移动的同时不致脱离基体。活塞内设置有相互连通的导水孔，位于右端导水孔通过小孔与卡槽管接头相连通，位于左端导水孔开始时被基体内壁密封，当活塞向左伸出基体大于某一位置时，左端导水孔与钻孔连通。

[0013] 水压转换器工作原理为：

[0014] 左端较大的圆柱体活塞面面积为S外，接触水压为钻孔观测水压P外,右端较小的圆柱体活塞面面积为S内,接触水压为P内，弹簧中弹性系数k，压缩量x，由二力平衡原理可知：

[0015] 当F外+F弹≥F内，即P外S外+kx≥P内S内，则水压转换器处于关闭状态，活塞不外移，导水孔被基体内壁阻挡，不能与钻孔连通。

[0016] 当F外+F弹F≤F内，即P外S外+kx≤P内S内，则水压转换器处于开启状态，活塞向外移，导水孔露出基体内壁，与钻孔连通，对钻孔内进行补水。

[0017] 上述过程既可实现由内测(指封堵胶囊)封堵高压水(一般为2.5MPa)向外侧(指钻孔内)观测低压水(0.1MPa)转化，又可根据需要实现钻孔内实时补水过程。

[0018] 其中，P外为观测水压，工程常取0.1MPa，P内为封堵系统内起胀封堵胶囊用水压，工程常取2.5MPa，由此可知，S外与S内的比值约为10～25:1，考虑到面积差值太大，故加入弹簧进行调节，一是可以降低内外面积比，便于实际制造需要，二是可使活塞可自动回位。

[0019] 作为本发明的一个优选方案，所述管状接头上设置有垂直向上和垂直向下的凸起部，所述封堵胶囊缠绕在两个凸起部的漏水管外围。

[0020] 作为本发明的另一个优选方案，距凸起部一定距离的位于漏水管一侧的管状接头上设置有凹槽，所述凹槽通过与固定件配合将所述封堵胶囊固定。

[0021] 优选的，每段漏水管上均布设有两个漏水孔。

[0022] 优选的，所述连通管与管状接头为螺纹连接。

[0023] 优选的，当活塞满足P外S外+kx≤P内S内时，左端导水孔与围岩中的钻孔连通，其中，P外为观测水压，P内为封堵系统内起胀封堵胶囊用水压，S外为左端活塞面面积，S内为右端活塞面面积，k为弹簧中弹性系数，x为压缩量。

[0024] 优选的，所述P内为2.5MPa。

[0025] 优选的，所述供给推进系统包括注水操作台、回水压力表、电子记录器、钻机和钻杆，所述注水操作台向所述连通管内提供高压水源，所述电子记录器安装注水操作台上，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。

[0026] 优选的，所述活塞左端面的面积与右端面的面积之比为10～25:1。

[0027] 与现有技术相比，该系统的有益技术效果为：

[0028] 1、实现了观测系统的封堵测漏一体化，减少了钻孔内同时工作的管道数量，解决了推进过程中钻孔内多管道相互缠绕问题。

[0029] 2、通过封堵系统和压力转换系统的配合，实现了一体化过程中封堵水源向观测水源压力转换，解决了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。

[0030] 3、提高了矿山顶底板岩体破坏范围测量过程的稳定性和精确性，避免了观测水源压力过高对钻孔裂隙的破坏作用，为矿山顶底板岩体破坏范围测量过程的稳定性和精确性奠定基础。

附图说明

[0031] 下面结合附图对本发明做详细说明：

[0032] 图1为本发明观测系统的结构示意图；

[0033] 图2为本发明观测系统中测试探头整体示意图；

[0034] 图3为本发明观测系统中第一封堵单元的结构示意图；

[0035] 图4为本发明观测系统中第二封堵单元的结构示意图；

[0036] 图5、图6为压力转换系统结构示意图；

[0037] 图7、8为水压转换器结构示意图；

[0038] 图9、10为本发明卡槽管接头结构示意图；

[0039] 图11为本发明压力转换系统中水压转换器状态示意图；

[0040] 图12为本发明观测系统中导向锥结构示意图；

[0041] 图中，1、岩体，2、钻孔，3、封堵胶囊，4、连通管，5、水压转换器，6、管状接头一，7、漏水管，8、卡槽管接头，9、管状接头三，10、高压软管，11、钻杆，12、钻机，13、注水操作台，14、导向锥，15、管状接头二，16、活塞，17、导水孔，18、弹簧，19、凸台，20、基体，21、小孔。

具体实施方式

[0042] 本发明提出了一种双端封堵测漏一体化观测系统，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步清楚、完整的说明。

[0043] 本发明，双端封堵测漏一体化观测系统，结合图1至图8所示，其包括封堵系统、压力转换系统、导向系统和供给推进系统，其中，供给推进系统详见图1所示，包括注水操作台13、钻杆11、钻机12，其中，注水操作台13负责提供固定压力水源，通过高压软管10、钻杆11与一体化观测系统相连，钻机12负责推进一体化观测系统至相应的观测区域，注水操作台
13包括流量表、压力表，分别用于观测注水流量和注水压力，钻机12负责推进一体化观测系统至相应的观测区域，对于供给推进系统和观测系统的工作运行方法借鉴现有技术即可实现。

