阅读说明：本技术 采动裂缝井下导高观测系统及工作方法 (Mining crack underground height guiding observation system and working method ) 是由 赵秋阳 张玉军 宋业杰 樊振丽 李磊 申晨辉 张风达 王志晓 于秋鸽 程艳芳 于 2020-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供一种采动裂缝井下导高观测系统及工作方法。该观测系统包括：注推机构、胀封机构和探测机构,胀封机构分别连接于探测机构的两端,注推机构与胀封机构连接；探测机构包括连通管、容纳腔和减压阀组件,容纳腔位于连通管的端部,且胀封机构通过容纳腔与连通管连接,减压阀组件的一端与容纳腔连接,另一端与连通管外侧的探测段连通。该工作方法,可实现单水源高压胀封、低压探测和多种压力情况下的递进式探测。本发明实施例对于研究多压状态下的采动裂缝导水能力、精确探测导水裂缝带高度有着重要意义。(The embodiment of the invention provides a mining crack underground height guiding observation system and a working method. The observation system includes: the device comprises an injection pushing mechanism, an expansion sealing mechanism and a detection mechanism, wherein the expansion sealing mechanism is respectively connected to two ends of the detection mechanism, and the injection pushing mechanism is connected with the expansion sealing mechanism; the detection mechanism comprises a communicating pipe, an accommodating cavity and a pressure reducing valve assembly, the accommodating cavity is located at the end of the communicating pipe, the expansion sealing mechanism is connected with the communicating pipe through the accommodating cavity, one end of the pressure reducing valve assembly is connected with the accommodating cavity, and the other end of the pressure reducing valve assembly is communicated with a detection section outside the communicating pipe. The working method can realize single water source high-pressure expansion sealing, low-pressure detection and progressive detection under various pressure conditions. The embodiment of the invention has important significance for researching the water conductivity of the mining fracture in a multi-pressure state and accurately detecting the height of the water-conducting fracture belt.)

采动裂缝井下导高观测系统及工作方法

技术领域

本发明涉及煤矿钻探技术领域，尤其涉及一种采动裂缝井下导高观测系统及工作方法。

背景技术

煤层开采后，覆岩受采动影响，发生不连续变形破坏，覆岩破断失稳形成导水裂缝带，导水裂缝带的高度由垮落带和裂缝带组成，位于导水裂缝范围内的岩层将向采掘空间直接充水，形成矿井涌水，从而改变了覆岩含水层的初始渗流场，形成采动渗流场。从安全及水文地质角度来讲，导水裂缝带高度是预测矿坑涌水量，设计探放水钻孔，计算垂向防水煤柱的主要技术参数，对于研究顶板突水机理有重要的理论意义和实用价值，对矿井安全生产来说是最基本的技术依据。

导水裂缝带高度实测方法中，井下仰孔观测装置和方法作为一项新型试验研究成功的技术方法，如图1所示，采用双端堵水器封堵的方式在密闭空间探测水源在孔内裂隙中的漏失量，相较于地面钻孔观测法具有钻进及观测速度快、工艺简单、工程费用省等优点。但目前市场流通的井下仰孔观测设备存在一项较大的弊端，井下导高观测仪必须采用单独的起胀管路1和注水管路12对起胀胶囊2进行充气封堵，起胀管路1容易缠绕在钻杆上，探测过程中不能实现封堵观测一体化，而且现有技术只能实现单项压力状态下钻孔各孔段漏失流量的观测，测试数据较为单一且无对比性，未对低压探测段的多压递进式探测进行研究。

发明内容

本发明实施例提供一种采动裂缝井下导高观测系统及工作方法，用以解决现有技术中不能实现封堵观测一体化的缺陷和只能实现单项压力状态下钻孔各孔段漏失流量的观测的缺陷，可以实现单水源高压胀封与低压探测的双重功能，同时能够实现低压探测段的多压递进式探测。

本发明实施例提供一种一种采动裂缝井下导高观测系统，包括：注推机构、胀封机构和探测机构，所述胀封机构分别连接于所述探测机构的两端，所述注推机构与所述胀封机构连接；其中，

