专利名称：井下导高观测仪及其观测方法
技术领域：
本发明涉及一种采矿工程和岩体工程测试技术，尤其涉及一种井下采场 覆岩导高观测的装置及方法。
技术背景煤层开采后顶板覆岩要受到相应的破坏，这种破坏对于水体下采煤或者 承压水上下采煤的影响特别严重，因为顶板覆岩的裂隙带如果波及到水源 时，煤矿就会发生水体溃入。导水裂隙带的高度可以根据理论公式计算得 出，但是由于岩层参数的求取非常复杂以及计算公式的误差，公式推导的导 水裂隙带高度会有很大误差。因此，煤矿井下导水裂隙带的现场观测为一种 最为可靠的方法，同时可以验证公式计算的正确性。传统的方法是地面钻孔冲洗液消耗量观测法，即从地面向采空区打钻， 根据钻进过程中钻孔循环冲洗液消耗量的变化情况来判断导水裂隙带的高 度。这种方法工程量大，工艺复杂，观测结果的准确性和可靠性也不高，而 且特别受环境影响严重，当地表有水体时，在水体中打钻孔观测极为困难。已有的井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测专利技术，它是在采空区周围 适当位置，向采场上覆岩层打仰斜钻孔穿透导水裂隙带，使用双端堵水器， 在钻孔内封堵分隔出一段岩层，实现对采场覆岩每一层位岩层分段注水探 测，观测其导水性能，最终找出导水裂隙带上限。但是由于其每次只能分隔 出一段岩层，然后观测注水漏失量(注水量)，每次都要经过双端堵水器推移、起胀、注水调压和测试一个完整的工作过程；注水压力和胶嚢起胀压力 需要人工手动控制；且堵水器内起胀管路采用内连接方式，仪器结构复杂， 观测工作效率较低。 发明内容本发明的目的是提供一种结构简单、使用方便、观测效率高的井下导高 观测仪及其观测方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明的井下导高观测仪，包括堵水器，所述的堵水器有多个，且多个 堵水器通过注水管路串联在一起，相邻两个堵水器之间的注水管路上设有注 水口 ，所述注水管路的一端连接有注水控制台；所述多个堵水器之间通过外连接管路相互连通并与起胀管路连接，所述 起胀管路的一端连接有起胀控制台。所述的堵水器内设有金属骨架，所述金属骨架上设有通气腔和通水腔， 所述注水管路通过通水腔将多个堵水器串联在一起；所述通气腔通过外连接接头与所述外连接管路连接，且所述通气腔与堵 水器的内腔相通。所述的堵水器包括外层保护胶嚢和内层封堵胶嚢，所述外层保护胶嚢和 内层封堵胶嚢的两端分别套在金属骨架上，并且通过封闭环将外层保护胶嚢 和内层封堵胶嚢紧密压在金属骨架上，实现密封。所述的注水控制台包括注水控制装置，所述注水控制装置可根据注水管 路内的实际压力与设定压力的差值控制注水流量。所述的起胀控制台设有压力控制装置，所述的压力控制装置可根据设定 的压力控制起胀管路内的起胀压力。还包括自动控制装置，所述自动控制装置可根据设定值自动控制注水流 量和/或起胀压力。所述注水口"i殳有电动阀门，用于控制注水口的打开或关闭。本发明的应用上述的井下导高观测仪进行井下覆岩导高观测的方法，包 括步骤A、 在需要观测的覆岩上打钻孔；B、 将串联在一起的多个堵水器推入钻孔中的预定位置；C、 通过起胀控制台设定起胀压力，并向起胀管路内通入气体，使多个 堵水器膨胀并达到设定的压力，将所述钻孔封堵为多段；D、 通过注水控制台设定注水压力，并向注水管路注水，打开需观测位 置上的注水管路上的注水口 ，根据注水管路内的实际压力与设定压力的差值调节注水流量；E、 待注水压力达到设定压力并稳定后，记录注入该段岩层中注水量；F、 根据所测得的各段岩层的注水量，分析覆岩内部裂隙的发育状况。 