本發(fā)明屬于礦山底板巖體破壞范圍測定技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及底板采動(dòng)破壞帶分段觀測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

礦山頂?shù)装鍘r體破壞范圍的測量是標(biāo)志煤巖賦存狀態(tài)的重要參數(shù)。在研究礦井防治水時(shí)，它是一個(gè)關(guān)鍵性的基礎(chǔ)參數(shù)，因此，研究采動(dòng)圍巖中的導(dǎo)水通道的形成，就有必要掌握巖層移動(dòng)規(guī)律和確定頂?shù)装鍘r體破壞范圍。目前現(xiàn)有技術(shù)中通常采用數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)、現(xiàn)場實(shí)測等手段進(jìn)行觀測。

然而，由于現(xiàn)場條件復(fù)雜，在一定程度上，數(shù)值模擬不能很好的反映現(xiàn)場情況，經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)的盲目性較大，隨著采深加大，經(jīng)驗(yàn)公式適用性越來越差。對(duì)底板采動(dòng)破壞帶的觀測中，存在的技術(shù)缺陷還有：首先，現(xiàn)有的雙端封堵觀測系統(tǒng)在探測時(shí)需要多次進(jìn)行推進(jìn)探測，分多段進(jìn)行探測，由于鉆孔長度大致在50-70m，每次推進(jìn)探測長度大約1m，推進(jìn)次數(shù)過多使得人工工作量大大增加，進(jìn)而可能影響測量精確性，并且測量效率不高；其次，在實(shí)際觀測過程中，需要進(jìn)行多次的充放水，進(jìn)行膠囊起脹及裂隙充水，另外，傳統(tǒng)的起脹膠囊在高壓水的作用下，由于應(yīng)力的集中導(dǎo)致其容易破裂；最后，鉆孔內(nèi)觀測水源壓力較大會(huì)對(duì)鉆孔孔壁內(nèi)原有裂隙形成擴(kuò)張作用，現(xiàn)有的雙端封堵系統(tǒng)需要頻繁的更換不同壓力水源，現(xiàn)有技術(shù)未能同時(shí)解決上述四個(gè)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種底板采動(dòng)破壞帶分段觀測系統(tǒng)，該探測系統(tǒng)首先可以實(shí)現(xiàn)觀測系統(tǒng)的一次封堵多段依次測量，提高了測量效率；其次，實(shí)現(xiàn)了單系統(tǒng)供水測定一體化，不僅解決了鉆孔內(nèi)多管道繞線問題，而且減少了操作系統(tǒng)個(gè)數(shù)(傳統(tǒng)的測量中封堵系統(tǒng)與測漏系統(tǒng)是分別測量的)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了同一水源下水壓力的轉(zhuǎn)換，保證了封堵過程與探測過程在各自水壓力下工作；最后，避免了封堵膠囊的高壓充水易破裂問題，提高了測量過程的穩(wěn)定性。

其技術(shù)解決方案包括：

一種底板采動(dòng)破壞帶分段觀測系統(tǒng)，其包括封堵系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和推進(jìn)供給系統(tǒng)，所述探測系統(tǒng)包括導(dǎo)向錐和探測內(nèi)管，所述探測內(nèi)管包括依次連接在一起的I型探測內(nèi)管和II型探測內(nèi)管，所述I型探測內(nèi)管用于伸入巖層的最內(nèi)側(cè)，所述導(dǎo)向錐安裝在所述I型探測內(nèi)管的頭部，所述II型探測內(nèi)管設(shè)置有若干段，其特征在于：在所述I型探測內(nèi)管上設(shè)置有可伸縮充放水頭；

所述封堵系統(tǒng)包括封堵外管、膠囊進(jìn)水開關(guān)、若干個(gè)封堵膠囊和若干個(gè)滑移套管，相鄰的封堵膠囊之間通過膠囊連接管接通，所述滑移套管套置在所述封堵外管上，其中，每個(gè)封堵膠囊均包括外封堵膠囊和內(nèi)封堵膠囊，所述外封堵膠囊的一端固定在所述滑移套管的外側(cè)，另一端固定在所述封堵外管凸起部的外側(cè)，所述內(nèi)封堵膠囊的一端固定在所述滑移套管的內(nèi)側(cè)，另一端固定在所述封堵外管上，相鄰的封堵膠囊之間的封堵外管的頂部均設(shè)置有漏水孔，所述探測內(nèi)管位于所述封堵外管內(nèi)，并可在所述封堵外管內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)；所述膠囊進(jìn)水開關(guān)設(shè)置在位于最外側(cè)的封堵膠囊處的封堵外管上，并且，當(dāng)探測內(nèi)管在所述封堵外管內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，所述可伸縮充放水頭恰好與所述膠囊進(jìn)水開關(guān)配合形成打開或關(guān)閉狀態(tài)，

