基于軟巖鉆孔內(nèi)巖水耦合作用的松動(dòng)圈測試系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隧道工程和煤巷工程中圍巖松動(dòng)圈測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于軟巖鉆孔內(nèi)巖水耦合作用的松動(dòng)圈測試系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著地下工程的發(fā)展和科學(xué)理論的進(jìn)步，國外產(chǎn)生了許多有關(guān)圍巖松動(dòng)范圍的理論成果，這些成果主要是由經(jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)理論推導(dǎo)而來，具有一定的合理性和適用性。因此，可以借鑒其關(guān)于圍巖破碎范圍的結(jié)論，進(jìn)一步推導(dǎo)出計(jì)算圍巖松動(dòng)圈的理論方法，但是理論方法受工程實(shí)際復(fù)雜因素的影響較大，具有很大的局限性?；诂F(xiàn)場實(shí)測圍巖松動(dòng)圈沒有做任何原理方面的假設(shè)，測試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，現(xiàn)代隧道工程和煤巷工程多采用物理探測的方法對(duì)圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。
[0003]圍巖松動(dòng)圈及就是巷道開挖后，圍巖在次生應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的松弛破碎帶。近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)松動(dòng)圈探測方法的研究頗多，在圍巖松動(dòng)圈物理測試領(lǐng)域中也取得了一定的成果，例如:聲波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、地震波法、地震雷達(dá)法以及鉆孔攝像法等。但現(xiàn)有的各種松動(dòng)圈物理測試方法又存在諸多問題，例如:聲波法基本成熟，但在測試過程中容易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，對(duì)巖性要求較高，不能應(yīng)用于質(zhì)地松軟的巖層或煤層中；多點(diǎn)位移計(jì)法測量數(shù)據(jù)量大，測試精度不高;地震波法與地震雷達(dá)法可實(shí)現(xiàn)無損檢測，但成本較高;鉆孔攝像法精度高，但操作復(fù)雜、成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決聲波法因在軟巖鉆孔測試過程中容易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象以及在巷道頂部測試過程中因難以封堵水而不能進(jìn)行有效水耦合的難題，本發(fā)明提出了一種基于軟巖鉆孔內(nèi)巖水耦合作用的圍巖松動(dòng)圈測試系統(tǒng)及方法，該測試系統(tǒng)在軟巖鉆孔測試過程中可避免塌孔現(xiàn)象的發(fā)生，適用性和安全性更強(qiáng)。
[0005]本發(fā)明的任務(wù)之一在于提供一種基于軟巖鉆孔內(nèi)巖水耦合作用的松動(dòng)圈測試系統(tǒng)。
[0006]—種基于軟巖鉆孔內(nèi)巖水耦合作用的松動(dòng)圈測試系統(tǒng)，其包括封孔裝置、注漿裝置、注水裝置、測試裝置和控制裝置，
[0007]所述測試裝置包括可伸縮桿體、顯示器、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器和用于支撐所述可伸縮桿體的立柱，所述顯示器設(shè)置在所述可伸縮桿體的中部，所述超聲波發(fā)射器和超聲波接收器通過線路連接在所述顯示器的輸入端，經(jīng)所述顯示器的輸出端連接在所述控制裝置上，所述可伸縮桿體的兩端分別連接有一個(gè)探測桿，兩端的探測桿高度相同且保持相互平行，每個(gè)探測桿均是由若干個(gè)管體套置在一起形成的，所述超聲波發(fā)射器和超聲波接收器分別安裝在每個(gè)探測桿的頭部；
