一種用于覆巖裂隙探測的鉆測一體化系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及煤礦井下覆巖裂隙發育規律探測領域，尤其涉及一種用于覆巖裂隙探測的鉆測一體化系統及方法。
【背景技術】
[0002]煤礦井下開采引起周圍巖體的應力場、變形場等重新分布，導致上覆巖層出現不同程度的破壞。其中，巖層采動破斷裂隙是煤礦突水的通道，采動裂隙演化規律是判斷礦井突水發生條件、進行礦井突水預測和制訂礦井水害防治對策的重要理論基礎。
[0003]現有技術中，專利一種覆巖導水裂隙帶監測系統及其探測鉆進方法(申請號201110457012.3，)與煤層采空區裂隙帶注水觀測系統(申請號201020248915.1)公開了一種雙端堵水觀測系統，該系統主要包括探桿、控制裝置和推進裝置；探管由兩個封堵膠囊、注水管路、封堵管路、連接管等構成；控制裝置包括注水控制裝置和封堵控制裝置，由壓力表、流量表、開關等構成；推進裝置由鉆機、鉆桿構成。該系統在使用過程中，注水管路和封堵管路均連接在探桿上，隨探桿和鉆桿一塊進入鉆孔內，在井下惡劣的條件下，管路很容易與鉆孔壁和鉆桿之間產生摩擦、擠壓，破壞管路的密封性，甚至使管路斷裂；受管路連接等的影響，探測深度不能太大，否則連接處容易斷裂，而且封孔膠囊起漲壓力不能太大，否則膠囊不能膨脹，經常發生因膠囊膨脹不到位而使測量結果錯誤的現象；為了提高封孔的可靠性，有時會將封孔壓力調的較大，從而減小封孔膠囊壽命，甚至發生破裂，嚴重影響導水裂隙帶的正常觀測及觀測結果的準確性。
[0004]現有技術中，專利一種電控式單回路堵水覆巖裂隙探測儀(申請號:201220663940.5)與一種電控式單回路堵水覆巖裂隙探測方法(申請號:201210517637.9)公開了一種覆巖裂隙檢測系統與方法，該覆巖裂隙檢測系統主要包括探管、注水控制裝置和推進裝置；探管由水流調節裝置、兩個封孔膠囊、連接桿、連接塊等構成；注水控制裝置由壓力表、流量表、開關等構成；推進裝置由鉆機、鉆桿構成。該系統封堵和注水采用同一回路，取消了封堵管路，并直接通過鉆桿注水，從而避免了封堵管路、注水管路與鉆孔壁和鉆桿摩擦、擠壓而發生破裂，造成不能有效堵孔和注水，簡化了探測系統，極大提高了堵水可靠性，而且探測深度不受限制；自動檢測封孔膠囊內的壓力，達到預設值時及時切斷水源，消除了人工操作的誤差，既能保證有效堵孔，又對封孔膠囊起到保護作用，在現場應用中獲得了較好的效果。
[0005]然而，現有技術在使用過程中均需要提前開挖鉆孔，鉆孔長時間放置會產生新的裂隙，導致一定的測量誤差；特別是當上覆巖層較軟或較破碎時，甚至會出現塌孔，導致后續探測工作無法進行；另外，探測過程中是否完成封孔以及封孔的可靠性無法人為驗證。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對現有的覆巖裂隙探測存在的開挖鉆孔與覆巖裂隙探測不能同時進行，鉆孔長時間放置會產生新的裂隙，導致一定的測量誤差甚至產生塌孔，以及探測過程中是否完成封孔以及封孔的可靠性無法人為驗證等問題，提出了一種用于覆巖裂隙探測的鉆測一體化系統及方法。
[0007]本發明采用如下技術方案:
[0008]一種用于覆巖裂隙探測的鉆測一體化系統，包括探管、鉆進裝置和控制裝置；
[0009]所述探管桿體上套有封孔膠囊，探管上端設有外螺紋，下端設有內螺紋，所述封孔膠囊兩端分別通過位于探管的上凸臺和下凸臺固定，所述上凸臺與下凸臺的橫截面為梯形，下凸臺下部的探管桿體上開有凹槽；所述封孔膠囊內部設有電動三通球閥，所述電動三通球閥包括執行器、電磁線圈、上通口和側通口，所述執行器可以在上通口與側通口之間旋轉。
[0010]所述鉆進裝置包括鉆機、多個鉆桿和鉆頭，所述鉆頭通過螺紋與所述探管上端連接，位于前端的鉆桿通過螺紋與所述探管下端連接，各鉆桿之間通過螺紋連接，鉆桿桿體均開有一凹槽，鉆桿與探管及鉆桿間緊密連接時，探管下部的凹槽與鉆桿凹槽均在同一條直線上。
[0011]所述控制裝置包括水流調節裝置和注水操作臺，所述水流調節裝置包括24V直流電源、電纜線和三通球閥開關，所述24V直流電源、三通球閥開關和所述探管內電動三通球閥的電磁線圈通過電纜線連接構成回路，所述注水操作臺包括連接管、進水閥、壓力表、流量表、放水閥、支架和水管，所述鉆桿及探管內部均具有水流通道，上通口和側通口與水流通道相連通，所述水管與所述鉆桿的水流通道相連，所述鉆頭上開有出水口，出水口與水流通道相連通。