所述推進(jìn)供給系統(tǒng)包括鉆機(jī)、鉆桿和注水操作臺(tái)；

所述壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)位于鉆機(jī)與探測內(nèi)管之間的鉆桿上，其包括套管一、套管二和壓力轉(zhuǎn)換閥門，所述套管一、套管二與所述鉆桿形成螺紋連接，所述壓力轉(zhuǎn)換閥門包括轉(zhuǎn)換管和壓力轉(zhuǎn)換器，所述壓力轉(zhuǎn)換器位于所述轉(zhuǎn)換管內(nèi)部。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，所述壓力轉(zhuǎn)換器包括不等長活塞組、通水孔、彈簧一、壓板和調(diào)節(jié)螺絲，所述不等長活塞組為圓柱形，其中間被長軸固定連接，所述通水孔位于不等長活塞組兩側(cè)，所述彈簧一位于不等長活塞組的下方，通過不等長活塞組的移動(dòng)來控制是否充水，所述壓板和調(diào)節(jié)螺絲用于調(diào)節(jié)開啟壓力。

作為本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選方案，所述封堵外管內(nèi)壁底部設(shè)置有導(dǎo)向軌，所述探測內(nèi)管的外壁底部設(shè)置有與所述導(dǎo)向軌配合滑動(dòng)的凹槽。

優(yōu)選的，所述膠囊進(jìn)水開關(guān)包括密封蓋板、膠囊充水孔和彈簧二，所述密封蓋板包括橫向密封蓋板和與其連接的垂向密封蓋板，所述膠囊充水孔位于所述橫向的密封蓋板上，所述彈簧二位于垂向密封蓋板的兩側(cè)。

優(yōu)選的，所述可伸縮充放水頭為一球狀凸起，當(dāng)可伸縮充放水頭在封堵外管內(nèi)滑動(dòng)至膠囊進(jìn)水開關(guān)位置時(shí)，所述可伸縮充放水頭恰好彈出，將所述密封蓋板推起，導(dǎo)通膠囊充水孔，通過注水操作臺(tái)進(jìn)行充水。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)向軌呈半圓拱形。

優(yōu)選的，所述內(nèi)封堵膠囊、外封堵膠囊的兩端通過緊固螺圈進(jìn)行固定。

優(yōu)選的，I型探測內(nèi)管與II型探測內(nèi)管、相鄰的II型探測內(nèi)管之間均通過螺紋連接。

本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了觀測系統(tǒng)的一次封堵完成多段依次測量，相對(duì)傳統(tǒng)雙端封堵測漏裝置，可成倍減少封堵裝置移動(dòng)次數(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測量工作的效率。

(2)實(shí)現(xiàn)了由單一操作系統(tǒng)供水封堵測定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了探測內(nèi)管在固定軌道滑移探測，解決了鉆孔內(nèi)多管道繞線問題，保證了探測過程的穩(wěn)定性。

(3)實(shí)現(xiàn)了同一外界水源下高低水壓的轉(zhuǎn)換，保證了封堵過程與探測過程在各自不同水壓力下有序工作，不僅有效避免了高壓水源對(duì)鉆孔裂隙的破壞作用，而且提高了測量過程的準(zhǔn)確性。

(4)封堵膠囊在高壓水源下起脹時(shí)，可以隨滑移套管在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，避免了封堵膠囊因?yàn)閼?yīng)力集中現(xiàn)象造成的高壓充水易破裂問題，提高了封堵膠囊的密封效果。

(5)實(shí)現(xiàn)了一次充水所有封堵膠囊的全部起脹，減少了操作步驟。

本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，制作成本低，測量效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

圖1為本發(fā)明底板采動(dòng)破壞帶分段觀測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明封堵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(位于最外側(cè)的封堵膠囊處)的示意圖；

