煤矿顶板裂隙演化动态探测装置的制作方法

本实用新型涉及煤矿综采技术领域，特别是涉及一种煤矿顶板裂隙演化动态探测装置。

背景技术：

我国井工煤矿普遍采用长壁工作面进行回采，采用垮落法管理顶板，在长壁工作面煤炭采出后，顶板岩层随时间变化发生不同程度的破坏下沉，回采工作面顶板裂隙的变化过程、破坏深度对采空区两侧巷道的布置、留巷、煤柱留设尺寸的选择等均产生重要影响，如何快速有效的实时监测回采工作面顶板裂隙的深度变化过程是一个难题。

对于类似的问题，现有技术中提供了双端堵水器、多点位移计甚至电阻率方法等技术方案进行探测，但这些方法均不能实现实时动态监测，还存在测试灵敏度低、造价高、操作工艺复杂等问题，不利于现场的大规模应用。为此，实际应用中急需一种煤矿顶板裂隙演化动态探测方法，来对工作面顶面裂隙的变化过程进行监测。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一：(1)点位测试钻孔内裂隙的方式，只能对钻孔内局部裂隙进行监测，不能同时监测钻孔内不同分段的裂隙，也不能获得裂隙演化的动态数据；(2)灵敏度低、造价高、探测过程操作复杂；(3)对裂隙演化过程的监测准确性差，影响分析判断。

本实用新型的目的是：提供一种实时持续监测回采工作面顶板裂隙的变化过程、破坏深度的煤矿顶板裂隙演化动态探测装置。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种煤矿顶板裂隙演化动态探测装置，包括分段封孔系统、封隔注水系统和探测注水系统，所述分段封孔系统包括推送注水管、分段封隔器，所述推送注水管延伸方向上间隔分布有若干个所述分段封隔器，所述封隔注水系统向所述分段封隔器注入密封用压力流体，使所述分段封隔器均鼓胀抵接在钻孔的壁面上，所述分段封隔器与钻孔形成封隔密封段，相邻两个所述分段封隔器之间的所述推送注水管与钻孔形成裂隙测试段，相邻两个所述分段封隔器之间的所述推送注水管上连接有导水管，所述探测注水系统通过所述导水管向所述裂隙测试段注入测试用压力流体，所述探测注水系统测量所述导水管的流量、压力。

优选的是，所述导水管设有若干条，所述探测注水系统向所述导水管输送测试用压力流体，所述导水管在所述推送注水管内延伸到所述推送注水管上的连接位置。

在上述任意方案中优选的是，所述探测注水系统包括注水泵、导水控制阀和多通道压力流量记录仪，每个所述导水管上均连接有所述导水控制阀，所述导水控制阀均连接在所述多通道压力流量记录仪，所述注水泵上连接所述多通道压力流量记录仪。

在上述任意方案中优选的是，所述导水管设为软管，所述导水管与所述推送注水管通过密封连接件连接。

在上述任意方案中优选的是，所述密封连接件包括第一外丝扣、第二外丝扣和延伸定位段，所述第一外丝扣与所述导水管上的内丝螺帽连接，所述第二外丝扣与所述推送注水管上的内丝扣连接，所述延伸定位段卡接在所述推送注水管壁面上的限位挡板上。

在上述任意方案中优选的是，所述分段封隔器设为封隔胶管结构，所述分段封隔器套设在所述推送注水管上，所述分段封隔器与所述推送注水管之间设有流动通道。

在上述任意方案中优选的是，所述分段封隔器设为封隔胶管与连接管的组合结构，所述封隔胶管与所述连接管连通形成流动通道，所述推送注水管包括若干注水管段，所述连接管与所述注水管段对接。

在上述任意方案中优选的是，所述封隔注水系统包括注水管路和压力保持器，所述注水管路和所述压力保持器连通，所述注水管路与所述推送注水管连通，所述注水管路的密封用压力流体通过所述推送注水管、所述流动通道进入所述分段封隔器的封隔胶管。

在上述任意方案中优选的是，所述压力保持器包括压力保持箱、加压泵、进水接管和进水调节阀，所述压力保持箱内设有活动调节板，所述活动调节板将所述压力保持箱分隔形成保压腔和调压腔，所述加压泵与所述调压腔连通，所述注水管路与所述保压腔连通，所述进水接管与所述保压腔连通，所述进水调节阀连接在所述进水接管上。

在上述任意方案中优选的是，钻孔内至少分隔形成2个所述裂隙测试段，所述分段封隔器至少设有3个，每个所述裂隙测试段均连接所述导水管。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)实现单钻孔内裂隙演化过程的动态连续监测，免除多次打孔测量的不便性和孔位变化导致测量结果的不准确性、不可对比性，并且，实现顶板裂隙随时间、空间的连续变化监测；

