一种测试采动裂隙发育程度的装置及方法

技术领域

本发明属于导水裂隙带观测的技术领域，具体涉及一种测试采动裂隙发育程度的装置及方法。

背景技术

煤矿地下开采会引起工作面覆岩层的移动和破坏，从而在覆岩层中形成导水裂隙带，导水裂隙带的产生会使得区域水资源流失，同时也会引起井下水害的发生，危及矿井安全高效生产，因此需要对覆岩导水裂隙带的发育高度进行监测，目前对于检测裂隙大小的方式主要通过钻孔放注水法获取岩体渗透性指标；该方法是通过钻机向覆岩层钻孔，然后利用双端堵水器封堵钻孔的某一区段后向其内进行注水，水流会通过裂隙向覆岩层中渗透，当注水饱和后，根据实际漏失量，判断覆岩层中裂隙的大小，从而预测裂隙的发育高度。

但实际应用中一般需要钻孔的孔深较大，往复的更换钻杆和双端堵水器占用大量的工作时间，导致测测试效率较低。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种测试采动裂隙发育程度的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种测试采动裂隙发育程度的装置，包括：

测试管，测试管的远端以可拆卸的形式连接有钻头，近端以可拆卸的方式连接钻杆；

所述测试管的远端和中部各设有一个囊袋，所述测试管侧壁对应每个所述囊袋均设有进水孔，在所述测试管侧壁对应两个所述囊袋之间的部分设有不少于一个测试孔；

囊袋注水管路，所述囊袋注水管路沿所述测试管内部延伸，并串联两个所述囊袋；

测试注水管路，所述测试注水管路沿所述测试管内部延伸，以通过所述测试孔向指定位置注水；

注水泵，所述注水泵通过三通接头对应连接所述囊袋注水管路和所述测试注水管路。

优选，所述测试管为螺纹连接的多段结构，由远至近依次为第一节段、第二节段、第三节段；

其中，所述第一节段和所述第三节段分别对应两个所述囊袋，所述测试孔位于所述第二节段；

所述第一节段的远端为密封端，近端设有第一堵头；所述第三节段的远端设有第二堵头，近端为连通钻杆的开放端；所述钻杆的近端通过双孔分流器对应连接所述三通接头；

钻杆的内部设有中心管道，所述双孔分流器的其中一个出水端通过所述中心管道对应连接第一管道的近端，所述第一管道的远端穿过所述第二堵头后连通第二节段，以与所述测试孔形成测试注水管路；

所述双孔分流器的另一个出水端通过所述中心管道和所述钻杆内壁之间的空隙连通所述第三节段，并和两端分别穿过所述第一堵头和所述第二堵头的第二管道形成串联所述第一节段和所述第三节段的囊袋注水管路。

优选，所述钻杆包括多节，每节转杆内部均设有中心管道，相邻的两节所述拼接节内的所述中心管道通过快接接头连接；

所述快接接头包括快接公头和快接母头，每节钻杆的两端分别通过支撑圈固定快接公头和快接母头，中心管道对应连接在快接公头和快接母头之间；

所述支撑圈周向均匀分布有多个缺口，所述钻杆端部设有对应支撑圈的阶梯台。

优选，所述双孔分流器为近端封闭的管状结构，其远端通过螺纹连接的形式连接在钻杆的近端，所述双孔分流器内部设有与钻杆的近端相适配的快接母头，双孔分流器内壁通过阶梯台连接头支撑圈，所述双孔分流器的侧壁设有第一进水管，以通过双孔分流器和快接母头之间的间隙连通囊袋注水管路；

