围岩渗透性多段型注水观测仪的制作方法

文档序号:15578770发布日期:2018-09-29 06:16

本发明属于岩体破坏范围及渗透性测定技术领域,具体涉及围岩渗透性多段型注水观测仪。



背景技术:

对岩体采动裂隙带范围和渗透性的测量是研究岩体破坏特征的基础参数,对于进一步探究其与岩层移动规律和应力场的关系有重要的意义,传统实测装置主要有直流电法、瞬变电磁法、微震检测和压水试验法。其中,以压水试验法可靠度最高,采用传统装置“双端侧漏装置”,进行注放水测试,判断受到采动影响的岩层的发育高度或深度。传统装置中存在注水操作台和封堵操作台两个外部系统,操作人员相对较多,对应在钻孔中的管道有2根,在推进的过程中容易发生相互缠绕问题,轻则造成装置封堵或观测过程不稳定,重则容易拉断供气管道,造成设备无法正常工作,并且,传统装置为一个测试单元,探测效率低下,如何能实现多段测量,减少钻孔内管道数量,且能有效的控制水压,现有技术未能同时解决上述问题。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种围岩渗透性多段型注水观测仪。

本发明的技术方案:

一种围岩渗透性多段型注水观测仪,包括测试探头、控制操作台38、钻机14和钻杆12;

所述的测试探头包括封堵器、转换器6和连通管28,封堵器包括前部封堵器35、中部封堵器36、尾部封堵器37;封堵器包括漏水管3、连接在漏水管两端的接头和橡胶囊5,橡胶囊5包绕在漏水管3外围,与漏水管3之间形成封堵空腔30,外界水源注入漏水管3中的漏水孔,封堵空腔30起胀橡胶囊5,与钻孔31形成注水空腔;

所述的钻机14通过钻杆12与测试探头相连接,用以接长和推进测试探头至指定区域,钻杆12为空心杆,呈螺纹连接,可拆卸,其内部可输送高压水源;

所述的控制操作台38包括放水开关15、流量表16、机械压力表17、总控开关18和电子压力表19,控制操作台38通过高压软管13与钻机14连接,负责向测试探头提供指定压力的外界水源;

所述的前部封堵器35包括接头一2、漏水管3、接头二4和橡胶囊5,接头一2和接头二4与漏水管3呈螺纹连接,橡胶囊5包绕在漏水管3外部,通过紧固圈24固定在接头一2和接头二4的外部,与漏水管3间形成封堵空腔30;

所述的接头一2外端螺纹连接引导头1,引导头1起导向作用,用以引导测试探头在钻孔31中平顺滑动;

所述的中部封堵器36包括接头二4、漏水管3、接头三7和橡胶囊5,橡胶囊5通过紧固圈24固定在接头二4和接头三7的外部;

所述的尾部封堵器37由两个接头三7、漏水管3和橡胶囊5,橡胶囊5通过紧固圈24固定在两个接头三7之间;

所述的接头三外部螺纹连接圆形挡板11,圆形挡板11直径较橡胶囊5直径大,阻止橡胶囊5脱落;圆心挡板11呈螺纹连接,可拆卸,便于与更换橡胶囊5;

所述的前部封堵器35、中部封堵器36、尾部封堵器37与钻孔31之间分别形成一号注水空腔29和二号注水空腔34;

所述的前部封堵器35和中部封堵器36左边各螺纹连接转换器6,转换器6包括基体、转换体10、复位弹簧9和调节螺丝8,转换器6将连通管28中的高压水源转换至低压水源输送至一号注水空腔29和二号注水空腔34内;

所述的转换器6开有一个中心通孔32和四个周边通孔33,四个周边通孔33对称分布于中心通孔32周围;

所述的中心通孔32左端孔径小于右端孔径,每个周边通孔33侧壁对应开有侧漏孔25;

所述的周边通孔33内依次安装有转换体10、复位弹簧9和调节螺丝8,周边通孔33左侧内壁设置螺纹,与调节螺丝8相配合,使调节螺丝8在周边通孔33内旋转,压缩复位弹簧9,以控制转换体10的开启压力;

所述的调节螺丝8侧壁开有六角通孔21,便于旋转调节螺丝8和反馈一号注水空腔29和二号注水空腔34水压与转换体10左端面;