圖3為本發(fā)明封堵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(其余封堵膠囊處)的示意圖；

圖4、圖5為本發(fā)明封堵系統(tǒng)狀態(tài)示意圖；

圖6為本發(fā)明膠囊進(jìn)水開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明滑移套管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明膠囊連接管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明Ⅰ型探測內(nèi)管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明Ⅰ型探測內(nèi)管中伸縮充放水頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為本發(fā)明Ⅰ型探測內(nèi)管中伸縮充放水頭工作狀態(tài)示意圖；

圖12為本發(fā)明壓力轉(zhuǎn)換閥門分解圖；

圖13、圖14為本發(fā)明壓力轉(zhuǎn)換閥門狀態(tài)示意圖；

圖15為本發(fā)明壓力轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖16為本發(fā)明壓力轉(zhuǎn)換器狀態(tài)示意圖；

圖17為本發(fā)明封堵外管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖18為本發(fā)明導(dǎo)向軌結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1、巖體，2、鉆孔，3、外封堵膠囊，4、內(nèi)封堵膠囊，5、膠囊連接管，6、封堵外管，7、II型探測內(nèi)管，8、導(dǎo)向錐，9、鉆桿，10、鉆機(jī)，11、高壓軟管，12、注水操作臺(tái)，13、套管一，14、套管二，15、壓力轉(zhuǎn)換閥門，16、不等長活塞組，17、通水孔，18、彈簧一，19、壓板，20、調(diào)節(jié)螺絲，21、滑移套管，22、緊固螺圈，23、漏水孔，24、導(dǎo)向軌，25、膠囊進(jìn)水開關(guān)，26、膠囊充水孔，27、彈簧二，28、可伸縮充放水頭，29、壓力轉(zhuǎn)換器，30、密封蓋板，31、Ⅰ型探測內(nèi)管，32、轉(zhuǎn)換管。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種底板采動(dòng)破壞帶分段觀測系統(tǒng)，為了使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)、技術(shù)方案更加清楚、明確，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。

如如1所示，本發(fā)明底板采動(dòng)破壞帶分段觀測系統(tǒng)，包括封堵系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和推進(jìn)供給系統(tǒng)。

探測系統(tǒng)結(jié)合圖1、圖9所示，包括導(dǎo)向錐8和探測內(nèi)管，探測內(nèi)管包括依次連接在一起的I型探測內(nèi)管31和II型探測內(nèi)管7，其中，I型探測內(nèi)管31有一段，II型探測內(nèi)管7可設(shè)置為若干段，具體數(shù)量根據(jù)實(shí)際測量需求來選取，相鄰的探測內(nèi)管之間通過螺紋連接在一起，并且方便拆卸，安裝后的探測內(nèi)管，I型探測內(nèi)管伸入巖層的最內(nèi)側(cè)，并且導(dǎo)向錐8安裝在I型探測內(nèi)管的頭部，作為本發(fā)明的主要改進(jìn)點(diǎn)之一，在I型探測內(nèi)管31上設(shè)置有可伸縮充放水頭28，可伸縮充放水頭28的具體結(jié)構(gòu)結(jié)合圖10和圖11所示，其為球狀凸起設(shè)計(jì)，內(nèi)部有彈簧幫助球狀凸起彈起，其具體作用原理是，當(dāng)I型探測內(nèi)管滑動(dòng)至封堵系統(tǒng)的膠囊進(jìn)水開關(guān)25處時(shí)，此時(shí)可伸縮充放水頭28恰好自動(dòng)彈出。

作為本發(fā)明的另一個(gè)主要改進(jìn)點(diǎn)，封堵系統(tǒng)結(jié)合圖2、3、4、5、6所示，包括封堵外管6、膠囊進(jìn)水開關(guān)25、若干個(gè)封堵膠囊和若干個(gè)滑移套管21，封堵膠囊的數(shù)量與滑移套管21相同，而封堵膠囊的個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際測量需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖8所示，相鄰的封堵膠囊之間通過膠囊連接管5接通，滑移套管21套置在封堵外管6上，封堵外管6的具體結(jié)構(gòu)見圖17所示，其包括呈圓柱狀的管體部和位于管體部最右側(cè)的凸起部，其中，每個(gè)封堵膠囊均包括外封堵膠囊3和內(nèi)封堵膠囊4，外封堵膠囊3的一端固定在滑移套管21的外側(cè)，另一端固定在封堵外管6凸起部的外側(cè)，內(nèi)封堵膠囊4的一端固定在滑移套管的內(nèi)側(cè)，另一端固定在封堵外管6上，為了將外封堵膠囊和內(nèi)封堵膠囊更好的固定，在它們與滑移套管和封堵外管的連接處通過緊固螺圈22進(jìn)行加固，相鄰的封堵膠囊之間的封堵外管的頂部均設(shè)置有漏水孔23。

