一种单动力源双通道围岩采动裂隙探测系统的制作方法

本发明属于钻探技术领域，涉及一种单动力源双通道围岩采动裂隙探测系统，通过探测煤层开采后围岩裂隙发育特征，研究煤矿生产过程煤层围岩裂隙发育特征及演化机理问题。

背景技术：
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目前，煤矿在我国能源消费占比虽然持续下降，但首要地位却并未发生动摇，煤炭资源开采涉及的安全问题依旧是我国能源行业安全监察的重点问题。煤层在开采过程中，由于失去煤层的支撑作用，采空区上覆顶板、下伏底板及周围的煤体均会在矿山压力的作用下发生失稳、破裂、移动，最终达到重新的稳定状态。而围岩破坏发育的裂隙，则是地下流体发生运移的人为通道，例如在华南地区，顶底板导水裂隙带将造成覆岩及底板岩层中的强含水体直接进入采动空间；华北地区的太原组煤层开采过程中，底板导水裂隙带极大的减少了有效隔水层的厚度，导致底板突水频发；西北地区逐步成为我国煤炭资源开发的重点区域，煤炭产能在近期及未来均占全国首位，由于西北侏罗系煤田层位新、埋藏浅，煤层开采引起的导水裂隙使得第四系含水层水漏失，因而导致生态、地下水环境等问题。综上所述，采动围岩裂隙，特别是导水裂隙发育是对底板突水、顶板透水、保水采煤等一系列热点问题的研究基础，而对导水裂隙带的探测，则是工程实践问题中的重点及难点。