所述的锥形转换体10呈不等直径圆柱体,其左端面直径大于右端面直径,在不等直径圆柱过渡处即为密封锥面26,与周边通孔33内壁的密封锥面26相吻合,密封锥面26呈30°角;

所述的锥形转换体10内开有“L”形通水孔23,在靠近锥形转换体10左端面的圆柱形外表面开有环形水槽22,通水孔23与环形水槽22相连通;当外界水源推动锥形转换体10向左移动时,环形水槽22与侧漏孔20相连通,使外界水源进入一号注水空腔29或二号注水空腔34内;

所述的转换器6工作原理:

(1)当锥形转换体10满足P左S左+kx≤P右S右时,则锥形转换体10向左移动,环形水槽22与侧漏孔20连通,对一号注水空腔29或二号注水空腔34进行注水观测;

(2)当锥形转换体10满足P左S左+kx≥P右S右时,则锥形转换体10向右移动,环形水槽22被周边通孔33内壁封闭,停止向注水空腔供水;

(3)若P右过大,为防止P右极端水压对注水空腔部分的钻孔31内壁造成破坏,则锥形转换体10向左移动,直至环形水槽22移动到侧漏孔20的左端,与周边通孔33内壁形成再次封闭作用;

其中,P左为一号或二号注水空腔观测水源压力,一般为0.5MPa左右;P右为外部供给水源压力,一般为1.5MPa左右,S左为锥形转换体左端面过水面积,S右为锥形转换体右端面过水面积,k为复位弹簧的弹性系数,x为压缩量;

所述的控制操作台38包括放水开关15、流量表16、压力表一17、总控开关18和压力表二19,放水开关15负责将将测试探头内压力水释放,使橡胶囊5与钻孔31脱离接触,便于钻机14推进测试探头;总控开关18负责外界水源的停供,流量表16负责检测外界水源向测试探头输入实时水量,压力表一17为机械表,压力表二19为电子表,二者示数相互对比检验,若大致相当,则表明压力有效;

所述的注水空腔的数量,根据需求增加,设计方式相同。

本发明的有益效果:

(1)本发明提出了围岩渗透性多段型注水观测仪,与现有技术相比,该装置实现了测试探头的的封堵测试一体化,减少了钻孔内同时工作的管道数量为1根,解决了推进过程中钻孔内多管道相互缠绕问题,提高了岩体破坏范围测量过程的稳定性。

(2)该装置实现了利用同一外界水源,使观测过程和封堵过程在各自压力下工作问题,且可以避免观测水源压力过高对钻孔裂隙的破坏作用,提高了岩体破坏范围测量过程的精确性。

(3)转换器中锥形转换体内置配合复位弹簧和密封锥面设计,不仅便于锥形转换体易于及时复位,提高了转换器工作过程的稳定性,而且解决了封堵水源向观测水源转换的密封性,保证了开启压力。

(4)转换器中带六边形通孔的调节螺丝的设计,不仅便于旋转调节螺丝压缩复位弹簧,控制锥形转换体具有不同的开启和转换压力,调节范围广泛,适应不同的工作需求,而且可以使注水空腔中的低压水通过调节螺丝中的通孔反馈作用于锥形转换体侧面,使调压更为灵敏和平衡。

(5)锥形转换体中环形水槽的设计,可以解决锥形转换体中通水孔与转换器出水口不对应问题,保证无论锥形转换体如何转动,其通水孔中的水都可以通过环形水槽流向转换器出口。

(6)该装置实现了一次推进多段依次测量过程,提高了每次推进观测效率,相对传统装置相比,提高了探测速度,缩短了探测时间。

附图说明

图1为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪的整体结构及观测状态示意图;

图2为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪的卸压推进状态示意图;

图3为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中测试探头的结构示意图;

图4为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中前部封堵器结构示意图;

图5为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中中部封堵器结构示意图;

图6为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中尾部封堵器结构示意图;

图7(a)为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中转换器结构主视图;

图7(b)为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中转换器结构侧视图;

图8(a)为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中转换器静止状态示意图;

图8(b)为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中转换器工作状态示意图;

图9(a)为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中锥形转换体结构主视图;