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的井下导高观测仪及其观测方法，由于包括多个堵水器，且多个堵水器通过注水管路串联在一 起，相邻两个堵水器之间的注水管路上设有注水口，注水管路的一端连接有 注水控制台；多个堵水器之间通过外连接管路相互连通并与起胀管路连接， 起胀管路的一端连接有起胀控制台。使用时，首先在需要观测的覆岩上钻 孔；然后将串联在一起的多个堵水器推入钻孔中的预定位置；再向起胀管路 内通入气体，将一段钻孔封堵为多段；而后通过注水管路注水，并依次开启 相邻两个堵水器之间注水管路上的注水口，记录该段岩层的注水量(漏失 量)，根据岩层的注水量(漏失量)，分析该段岩层的裂隙发育状况。该发 明结构简单、使用方便，可以实现多段同时封堵，分段注水测漏，观测效率 高，测量结果更加可靠。尤其适用于对井下覆岩裂隙渗透性观测，也适用于 对其它场合的岩层进行观测。
图1为本发明的井下导高观测仪应用状态示意图； 图2为多个堵水器串联的结构示意图； 图3为堵水器的结构示意图； 图4为图3的A-A剖面示意图。
具体实施方式
本发明井下导高观测仪较佳的具体实施方式
如图1所示，包括堵水器1， 所述的堵水器1有多个，且多个堵水器通过注水管路4串联在一起，所述注水 管路4的一端连接有注水控制台12。如图2所示，相邻两个堵水1器之间的注水管路4上i殳有注水口13，注水 口13上装有自动控制阀门(图中未示出)，可以是电动阀门，也可以是其它 的自动控制阀门。所述多个堵水器1之间还通过外连接管路2相互连通并与起胀管路3连 接，所述起胀管路3的一端连接着起胀控制台8，另一端连通着堵水器的起胀 胶嚢。起胀控制台8设有压力控制装置，所述的压力控制装置可根据设定的压力控制起胀管路3内的起胀压力。起胀控制台8还设有安全阀5、压力表6、气流过滤器7和泄放阀11等。 注水控制台12设有注水控制装置，所述注水控制装置可根据注水管路4内的实际压力与设定压力的差值控制注水流量。注水控制台12还"i殳有水压计9、可控流量阀10和泄;改阀11等。本发明的具体实施方式
中还包括自动控制装置，可根据设定值自动控制注水流量及起胀压力。本发明井下导高观测仪具体的使用方式是这样的，将多个堵水器通过注水管路4串联连接，注水管路4另一端与注水控制台12连接形成注水系统，多个串联堵水器1通过外连接管路2、起胀管路3与起胀控制台8连接构成起胀封堵系统。首先将串联在一起的多个堵水器1送入到钻孔中的预定位置。准备工作 完成，可以进行测量纟喿作。打开起胀控制台8上的气源阀门(图中未示出)，高压气源便会形成通 路，在此之前调整安全阀5，使起胀压力达到设定值，这样多个串联堵水器1 的胶嚢会在设定的安全气压作用下同时起胀，而且多个堵水器1之间由于通 过外连接管路2相通，所以多个串联堵水器1就将该段钻孔一次封堵分隔成多 个小段。待堵水器1的胶嚢膨胀封孔之后，打开注水控制台12上的水源阀门(图 中未示出)，高压水源便会形成通路。通过调节可控流量间10的额定值设定 注水压力，此时注水控制台12上的水压计9显示注水管路4内的压力，当水压计9显示压力与设定注水压力相比较小时，自动控制装置会自动控制可控流量阀10的流量加大，以加大流量来达到设定的注水压力，反之，可控流量阀 10会自动减小流量，以减小流量达到额定注水压力，从而达到自动控制注水 压力的目的。