目前，导水裂隙带探测技术主要包括物探领域及钻探领域，而钻探方法是最直观、最实用的一种方法，双端封堵测漏装置也是目前最有效的一种探测导水裂隙带高度的装置，但是在长期的工程实践中，其自身存在着很多的缺陷，特别是该装置必须使用气、水源两种动力，(其中利用气进行封堵、利用水进行裂隙发育探测)，但是大部分的井下现场条件并不同时具备这种条件，特别是停采工作面裂隙探测、首采工作面裂隙探测时气及水管道均进行了拆除，探测时必须重新架设管道；第二，双端封堵测漏装置目前的记录方式依然是秒表读数记录水表流量，方式落后且数据不准确；第三，双端封堵测漏装置中的水使用的传输管道为钻杆，在探测过程中必须保证钻杆与钻杆连接紧密且不漏水，这种状态是不可能存在的，某些钻杆段肯定存在漏水，由于裂隙探测就是观测封堵段的漏水情况，这样就极大的降低了裂隙探测的准确性；第四，无论是封堵操作装置还是注水装置，其设计较为复杂，管道连接混乱，特别是封堵装置经常造成气囊的涨裂，注水装置经常发生水表爆裂及泥沙阻塞。在煤层较厚的情况下，观测孔设置一般较长，井下探测时钻杆一般借助钻机推进，观测时进度极其缓慢，由于封堵装置使用的通气软管位于钻杆外侧，因此在钻杆推进过程中经常发生软管破损，造成气囊无法封闭，最终只能重新退回、重新推进、重新测量，这样就浪费了大量的人力、物力和时间。因此，迫切需要开发一种新颖的、高效的围岩探测系统，在有限条件下(单一动力源)准确地测量围岩采动裂隙发育情况。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种单动力源双通道围岩采动裂隙探测系统，在有限条件下(单一动力源)准确地测量围岩采动裂隙发育情况，进而研究煤矿生产过程煤层围岩裂隙发育特征及演化机理问题。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括单动力源封闭控制平台、单动力源泄漏测量平台、平台支架、动力源双通道连接装置、单动力双通道围岩采动裂隙探头五个功能部分，单动力源封闭控制平台、单动力源泄漏测量平台通过管径为10mm的软管并联后安装在平台支架上，然后通过管径为10mm的软管依次与动力源双通道连接装置和单动力双通道围岩采动裂隙探头串联，其中单动力源泄漏测量平台包括测量平台进口接头、测量平台出口接头、测量控制平台支架、流量测定控制总阀、流量流速表、第一回流止阀、压力表和泄压阀；安装有平台进口接头、流量测定控制总阀、流量流速表、第一回流止阀、压力表、泄压阀和测量平台出口接头的管路放置在测量控制平台支架上；测量平台进口接头的一端与外部提供测量介质源的井下通风管路或供水管路连接，另一端与流量测定控制总阀连接，流量流速表的两端分别与流量测定控制总阀和第一回流止阀连接，用于测定测量介质的流量、流速和温度等参数；压力表分别与第一回流止阀和泄压阀连接，泄压阀设置在管路下侧并与测量平台出口接头连接，测量平台出口接头接有10mm管径的软管，经调压、稳压后的测量介质通过测量平台出口接头流出；单动力源封闭控制平台包括封闭平台进口接头、封闭平台出口接头、封闭控制平台支架、封闭系统控制总阀、第一压力表、第二回流止阀、第二压力表和泄压泄水阀；安装有封闭平台进口接头、封闭平台出口接头、封闭系统控制总阀、第一压力表、第二回流止阀、第二压力表和泄压泄水阀的管路放置在封闭控制平台支架上，封闭平台进口接头的一端与外部提供封闭动力源的井下通风管路或供水管路连接，另一端与封闭系统控制总阀连接，第一压力表的两端分别与封闭系统控制总阀和回流止阀连接，用于观测封闭动力源的总压力；第二压力表分别与第二回流止阀和泄压泄水阀连接，泄压泄水阀设置在管路下侧并与封闭平台出口接头连接，封闭平台出口接头接有管径为10mm的软管，经调压、稳压后的封闭动力源通过封闭平台出口接头流出；平台支架包括平台支撑架、支架中轴、管道固定上环、管道固定下环、管道固定合页、管道固定胶片、管道固定螺丝和开孔，平台支撑架由三个宽度为30mm的L型钢架焊接组成三角形结构，平台支撑架的顶段不闭合，起稳定支撑作用，支架中轴为管径30mm的钢管，支架中轴的底部焊接在平台支撑架的底侧L型钢架中间，顶部与管道固定下环连接，管道固定上环和管道固定下环之间通过管道固定合页连接并安装在平台支撑架的顶部，管道固定上环和管道固定下环均由直径为40mm的铁片弯曲而成，能够自由活动，管道固定上环、管道固定下环和管道固定合页一起用于固定单动力源封闭控制平台和单动力源泄漏测量平台的管件部分，使其能够牢固安装在平台支撑架中；管道固定上环和管道固定下环的内侧设有管道固定胶片，管道固定胶片由厚度为10mm的橡胶片构成，用于固定管件；管道固定上环的端部安装有两个管道固定螺丝，与管道固定螺丝同侧的L型钢架上开有开孔，管道固定螺丝和开孔一起用于固定管件；动力源双通道连接装置包括传输通道公头尾部、传输通道公头螺丝接口、传输通道母头接口、传输通道母头和传输通道橡胶垫片，传输通道公头尾部和传输通道公头螺丝接口组合为一体化结构的传输通道公头，传输通道公头螺丝接口为铜制短管，一端接有直径为10mm的软管，另一端直径为12mm并带有螺丝；传输通道母头为铜制短管，一端接有直径为10mm的软管，另一端直径为12mm，传输通道母头接口套在传输通道母头的尾部，其顶部直径为10mm,尾部带有与传输通道公头螺丝接口配套螺丝，传输通道母头和传输通道公头通过传输通道母头接口紧密连接；传输通道橡胶垫片设置在传输通道公头螺丝接口处，使传输通道母头和传输通道公头牢固贴合；单动力双通道围岩采动裂隙探头包括封闭管路接口、测量管路接口、封闭气囊、封闭腔、腔体进入孔、探头总接口、密封管路接口密封件、封闭腔泄漏孔、联通管路、泄漏接口、联通接口、测量段泄漏孔和可拆卸连接杆，管径为60mm的可拆卸连接杆的左右两端分别设有一个封闭腔，封闭腔由管径为75mm的密封钢管组成，每个封闭腔的外侧对称式安装有四个管径为80mm的封闭气囊，封闭气囊采用内衬软布外包软型橡胶套制成，每个封闭期囊内设置四个封闭腔泄漏孔，用于泄漏封闭动力介质使封闭气囊鼓胀；右端封闭腔的右侧开有两个腔体进入孔，腔体进入孔处安装有涂有密封胶的密封管路接口密封件，封闭管路接口和测量管路接口分别通过腔体进入孔贯入封闭腔内，封闭管路接口和测量管路接口均为管径10mm的钢制管并分别接入封闭软管和测量软管；右端封闭腔的左侧接有泄漏接口和联通接口，泄漏接口通过联通管路与测量管路接口连通，联通接口与设置在左端封闭腔右侧的联通接口通过联通管路连通，右端封闭腔的右端安装有管径为55mm探头总接口，探头总接口与外部的钻杆连接；可拆卸连接杆的两端外周侧面上均匀开有两组测量段泄漏孔，每组测量段泄漏孔设置四个孔成圈均匀分布于可拆卸连接杆一周，用于均匀泄漏释放测量介质。