图9(b)为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中锥形转换体结构后视图;

图9(c)为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中锥形转换体结构侧视图;

图10(a)为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中调节螺丝结构主视图;

图10(b)为本发明围岩渗透性多段型注水观测仪中调节螺丝结构侧视图;

图中:1引导头;2接头一;3漏水管;4接头二;5橡胶囊;6转换器;7接头三;8调节螺丝;9复位弹簧;10锥形转换体;11圆形挡板;12钻杆;13高压软管;14钻机;15放水开关;16流量表;17压力表一;18总控开关;19压力表二;20侧漏孔;21六角通孔;22环形水槽;23通水孔;24紧固圈;25漏水孔;26密封锥面;27待测岩体;28连通管;29一号注水空腔;30封堵空腔;31钻孔;32中心通孔;33周边通孔;34二号注水空腔;35前部封堵器;36中部封堵器;37尾部封堵器;38控制操作台。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。

一种围岩渗透性多段型注水观测仪,包括测试探头、控制操作台38、钻机14和钻杆12;

所述的测试探头包括封堵器、转换器6和连通管28,封堵器包括前部封堵器35、中部封堵器36、尾部封堵器37;封堵器包括漏水管3、连接在漏水管两端的接头和橡胶囊5,橡胶囊5包绕在漏水管3外围,与漏水管3之间形成封堵空腔30,外界水源注入封堵空腔30起胀橡胶囊5,与钻孔31形成注水空腔;

所述的钻机14通过钻杆12与测试探头相连接,用以接长和推进测试探头至指定区域,钻杆12为空心杆,呈螺纹连接,可拆卸,其内部可输送高压水源;

所述的控制操作台38包括放水开关15、流量表16、机械压力表17、总控开关18和电子压力表19,控制操作台38通过高压软管13与钻机14连接,负责向测试探头提供指定压力的外界水源;

所述的前部封堵器35包括接头一2、漏水管3、接头二4和橡胶囊5,接头一2和接头二4与漏水管3呈螺纹连接,橡胶囊5包绕在漏水管3外部,通过紧固圈24固定在接头一2和接头二4的外部,与漏水管3间形成封堵空腔30;

所述的接头一2外端螺纹连接引导头1,引导头1起导向作用,用以引导测试探头在钻孔31中平顺滑动;

所述的中部封堵器36包括接头二4、漏水管3、接头三7和橡胶囊5,橡胶囊5通过紧固圈24固定在接头二4和接头三7的外部;

所述的尾部封堵器37由两个接头三7、漏水管3和橡胶囊5,橡胶囊5通过紧固圈24固定在两个接头三7之间;

所述的接头三外部螺纹连接圆形挡板11,圆形挡板11直径较橡胶囊5直径大,阻止橡胶囊5脱落;圆心挡板11呈螺纹连接,可拆卸,便于与更换橡胶囊5;

所述的前部封堵器35、中部封堵器36、尾部封堵器37与钻孔31之间分别形成一号注水空腔29和二号注水空腔34;

所述的前部封堵器35和中部封堵器36左边各螺纹连接转换器6,转换器6包括基体、转换体10、复位弹簧9和调节螺丝8,转换器6将连通管28中的高压水源转换至低压水源输送至一号注水空腔29和二号注水空腔34内;

所述的转换器6开有一个中心通孔32和四个周边通孔33,四个周边通孔33对称分布于中心通孔32周围;

所述的中心通孔32左端孔径小于右端孔径,每个周边通孔33侧壁对应开有侧漏孔25;

所述的周边通孔33内依次安装有转换体10、复位弹簧9和调节螺丝8,周边通孔33左侧内壁设置螺纹,与调节螺丝8相配合,使调节螺丝8在周边通孔33内旋转,压缩复位弹簧9,以控制转换体10的开启压力;

所述的调节螺丝8侧壁开有六角通孔21,便于旋转调节螺丝8和反馈一号注水空腔29和二号注水空腔34水压与转换体10左端面;

所述的锥形转换体10呈不等直径圆柱体,其左端面直径大于右端面直径,在不等直径圆柱过渡处即为密封锥面26,与周边通孔33内壁的密封锥面26相吻合,密封锥面26呈30°角;

