基于软岩钻孔内岩水耦合作用的松动圈测试系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及隧道工程和煤巷工程中围岩松动圈测试技术领域，具体涉及一种基于软岩钻孔内岩水耦合作用的松动圈测试系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着地下工程的发展和科学理论的进步，国外产生了许多有关围岩松动范围的理论成果，这些成果主要是由经验公式和相关理论推导而来，具有一定的合理性和适用性。因此，可以借鉴其关于围岩破碎范围的结论，进一步推导出计算围岩松动圈的理论方法，但是理论方法受工程实际复杂因素的影响较大，具有很大的局限性。基于现场实测围岩松动圈没有做任何原理方面的假设，测试结果更加准确可靠，现代隧道工程和煤巷工程多采用物理探测的方法对围岩松动圈进行现场实测。
[0003]围岩松动圈及就是巷道开挖后，围岩在次生应力作用下所产生的松弛破碎带。近年来国内外学者对松动圈探测方法的研究颇多，在围岩松动圈物理测试领域中也取得了一定的成果，例如:声波法、多点位移计法、地震波法、地震雷达法以及钻孔摄像法等。但现有的各种松动圈物理测试方法又存在诸多问题，例如:声波法基本成熟，但在测试过程中容易出现塌孔现象，对岩性要求较高，不能应用于质地松软的岩层或煤层中；多点位移计法测量数据量大，测试精度不高;地震波法与地震雷达法可实现无损检测，但成本较高;钻孔摄像法精度高，但操作复杂、成本较高。
【发明内容】
[0004]为了解决声波法因在软岩钻孔测试过程中容易出现塌孔现象以及在巷道顶部测试过程中因难以封堵水而不能进行有效水耦合的难题，本发明提出了一种基于软岩钻孔内岩水耦合作用的围岩松动圈测试系统及方法，该测试系统在软岩钻孔测试过程中可避免塌孔现象的发生，适用性和安全性更强。
[0005]本发明的任务之一在于提供一种基于软岩钻孔内岩水耦合作用的松动圈测试系统。
[0006]—种基于软岩钻孔内岩水耦合作用的松动圈测试系统，其包括封孔装置、注浆装置、注水装置、测试装置和控制装置，
[0007]所述测试装置包括可伸缩杆体、显示器、超声波发射器、超声波接收器和用于支撑所述可伸缩杆体的立柱，所述显示器设置在所述可伸缩杆体的中部，所述超声波发射器和超声波接收器通过线路连接在所述显示器的输入端，经所述显示器的输出端连接在所述控制装置上，所述可伸缩杆体的两端分别连接有一个探测杆，两端的探测杆高度相同且保持相互平行，每个探测杆均是由若干个管体套置在一起形成的，所述超声波发射器和超声波接收器分别安装在每个探测杆的头部；
[0008]所述封孔装置包括平行设置的两个封孔单元，其中，每个封孔单元均包括位于软岩钻孔内的封堵胶囊，在每个探测杆的头部和中下部套置所述封堵胶囊，在封堵胶囊上设置有注浆接口和注水接口，所述注浆接口与注水接口分别与注浆软管和注水软管连接，所述注浆软管和注水软管位于所述探测杆的两侧，并且在所述探测杆的长度方向可上下移动，所述封堵胶囊内设置有不连通的注水区和注浆区，通过所述注水装置和注浆装置向所述封堵胶囊内注水、注浆以起胀所述注水区和注浆区，在软岩钻孔口处设置有用于固定所述注浆软管和注水软管的挡板;所述封堵胶囊上设置有压力感应器，所述压力感应器与所述控制装置连接；
[0009]所述注浆软管的另一端通过管道与所述注浆装置连接，所述注水软管的另一端通过管道与所述注水装置连接，在所述注浆软管、注水软管上设置有用于控制浆液流量和水流量的阀门，所述阀门通过线路连接在所述控制装置上。
[0010]作为本发明的一个优选方案，注浆装置包括浆料罐，所述浆料罐的罐身为双层结构，所述浆料罐的顶部设置有进料口和进水口，底部设置有出料口，所述进水口通过管道连接在所述注水装置上，所述出料口通过管道与每个封孔单元的注浆软管连接。
[0011]作为本发明的另一个优选方案，所述超声波发射器和超声波接收器通过螺丝分别固定在每个探测杆的头部。
[0012]优选的，所述探测杆与所述可伸缩杆体之间通过螺栓连接，在连接处附近设置有防护垫圈。
[0013]优选的，所述挡板处用锚杆加固。
[0014]本发明的另一任务是提供上述测试系统的测试方法。
[0015]上述基于软岩钻孔内岩水耦合作用的松动圈测试系统的测试方法，依次包括以下步骤:
[0016]a调试实验硬件，确定好相邻钻孔的距离，通过调节所述可伸缩杆体，并将其调至适当的长度，以使探测杆可伸入软岩钻孔内；
[0017]b对软岩钻孔的孔底进行预处理，
[0018]通过控制装置来控制注浆装置和注水装置，分别向注浆软管和注水软管内注入浆料和水，浆料和水通过注浆接口和注水接口进入封堵胶囊内的注浆区和注水区，同时封堵胶囊逐步起胀，通过注浆区和注水区将浆料和水隔成两部分，在所述压力感应器达到设定值时，控制装置控制所述注水装置并停止注水，当所述注浆软管的出口处检测不到颗粒物时，关闭注浆装置停止注浆；