本发明现场施工操作时，首先准备好动力源(若井下配备气压管路，则使用气源；如果井下配备水压管路，则使用水源)、各配套的通用连接管路(该管路为管径为10mm的耐压软管)、钻机、钻杆(钻机和钻杆是作为推动探头进入钻孔的机械设备及部件)和已施工好的观测孔(观测孔提前施工，其方位需要根据探测目标的地质条件来设计，钻孔的孔径要根据钻机所配套的钻杆和钻孔来施工)，再组装单动力源封闭控制平台和单动力源泄漏测量平台(封闭控制平台及泄漏测量平台为了方便携带，均为可拆卸可组装式，现场探测使用时当场组装即可)；然后在单动力双通道围岩采动裂隙探头端使用单动力源双通道连接装置连接软管，并将连接好的软管串联置于钻杆内，将第一个钻杆连接探头，将探头置于施工好的钻孔内，并陆续推进钻杆至钻孔内的第一个测量位置；随后开始观测并记录数据。

本发明的具体探测过程为：先打开封闭系统控制总阀、第二回流止阀和泄压泄水阀，测试封闭动力源的动力条件；再打开流量测定控制总阀、第一回流止阀和泄压阀，测试泄漏测量介质的压力条件；然后关闭泄压阀，使得泄漏测量介质进入测量管道，此时持续观察压力表，其显示的压力值达到钻孔内测量段所显示的静水压力值(如果测量段距离钻孔孔口的垂直距离为H₁m,则静水压力应为H₁/100MPa)，然后关闭流量测定控制总阀；持续观察第一压力表和第二压力表，缓慢关闭泄压泄水阀直至第一压力表和第二压力表同步稳定至0.4Mpa；然后持续观察压力表，打开缓慢流量测定控制总阀，使得压力表指示的压力缓慢增加0.1MPa并保持压力稳定，然后读取流量流速表所显示的流速值a₁,观测并记录完成数据后，先关闭流量测定控制总阀、封闭系统控制总阀，然后关闭第二回流止阀、第一回流止阀，打开泄压泄水阀和泄压阀，直至压力表、第一压力表、第二压力表压力指示为零，最后完善测量点数据，包括测量序号、测量段距离钻孔孔口距离、漏失流量、压力表的压力值和第二压力表的压力值，此时第一个测量点测量结束；然后推动钻杆并依次安装软管至第二个测量点，测量并记录测量数据，直至最后一个测量点结束；测量结束后，拆卸单动力源封闭控制平台、单动力源泄漏测量平台和连接软管，缓慢开动钻机并倒回钻杆，同时拆卸单动力源双通道连接装置及各段软管，直至将探头撤出钻孔，然后将探头拆卸，探测过程结束。