[0008]所述封孔裝置包括平行設(shè)置的兩個(gè)封孔單元，其中，每個(gè)封孔單元均包括位于軟巖鉆孔內(nèi)的封堵膠囊，在每個(gè)探測桿的頭部和中下部套置所述封堵膠囊，在封堵膠囊上設(shè)置有注漿接口和注水接口，所述注漿接口與注水接口分別與注漿軟管和注水軟管連接，所述注漿軟管和注水軟管位于所述探測桿的兩側(cè)，并且在所述探測桿的長度方向可上下移動(dòng)，所述封堵膠囊內(nèi)設(shè)置有不連通的注水區(qū)和注漿區(qū)，通過所述注水裝置和注漿裝置向所述封堵膠囊內(nèi)注水、注漿以起脹所述注水區(qū)和注漿區(qū)，在軟巖鉆孔口處設(shè)置有用于固定所述注漿軟管和注水軟管的擋板;所述封堵膠囊上設(shè)置有壓力感應(yīng)器，所述壓力感應(yīng)器與所述控制裝置連接；
[0009]所述注漿軟管的另一端通過管道與所述注漿裝置連接，所述注水軟管的另一端通過管道與所述注水裝置連接，在所述注漿軟管、注水軟管上設(shè)置有用于控制漿液流量和水流量的閥門，所述閥門通過線路連接在所述控制裝置上。
[0010]作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案，注漿裝置包括漿料罐，所述漿料罐的罐身為雙層結(jié)構(gòu)，所述漿料罐的頂部設(shè)置有進(jìn)料口和進(jìn)水口，底部設(shè)置有出料口，所述進(jìn)水口通過管道連接在所述注水裝置上，所述出料口通過管道與每個(gè)封孔單元的注漿軟管連接。
[0011]作為本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選方案，所述超聲波發(fā)射器和超聲波接收器通過螺絲分別固定在每個(gè)探測桿的頭部。
[0012]優(yōu)選的，所述探測桿與所述可伸縮桿體之間通過螺栓連接，在連接處附近設(shè)置有防護(hù)墊圈。
[0013]優(yōu)選的，所述擋板處用錨桿加固。
[0014]本發(fā)明的另一任務(wù)是提供上述測試系統(tǒng)的測試方法。
[0015]上述基于軟巖鉆孔內(nèi)巖水耦合作用的松動(dòng)圈測試系統(tǒng)的測試方法，依次包括以下步驟:
[0016]a調(diào)試實(shí)驗(yàn)硬件，確定好相鄰鉆孔的距離，通過調(diào)節(jié)所述可伸縮桿體，并將其調(diào)至適當(dāng)?shù)拈L度，以使探測桿可伸入軟巖鉆孔內(nèi)；
[0017]b對(duì)軟巖鉆孔的孔底進(jìn)行預(yù)處理，
[0018]通過控制裝置來控制注漿裝置和注水裝置，分別向注漿軟管和注水軟管內(nèi)注入漿料和水，漿料和水通過注漿接口和注水接口進(jìn)入封堵膠囊內(nèi)的注漿區(qū)和注水區(qū)，同時(shí)封堵膠囊逐步起脹，通過注漿區(qū)和注水區(qū)將漿料和水隔成兩部分，在所述壓力感應(yīng)器達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制裝置控制所述注水裝置并停止注水，當(dāng)所述注漿軟管的出口處檢測不到顆粒物時(shí)，關(guān)閉注漿裝置停止注漿；
[0019]c動(dòng)態(tài)封孔，
[0020]通過控制裝置來控制注漿裝置和注水裝置，分別向注漿軟管和注水軟管內(nèi)注入漿料和水，漿料和水通過注漿接口和注水接口進(jìn)入軟巖鉆孔內(nèi)，當(dāng)孔底軟巖鉆孔孔底水壓力與注漿軟管外側(cè)的動(dòng)態(tài)漿液壓力相等并達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉注漿裝置和注水裝置；
[0021]d圍巖松動(dòng)圈測試，
[0022]觀察所述顯示器上顯示的初始深度時(shí)的聲波速度，所述初始深度為探測桿伸入鉆孔的深度，根據(jù)顯示器上顯示的數(shù)據(jù)，對(duì)探測桿的測試深度間隔自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)探測桿向鉆孔外收縮時(shí)，注水裝置打開且注漿軟管上控制漿液流量的閥門打開；當(dāng)鉆孔孔底水壓力與注漿軟管外側(cè)的動(dòng)態(tài)漿液壓力相等并達(dá)到設(shè)定值時(shí)，注漿軟管上控制漿液流量的閥門關(guān)閉，且注水裝置停止工作。
[0023]本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果:
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明測試裝置的可伸縮桿體可以根據(jù)鉆孔的間距來進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以同時(shí)測定兩個(gè)鉆孔內(nèi)的圍巖狀況，通過控制裝置控制注漿裝置和注水裝置，將將漿液注入鉆孔煤巖體裂隙中進(jìn)行堵孔，提高封孔質(zhì)量。