膠囊進(jìn)水開關(guān)25僅有一個(gè)，它設(shè)置在位于最外側(cè)的封堵膠囊處的封堵外管上，并且，當(dāng)探測內(nèi)管在所述封堵外管內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，可伸縮充放水頭恰好與膠囊進(jìn)水開關(guān)配合形成打開或關(guān)閉狀態(tài)，它的具體結(jié)構(gòu)見圖6所示，包括密封蓋板30、膠囊充水孔26和彈簧二27，密封蓋板30包括橫向密封蓋板和與其連接的垂向密封蓋板，膠囊充水孔26位于橫向的密封蓋板30上，彈簧二27位于垂向密封蓋板的兩側(cè)，當(dāng)可伸縮充放水頭28自動(dòng)彈出時(shí)，可將膠囊進(jìn)水開關(guān)的密封蓋板頂起，通過膠囊充水孔向膠囊內(nèi)充水。

滑移套管21的具體結(jié)構(gòu)見圖7所示，將它安設(shè)在封堵膠囊處，在對(duì)封堵膠囊充水時(shí)，可以減少其內(nèi)部應(yīng)力，滑移套管通過在封堵膠囊處小范圍移動(dòng)，降低封堵膠囊內(nèi)部應(yīng)力，從而防止封堵膠囊發(fā)生破裂。

結(jié)合圖4、圖5和圖18所示，探測內(nèi)管位于所述封堵外管內(nèi)，并可在所述封堵外管內(nèi)相對(duì)滑動(dòng)；具體的結(jié)構(gòu)為：封堵外管內(nèi)壁底部設(shè)置有導(dǎo)向軌24，探測內(nèi)管的外壁底部設(shè)置有與導(dǎo)向軌24配合滑動(dòng)的凹槽，為了與凹槽形成滑動(dòng)配合，導(dǎo)向軌24的形狀優(yōu)選設(shè)置為半圓拱形。

壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)詳見圖12-圖16所示，包壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)位于鉆機(jī)與探測內(nèi)管之間的鉆桿上，包括套管一13、套管二14、轉(zhuǎn)換管32、壓力轉(zhuǎn)換閥門15和壓力轉(zhuǎn)換器29；其中套管一和套管二位于壓力轉(zhuǎn)化閥門15的兩側(cè)，并且套管一和套管二的兩端分別通過螺紋連接在鉆桿上，壓力轉(zhuǎn)換閥門15其內(nèi)部有轉(zhuǎn)換管32和壓力轉(zhuǎn)換器29，它們可以隨壓力轉(zhuǎn)換閥門15轉(zhuǎn)動(dòng)；壓力轉(zhuǎn)換器29螺紋連接于轉(zhuǎn)換管32內(nèi)部，其數(shù)量為一個(gè)，轉(zhuǎn)換管32數(shù)量為兩個(gè)，只在一個(gè)內(nèi)部裝有壓力轉(zhuǎn)換器29；壓力轉(zhuǎn)換器29包括不等長活塞組16、通水孔17、彈簧一18、壓板19和調(diào)節(jié)螺絲20，不等長活塞組16為圓柱形，其中間被長軸固定連接，通水孔17位于不等長活塞組16兩側(cè)，當(dāng)不等長活塞組16移動(dòng)至另一端時(shí)，恰好與通水孔17接通，壓板19和調(diào)節(jié)螺絲20負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)開啟壓力。

上述壓力轉(zhuǎn)換器29工作原理為：

壓力轉(zhuǎn)換器29中的不等長活塞組16上端較小的端頭面積為S_小，接觸水壓為外界注水操作臺(tái)12的高壓水壓P_高，下端較大的端頭面積為S_大，接觸水壓為鉆孔測試水壓P_低，彈簧一18中彈性系數(shù)k，壓縮量x，由二力平衡原理可知：