所述探测机构包括连通管、容纳腔和减压阀组件，所述容纳腔位于所述连通管的端部，且所述胀封机构通过所述容纳腔与所述连通管连接，所述减压阀组件的一端与所述容纳腔连接，另一端与所述连通管外侧的探测段连通。

其中，所述容纳腔的个数为两个，且两个所述容纳腔分别位于所述连通管的两端，所述减压阀组件的个数为两组，且分别一一对应连接于所述容纳腔。

其中，每组所述减压阀组件包括多个减压阀，多个所述减压阀沿所述容纳腔横截面的周向间隔均匀设置。

其中，所述连通管连接于所述容纳腔横截面的中心位置。

其中，所述注推机构包括钻机和钻杆，所述钻机与所述钻杆连接，所述钻杆设置注水管路，所述注水管路与所述胀封机构连接。

其中，所述注推机构还包括注水控制器，所述注水控制器安装于所述注水管路的进水端。

其中，所述胀封机构为封堵胶囊。

本发明实施例还提供一种根据本发明实施例的采动裂缝井下导高观测系统的工作方法，包括：

S1、注推机构进行加压注水，胀封机构对探测机构两端胀封；

S2、注推机构继续加压注水，使得胀封机构、连通管和容纳腔的压力升至第一预定压力，开启减压阀组件，保持注推机构注水压力维持在第二预定压力且同时探测段的压力维持在第三预定压力，观测并记录水量漏失情况；

S3、注推机构继续加压注水，使得胀封机构、连通管和容纳腔的压力升至第四预定压力，保持注推机构注水压力维持在第五预定压力且同时探测段的压力维持在第六预定压力，观测并记录水量漏失情况。

其中，还包括：

S4、注推机构和胀封机构泄压，持续钻进，进入下一个探测段，并返回步骤S1。

本发明实施例提供的采动裂缝井下导高观测系统及工作方法，通过探测机构的连通管将两端的胀封机构连接起来，可实现单水源高压胀封；通过探测机构的减压阀将高压水变为低压水，可实现低压探测；通过调节减压阀的水流输出压力，可实现多种压力情况下的递进式探测。本发明实施例对于研究多压状态下的采动裂缝导水能力、精确探测导水裂缝带高度有着重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中井下仰孔观测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例采动裂缝井下导高观测系统的结构示意图；

图3是本发明实施例初始状态下封堵胶囊和探测机构的结构示意图；

图4是本发明实施例初始状态下的第一减压阀组件和第二减压阀组件的工作状态示意图；

图5是本发明实施例封堵胶囊胀封状态下封堵胶囊和探测机构的结构示意图；

图6是本发明实施例封堵胶囊胀封状态下的第一减压阀组件和第二减压阀组件的工作状态示意图；

图7是本发明实施例第一探测状态下封堵胶囊和探测机构的结构示意图；

图8是本发明实施例第一探测状态下的第一减压阀组件和第二减压阀组件的工作状态示意图；

图9是本发明实施例第二探测状态下封堵胶囊和探测机构的结构示意图；

图10是本发明实施例第二探测状态下的第一减压阀组件和第二减压阀组件的工作状态示意图。

附图标记：

图1中：1：起胀管路；12：注水管路；2：胶囊。

图2-图10中：100：注推机构；11：钻机；12：注水管路；13：注水控制器；200：封堵胶囊；300：探测机构；31：连通管；32：第一容纳腔；33：第二容纳腔；34：第一减压阀组件；35：第二减压阀组件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图2描述本发明实施例的采动裂缝井下导高观测系统，包括：注推机构100、胀封机构和探测机构300，胀封机构分别连接于探测机构300的两端，注推机构100与胀封机构连接；其中，

探测机构300包括连通管31、容纳腔和减压阀组件，容纳腔位于连通管31的端部，且胀封机构通过容纳腔与连通管31连接，减压阀组件的一端与容纳腔连接，另一端与连通管31外侧的探测段连通。