[0025]通過封堵膠囊對(duì)鉆孔端頭封孔，避免了水漿混流，防治漿液外流，通過可伸縮桿體的設(shè)置，防止了連接線因測試環(huán)境潮濕以及人為原因等所導(dǎo)致的斷裂，提高了測試儀連接線的耐久性及測試員工作時(shí)的安全性，此外，還增強(qiáng)了細(xì)鋼管的可調(diào)節(jié)性，靈活控制測試深度，便于攜帶。
[0026]通過控制裝置控制閥門，全程為自動(dòng)控制，減少了測試過程的人力物力消耗。
[0027]通過超聲波發(fā)射器和超聲波接收器的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了軟巖鉆孔內(nèi)圍巖松動(dòng)圈的測試，使測試速度更快，精度更高，操作更簡便。
[0028]通過封堵膠囊對(duì)鉆孔漿液的封堵，避免了傳統(tǒng)方法測試時(shí)探測桿伸縮過程中會(huì)引起鉆孔端頭固體封堵塊松動(dòng)開裂的現(xiàn)象，使巖水耦合效果更好。
[0029]通過鉆孔外錨桿的加固，使得鉆孔內(nèi)液體壓力在一定程度上不再受到限制，使?jié){液封堵孔內(nèi)裂隙效果更明顯，封孔效果更好。
[0030]本發(fā)明測試系統(tǒng)通過注水栗注水使孔底內(nèi)側(cè)水壓與封孔單元內(nèi)漿液形成的壓力差來推動(dòng)封堵膠囊的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)封孔，與傳統(tǒng)封孔方法相比，動(dòng)態(tài)封孔裝置實(shí)現(xiàn)了漿液封堵孔內(nèi)裂隙與巖水耦合的同步，解決了頂板圍巖測試時(shí)因測試過程中鉆孔內(nèi)水體大量流失而無法及時(shí)補(bǔ)給的難題。
【附圖說明】
[0031 ]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明:
[0032]圖1為本發(fā)明圍巖松動(dòng)圈測試系統(tǒng)的豎直剖面圖；
[0033]圖2為本發(fā)明封孔裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3為本發(fā)明測試裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖4為本發(fā)明中注漿裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖中，1、閥門I，2、超聲波發(fā)射器，3、閥門Π，4、超聲波接收器，5、抗壓防護(hù)罩，6、注水軟管，7、封堵膠囊，8、閥門ΙΠ，9、探測桿，10、擋板、11、錨桿，12、線路，13、圍巖，14、閥門VI，15、螺栓，16、閥門IV，17、閥門V，18、立柱，19、防護(hù)墊圈，20、可伸縮桿體，21、顯示器，22、閥門W，23、注水裝置，24、注水自動(dòng)控制栗，25、注漿自動(dòng)控制栗，26、管道，27、進(jìn)料口，28、漿料罐，29、出料口，30、線路，31、數(shù)據(jù)線路集成器，32、自動(dòng)檢測控制器，33、控制按鈕，34、外罐，35、內(nèi)罐。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。
[0038]本發(fā)明，基于軟巖鉆孔內(nèi)巖水耦合作用的圍巖松動(dòng)圈測試系統(tǒng)，主要有封孔裝置、注漿裝置、注水裝置、測試裝置和控制裝置組成，其中，注水裝置，選用的是現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)裝置，其作用是為了向測試裝置內(nèi)的注水軟管提供水，注漿裝置結(jié)合圖1和圖4所示，包括有漿料罐28，在該漿料罐28的頂部開設(shè)有進(jìn)料口 27和進(jìn)水口，進(jìn)水口通過管道26連接在注水裝置23上，在該漿料罐28的底部開設(shè)有出料口 29，出料口 29直接連接管道與測試裝置中的部件連接，由于物料在該漿料罐28內(nèi)需要充分?jǐn)嚢瑁⑴c注水裝置提供的水混合均勻，因此，本發(fā)明特意將漿料罐28的罐身設(shè)置為雙層結(jié)構(gòu)，分別為外罐34和內(nèi)罐35，以達(dá)到較好的混合攪拌效果。
[0039]與注水裝置23和漿料罐28配合使用的還有注水自動(dòng)控制栗24和注漿自動(dòng)控制栗25，以將物料和水順利送至測試裝置內(nèi)，注水自動(dòng)控制栗24和注漿自動(dòng)控制栗25均通過線路30連接至控制裝置，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，操作更加方便。
[0040]控制裝置，包括有數(shù)據(jù)線路集成器31和自動(dòng)檢測控制器32，在自動(dòng)檢測控制器32上設(shè)置有多個(gè)控制按鈕33，每個(gè)控制按鈕控制相