(2)提供一种灵敏度高、造价低、操作简单的裂隙监测装置，尤其适用于低压测试条件；

(3)分段封隔器的封隔密封效果好，并配备压力保持器对分段封隔器的密封性能进行监测和维持，减小对测试结果的干扰，监测准确性高。

本实用新型提供的煤矿顶板裂隙演化动态探测装置结合以下附图做进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型煤矿顶板裂隙演化动态探测装置的在钻孔内安装状态的结构示意图；

图2为本实用新型煤矿顶板裂隙演化动态探测装置的结构示意图；

图3为本实用新型煤矿顶板裂隙演化动态探测装置的导水管在推送注水管内的连接结构示意图；

图中，1、采空区冒落带岩层；2、裂隙带岩层；3、弯曲下沉带岩层；4、煤柱；5、巷道；6、上覆岩层；7、钻孔；8、推送注水管；9、分段封隔器；10、测试接口；11、导水管；12、加压泵；13、压力保持器；14、进水接管；15、进水调节阀；16、注水管路；17、导水控制阀；18、多通道压力流量记录仪；19、注水泵；20、内丝螺帽；21、密封连接件；22、限位挡板；23、活动调节板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在长壁工作面煤炭采出后，顶板随时间变化会发生不同程度的破坏下沉，回采工作面顶板裂隙的变化过程、破坏深度对采空区两侧巷道的布置、留巷、煤柱留设尺寸的选择等均产生重要影响，如何快速有效得实时监测回采工作面顶板裂隙的开裂、扩展变化过程是一个难题。本实用新型提供一种通过对顶板不同深度进行实时注水并进行连续监测，通过分析不同分段、不同时间的注水压力和注水量的变化实时动态探测顶板裂隙的开裂、扩展变化。

工作面所在区域包括采空区冒落带岩层1、裂隙带岩层2、弯曲下沉带岩层3、煤柱4、巷道5、上覆岩层6等区域，钻孔7开设在上覆岩层6，在巷道5内进行开采和监测工作，巷道5位于上覆岩层6的下方，巷道5的两侧为煤柱4、煤柱4另一侧为采空区冒落带岩层1，煤柱4在上覆岩层6的下方，采空区冒落带岩层1的上方为裂隙带岩层2、弯曲下沉带岩层3，弯曲下沉带岩层3、裂隙带岩层2、采空区冒落带岩层1均与上覆岩层6对接。

结合图1-图3所示，本实施例提供一种煤矿顶板裂隙演化动态探测装置，包括分段封孔系统、封隔注水系统和探测注水系统，分段封孔系统用来将钻孔7进行分段封隔，以便对钻孔7内的裂隙进行分段监测；封隔注水系统用来进行封隔密封；探测注水系统用来对裂隙的探测过程进行流量和压力测试，以便对钻孔7内的裂隙状态以及演化动态进行监测。

具体的，分段封孔系统包括推送注水管8、分段封隔器9，推送注水管8延伸方向上间隔分布有若干个分段封隔器9，封隔注水系统向分段封隔器9注入密封用压力流体，使分段封隔器9均鼓胀抵接在钻孔7的壁面上，分段封隔器9与钻孔7形成封隔密封段，相邻两个分段封隔器9之间的推送注水管8与钻孔7形成裂隙测试段，相邻两个分段封隔器9之间的推送注水管8上连接有导水管11，探测注水系统通过导水管11向裂隙测试段注入测试用压力流体，探测注水系统测量导水管11的流量、压力。

通过在钻孔7内设置多个裂隙测试段的方式，对钻孔7进行分段测试，以测得每段的裂隙变化。其中，推送注水管8的长度可以根据实际需要调节，推送注水管8可以设有若干个螺纹连接的塑料(钢)管，对接形成不同长度；分段封隔器9之间的间距可以根据需要调节，以调节裂隙测试段的尺寸，实现对不同钻孔7、不同测试需求的连续监测。

相邻两个分段封隔器9之间的裂隙测试段内的压力、流量随时间的变化情况，并据此判断每个裂隙测试段对应顶板位置的裂隙发育随时间的变化情况和裂隙带的延伸范围。

本实施例，能够实现单孔连续裂隙情况跟踪监测，免除多次打孔测量的不便性和孔位变化导致测量结果的不准确性，同时可以实现顶板裂隙随时间、空间的连续变化监测。本实施例适用于低压测试条件，其中，裂隙测试段的承压能力一般不大于2MPa，封隔密封段的承压能力一般不大于2MPa。

