基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统

摘要

本发明属于岩体采动裂隙渗透性定技术领域，公开了一种基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统，包括封堵测试系统、推进系统、供给控制系统。封堵测试系统包括封堵器、连通管和转换器，封堵器与钻孔形成注水空腔，转换器位于前部封堵器和中部封堵器尾部，其内部设置有内环、弹簧、十字丝套、集水槽和分水孔，内环有一通水孔，与集水槽相连通，将外接水源通过分水孔输送至注水空腔，对钻孔裂隙的渗透性进行探测。该装置可利用同一水源实现封堵和观测过程在各自压力下工作，减少了钻孔内管道为一根，避免了钻杆绕线问题，提高了观测过程的稳定性，可根据需要调节观测水压，同可以实现一次推进多段测定过程，提高观测效率。

说明书

技术领域

本发明属于岩体裂隙渗透性测定技术领域，具体涉及基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统。

背景技术

岩体渗透系数是反映裂隙岩体渗透性能的重要参数，岩体渗透性能的改变与岩体的破坏情况密切相关。因此，研究岩体渗透系数与裂隙大小、注水量和注水压的关系具有重要意义。目前对钻孔渗透性的探测常用的设备为双端封堵测漏装置，具有测量精度相对较高、制造方便等优点，但在使用过程中，由于该装置存在封堵和供水两套操作系统，导致对应钻孔内的管线在推进过程中容易发生相互缠绕问题，造成工作过程不稳定，操作过程麻烦，适应性差等问题，且每次推进探测距离短。现有技术未能同时解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统。

本发明的技术方案：

一种基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统，包括封堵测试系统、推进系统和供给控制系统；

所述的封堵测试系统系统包括封堵器、连通管和转换器，封堵器包括前部封堵器30、中部封堵器31和尾部封堵器32；前部封堵器30、中部封堵器31和尾部封堵器32与钻孔28分别形成一号注水空腔26和二号注水空腔28，转换器6位于前部封堵器30和中部封堵器31尾部，其内部设置有内环9、弹簧8、十字丝套10、集水槽34和分水孔35，内环9设有通水孔37，与集水槽34相连通，将外接水源通过分水孔35输送至一号注水空腔26和二号注水空腔29，对钻孔28裂隙的渗透性进行探测；

所述的推进系统包括钻机14和钻杆12，钻机14通过钻杆12与封堵测试系统相连接，用以接长和推进封堵测试系统至指定区域；钻杆12为空心杆，其内部可输送外界高压水源，钻杆12与封堵测试系统之间呈螺纹连接，可拆卸；

所述的供给控制系统包括控制操作台33，控制操作台33通过高压软管13与钻杆12连接，包括放水开关15、流量表16、机械压力表17、总控开关18和电子压力表19，控制操作台33负责提供预定压力水源、卸压放水并检测和记录压力、流量等参数；

所述的前部封堵器30包括接头一2、漏水管3、接头二4和橡胶囊5，接头一2和接头二4与漏水管3呈螺纹连接，橡胶囊5包绕在漏水管3外部，通过紧固圈21固定在接头一2和接头二4的外部，与漏水管3间形成封堵空腔27；

所述的接头一2外端螺纹连接引导头1，引导头1起导向作用，用以引导封堵测试系统在钻孔28中平顺滑动；

所述的中部封堵器包括接头二4、漏水管3、接头三7和橡胶囊5，橡胶囊5通过紧固圈21固定在接头二4和接头三7的外部；漏水管3上开有漏水孔22数个；

所述的尾部封堵器32包括两个接头三7、漏水管3和橡胶囊5，橡胶囊5通过紧固圈21固定在两个接头三7之间；

所述接头三7外部螺纹连接圆形挡板11，圆形挡板11直径较橡胶囊直径大，阻止橡胶囊5脱落；圆心挡板11与接头三7呈螺纹连接，可拆卸以便于与更换橡胶囊5；

外界水源通过前部封堵器30、中部封堵器31和尾部封堵器32中漏水孔22进入封堵空腔27，起胀对应橡胶囊5分别与钻孔28之间形成一号注水空腔26和二号注水空腔29；