由于本发明是一次性多段分隔封堵，依次多点测漏，在多个串联堵水器 1之间的各段注水管路4中的注水口 13安设电动控制阀门，通过多芯电缆线连 到钻孔外，对每个电动控制阀门进行单独控制，从而达到分段控制、分段观 测的目的。观测时，设定起胀压力和注水压力，并且自动控制调节；通过电 动开关将待测段注水管的电动控制阀门打开，通过注水口 13向该段覆岩内注 水，当注水压力达到设定值并且保持稳定后，通过可控流量阀10读出水量漏 失量；然后保持堵水器1膨胀不变，关闭此段注水管路4的电动控制阀，将另 一个待测段注水管路4的电动控制阀打开，重新设定注水压力，当水压计9显 示压力达到设定注水压力并且保持稳定后，通过可控流量阀10读出水量漏失 量。同样的方法将其它段测量完毕后，打开起胀控制台8上的泄放阀11,堵 水器1气压降低后自动收缩。而后，将多个串联堵水器推移到下一个待测位 置，移动过程中，注水控制台12上的泄放阀11则不必打开，保留注水管路4 中的水，以节约时间和用水，待全部测量完毕后再将水》文掉。本发明具体实施例的堵水器1，如图3、图4所示，堵水器1的内部设有金 属骨架16，金属骨架16是金属柱状双腔体，包括通气腔21和通水腔22,通气 腔21外通过外连接接头15与外连接管路2或起胀管路3连接，通气腔21内与堵 水器1的胶嚢内腔连接；注水管路4通过通水腔22将多个堵水器串联连接。堵 水器1的膨胀部分由外层保护胶嚢19和内层封堵胶嚢20两层构成，胶嚢均为 特制的高强度和高韧性橡胶制品，结构简单，起胀封堵效果佳，胶嚢尺寸与 堵水器1的金属骨架16是相互配合的，达到通用的目的。外层保护胶嚢19和 内层封堵胶嚢20套在金属骨架16上，通过封闭环18将胶嚢紧密压在金属骨架 16,封闭至密封状态。堵水器1的两端的金属骨架16上分别连接有保护挡块17,所述保护挡块 17的外径大于堵水器1自然状态下的外径，当胶嚢收缩向上推进时，保护挡块17保护外层保护胶嚢19免受磨损。本发明应用上述井下导高观测仪观测井下覆岩内部裂隙的方法，可以实 现一次多段分隔封堵，依次分段注水测漏。可以缩短测量时间，提高观测效 率，测量结果可靠性高。具体包括步骤步骤1、在需观测的覆岩上打钻孔；步骤2、将串联在一起的多个堵水器推入钻孔中的预定位置；步骤3、通过起胀控制台设定起胀压力，并向起胀管路内通入压气，使多个堵水器膨胀并达到设定的压力，将待测定的一段钻孔封堵为多个小段； 步骤4、通过注水控制台设定注水压力，并向注水管3各注水，打开需观测位置上的注水管路上的注水口 ，根据注水管路内的实际压力与设定压力的差值调节注水流量；步骤5、待注水压力达到设定压力并稳定后，记录水的漏失量；步骤6、根据观测获得的钻孔各位置岩层漏失量，分析覆岩内部裂隙发育状况。实例有一钻孔测试段总长30米，原来一次测量长度为1米，则需要将 堵水器移位30次，每次堵水器移位及钻杆充水需8分，每小段测试需2分钟， 每米测试共需用时10分，30米测试段共总需用时300分。本发明堵水器移位 一次可测试3小段，即测试钻孔长度3米，则只需要将堵水器移位10次；每次 堵水器移位及钻杆充水需8分，每小段测试需2分钟，3小段测试共需3x2-6 分钟，堵水器移位一次和测试3米共需用时8 + 6= 14分，30米长钻孔测试则 共总需用时140分。可见，由于节省了堵水器移位及钻杆充水时间，可提高 测量效率。