推送注水管8的延伸方向上连接有若干个分段封隔器9，分段封隔器9将钻孔7内分隔形成若干个裂隙测试段，每个裂隙测试段均设有导水管11，导水管11设有若干条，通过导水管11向裂隙测试段输送测试用压力流体，每个裂隙测试段的压力流体均通过单独的导水管11进行输送，保证各个裂隙测试段的测试过程的独立性，减小环境因素的干扰，保证测试过程的准确性。

具体的，推送注水管8上连接有至少3个分段封隔器9，钻孔7内分隔形成至少两个裂隙测试段，推送注水管8内设有至少两个导水管11。推送注水管8上开设若干个测试接口10，导水管11通过测试接口10进入推送注水管8并在管内延伸，导水管11与测试接口10密封连接，并且每个裂隙测试段对应开设一个测试接口10，导水管11连接在测试接口10上对裂隙测试段注入测试用压力流体。

其中，密封用压力流体和测试用压力流体均可以设为带压水，还可以设为其他带压流体，密封用压力流体和测试用压力流体可以为同一种流体或不同种流体。

探测注水系统向导水管11输送测试用压力流体，导水管11在推送注水管8内延伸到推送注水管8上的连接位置，探测注水系统在输送测试用压力流体的同时，还对压力流体的压力、流量进行监测。当探测注水系统监测到导水管11内压力流体的压力和流量均保持稳定，表示裂隙测试段结构稳定无裂隙；当探测注水系统监测到导水管11内压力流体在流量稳定的情况下出现了泄压状态，则表明裂隙测试段存在裂隙。

探测注水系统包括注水泵19、导水控制阀17和多通道压力流量记录仪18，每个导水管11上均连接有导水控制阀17，导水控制阀17均连接在多通道压力流量记录仪18，注水泵19上连接多通道压力流量记录仪18。

多通道压力流量记录仪18连接在注水泵19上，将注水泵19的出口管路分隔形成若干个注水通道，在多通道压力流量记录仪18上连接的导水控制阀17用来调节每个注水通道的通断，以便调节导水管11的供水状态，同时多通道压力流量记录仪18对每个导水管11的流量、压力进行测量和记录，以便进一步分析钻孔7内是否存在裂隙、裂隙成长状态等。

导水管11设为软管，便于导水管11在推送注水管8内延伸，也便于仪器的搬运和移动；导水管11与推送注水管8通过密封连接件21连接，推送注水管8内填充有密封用压力流体，导水管11与推送注水管8密封减小密封用压力流体对裂隙测试段的干扰，保证两个系统之间的独立性。

密封连接件21包括第一外丝扣、第二外丝扣和延伸定位段，第一外丝扣与导水管11上的内丝螺帽20连接，第二外丝扣与推送注水管8上的内丝扣连接，延伸定位段卡接在推送注水管8壁面上的限位挡板22上。

密封连接件21设为变径丝扣结构，第一外丝扣直径小于第二外丝扣，第二外丝扣的直径小于延伸定位段，以便第一外丝扣能够快速插入推送注水管8上开设的安装孔与内丝螺帽20连接，第二外丝扣与推送注水管8上的内丝扣螺纹连接，延伸定位段用来对密封连接件21进行定位和限位，保证密封定位件准确安装。推送注水管8上开设的安装孔内连接内丝扣，用来连接第二外丝扣，推送注水管8上连接限位挡板22，用来对密封连接件21进行限位固定，限位挡板22可以设为法兰结构，限位挡板22固定连接在内丝扣上，方便定位和安装。

分段封隔器9与推送注水管8的连接方式的一种实施例：

分段封隔器9与推送注水管8之间设有流动通道，分段封隔器9设为封隔胶管结构，封隔胶管设为可膨胀胶囊结构，分段封隔器9套设在推送注水管8上，流动通道设为丝扣结构，将分段封隔器9与推送注水管8通过螺纹连接。

分段封隔器9与推送注水管8连通后，通过推送注水管8注水实现分段封隔器9膨胀，从而与钻孔7的孔壁贴合，达到封孔目的，当推送注水管8排水后，分段封隔器9自动收缩，该分段封隔器9可实现多次重复使用。

分段封隔器9与推送注水管8的连接方式的另一种实施例：

分段封隔器9包括封隔胶管和连接管的组合结构，封隔胶管设为可膨胀胶囊结构，封隔胶管与连接管连通形成流动通道，分段封隔器9形成具有流动通道的管段结构，封隔胶管与连接管一体成型或可拆卸连接。推送注水管8包括若干注水管段，连接管与注水管段对接，连接管与注水管段的对接方式可以为螺纹连接、插接、卡接等多种结构形式。