當(dāng)P_高S_小≥P_低S_大+kx，則壓力轉(zhuǎn)換器29處于打開狀態(tài)，不等長活塞組16下移，通水孔17與探測內(nèi)管連通，開始進(jìn)行充水。

當(dāng)P_高S_小≤P_低S_大+kx，則壓力轉(zhuǎn)換器29處于關(guān)閉狀態(tài)，不等長活塞組16保持關(guān)閉狀態(tài)，通水孔17被壓力轉(zhuǎn)換器29內(nèi)壁封堵，不進(jìn)行充水。

推進(jìn)供給測定系統(tǒng)詳見圖1所示，包括鉆機(jī)10、鉆桿9和注水操作臺(tái)12，注水操作臺(tái)通過高壓軟管11向封堵膠囊內(nèi)供水。推進(jìn)供給測定系統(tǒng)中的鉆桿9兼具接長推進(jìn)封堵外管6和探測內(nèi)管及導(dǎo)水功能。

下面結(jié)合具體的觀測方法對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明觀測方法，具體包括以下步驟：

第一步、打探測鉆孔，用鉆機(jī)在煤巖巷道中向頂板或底板巖體1中先后施工規(guī)定角度鉆孔2數(shù)個(gè)；

第二步、安裝上述觀測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將其安裝好；

第三步、起脹所有封堵膠囊，

將探測內(nèi)管的I型探測內(nèi)管段放置在封堵外管內(nèi)，并沿封堵外管滑動(dòng)將I型探測內(nèi)管段推送至最外側(cè)的封堵膠囊的膠囊進(jìn)水開關(guān)處，此時(shí)，位于I型探測內(nèi)管上的可伸縮充放水頭自動(dòng)彈出，將膠囊進(jìn)水開關(guān)頂開，此時(shí)通過壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)將水壓轉(zhuǎn)換為高壓狀態(tài)，即工程中通常的數(shù)據(jù)為2.5MPa，開啟注水操作臺(tái)向最外側(cè)的封堵膠囊進(jìn)行充水，最外側(cè)的封堵膠囊充滿后，依次向相鄰的封堵膠囊進(jìn)行充水，此時(shí)所有的封堵膠囊會(huì)依次起脹，待所有封堵膠囊起脹完成后，關(guān)閉注水操作臺(tái)，同時(shí)將探測內(nèi)管繼續(xù)向上推進(jìn)至第一個(gè)漏水孔；

第四步、測定漏水量參數(shù)，

接步驟三，完成所有封堵膠囊的起脹后，進(jìn)行漏水量參數(shù)測定，探測內(nèi)管的I型探測內(nèi)管段在推進(jìn)至第一個(gè)漏水孔時(shí)，可伸縮充放水頭再次自動(dòng)彈出，與第一個(gè)漏水孔形成導(dǎo)水通道，此時(shí)通過壓力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)將水壓轉(zhuǎn)換為低壓狀態(tài)如0.1MPa，開啟注水操作臺(tái)進(jìn)行充水，充水完成后，關(guān)閉注水操作臺(tái)，同時(shí)將探測內(nèi)管繼續(xù)向上推進(jìn)至下一個(gè)漏水孔，并進(jìn)行充水，依次完成后面漏水孔的充水測量；即按照順序依次增加水壓穩(wěn)定后，分別等待1-2分鐘，分別讀取并計(jì)算各孔段平均漏水量L₁、L₂、L₃、...；

第五步、對(duì)封堵膠囊進(jìn)行泄壓排水，

通過探測內(nèi)管沿封堵外管滑動(dòng)，將探測內(nèi)管的Ⅰ型探測內(nèi)管段向下回撤至最外側(cè)的封堵膠囊進(jìn)水開關(guān)位置，此時(shí)可伸縮充放水頭自動(dòng)彈出，將膠囊進(jìn)水開關(guān)頂開，此時(shí)通過壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將水壓轉(zhuǎn)換為0MPa，并關(guān)閉注水操作臺(tái)，此時(shí)所有封堵膠囊開始同時(shí)泄壓排水，完成所有封堵膠囊的泄壓排水。

需要說明的是，在本說明書的教導(dǎo)下本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的任何等同方式，或明顯變型方式均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。