所述的转换器6数量为2个，整体呈圆柱状，中间设有圆形孔，其左右两端分别与连通管25、接头二4螺纹连接；

所述的转换器6内部设置有四个侧漏孔20、四个分水孔35和一个内凹的集水槽34，集水槽34位于分水孔35右侧，与分水孔35相连通；分水孔35外壁设置有凸台36和十字丝套10，凸台36起限位作用，十字丝套10与分水孔35外壁呈螺纹连接，在其上旋转；

所述的内环9呈圆柱环形状，左端面大于右端面，其外部在左右端面连接处设置有30°密封锥面，起密封作用，其内部对应设置有4个“L型”通水孔37，与侧漏孔20对应相通；

所述的内环9沿着内部左右滑动，初始状态下，由于弹簧8的作用，内环9处于右端，通水孔37被密封，当外界水源通过侧漏孔20作用于内环9右端面，内环9向左移动，至内环9左端面与凸台36接触时，此时，通水孔37恰与集水槽34相连接，将外界水源通过分水孔35排至注水空腔内；

所述的弹簧8位于内环9和十字丝套10之间，通过调节十字丝套10改变弹簧8的张紧程度，进而控制内环9的开启压力；十字丝套10设置有四个长方形的挡板且周边中空，不仅便于利用外部工具进行旋转调节，而且便于注水空腔内部水源通过，反馈作用于内环9左端面；

所述的连通管25为密封空心管，数量为1根；

所述的转换器6工作原理：

(1)当内环9满足P_左S_环左+kx≤P_右S_环右时，则内环9向左移动，通水孔37与集水槽34连通，水源通过分水孔35向注水空腔进行注水观测；

(2)当内环9满足P_左S_环左+kx≥P_右S_环右时，则内环9向右移动，通水孔37被管壁封闭，停止向注水空腔供水；

其中，P_左为注水空腔侧低压观测水源压力，一般为0.2～0.5MPa左右；P_右为连通管25所提供的高压水源压力，一般为0.8～2MPa左右，S_环左为内环9左端面过水面积，S_环右为内环9右端面过水面积，k为弹簧8的弹性系数，x为压缩量；

所述的放水开关15负责推进测试结束后将封堵空腔27内压力水释放，使橡胶囊5与钻孔28脱离接触，便于钻机14推进封堵测试系统；总控开关15负责外界水源的停供，流量表16负责检测外界水源向封堵测试系统输入实时水量，机械压力表17与电子压力表19的示数相互对比检验，若大致相当，则表明压力有效。

所述的注水空腔的数量，根据需求增加，设计方式相同。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出了基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统，与现有技术相比，该装置可利用同一外接水源实现封堵和观测两个过程，并保证二者在各自的压力下工作，减少了钻孔内的管道数量为1根，避免了钻杆绕线问题，提高了工作过程的稳定性。

(2)该装置中转换器实现了由高压水源向低压水源的转换，配合内环密封锥面，提高了密封性和开启压力，通过十字丝套调节弹簧压缩程度，控制内环具有不同的开启和转换压力，使转换器调压范围更为广泛、方法简便、过程稳定，可适应不同的工作需求。

(3)集水槽的设计，可以解决通水孔与分水孔不对应问题，保证无论内环如何转动，其通水孔中的水都可以通过集水槽流向分水孔，同时分水孔开口与钻孔平行设计，减轻了由于水流对钻孔壁的直接冲击作用。

(4)本装置实现了一次推进多单元探测，探测效率和速度高，耗时短，操作简单，所需人员较少。

附图说明

图1为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的整体结构及观测状态示意图；

图2为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的卸压推进状态示意图；

图3为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的封堵测试系统的结构示意图；

图4为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的前部封堵器结构示意图；

图5为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的中部封堵器结构示意图；

图6为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的尾部封堵器结构示意图；

图7为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的转换器结构示意图；

图8为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的转换器左视图；

图9为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的转换器右视图；

图10(a)为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的转换器静止状态示意图；

图10(b)为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的转换器工作状态示意图；

图11为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的环体结构示意图；

图12为本发明基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的十字丝套结构示意图；

图中：1引导头；2接头一；3漏水管；4接头二；5橡胶囊；6转换器；7接头三；8弹簧；9内环；10十字丝套；11圆形挡板；12钻杆；13高压软管；14钻机；15放水开关；16流量表；17机械压力表；18总控开关；19电子压力表；20侧漏孔；21紧固圈；22漏水孔；23密封锥面；24待测岩体；25连通管；26一号注水空腔；27封堵空腔；28钻孔；29二号注水空腔；30前部封堵器；31中部封堵器；32尾部封堵器；33控制操作台；34集水槽；35分水孔；36凸台；37通水孔。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统，其包括封堵测试系统、推进系统、供给控制系统。