所述双孔分流器的近端设有第二进水管，第二进水管对应连接快接母头的近端。

优选，所述三通接头与所述囊袋注水管路之间通过第一软管连接，所述第一软管上自近端向远端依次设有第一泄压阀、第一阀门、第一压力表和第二泄压阀；

所述三通接头与所述测试注水管路之间通过第二软管连接，所述第二软管上自近端向远端依次设有第三泄压阀、第二阀门、第二压力表、流量表和第四液压阀。

优选，所述囊袋为套接在所述测试管上的管状弹性件，在所述囊袋的两段均通过环箍固定。

一种测试采动裂隙发育程度的方法，通过上述任一所述的测试采动裂隙发育程度的装置进行测试，测试方法包括以下步骤：

步骤S1，进行测试管组装，将组装后的测试管推送至测试孔段；

步骤S2，开启注水泵，通过测试注水管路向测试孔段注水，待水压大于预计的理论高程静压时停止注水并关闭管路，以此时的水压作为该孔段的高程静压；

步骤S3，通过囊袋注水管路向两个囊袋注水以封堵测试孔段，待水压大于高程静压0.5MPa时停止注水并关闭管路；

步骤S4，再次通过测试注水管路对测试孔段注水，直至注水压力大于高程静压0.2Mpa时停止注水并保压；

步骤S5，待水压稳定后进行一个单元时间段注水后停止，并记录该单元时间段内的注水量，得出注水漏失量数据；

步骤S6，打开囊袋注水管路对囊袋泄压以解除封堵；

步骤S7，推进测试孔深度，对下一测试孔段进行测试。

优选，测试管的近端螺纹连接钻杆，钻杆对应连接钻机，以通过钻机推进测试孔的深度。

优选，所述双孔分流器的主体为中空管状结构，

在所述主体的内部设有密封板，所述密封板上设有两个贯穿的连接管，所述连接管的远端为出水端，另一端分别以可拆卸的方式供水软管；

在所述主体侧壁开设有对应所述连接管近端的缺口，在推进测试孔深度时拆除所述供水软管。

优选，测试方法还包括：

步骤S8，将各测试孔段观测到的注水漏失量数据与对应的测试孔深度绘制图表，分析测试孔内的注水漏失量变化，以确定导水裂隙带高度。

有益效果：将钻杆和双端堵水器结合为一，将测试管作为钻杆，钻进至一定孔深后即可直接开始测试，测试和钻机过程中无需进行钻杆和双端堵水器更替，利用测试管内置的通水管道，可以有效的保护管道不被岩层钻孔内的碎石所磨损，同时防止测试过程中过长的管线可能会发生缠绕的状况。

测试管内采用分离式双通道过水通道，且两个过水通道互不影响，随着孔深的不断推进，可以进行拼接节的叠加以满足测试孔段深度需求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明所提供具体实施例中测试装置的结构简图；

图2为本发明所提供具体实施例中测试管的剖视简图；

图3为图2中A处放大图；

图4为图2中B处放大图；

图5为本发明所提供具体实施例中双孔分流器设置批头的结构简图；

图6为按照本发明所提供具体实施例所测得的底板钻孔漏失量曲线图；

图7为按照本发明所提供具体实施例所测得的底板钻孔漏失量柱状图。

图中：1、钻头；2、囊袋、3、第二节段；4、螺纹套管；5、测试孔；6、环箍；7、钻杆；8、第三节段；9、第一节段；10、双孔分流器；11、第一软管；12、第二软管；13、第二泄压阀；14、第一压力表；15、第一阀门；16、第一泄压阀；17、三通接头；18、注水泵；19、第三泄压阀；20、第二阀门；21、第二压力表；22、流量表；23、第四液压阀；24、第一堵头；25、第二管道；26、第二堵头；27、第一管道；28、快接接头；29、中心管道；101、批头；102、主体；103、缺口；104、第一进水管；105、第二进水管；281、快接公头；282、快接母头；283、支撑圈。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1-7所示，一种测试采动裂隙发育程度的装置，包括测试管、囊袋2注水管路、测试注水管路和注水泵18，在本申请中，以伸入测试孔5的一端为远端，测试管的远端设置有以可拆卸的形式连接有钻头1，钻头1的成孔直径大于测试管外径一定间距，至少应保证囊袋2在非涨起状态下与成孔的孔壁具有0.5cm以上的间距；测试管近端对应连接在钻杆7上从而实现钻孔功能，在测试管上设置有囊袋2，以此实现对设定孔深的封堵功能，具体地，囊袋2有两个，两个囊袋2分别位于测试管的远端和中部，位于远端的囊袋2靠近钻头1，两个囊袋2的间距与预设测试孔5深的高度范围相适配。