另外，与以往的测试方法相比，该发明实现了气压和水压自动调 节，提高了仪器自动化程度和仪器性能的可靠性，以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1. 一种井下导高观测仪，包括堵水器，其特征在于，所述的堵水器有多个，且多个堵水器通过注水管路串联在一起，相邻两个堵水器之间的注水管路上设有注水口，所述注水管路的一端连接有注水控制台；所述多个堵水器之间通过外连接管路相互连通并与起胀管路连接，所述起胀管路的一端连接有起胀控制台。
2、 根据权利要求1所述的井下导高观测仪，其特征在于，所述的堵水器 内设有金属骨架，所述金属骨架上设有通气腔和通水腔，所述注水管路通过 通水腔将多个堵水器串联在一起；所述通气腔通过外连接接头与所述外连接管路连接，且所述通气腔与堵 水器的内腔相通。
3、 根据权利要求2所述的井下导高观测仪，其特征在于，所述的堵水器 包括外层保护胶嚢和内层封堵胶嚢，所述外层保护胶嚢和内层封堵胶嚢的两 端分别套在金属骨架上，并且通过封闭环将外层保护胶嚢和内层封堵胶嚢紧 密压在金属骨架上，实现密封。
4、 根据权利要求1所述的井下导高观测仪，其特征在于，所述的注水控 制台包括注水控制装置，所述注水控制装置可根据注水管路内的实际压力与 设定压力的差值控制注水流量。
5、 根据权利要求1所述的井下导高观测仪，其特征在于，所述的起胀控 制台设有压力控制装置，所述的压力控制装置可根据设定的压力控制起胀管 路内的起胀压力。
6、 根据权利要求4或5所述的井下导高观测仪，其特征在于，还包括自 动控制装置，所述自动控制装置可根据设定值自动控制注水流量和/或起胀压 力。
7、 根据权利要求1所述的井下导高观测仪，其特征在于，所述注水口设 有电动阀门，用于控制注水口的打开或关闭。
8、 一种应用权利要求1至7所述的井下导高观测仪进行井下覆岩导高观测的方法，其特征在于，包括步骤A、 在需要观测的覆岩上打钻孔；B、 将串联在一起的多个堵水器推入钻孔中的预定位置；C、 通过起胀控制台设定起胀压力，并向起胀管路内通入气体，使多个 堵水器膨胀并达到设定的压力，将所述钻孔封堵为多段；D、 通过注水控制台i殳定注水压力，并向注水管^^注水，打开需M^测位 置上的注水管路上的注水口 ，根据注水管路内的实际压力与设定压力的差值 调节注水流量；E、 待注水压力达到设定压力并稳定后，记录注入该段岩层中注水量；F、 根据所测得的各段岩层的注水量，分析覆岩内部裂隙的发育状况。
全文摘要
本发明公开了一种井下导高观测仪及其观测方法，包括多个串联在一起的堵水器，相邻两个堵水器之间的注水管路上设有注水口，注水管路的一端连接有注水控制台；多个堵水器之间通过外连接管路相互连通并连接有起胀管路。使用时，首先在需要观测的覆岩中打钻孔；然后将串联在一起的多个堵水器推入钻孔中的预定位置；向起胀管路内通入气体，则将一段钻孔封堵为几段；再向注水管路中注水，同时依次开启相邻两个堵水器之间注水管路上的注水口，向该段钻孔所在岩层注水。最后根据各段岩层的注水渗流量，分析覆岩内部裂隙发育状况。该发明结构简单、使用方便，可以实现同时封堵，分段注水，多段测漏，提高观测效率，而且测量结果可靠度高。
文档编号E21B49/00GK101245701SQ200710099679
公开日2008年8月20日 申请日期2007年5月28日 优先权日2007年5月28日
发明者高延法 申请人:中国矿业大学(北京)