[0012]一種用于覆巖裂隙探測的鉆測一體化方法，使用上述的一種用于覆巖裂隙探測的鉆測一體化系統，包括以下步驟:
[0013]步驟一:在井下硐室或巷道內布置用于覆巖裂隙探測的鉆測一體化系統，配備3?6MPa水壓的水源；安裝鉆機，依次連接水源、注水操作臺、鉆桿、探管和鉆頭，并連接電磁線圈、電纜線、24V直流電源和三通球閥開關，將電纜線置于探管和鉆桿桿體的凹槽內，并用扎帶固定以防電纜線滑出凹槽，同時將24V直流電源和三通球閥開關固定在鉆孔外部的鉆桿上；開動鉆機進行鉆進時，三通球閥開關處于打開狀態，電磁線圈不通電，執行器位于側通口處，此時電動三通球閥的上通口打開，側通口關閉，水流經過鉆頭上的出水口進入鉆孔內，起降溫除塵作用。
[0014]步驟二:鉆進至預定位置時，停止鉆進，閉合三通球閥開關，電磁線圈通電，使執行器旋轉至上通口處，此時電動三通球閥的上通口關閉，側通口打開，水流進入封孔膠囊內，使封孔膠囊膨脹；當流量表的示數不再變化時，打開三通球閥開關，完成封孔。
[0015]步驟三:調節進水閥大小，使壓力表數值達到設定值，壓力表的設定值為固定壓力值(一般為IMPa左右)與高程水壓(注水操作臺與探管所在孔段高度的靜水壓力)之和。觀測流量表記錄每I分鐘內水的流量，共觀測3次，記錄3個流量值，完成該位置的測量工作；關閉進水閥，閉合三通球閥開關，打開放水閥，使封孔膠囊內的水流出，若出現大量水沿鉆孔壁流出，表明封孔是良好的。
[0016]步驟四:關閉放水閥，打開三通球閥開關，打開進水閥，繼續鉆進鉆孔，到達預定位置時，重復步驟二和步驟三，直至完成所有的測量工作；取每個測量位置處3個流量值的平均值為I軸數據，鉆孔深度為X軸數據，繪制流量一鉆孔深度曲線，流量值越大的位置，覆巖裂隙越發育。
[0017]優選地，所述步驟二還包括:完成封孔后，關閉進水閥，若壓力表的示數保持不變，表明各管路連接良好，無漏水現象；待無水流沿鉆孔壁流出時，重新打開進水閥，若不出現大量水沿鉆孔壁流出，表明封孔良好。
[0018]優選地，所述步驟一、步驟四還包括:隨著鉆機鉆進，24V直流電源和三通球閥開關不斷隨鉆桿向上運動，每鉆進一定距離，需向下調整24V直流電源和三通球閥開關的位置，以保證24V直流電源和三通球閥開關始終固定在鉆孔外部的鉆桿上。
[0019]本發明具有如下有益效果:
[0020]1、鉆孔鉆進與覆巖裂隙探測同步進行，顯著減小了因提前開挖鉆孔加劇裂隙發育而引起的測量誤差，對地質條件變化(軟巖、斷層等)的適應性強，克服了因鉆孔塌孔導致卡鉆等使探測工作無法進行的問題。
[0021]2、直接通過鉆桿注水和封孔，取消了注水和封堵軟管，克服了軟管易磨損和斷裂的問題，而且水壓可以很大，為采用高強封孔膠囊封孔提供了可能，克服了封孔膠囊易磨損和破裂的問題，顯著提高了封孔可靠性。
[0022]3、通過電動三通球閥人為控制注水和封孔，可以隨時檢查封孔的可靠性，從而為探測的準確性提供了保證。
[0023]4、邊鉆進邊探測，減少了勞動量，降低了工人勞動強度，提高了探測效率。本發明不僅適用于中硬以上覆巖裂隙發育規律的探測，而且在軟弱覆巖、斷層較發育地帶等易塌孔條件下，仍能取得較好的探測效果，具有探測精度高、封孔效果好、操作簡單、效率高等優點，便于推廣使用。
【附圖說明】
[0024]圖1是一種用于覆巖裂隙探測的鉆測一體化系統的結構示意圖；
[0025]圖2是本發明中探管結構的平面示意圖；
[0026]圖3是本發明中探管結構的斷面示意圖；
[0027]圖4是本發明中電動三通球閥及上通口流向的示意圖；
[0028]圖5是本發明中電動三通球閥及側通口流向的示意圖；
[0029]圖6是本發明中電動三通球閥控制回路的示意圖；
[0030]圖7是本發明中鉆桿的示意圖；
[0031]圖8是本發明中鉆桿的立面示意圖；
[0032]圖9是本發明中注水操作臺結構示意圖；
[0033]圖10是本發明獲得的流量一鉆孔深度曲線示意圖。
[0034]其中，I為探管，2為鉆機，3為鉆桿，4為鉆頭，5為注水操作臺，6為電纜線，7為24V直流電源及三通球閥開關，8為鉆孔，9為桿體，10為電動三通球閥，11為封孔膠囊，12為上凸臺，13為下凸臺，14為凹槽，15為電磁線圈，16為執行器，17為側通口，18為上通口，19為水管，20為24V直流電源，21為三通球閥開關，22為進水閥，23為壓力表，24為流量表，25為放水閥，26為支架，27為連接管，28為出水口，29為水流通道。
【具體實施方式】
[0035]下