本发明所述单动力源泄漏测量平台使用的流量流速表为电子流量测定计，提高了数据测量的准确性及高效性；回流止阀的设置有效保护了流量流速表；同时，该平台既能使用水源作为测量漏失量的介质，也能使用气作为测量漏失量的介质，并在平台末端设置了压力表及泄压阀，两者可以保证在测量漏失量过程中压力平稳，提高探测精度。

本发明所述单动力源封闭控制平台既可以使用气作为封闭动力源，也可以使用水作为封闭动力源，平台设置的双压力表保证了封闭过程中的压力平稳，保护了气囊在封闭过程中不会涨裂；平台设置了回流止阀与泄压阀，两者能快速中断探测过程，保护探测仪器不受损坏。

本发明所述平台支架通过可拆卸管道固定环，能够方便的进行平台管道的加固、拆卸，有利于适应测量场地复杂的工作环境，使得平台能够更加牢固。

本发明所述动力源双通道连接装置主要为动力源的传输通道，将封闭动力、测量动力管路均置于钻杆内，管路有若干个1.5m长、管径为10mm的软管组成，软管与软管之间通过动力源双通道连接装置连接，该装置接头能快速、密封的结合在一起，用于传输封闭动力及测量动力介质。

本发明所述单动力双通道围岩采动裂隙探头作为本探测系统通过设置双封闭气囊，在测量时能够更加严密的封闭测量空间；利用简单的管道连接、可拆卸组件等结构设计，极大提高了器械搬运方便程度；单端双气囊设置了统一的气腔空间，保证了在封闭过程中双气囊能够同时鼓胀、封闭，而且可拆卸连接杆设置了两端泄漏孔，保证了测量介质能够均匀泄漏，提高了探测的准确性。

本发明与现有技术相比，使用时，操作者将封闭控制平台、测量平台组装在支架上并连接合理的单动力源，然后将软管利用通道接口连接并逐个防治钻杆内，组装探头，最后开始探测测量；其结构简单，使用方便，且零部件轻便、组装快速、成本低，探测过程稳定、准确，特别适合于井下复杂情况时的煤层围岩采动裂隙发育探测。