测试管侧壁对应每个囊袋2均设有进水孔，水在注水泵18的高压作用下可以穿过该进水孔后进入囊袋2内，以此将囊袋2涨起后贴紧测试孔5的内壁，从而实现封堵功能，在测试管侧壁对应两个囊袋2之间的部分设有不少于一个测试孔5，测试孔5内导出的水可以直接注入测试孔段对应的裂隙内，以此实现注水操作。

囊袋2注水管路沿测试管内部延伸，并串联两个囊袋2，两个囊袋2通过位于测试管内的独立的管路进行供水，保证对两个囊袋2的同步加压和泄压，测试注水管路沿测试管内部延伸，以通过测试孔5向指定位置注水；两个管路均位于测试管的内部，可以有效的保护管道不被岩层钻孔内的碎石所磨损，同时防止测试过程中过长的管线可能会发生缠绕的状况。

注水泵18通过三通接头17对应连接囊袋2注水管路和测试注水管路。在本实施例中，囊袋2注水管路和测试注水管路通过连接软管连接在三通接头17的两个出水端，水泵通过软管连接在三通接头17的进水端。

在一可选实施例中，为了降低测试管的生产难度，并便于囊袋2注水管路和测试注水管路的布设，测试管为螺纹连接的多段结构，由远至近依次为第一节段9、第二节段3、第三节段8。第一节段9、第二节段3、第三节段8通过螺纹公头和螺纹母头的形式之间对接，或者通过螺纹套管4进行连接，以第一节段9和第二节段3为例，螺纹套管4两端设有内螺纹形成螺纹母头，第一节段9和第二节段3设有与螺纹套管4对应的外螺纹作为螺纹公头，以此实现对接。

其中，第一节段9和第三节段8分别对应两个囊袋2，第一节段9和第三节段8的长度与囊袋2长度相适配，测试孔5位于第二节段3。

测试孔5可以有多个，并在第二节段3的周向和径向均布，第二节段3具有多个规格，以根据实际所需测试的孔段长度进行调整。

第一节段9的远端为密封端，并通过螺纹连接的形式与钻头1连接，在第一节段9近端设有第一堵头24，第一堵头24为盖状或者柱状体，外壁设有外螺纹，以此通过螺纹连接的形式装配在第一节段9的内部，并位于第一节段9内腔的近端。

第三节段8内腔的远端设有第二堵头26，第二堵头26为盖状或者柱状体，外壁设有外螺纹，以此通过螺纹连接的形式装配在第三节段8的内部；第三节段8近端为连通钻杆7的开放端，钻杆7的近端通过双孔分流器10对应连接三通接头17，双孔分流器10具有两个进水管，两个进水管分别通过软管连通三通接头17。钻杆7的内部设有中心管道29，中心管道29的两端分别设有快接公头281和快接母头282，双孔分流器10的其中一个出水端通过中心管道29对应连接第一管道27的近端，第一管道27和中心管道29通过快接接头28进行连接(第一管道27近端为快接公头281，中心管道29远端为快接母头282)，第一管道27的远端穿过第二堵头26后连通第二节段3，具体的在第二堵头26上设有螺纹穿孔，第一管道27的远端设有螺纹接头，螺纹接头螺纹连接在螺纹穿孔内，以连通第二节段3内腔，与测试孔5形成测试注水管路。

双孔分流器10的另一个出水端通过中心管道29和钻杆7内壁之间连通第三节段8，该出水端以钻杆7内腔为导流通道，在第二堵头26的上还设有一个对应第二管道25的螺纹穿孔，第二管道25近端设有对应螺纹装配于螺纹穿孔的螺纹接头，相对应的，第一堵头24上设有对应第二管道25远端的螺纹穿孔，第二管道25远端设有对应螺纹装配于第一堵头24上螺纹穿孔的螺纹接头，以此第二管道25在第二节段3内部穿过，并形成串联第一节段9和第三节段8的囊袋2注水管路。