所述封堵测试系统系统由前部封堵器30、中部封堵器31、尾部封堵器32、连通管25和转换器6组成，所述前部封堵器30、中部封堵器31和尾部封堵器32与钻孔28分别形成一号注水空腔26和二号注水空腔29，所述转换器6位于前部封堵器30和中部封堵器31尾部，其内部设置有内环9、弹簧8、十字丝套10、集水槽34和分水孔35，所述内环9有一通水孔37，可与集水槽34相连通，将外接水源通过分水孔35输送至所述一号注水空腔26和二号注水空腔29，对钻孔28裂隙的渗透性进行探测。

所述推进系统主要包括钻机14和钻杆12，所述钻机14通过钻杆12与封堵测试系统相连接，用以接长和推进封堵测试系统至指定区域，所述钻杆12为空心杆，其内部可输送外界高压水源，钻杆12与封堵测试系统之间呈螺纹连接，可拆卸。

所述供给控制系统由控制操作台33组成，所述控制操作台33通过高压软管13与钻杆12连接，主要包括放水开关15、流量表16、机械压力表17、总控开关18、电子压力表19等，所述控制操作台33负责提供预定压力水源、卸压放水并检测和记录压力、流量等参数。

所述前部封堵器30由接头一2、漏水管3、接头二4和橡胶囊5组成，所述接头一2和接头二4与漏水管3呈螺纹连接，所述橡胶囊5包绕在漏水管3外部，通过紧固圈21固定在接头一2和接头二4的外部，与漏水管3间形成封堵空腔27。

所述接头一2外端螺纹连接一引导头1，所述引导头1起导向作用，用以引导封堵测试系统在钻孔28中平顺滑动。

所述中部封堵器31由接头二4、漏水管3、接头三7和橡胶囊5组成，所述橡胶囊5通过紧固圈21固定在所述接头二4和接头三7的外部。所述漏水管3上开有漏水孔22数个。

所述尾部封堵器32由两个接头三7、漏水管3和橡胶囊5组成，所述橡胶囊5通过紧固圈21固定在两个接头三7之间。

所述接头三7外部螺纹连接一个圆形挡板11，所述圆形挡板11直径较橡胶囊5直径略大，可以阻止橡胶囊5脱落。所述圆心挡板与接头三7呈螺纹连接，可拆卸以便于与更换橡胶囊5。

外界水源可通过所述前部封堵器30、中部封堵器31和尾部封堵器32中漏水孔22进入封堵空腔27，起胀对应橡胶囊5分别与钻孔28之间形成一个一号注水空腔26和一个二号注水空腔29。

所述转换器6数量为2个，整体呈圆柱状，中间有一圆形孔，其左右两端分别与所述连通管25、接头二4螺纹连接。

所述转换器6内部设置有四个侧漏孔20、四个分水孔35和一个内凹的集水槽34，所述集水槽34位于分水孔35右侧，与分水孔35相连通。所述分水孔35外壁设置有一凸台36和十字丝套10，所述凸台36起限位作用，所述十字丝套10与所述分水孔35外壁呈螺纹连接，可在其上旋转。

所述内环9呈圆柱环形状，左端面大于右端面，其外部在左右端面连接处设置有一30°密封锥面23，起密封作用，其内部对应设置有4个“L型”通水孔37，与所述侧漏孔20对应相通。

所述内环9可沿着内部左右滑动，初始状态下，由于弹簧8的作用，内环9处于右端，通水孔37被密封，当外界水源通过侧漏孔20作用于内环9右端面，内环9向左移动，至内环9左端面与凸台36接触时，此时，通水孔37恰与集水槽34相连接，将外界水源通过分水孔35排至所述注水空腔内。