具体地，本实施例中的注推机构100与高压水源连接，用于将高压水源通入胀封机构中；胀封机构对探测机构300的两端进行胀封封堵。其中，胀封机构和探测机构300的端部均设置有卡槽，两者通过卡槽连接。

进一步地，探测机构300两端的胀封机构通过探测机构300的连通管31连通，使得高压水能够从一端的胀封机构输送至另一端的胀封机构，实现两端的胀封机构内部水压均衡相等。其中，连通管31位于探测机构300整体部分的中央位置，连通管31的外径小于胀封机构，连通管31与钻孔之间的空间为探测段，由于连通管31两端由胀封机构封堵，由减压阀输出的水只能往钻孔周边的岩壁走，如果有裂缝，水就输出的多，如果岩壁完整，水就输出的少，通过注水控制器13的流量表，监测水的漏失量，反映裂缝的发育程度。连通管31的作用是将两端的胀封机构连接起来，可实现单水源高压胀封。容纳腔连接于连通管31的端部，容纳腔的作用是暂存高压水，一方面可将高压水通入到连通管31中，另一方面可为减压阀提供高压水。减压阀的工作状态可以控制观测条件，例如关闭减压阀，则高压水无法从减压阀通入到探测段，处于起始非观测状态；开启减压阀，使得高压水变为低压水进入到探测段，可实现低压探测，还可以通过控制减压阀输出不同压力的水流，来实现多种压力情况下的递进式探测。若采用可调压式的减压阀可通过以下几种方式实现：

1、减压阀内置调压阀，根据实际使用情况设定需要的压力，其类似公开专利《压力可调式减压阀构造》(申请号：CN201520697674.1)；

2、通过调节减压阀内置的弹簧的弹簧力进行调压，类似公开专利《可调式高灵敏度低压稳压减压阀》(申请号：CN201110238565.X)，其通过调整调节螺栓在限压套筒中不同的高度位置来改变调压弹簧的弹簧力，从而改变阀前压力腔和阀后压力腔之间的压力差大小，在减压阀的减压能力范围之内，调节螺栓相对限压套筒的位置越低，减压阀的减压能力越大，反之就越小；

3、可采用多个阀体并联输出的方式，或者多个弹簧并联输出的方式，以实现多种调压功能。

本发明实施例提供的采动裂缝井下导高观测系统，通过探测机构300的连通管31将两端的胀封机构连接起来，可实现单水源高压胀封；通过探测机构300的减压阀将高压水变为低压水，可实现低压探测；通过调节减压阀的水流输出压力，可实现多种压力情况下的递进式探测。本发明实施例对于研究多压状态下的采动裂缝导水能力、精确探测导水裂缝带高度有着重要意义。

其中，注推机构100包括钻机11和钻杆，钻机11与钻杆连接，钻杆设置注水管路12，注水管路12与胀封机构连接。本实施例中直接通过注水管路12输出高压水，取消了起胀管路，避免了起胀管路缠绕在钻杆的缺陷。

其中，注推机构100还包括注水控制器13，注水控制器13安装于注水管路12的进水端。具体地，本实施例中的注水控制器13包括用于监测水压的压力传感器、用于调节水压的水泵和用于监测水流量的流量表。从注水管路12的进水端调节和监控水压，通过计算静水压差，控制水泵输出水压，使得进入到胀封机构的高压水符合观测要求。通过流量表监测走水量，反映裂缝的发育程度。

其中，胀封机构为封堵胶囊200。可以理解的是，根据实际探测需要，也可以选用其他封堵设备代替封堵胶囊200，本发明不局限于此。

其中，容纳腔的个数为两个，且两个容纳腔分别位于连通管31的两端，减压阀组件的个数为两组，且分别一一对应连接于容纳腔。具体地，本实施例中在连通管31的两端分别设置第一容纳腔32和第二容纳腔33，两端的胀封机构的高压水暂存于第一容纳腔32和第二容纳腔33中，对应的减压阀组件包括第一减压阀组件34和第二减压阀组件35，第一减压阀组件34和第二减压阀组件35的规格不同，通过内置不同的弹簧组件和两侧截面的差异实现不同的开启压力和稳定减压值，可分别从两个方向输出低压水，且第一减压阀组件34和第二减压阀组件35输出的水压不同，更方便压力控制以实现多压探测。