分段封隔器9与推送注水管8的连接方式更加简便快捷、并且可以根据钻孔7深度调节推送注水管8的长度，调节简单、测试更加便捷。

分段封隔器9与推送注水管8的两种实施例，可以根据实际需要选择使用。

进一步的，封隔注水系统包括注水管路16和压力保持器13，注水管路16和压力保持器13连通，注水管路16与推送注水管8连通，注水管路16的密封用压力流体通过推送注水管8、流动通道进入分段封隔器9的封隔胶管，实现密封封隔作用。

压力保持器13用来维持分段封隔器9的密封压力，压力保持器13可以根据分段封隔器9内的压力变化进行泄压或增压调节，以保证密封、封隔性能。

具体的，压力保持器13包括压力保持箱、加压泵12、进水接管14和进水调节阀15，压力保持箱内设有活动调节板23，活动调节板23将压力保持箱分隔形成保压腔和调压腔，加压泵12与调压腔连通，注水管路16与保压腔连通，进水接管14与保压腔连通，进水调节阀15连接在进水接管14上。活动调节板23与压力保持箱的内壁密封接触，活动调节板23相当于密封活塞。

注水管路16内的压力流体是通过进水接管14进入到压力保持箱并输送到注水管路16的，进水接管14上连接进水调节阀15，以便对保压腔内的压力、流量进行调节。压力保持箱内的保压腔和调压腔通过活动调节板23进行调节，通过加压泵12加压或泄压来调节活动调节板23在压力保持箱内的位置，在不进出流体的条件下，对保压腔的压力进行调节，保证分段封隔器9的密封性能。

本实施例，通过在钻孔7内设置若干个分段封隔器9的方式，将钻孔7分隔成若干个裂隙测试段，以便对钻孔7内不同部位的裂隙进行同时监测，对裂隙的演化过程进行探测，系统的整体结构简单、安装方便、操作便捷、监测准确性高、实现对裂隙演化过程的持续探测。

结合图1-图3所示，本实施例还提供一种采用上述实施例中记载的煤矿顶板裂隙演化动态探测装置的探测方法，

岩层钻孔7，在上覆岩层6内钻设待测钻孔7，钻孔7开设在上覆岩层6内并倾斜延伸，钻孔7向弯曲下沉带岩层3倾斜延伸；

分段封堵，分段封隔器9与推送注水管8连接并伸入待测钻孔7内；

封隔注水系统通过推送注水管8向分段封隔器9注入密封用压力流体，使分段封隔器9与钻孔7的壁面之间密封形成封隔密封段，钻孔7内相邻两个封隔密封段之间形成裂隙测试段；

分段注水压力及流量实时连续监测与评估，探测注水系统向导水管11内注入测试用压力流体，导水管11内的测试用压力流体流入裂隙测试段，探测注水系统记录导水管11的压力、流量。

封隔注水系统和探测注水系统设置在巷道5内。

煤矿顶板裂隙演化动态探测的具体过程：

使用时，首先临近采空区在上覆岩层6中打钻孔7，钻孔7深度根据实际需要确定，然后根据需要将推送注水管8和分段封隔器9组装完成后送入钻孔7；

推送注水管8为可接长中空耐压管，分段长度可根据实际需要定制，分段封隔器9为一种可膨胀胶囊结构，在一定的水压下可实现体积膨胀密贴钻孔7实现封孔的功能，分段封隔器9与推送注水管8可实现不同长度的组合，以形成不同的测量段；

推送注水管8和分段封隔器9在钻孔7内组合完毕后，注水管路16与压力保持器13连接，通过压力保持器13向分段封隔器9中进行注水，实现分段封隔器9膨胀并保持，使用时，压力保持器13通过进水接管14与井下静压水管相连，依靠井下静压水管水压将分段封隔器9、推送注水管8、压力保持器13的保压腔全部充满水，关闭进水调节阀15，依靠加压泵12向压力保持器13的调压腔加压，使分段封隔器9充分带压膨胀密贴钻孔7壁达到分段封孔的效果；

进行顶板裂隙动态探测时，依次连接测试接口10、导水管11、导水控制阀17、多通道压力流量记录仪18、注水泵19，其中测试接口10连接在推送注水管8的管壁上，连接密封牢固，测试时，通过注水泵19向整个系统供水，通过多通道压力流量记录仪18记录每个裂隙测试段内的压力-流量随时间的变化情况，并据此判断每个裂隙测试段对应顶板位置的裂隙发育随时间的变化情况和裂隙带的延伸范围；

测试完成后，先将探测注水系统通过导水管11上的泄压阀进行泄压，封隔注水系统通过进水接管14进行泄压，再将分段封隔器9、推送导水管11从钻孔7内撤出，以便再次使用。

本实施例，实现单孔连续裂隙情况跟踪监测，免除现有方法多次打孔测量的不便性和孔位变化导致测量结果的不准确性、不可对比性，同时可以实现顶板裂隙随时间、空间的连续变化监测。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。