附图说明：

图1为本发明所述单动力源泄漏测量平台结构原理示意图。

图2为本发明所述单动力源封闭控制平台结构原理示意图。

图3为本发明所述平台支架侧视图。

图4为本发明所述单动力源双通道连接装置侧视图。

图5为本发明所述单动力源双通道围岩裂隙探头剖面图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括单动力源封闭控制平台、单动力源泄漏测量平台、平台支架、动力源双通道连接装置、单动力双通道围岩采动裂隙探头五个功能部分，单动力源封闭控制平台、单动力源泄漏测量平台通过管径为10mm的耐压软管并联后安装在平台支架上，然后通过管径为10mm的耐压软管依次与动力源双通道连接装置和单动力双通道围岩采动裂隙探头串联，其中单动力源泄漏测量平台包括测量平台进口接头101、测量平台出口接头102、测量控制平台支架103、流量测定控制总阀104、流量流速表105、第一回流止阀106、压力表107和泄压阀108；安装有平台进口接头101、流量测定控制总阀104、流量流速表105、第一回流止阀106、压力表107、泄压阀108和测量平台出口接头102的管路放置在测量控制平台支架102上；测量平台进口接头101的一端与外部提供测量介质源的井下通风管路或供水管路连接，另一端与流量测定控制总阀104连接，流量流速表105的两端分别与流量测定控制总阀104和第一回流止阀106连接，用于测定测量介质的流量、流速和温度等参数；压力表107分别与第一回流止阀106和泄压阀108连接，泄压阀108设置在管路下侧并与测量平台出口接头102连接，测量平台出口接头102接有10mm管径的耐用软管，经调压、稳压后的测量介质通过测量平台出口接头102流出；单动力源封闭控制平台包括封闭平台进口接头201、封闭平台出口接头202、封闭控制平台支架203、封闭系统控制总阀204、第一压力表205、第二回流止阀206、第二压力表207和泄压泄水阀208；安装有封闭平台进口接头201、封闭平台出口接头202、封闭系统控制总阀204、第一压力表205、第二回流止阀206、第二压力表207和泄压泄水阀208的管路放置在封闭控制平台支架203上，封闭平台进口接头201的一端与外部提供封闭动力源的井下通风管路或供水管路连接，另一端与封闭系统控制总阀204连接，第一压力表205的两端分别与封闭系统控制总阀204和回流止阀206连接，用于观测封闭动力源的总压力；第二压力表207分别与第二回流止阀206和泄压泄水阀208连接，泄压泄水阀208设置在管路下侧并与封闭平台出口接头202连接，封闭平台出口接头202接有管径为10mm的耐用软管，经调压、稳压后的封闭动力源通过封闭平台出口接头202流出；平台支架包括平台支撑架301、支架中轴302、管道固定上环303、管道固定下环304、管道固定合页305、管道固定胶片306、管道固定螺丝307和开孔308，平台支撑架301由三个宽度为30mm的L型钢架焊接组成三角形结构，平台支撑架301的顶段不闭合，起稳定支撑作用，支架中轴302为管径30mm的钢管，支架中轴302的底部焊接在平台支撑架301的底侧L型钢架中间，顶部与管道固定下环304连接，管道固定上环303和管道固定下环304之间通过管道固定合页305连接并安装在平台支撑架301的顶部，管道固定上环303和管道固定下环304均由直径为40mm的铁片弯曲而成，能够自由活动，管道固定上环303、管道固定下环304和管道固定合页305一起用于固定单动力源封闭控制平台和单动力源泄漏测量平台的管件部分，使其能够牢固安装在平台支撑架中；管道固定上环303和管道固定下环304的内侧设有管道固定胶片306，管道固定胶片306由厚度为10mm的橡胶片构成，用于固定管件；管道固定上环303的端部安装有两个管道固定螺丝307，与管道固定螺丝307同侧的L型钢架上开有开孔308，管道固定螺丝307和开孔308一起用于固定管件；动力源双通道连接装置包括传输通道公头尾部501、传输通道公头螺丝接口502、传输通道母头接口503、传输通道母头504和传输通道橡胶垫片505，传输通道公头尾部501和传输通道公头螺丝接口502组合为一体化结构的传输通道公头，传输通道公头螺丝接口502为铜制短管，一端接有直径为10mm的软管，另一端直径为12mm并带有螺丝；传输通道母头504为铜制短管，一端接有直径为10mm的软管，另一端直径为12mm，传输通道母头接口503套在传输通道母头504的尾部，其顶部直径为10mm,尾部带有与传输通道公头螺丝接口502配套螺丝，传输通道母头504和传输通道公头通过传输通道母头接口503紧密连接；传输通道橡胶垫片505设置在传输通道公头螺丝接口502处，使传输通道母头504和传输通道公头牢固贴合；单动力双通道围岩采动裂隙探头包括封闭管路接口401、测量管路接口402、封闭气囊403、封闭腔404、腔体进入孔405、探头总接口406、密封管路接口密封件407、封闭腔泄漏孔408、联通管路409、泄漏接口410、联通接口411、测量段泄漏孔412和可拆卸连接杆413，管径为60mm的可拆卸连接杆413的左右两端分别设有一个封闭腔404，封闭腔404由管径为75mm的密封钢管组成，每个封闭腔404的外侧对称式安装有四个管径为80mm的封闭气囊403，封闭气囊403采用内衬软布外包软型橡胶套制成，每个封闭期囊403内设置四个封闭腔泄漏孔408，用于泄漏封闭动力介质使封闭气囊鼓胀；右端封闭腔404的右侧开有两个腔体进入孔405，腔体进入孔405处安装有涂有密封胶的密封管路接口密封件407，封闭管路接口401和测量管路接口402分别通过腔体进入孔405贯入封闭腔404内，封闭管路接口401和测量管路接口402均为管径10mm的钢制管并分别接入封闭软管和测量软管；右端封闭腔404的左侧接有泄漏接口410和联通接口411，泄漏接口410通过联通管路409与测量管路接口402连通，联通接口411与设置在左端封闭腔404右侧的联通接口411通过联通管路409连通，右端封闭腔404的右端安装有管径为55mm探头总接口406，探头总接口406与外部的钻杆连接；可拆卸连接杆413的两端外周侧面上均匀开有两组测量段泄漏孔412，每组测量段泄漏孔412设置4个孔成圈均匀分布于可拆卸连接杆413一周，用于均匀泄漏释放测量介质。