所述弹簧8位于内环9和十字丝套10之间，可通过调节十字丝套10改变弹簧8的张紧程度，进而控制内环9的开启压力。所述十字丝套10设置有四个长方形的挡板且周边中空，不仅便于利用外部工具进行旋转调节，而且便于注水空腔内部水源通过，反馈作用于内环9左端面。

所述连通管25为密封空心管，数量为1根。

所述转换器6工作原理：

(1)当内环9满足P_左S_环左+kx≤P_右S_环右时，则内环9向左移动，通水孔37与集水槽34连通，水源通过分水孔35向注水空腔进行注水观测；

(2)当内环9满足P_左S_环左+kx≥P_右S_环右时，则内体向右移动，通水孔37被管壁封闭，停止向注水空腔供水；

其中，P_左为注水空腔侧低压观测水源压力，一般为0.2～0.5MPa左右；P_右为连通管25所提供的高压水源压力，一般为0.8～2MPa左右，S_环左为内环9左端面过水面积，S_环右为内环9右端面过水面积，k为外弹簧8的弹性系数，x为压缩量。

所述放水开关15负责推进测试结束后将封堵空腔27内压力水释放，使橡胶囊5与钻孔28脱离接触，便于钻机14推进封堵测试系统。所述总控开关18负责外界水源的停供，所述流量表16负责检测外界水源向封堵测试系统输入实时水量，所述机械压力表17与电子压力表19的示数相互对比检验，若大致相当，则表明压力有效。

基于覆岩导水裂隙带探测的钻孔单回路压水控制系统的使用方法，具体步骤如下：

(1)施工钻孔28：按照预先设计的施工要素，利用钻机14在待测岩体24区域施工不同方位和倾角a的钻孔283～5个，钻孔28直径为89mm，长度为70m左右，并清理钻孔28内的碎屑。

(2)安装设备：安装导向锥、前部封堵器30、尾部封堵器32、转换器6、连通管25等各部件，并依次连接钻机14、钻杆12、高压软管13及控制操作台33，然后利用钻机14将封堵测试系统移送至钻孔28的初始位置。

(3)密封检验：首先关闭控制操作台33的放水开关15，打开总控开关18，向封堵测试系统提供检测水压，对橡胶囊5进行封堵密封性检验，若无明显漏水现象，则进行下一步操作，否则返回第二步操作，检查各部件间的连接及安装情况，然后重新进行第三步操作，直至合格为止。

(4)进行压水观测：密封检验合格后，进行压水试验，使封堵测试系统处于初始位置，重新关闭控制操作台33上的放水开关15并打开总控开关18，向封堵测试系统提供高压水源，经连通管25、漏水管3进入封堵空腔27，起胀前部封堵器30、中部封堵器31和尾部封堵器32的橡胶囊5，分别与钻孔28形成一号注水空腔26和二号注水空腔29，调节外界水源压力逐渐升高至1.5MPa，此时仅一号注水空腔26压力的转换器6开启，向一号注水空腔26内注水，待流量表16示数稳定后，记录此时稳定时流量表16的示数Q_i1，继续升高外界水源压力至1.7MPa，使一号注水空腔26和二号注水空腔29的转换器6同时开启，向二号注水空腔29内注水，待流量表16示数稳定后，记录稳定时流量表16的示数Q_i2，则二号注水空腔29的流量为Q_i2-Q_i1，并记录对应探测距离L_i1和L_i2。

(5)卸压推进：关闭总控开关18，打开放水开关15，释放封堵空腔27压力，待橡胶囊5与钻孔28脱离接触后，关闭放水开关15，取新钻杆12接长封堵测试系统，利用钻机14推进封堵测试系统至下一探测区域，重复第四步操作，直至测完钻孔28长度为止。

(6)计算分析：根据钻孔28长度及对应观测孔段漏水量，分别绘制不同钻孔28内流量分布图，分析钻孔28长度范围内不同位置的裂隙发育特征和渗透特性，进一步结合不同方位的钻孔28倾角a和累计连续漏水段长度(即渗透性突变零点)L_n1+L_n2(n＝1+2+....+k),计算得到不同空间范围岩体的破坏范围。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如转换器6、内环9、圆形挡板11等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，本领域技术人员在本发明的启示下对这些术语所做的简单替换，均应在本发明的保护范围之内。