其中，每组减压阀组件包括多个减压阀，多个减压阀沿容纳腔横截面的周向间隔均匀设置。具体地，每组减压阀组件可以为两个、三个或四个减压阀，若为两个减压阀则分别固定于容纳腔横截面的上端和下端，若为四个减压阀则分别固定于容纳腔横截面的上、下、左和右端。可以理解的是，根据实际需要，本领域技术人员可选择其他数量的减压阀进行相应布置，本发明不局限于此。

其中，连通管31连接于容纳腔横截面的中心位置。由于，减压阀需要将高压水转换为低压水并输出至连通管31外侧的探测段，因此减压阀应面向连通管31外侧的空间，连通管31则位于容纳腔横截面的中心位置。

本发明实施例还提供了一种根据上述实施例的采动裂缝井下导高观测系统的工作方法，包括：

S1、注推机构100进行加压注水，胀封机构对探测机构300两端胀封；

S2、注推机构100继续加压注水，使得胀封机构、连通管31和容纳腔的压力升至第一预定压力，开启减压阀组件，保持注推机构100注水压力维持在第二预定压力且同时探测段的压力维持在第三预定压力，观测并记录水量漏失情况；

S3、注推机构100继续加压注水，使得胀封机构、连通管31和容纳腔的压力升至第四预定压力，保持注推机构100注水压力维持在第五预定压力且同时探测段的压力维持在第六预定压力，观测并记录水量漏失情况；

S4、注推机构100和胀封机构泄压，持续钻进，进入下一个探测段，并返回步骤S1。

以容纳腔和减压阀组件分别布置两个的情形为例：

如图3至图10所示(图中箭头代表水流流向，“开启状态”和“关闭状态”分别指代减压阀的工作状态)，本实施例采动裂缝井下导高观测系统的工作方法，包括：

S1、井下仰上钻孔施工，在煤岩巷道中向顶板岩体中先后施工规定角度的多个钻孔，孔深视工作面采厚、钻孔角度、施工场地等实际条件而定；

S2、安装本发明实施例的采动裂缝井下导高观测系统，依次将探测机构300、胀封机构与注推机构100的顶部钻杆连接在一起，使得两个封堵胶囊200中的连通花管与第一容纳腔32、第一容纳腔32及之间的连通管31保持连通，通过井下钻场钻机11操作，连接钻杆，推进至探测段，第一减压阀组件34和第二减压阀组件35处于关闭状态(如图3和图4所示)；

S3、系统连接后，计算静水压差，注水管路12连接高压水源，开始对注推机构100进行注水，直至封堵胶囊200压力升至1.5～2.0MPa，封堵胶囊200开始工作，探测段两端得到有效胀封(如图5和图6所示)；

S4、封堵胶囊200胀封工作完成后，继续加压，直至封堵胶囊200、第一容纳腔32和第二容纳腔33的压力达到2.0MPa，第一减压阀组件34开启，第二减压阀组件35关闭，注水高压保持在2.3MPa左右，探测段维持固定低压0.1MPa，稳定后探测段在0.1MPa水压下开始进行观测，观测30s后停止观测，记录水量漏失数据(如图7和图8所示)；

S5、完成低压一级探测后，继续加压，直至封堵胶囊200、第一容纳腔32和第二容纳腔33压力达到2.5MPa，第一减压阀组件34关闭，第二减压阀组件35开启，注水高压保持在2.6MPa左右，探测段维持固定低压0.2MPa，稳定后探测段在0.2MPa水压下开始进行观测，观测30s后停止观测，记录水量漏失数据(如图9和图10所示)；

S6、探测和记录完毕后，注推机构100进行泄压操作，封堵胶囊200泄压恢复原状，第一减压阀组件34和第二减压阀组件35关闭，注推机构100续接钻杆，继续推进，进入下一个探测段，如此循环。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。