[0044] 封堵系统详见图1至图4所示，包括连通管4和位于连通管4两端的第一封堵单元和第二封堵单元，第一封堵单元在靠近岩体钻孔的最内侧，第二封堵单元位于远离岩体钻孔一侧，其中，第二封堵单元包括两个管状接头一6、漏水管7和封堵胶囊3，第一封堵单元包括管状接头二15、漏水管7、管状接头三9和封堵胶囊3；连通管4为一密封管道，其左端通过管状接头一6与第二封堵单元呈螺纹连接，其右端通过压力转换系统与第一封堵单元呈螺纹连接。

[0045] 第二封堵单元中的漏水管7两端分别与两个管状接头一6呈螺纹连接，漏水管7上有两个漏水孔，管状接头一6外部设置凸状结构及凹槽，其中，凸状结构可以为垂直向上和垂直向下的凸起部，或与该结构类似的其它凸起部，凸起部的作用是挡住封堵胶囊3，以防滑落，凹槽的作用是可通过固定构件将封堵胶囊3固定其上。其中，凸状结构用以挡住封堵胶囊3，以防滑落，凹槽可通过固定构件将封堵胶囊3固定其上，封堵胶囊3包绕在两个管状接头一6的凹槽状结构上，通过与漏水管7配合形成起胀封堵胶囊3的空间。

[0046] 第一封堵单元中漏水管7左右两端分别与管状接头二15、管状接头三9呈螺纹连接，管状接头二5、管状接头三9外部设置凹槽状结构，可通过固定构件固定封堵胶囊3，封堵胶囊3包绕在管状接头二15、管状接头三9外部设置凹槽状结构上，通过与漏水管7配合形成起胀封堵胶囊3的空间。

[0047] 连通管4仅有一根，分别通过管状接头一6、卡槽管接头8与第一封堵单元和第二封堵单元螺纹连接。

[0048] 压力转换系统详见图5至图11所示，包括水压转换器5和卡槽管接头8；卡槽管接头8左端与连通管4螺纹连接，右端与管状接头二15螺纹连接，卡槽管接头8左端面外侧区域与
4个水压转换器5呈螺纹连接。

[0049] 水压转换器5包括活塞16和基体20两部分，活塞16呈左右两端不等大的圆柱体，左端较大的圆柱体活塞16面面积为S外，接触水压为P外,右端较小的圆柱体活塞16面面积为S内,接触水压为P内。靠近活塞16的右端有一凸台19设置，通过弹簧18与基体20内部相应部位配合，保证活塞16在基体20内移动的同时不致脱离基体20，活塞16内设置有相互连通的导水孔17，右端导水孔17通过小孔21与卡槽管接头8相连通，左端导水孔17开始时被基体20内壁密封，当活塞16向左伸出基体大于某一位置时，左端导水孔17与钻孔2连通。

[0050] 上述水压转换器5工作原理为：

[0051] 左端较大的圆柱体活塞16面面积为S外，接触水压为钻孔2观测水压P外,右端较小的圆柱体活塞16面面积为S内,接触水压为Ⅱ型封堵端段封堵水压P内，弹簧18中弹性系数k，压缩量x，由二力平衡原理可知：

[0052] 当F外+F弹≥F内，即P外S外+kx≥P内S内，则水压转换器5处于关闭状态，活塞16不外移，导水孔17被基体20内壁阻挡，不能与钻孔2连通。

[0053] 当F外+F弹F≤F内，即P外S外+kx≤P内S内，则水压转换器5处于开启状态，活塞16向外移，导水孔17露出基体20内壁，与钻孔2连通，对钻孔2内进行补水。

[0054] 上述过程既可实现由内测(指封堵胶囊3)封堵高压水(一般为2.5MPa)向外侧(指钻孔2内)观测低压水(0.1MPa)转化，又可根据需要实现钻孔2内实时补水过程。

[0055] 其中，P外为观测水压，工程常取0.1MPa，P内为封堵系统内起胀封堵胶囊3用水压，工程常取2.5MPa，由此可知，S外与S内的比值约为25:1，考虑到面积差值太大，故加入弹簧18进行调节，一是可以降低内外面积比，便于实际制造需要，二是可使活塞16可自动回位。

[0056] 导向系统详见图1和图12所示，包括导向锥14，与管状接头三9呈螺纹连接，导向锥14为一圆锥形结构，便于钻孔2内出现凹凸不平台阶状时，起到导向作用。

[0057] 下面对本发明双端封堵测漏一体化观测系统的观测方法做详细说明，主要步骤包括：

[0058] (1)打钻孔2：用常规的煤矿钻机12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个，孔深达到30-70m不等；

[0059] (2)安装观测系统：清理钻孔2中的杂物，在钻孔2中安装观测系统，通过高压软管10相应管道连接钻机12、注水操作台13等，并利用钻机12和钻杆11将其送达钻孔2初始位置；

[0060] (3)封闭钻孔2：待其到达初始位置后，起胀封堵胶囊3密封钻孔2，即用注水操作台13向第一分度单元和第二封堵单元内注入固定压力的水源至其达到预定水压；

[0061] (4)测定流水矢量参数：封堵合格后，进行流水矢量参数测定，即水压稳定后，等待1-2分钟，读取此段时间内的总流量，记录并计算单位时间内流量值，回撤压力水源，使封堵胶囊3处于卸压状态，然后利用钻机12和钻杆11移动观测系统至下一观测孔段，重复步骤3至步骤4，依次对钻孔2进行测量。

[0062] 本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

[0063] 尽管本文中较多的使用了诸如水压转换器、卡槽管接头等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，本领域技术人员在本发明的启示下对这些术语所做的简单替换，均应在本发明的保护范围之内。