所述的锥形转换体10内开有“L”形通水孔23,在靠近锥形转换体10左端面的圆柱形外表面开有环形水槽22,通水孔23与环形水槽22相连通;当外界水源推动锥形转换体10向左移动时,环形水槽22与侧漏孔20相连通,使外界水源进入一号注水空腔29或二号注水空腔34内;

所述的转换器6工作原理:

(1)当锥形转换体10满足P左S左+kx≤P右S右时,则锥形转换体10向左移动,环形水槽22与侧漏孔20连通,对一号注水空腔29或二号注水空腔34进行注水观测;

(2)当锥形转换体10满足P左S左+kx≥P右S右时,则锥形转换体10向右移动,环形水槽22被周边通孔33内壁封闭,停止向注水空腔供水;

(3)若P右过大,为防止P右极端水压对注水空腔部分的钻孔31内壁造成破坏,则锥形转换体10向左移动,直至环形水槽22移动到侧漏孔20的左端,与周边通孔33内壁形成再次封闭作用;

其中,P左为一号或二号注水空腔观测水源压力,一般为0.5MPa左右;P右为外部供给水源压力,一般为1.5MPa左右,S左为锥形转换体左端面过水面积,S右为锥形转换体右端面过水面积,k为复位弹簧的弹性系数,x为压缩量;

所述的控制操作台38包括放水开关15、流量表16、压力表一17、总控开关18和压力表二19,放水开关15负责将将测试探头内压力水释放,使橡胶囊5与钻孔31脱离接触,便于钻机14推进测试探头;总控开关18负责外界水源的停供,流量表16负责检测外界水源向测试探头输入实时水量,压力表一17为机械表,压力表二19为电子表,二者示数相互对比检验,若大致相当,则表明压力有效;

围岩渗透性多段型注水观测仪的观测方法,具体为:

(1)施工钻孔:按照施工要求,利用钻机14在待测岩体27区域施工不同方位和倾角a的钻孔3~5个,钻孔31直径为89mm,长度为70m左右,并清理钻孔31内的碎屑;

(2)安装设备:安装测试探头各部件,并依次连接钻机14、钻杆12、高压软管13及控制操作台38,然后利用钻机14将测试探头移送至钻孔31的初始位置;

(3)密封检验:关闭控制操作台38的放水开关15,打开总控开关18,向测试探头提供检测水压,对橡胶囊5进行封堵密封性检验,若无明显漏水现象,则进行下一步操作,否则返回步骤(2)操作,检查各部件的连接及安装情况,直至合格为止;

(4)进行压水试验:密封检验合格后,进行压水试验,使测试探头处于初始位置,重新打开控制操作台38上的总控开关18并关闭放水开关15,向测试探头提供高压水源,经连通管28、漏水管3进入封堵空腔30,起胀前部封堵器35、中部封堵器36和尾部封堵器37的橡胶囊5,分别与钻孔31形成一号注水空腔29和二号注水空腔34,调节外界水源压力逐渐升高至1.5MPa,此时仅一号注水空腔29压力的转换器6开启,向一号注水空腔29内注水,待流量表示数稳定后,记录此时稳定时流量表的示数Qi1,继续升高外界水源压力至1.7MPa,此时由于压力升高致使一号注水空腔29的转换器6关闭,停止向一号注水空腔29供水,而二号注水空腔34的转换器6开启,向二号注水空腔34内注水,待流量表示数稳定后,记录此时稳定时流量表的示数Qi2,并记录探测距离Li1和Li2;

(5)卸压推进:关闭总控开关18,打开放水开关15,释放封堵空腔30压力,待橡胶囊5与钻孔31脱离接触后,关闭放水开关15,取另一钻杆12接长测试探头,利用钻机14推进至下一探测区域,重复步骤(4)操作,直至测完钻孔全长为止;

(6)计算分析:根据钻孔31长度及对应观测孔段漏水量,分别绘制不同钻孔内流量分布图,分析钻孔长度范围内不同位置的裂隙发育特征和渗透特性,进一步结合不同方位的钻孔倾角a和累计连续漏水段长度(即漏水量突变零点)Ln1+Ln2(n=1+2+....+k),计算得到不同空间范围岩体的破坏范围。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如锥形转换体、转换器等术语,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。

再多了解一些
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