本实施例现场施工操作时，首先准备好动力源(若井下配备气压管路，则使用气源；如果井下配备水压管路，则使用水源)、各配套的通用连接管路(该管路为管径为10mm的耐压软管)、钻机、钻杆(钻机和钻杆是作为推动探头进入钻孔的机械设备及部件)和已施工好的观测孔(观测孔提前施工，其方位需要根据探测目标的地质条件来设计，钻孔的孔径要根据钻机所配套的钻杆和钻孔来施工)，再组装单动力源封闭控制平台和单动力源泄漏测量平台(封闭控制平台及泄漏测量平台为了方便携带，均为可拆卸可组装式，现场探测使用时当场组装即可)；然后在单动力双通道围岩采动裂隙探头端使用单动力源双通道连接装置连接软管(即附图4所示的部件，主要用于连接分段式的软管)，并将一系列连接好的软管串联置于钻杆内，将第一个钻杆连接探头，将探头置于施工好的钻孔内，并陆续推进钻杆至钻孔内的第一个测量位置；随后开始观测并记录数据。

本实施例以水作为单动力源介质，具体探测过程为：先打开封闭系统控制总阀204、第二回流止阀206和泄压泄水阀208，测试封闭动力源的动力条件；再打开流量测定控制总阀104、第一回流止阀106和泄压阀108，测试泄漏测量介质的压力条件；然后关闭泄压阀108，使得泄漏测量介质进入测量管道，此时持续观察压力表107，其显示的压力值达到钻孔内测量段所显示的静水压力值(如果测量段距离钻孔孔口的垂直距离为H₁m,则静水压力应为H₁/100MPa)，然后关闭流量测定控制总阀104；持续观察第一压力表205和第二压力表207，缓慢关闭泄压泄水阀208直至第一压力表205和第二压力表207同步稳定至0.4Mpa；然后持续观察压力表107，打开缓慢流量测定控制总阀104，使得压力表107指示的压力缓慢增加0.1MPa并保持压力稳定，然后读取流量流速表105所显示的流速值a₁,观测并记录完成数据后，先关闭流量测定控制总阀104、封闭系统控制总阀204，然后关闭第二回流止阀206、第一回流止阀106，打开泄压泄水阀208和泄压阀108，直至压力表107、第一压力表205、第二压力表207压力指示为零，最后完善测量点数据，包括测量序号、测量段距离钻孔孔口距离、漏失流量、压力表107的压力值和第二压力表207的压力值，此时第一个测量点测量结束；然后推动钻杆并依次安装软管至第二个测量点，测量并记录测量数据，直至最后一个测量点结束；测量结束后，拆卸单动力源封闭控制平台、单动力源泄漏测量平台和连接软管，缓慢开动钻机并倒回钻杆，同时拆卸单动力源双通道连接装置及各段软管，直至将探头撤出钻孔，然后将探头拆卸，探测过程结束。

本实施例必须严格按照井下钻机施工相关的规程，由于使用了单动力源，使得其现场适应能力增强；使用双通道，使得测量过程更加高效；使用模块化的平台及支架，携带方便、组装迅速。