在一可选实施例中，钻杆7所述钻杆7包括多节，能够随着测试孔5钻孔需求进行接长，钻杆7的远端设置螺纹公头，近端设有螺纹母头，相适配的，第三阶段的近端设有螺纹母头。

每节转杆内部均设有中心管道29，相邻的两节所述拼接节内的所述中心管道29通过快接接头28连接，所述快接接头28包括快接公头281和快接母头282，每节钻杆7的两端分别通过支撑圈283固定快接公头281和快接母头282，具体在远端为快接母头282，近端为快接公头281，中心管道29对应连接在快接公头281和快接母头282之间，随着相邻两节转杆的螺纹连接，快接公头281和快接母头282插接后连通。

中心管道29两段伸出有插接公头，快接公头281和快接母头282对应插接公头的一端均设有插接母头，以此实现中心管道29和快接公头281、快接母头282的对接，在插接公头外壁设有不少于一个密封圈。

所述支撑圈283周向均匀分布有多个缺口103，所述钻杆7端部设有对应支撑圈283的阶梯台，以此可以使水在缺口103和阶梯台内壁穿过。

在一可选实施例中，所述双孔分流器10为近端封闭的管状结构，其远端通过螺纹连接的形式连接在钻杆7的近端，所述双孔分流器10内部设有与钻杆7的近端相适配的快接母头282，双孔分流器10内壁通过阶梯台连接头支撑圈283(结构和装配形式与钻杆7内相同)，所述双孔分流器10的侧壁设有第一进水管104，以通过双孔分流器10和快接母头282之间的间隙连通囊袋2注水管路；

所述双孔分流器10的近端设有第二进水管105，第二进水管105的远端伸入双孔分流器10后对应连接快接母头282的近端。

在本实施例中，第一软管11对应连接第一进水管104，第二软管12对应连接第二进水管105。

在一可选实施例中，三通接头17与囊袋2注水管路之间通过第一软管11连接，第一软管11上自近端向远端依次设有第一泄压阀16、第一阀门15、第一压力表14和第二泄压阀13；

三通接头17与测试注水管路之间通过第二软管12连接，第二软管12上自近端向远端依次设有第三泄压阀19、第二阀门20、第二压力表21、流量表22和第四液压阀23。

在一可选实施例中，囊袋2为套接在测试管上的管状弹性件，具体可以为橡胶材质，囊袋2在非涨起状态下内径与对应测试管的节段外径相适配，在囊袋2的两段均通过环箍6固定，通过环箍6的形式对囊袋2两段进行密封，以此通过注水孔进行注水时，使囊袋2涨起并封堵对应位置的测试孔5。

在另一可选实施例中，本发明还提供了一种测试采动裂隙发育程度的方法，通过测试采动裂隙发育程度的装置进行测试，测试方法包括以下步骤：

步骤S1，进行测试管组装，将组装后的测试管推送至测试孔段；

步骤S2，开启注水泵18，通过测试注水管路向测试孔段注水，待水压大于预计的理论高程静压时停止注水并关闭管路，具体以100m水头的高程静压值为1MPa进行理论高程静压判断，以此时的水压作为该孔段的高程静压。

步骤S3，通过囊袋2注水管路向两个囊袋2注水以封堵测试孔段，待水压大于预计的理论高程静压0.5MPa时停止注水并关闭管路，当压力较大时，可通过调节泄压阀进行调节。

步骤S4，再次通过测试注水管路对测试孔段注水，直至注水压力大于理论高程静压0.2Mpa时停止注水并保压；

步骤S5，待水压稳定后进行一个单元时间段注水后停止，并记录该单元时间段内的注水量，得出注水漏失量数据；具体一个单元时间段可以为60秒。

步骤S6，打开囊袋2注水管路，测试孔5内鼓起的囊袋2在卸压作用下体积迅速缩小，孔段内贮水泄出，以此通过囊袋2泄压解除对测试孔5的封堵；

步骤S7，推进测试孔5深度，对下一测试孔段进行测试，通过测试不同测试孔段的注水漏失量，定量的判断不同层位的裂隙发育程度，可进一步掌握导水裂隙带的最大发育高度。

在一可选实施中，三通接头17与囊袋2注水管路之间通过第一软管11连接，第一软管11上自近端向远端依次设有第一泄压阀16、第一阀门15、第一压力表14和第二泄压阀13；