[0019]c动态封孔，
[0020]通过控制装置来控制注浆装置和注水装置，分别向注浆软管和注水软管内注入浆料和水，浆料和水通过注浆接口和注水接口进入软岩钻孔内，当孔底软岩钻孔孔底水压力与注浆软管外侧的动态浆液压力相等并达到设定值时，关闭注浆装置和注水装置；
[0021]d围岩松动圈测试，
[0022]观察所述显示器上显示的初始深度时的声波速度，所述初始深度为探测杆伸入钻孔的深度，根据显示器上显示的数据，对探测杆的测试深度间隔自动调节，当探测杆向钻孔外收缩时，注水装置打开且注浆软管上控制浆液流量的阀门打开；当钻孔孔底水压力与注浆软管外侧的动态浆液压力相等并达到设定值时，注浆软管上控制浆液流量的阀门关闭，且注水装置停止工作。
[0023]本发明所带来的有益技术效果:
[0024]与现有技术相比，本发明测试装置的可伸缩杆体可以根据钻孔的间距来进行调节，可以同时测定两个钻孔内的围岩状况，通过控制装置控制注浆装置和注水装置，将将浆液注入钻孔煤岩体裂隙中进行堵孔，提高封孔质量。
[0025]通过封堵胶囊对钻孔端头封孔，避免了水浆混流，防治浆液外流，通过可伸缩杆体的设置，防止了连接线因测试环境潮湿以及人为原因等所导致的断裂，提高了测试仪连接线的耐久性及测试员工作时的安全性，此外，还增强了细钢管的可调节性，灵活控制测试深度，便于携带。
[0026]通过控制装置控制阀门，全程为自动控制，减少了测试过程的人力物力消耗。
[0027]通过超声波发射器和超声波接收器的设置，实现了软岩钻孔内围岩松动圈的测试，使测试速度更快，精度更高，操作更简便。
[0028]通过封堵胶囊对钻孔浆液的封堵，避免了传统方法测试时探测杆伸缩过程中会引起钻孔端头固体封堵块松动开裂的现象，使岩水耦合效果更好。
[0029]通过钻孔外锚杆的加固，使得钻孔内液体压力在一定程度上不再受到限制，使浆液封堵孔内裂隙效果更明显，封孔效果更好。
[0030]本发明测试系统通过注水栗注水使孔底内侧水压与封孔单元内浆液形成的压力差来推动封堵胶囊的运动，最终实现动态封孔，与传统封孔方法相比，动态封孔装置实现了浆液封堵孔内裂隙与岩水耦合的同步，解决了顶板围岩测试时因测试过程中钻孔内水体大量流失而无法及时补给的难题。
【附图说明】
[0031 ]下面结合附图对本发明做详细说明:
[0032]图1为本发明围岩松动圈测试系统的竖直剖面图；
[0033]图2为本发明封孔装置的结构示意图；
[0034]图3为本发明测试装置的部分结构示意图；
[0035]图4为本发明中注浆装置的结构示意图；
[0036]图中，1、阀门I，2、超声波发射器，3、阀门Π，4、超声波接收器，5、抗压防护罩，6、注水软管，7、封堵胶囊，8、阀门ΙΠ，9、探测杆，10、挡板、11、锚杆，12、线路，13、围岩，14、阀门VI，15、螺栓，16、阀门IV，17、阀门V，18、立柱，19、防护垫圈，20、可伸缩杆体，21、显示器，22、阀门W，23、注水装置，24、注水自动控制栗，25、注浆自动控制栗，26、管道，27、进料口，28、浆料罐，29、出料口，30、线路，31、数据线路集成器，32、自动检测控制器，33、控制按钮，34、外罐，35、内罐。
【具体实施方式】
[0037]下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
[0038]本发明，基于软岩钻孔内岩水耦合作用的围岩松动圈测试系统，主要有封孔装置、注浆装置、注水装置、测试装置和控制装置组成，其中，注水装置，选用的是现有技术中常规装置，其作用是为了向测试装置内的注水软管提供水，注浆装置结合图1和图4所示，包括有浆料罐28，在该浆料罐28的顶部开设有进料口 27和进水口，进水口通过管道26连接在注水装置23上，在该浆料罐28的底部开设有出料口 29，出料口 29直接连接管道与测试装置中的部件连接，由于物料在该浆料罐28内需要充分搅拌，并与注水装置提供的水混合均匀，因此，本发明特意将浆料罐28的罐身设置为双层结构，分别为外罐34和内罐35，以达到较好的混合搅拌效果。
[0039]与注水装置23和浆料罐28配合使用的还有注水自动控制栗24和注浆自动控制栗25，以将物料和水顺利送至测试装置内，注水自动控制栗24和注浆自动控制栗25均通过线路30连接至控制装置，以实现自动化控制，操作更加方便。
[0040]控制装置，包括有数据线路集成器31和自动检测控制器32，在自动检测控制器32上设置有多个控制按钮33，每个控制按钮控制相