基于软岩钻孔内岩水耦合作用的松动圈测试系统及方法

摘要

本发明公开了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，其包括封孔装置、注浆装置、注水装置、测试装置和控制装置，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可伸缩杆体的立柱，超声波发射器和超声波接收器通过线路连接在显示器的输入端，经显示器的输出端连接在控制装置上，可伸缩杆体的两端分别连接有一个探测杆，两个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，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。本发明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。

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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。

一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，

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；

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；

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。

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。

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。

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。

优选的，所述挡板处用锚杆加固。

本发明的另一任务是提供上述测试系统的测试方法。

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：

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；

b对软岩钻孔的孔底进行预处理，

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；

c动态封孔，

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；

d围岩松动圈测试，

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。

本发明所带来的有益技术效果：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明测试系统通过注水泵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

下面结合附图对本发明做详细说明：

图1为本发明围岩松动圈测试系统的竖直剖面图；

图2为本发明封孔装置的结构示意图；

图3为本发明测试装置的部分结构示意图；

图4为本发明中注浆装置的结构示意图；

图中，1、阀门Ⅰ，2、超声波发射器，3、阀门Ⅱ，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Ⅲ，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Ⅶ，23、注水装置，24、注水自动控制泵，25、注浆自 动控制泵，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

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

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。

与注水装置23和浆料罐28配合使用的还有注水自动控制泵24和注浆自动控制泵25， 以将物料和水顺利送至测试装置内，注水自动控制泵24和注浆自动控制泵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。

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应的阀门，如阀门Ⅰ1、阀门Ⅱ3、阀门Ⅲ8、阀 门Ⅵ14、阀门Ⅳ16、阀门Ⅴ17、阀门Ⅶ22均可通过自动检测控制器32来控制。

下面对本发明的主要改进点部分做详细说明。

如图2和图3所示，本发明中的封孔装置，其可同时给两个一定间距的钻孔进行封孔， 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7， 在每个探测杆9的头部和中下部套置封堵胶囊7，在封堵胶囊7上设置有注浆接口和注水接 口，注浆接口与注水接口分别与注浆软管和注水软管6连接，注浆软管和注水软管6分布在 探测杆的两侧，并且在探测杆9的长度方向可上下移动，封堵胶囊内的注水区和注浆区二者 不连通，也就是说，从注浆软管进入的浆料和从注水软管进入的水是独立的，通过注水装置 23和注浆装置向封堵胶囊7内注水、注浆以起胀注水区和注浆区，在软岩钻孔口处设置有用 于固定注浆软管和注水软管的挡板10，在该挡板10处通过锚杆11加固，并且为了便于控制 注水流量和注浆流量，在封堵胶囊上设置有压力感应器(图中未示出)，将压力感应器与控制 装置连接来实现对水和浆料流量的控制。

测试装置包括可伸缩杆体20、显示器21、超声波发射器2、超声波接收器4和用于支撑 可伸缩杆体的立柱18，显示器21通过螺丝连接方式设置在可伸缩杆体20的中部，超声波发 射器2和超声波接收器4通过线路12连接在显示器21的输入端，经显示器21的输出端连接 在控制装置上，优选在超声波发射器2上套置有抗压防护罩5，可伸缩杆体20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，两个探测杆同步工作，每个探测 杆9均是由若干个管体套置在一起形成的，套置的结构使得探测杆也是可伸缩的，为了便于 对不同深度的钻孔进行测试，超声波发射器2和超声波接收器4分别安装在每个探测杆的头 部。

在注浆软管上设置有阀门Ⅲ8和阀门Ⅳ16，阀门Ⅲ8控制进出浆料，阀门Ⅳ16控制出浆 料，可伸缩杆体与探测杆通过螺栓连接，在其连接处附近设置有防护垫圈19，防止可伸缩杆 体伸缩时碰到螺栓15，阀门Ⅰ1和阀门Ⅱ3用于控制注浆软管和注水软管内的浆料和水，在 注浆软管和注水软管与注浆装置和注水装置连接的管路上也设置阀门，如阀门Ⅴ17、阀门Ⅳ 16等。

上述测试系统的测试方法，具体包括以下步骤：

第一步、制浆：将经过筛选后的磨料从进料口27装入浆料罐28内，当放入一定量的磨 料后，通过浆料罐28底部自带的压力感应器识别后，阀门Ⅵ22自行打开，注水自动控制泵 24工作，水流进自动搅拌浆料罐28内，当水流量达到设定值时，阀门Ⅵ22自行关闭，注水 自动控制泵停止工作，浆料罐28正常工作直至浆液搅拌均匀停止运行；

第二步、对围岩13钻孔孔底预处理：首先，分别按下自动检测控制器上的双孔距控制按 钮、超声波发射器控制按钮和超声波接收器控制按钮，将探测杆放入钻孔底端；

其次，按下自动检测控制器上的孔底预处理控制按钮，注浆自动控制泵25和注水自动控 制泵24工作，阀门Ⅵ14和阀门Ⅴ17打开，当两个封堵胶囊7内的液体压力达到0.1MPa时， 封堵胶囊7上的压力感应器识别后，阀门Ⅰ1打开，注水自动控制泵24停止工作，阀门Ⅵ14 关闭；当孔底浆液压力达到0.1MPa时，注浆自动控制泵25停止工作，阀门Ⅴ17关闭，阀门 Ⅳ16打开，同时注水自动控制泵24开始工作，阀门Ⅵ14打开，当阀门Ⅳ16端口的流体颗粒 感应器检测不到液体中的颗粒时，阀门Ⅳ16关闭、阀门Ⅵ14、阀门Ⅰ1和阀门Ⅱ3关闭；

第三步、动态封孔，按下自动检测控制器上的动态封孔控制按钮，注浆自动控制泵25和 注水自动控制泵24工作，阀门Ⅵ14和阀门Ⅴ17打开，两个封堵胶囊7内的液体压力达到 0.1MPa时，封堵胶囊7上的压力感应器识别后，阀门Ⅱ3和阀门Ⅲ8打开，当孔底水压力与 注浆软管外侧动态浆液压力相等并达到0.1MPa时，注浆自动控制泵25和注水自动控制泵24 停止工作，阀门Ⅵ14、阀门Ⅴ17和阀门Ⅲ8关闭；

第四步、围岩松动圈测试：按下自动检测控制器上的松动圈测试控制按钮，围岩松动圈 测试仪显示器21上会显示初始深度时的声波速度，然后探测杆9会根据测试深度间隔的设定 值自动调节，当探测杆9向外收缩时，注水自动控制泵24工作，阀门Ⅵ14、阀门Ⅱ3、阀门 Ⅲ8和阀门Ⅴ17打开，当孔底水压力与注浆软管外侧动态浆液压力相等并达到设定值时，阀 门Ⅲ8和阀门Ⅴ17关闭，注水自动控制泵24停止工作，阀门Ⅵ14和阀门Ⅱ3关闭。

需要说明的是，本发明中的探测杆还可用具有伸缩功能的其它探测杆来代替。