三通接头17与测试注水管路之间通过第二软管12连接，第二软管12上自近端向远端依次设有第三泄压阀19、第二阀门20、第二压力表21、流量表22和第四液压阀23。

具体的实验步骤优选为：

步骤S1，进行测试管组装，将组装后的测试管推送至测试孔段；

步骤S2，开启注水泵18，打开第二阀门20，观察第二压力表21，待第二压力表21大于预计理论高程静压时，关闭第二阀门20，此时第二压力表21为该测试孔段的高程静压值，具体以100m水头的高程静压值为1MPa进行理论高程静压判断，

步骤S3，打开第一阀门15对两个囊袋2进行供水，待水压大于高程静压0.5MPa时停止注水并关闭管路，当压力较大时，可通过打开第一泄压阀16进行调节。

步骤S4，再次打开第二阀门20，通过调整第四液压阀23或者使管路内的注水压力大于理论高程静压0.2Mpa时停止注水并保压；

步骤S5，进行水压观测，待水压稳定记录此时第二压力表21流量表22数值，60s后关闭第二阀门20，再次记录第二压力表21的流量表22数值，通过两个数值相减可得到1min内的流量值，以此可以得出注水漏失量数据。

步骤S6，打开第二泄压阀13，测试孔5内鼓起的囊袋2在卸压作用下体积迅速缩小，孔段内贮水泄出，以此通过囊袋2泄压解除对测试孔5的封堵；

步骤S7，此时开动钻机，将测试管继续推进1.5m，对下一测试孔段进行测试，通过测试不同测试孔段的注水漏失量，定量的判断不同层位的裂隙发育程度，可进一步掌握导水裂隙带的最大发育高度。

在本实施例中，第三泄压阀19为可调压力泄压阀，通过调整第三泄压阀19泄压压强能够对管路进行保压。

在一可选实施中，测试方法还包括步骤S8，将各测试孔段观测到的注水漏失量数据与对应的测试孔5深度绘制图表，分析测试孔5内的注水漏失量变化，以确定导水裂隙带高度，以此进一步掌握超宽工作面“上三带”发育规律

在一可选实施中，测试管的近端螺纹连接有钻杆7，钻杆7对应连接钻机，以通过钻机和钻头1推进测试孔5的深度。

在另一实施例中，双孔分流器10的远端通过螺纹装配连接在钻杆7的近端，双孔分流器10远端设有对应钻杆7的螺纹公头，该螺纹公头与钻杆7近端的螺纹母进行对接，双孔分流器10的近端设有连接钻机主轴的批头101(也可以是联轴器)，该批头101可以直接的与钻机进行对接。

双孔分流器10的主体102为中空管状结构，在主体102的内部设有位于快接母头282近端测的设有密封板，该密封板优选为靠近双孔分流器10的内部的快接母头282，密封板上设有第一进水管104和第二进水管105，两个连接管穿过在密封板上，两端向密封板近端侧均伸出一定长度，优选为3-5mm。

第二进水管105位于密封板中心，并通过插接公头插接在快接母头上，以此对接中心管道近端的快接公头，第一进水管104位于密封板边缘，并连通双孔分流器10的主体102与快接母头282之间的空隙，以此连通囊袋2注水通道。当然，第一进水管和第二进水管也可以对称分布在密封板上，第二进水管内部通过软管连接快接母头282，以此对接中心管道近端的快接公头。

第一进水管104无需伸出密封板的远端侧，只需延伸至其远端侧壁即可，第二进水管105穿过密封板后连接插接母头，用于连接钻杆7内部的中心管道29。

在主体102侧壁开设有对应第一进水管104和第二进水管105近端的缺口103，该缺口103位于批头101的远端侧，从而在不拆除批头101的情况下进行对接软管，第一进水管104和第二进水管105以可拆卸的方式连接第一软管11和第二软管12，以此可在不拆卸双孔分流器10的情况下进行实验，进一步提高测试效率。

在主体102侧壁开设有对应连接管近端的缺口103，在推进测试孔5深度时拆除供水软管，为避免缠绕，在钻孔时可以将进水端的软管拆除，

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。