煤岩层卸压钻孔变形监测装置及方法.pdf

煤岩层卸压钻孔变形监测装置及方法，装置包括变形感应枕、导向锥、导水管、防滑倒刺、单向阀、溢流阀、高精度流量计。沿变形感应枕中心轴线设置有一根可连接导水管的注水轴。导水管另一端连接有三通，三通的另外两端分别连接单向阀和溢流阀、高精度流量计。监测方法为：根据所要监测钻孔的直径调定溢流阀的整定压力，将变形感应枕后送入钻孔指定深度后，通过导水管继续向变形感应枕内缓慢注水，直至有水从溢流阀出口微微流出。后期监测过程中，通过与溢流阀连接的高精度流量计示数换算得出钻孔变形情况。该发明具有安装方便，生产成本低，适用性强，测量准确度高等优点。

1.  煤岩层卸压钻孔变形监测装置，其特征在于：它包括变形感应枕、导向锥、导水管、防滑倒刺、单向阀、溢流阀、高精度流量计；变形感应枕外形呈圆柱形，沿变形感应枕中心轴线设置有一根连接导水管的注水轴；导水管另一端连接有三通，三通的另外两端分别连接单向阀和溢流阀、高精度流量计。

2.  根据权利要求1所述的煤岩层卸压钻孔变形监测装置，其特征在于：变形感应枕采用橡胶材料制成，两底面的厚度均为5～7mm，具有一定硬度，直径略小于钻孔直径；侧面厚度1～2mm，具有较好弹性；在变形感应枕的尾部设置有排气开关。

3.  根据权利要求1所述的煤岩层卸压钻孔变形监测装置，其特征在于：注水轴为中空的，由坚硬金属材料制成，两端头封闭，沿变形感应枕中心轴线设置，尾部超出变形感应枕5～10cm，端部与变形感应枕紧密连接；注水轴在变形感应枕内的部分设置有6～10个圆形导水孔。在注水轴外露段设置有安装杆卡头。

4.  根据权利要求1所述的煤岩层卸压钻孔变形监测装置，其特征在于：导向锥为无底面的中空圆锥体，底部可通过丝扣与变形感应枕端部外缘连接。

5.  根据权利要求1所述的煤岩层卸压钻孔变形监测装置，其特征在于：导水管采用低刚度金属材料制成，外径Φ5～7mm，与注水轴外露段侧面连通。

6.  根据权利要求1所述的煤岩层卸压钻孔变形监测装置，其特征在于：防滑倒刺由6～8根钢丝和固定环焊接而成，其中固定环设有内螺纹，可与注水轴外露部分的外螺纹匹配。

7.  根据权利要求1所述的煤岩层卸压钻孔变形监测装置，其特征在于：溢流阀可人工设定整定压力，并可起到稳定变形感应枕内水体压力的作用。

8.  使用权利要求1所述的煤岩层卸压钻孔变形监测装置的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将变形感应枕尾部朝上竖直放置，打开排气开关，用注水泵通过单向阀向变形感应枕内注水，直至水从排气开关溢出，关闭排气开关。
2)利用注水泵通过单向阀继续向变形感应枕注水，同时量取膨胀后的变形感应枕直径；变形感应枕直径增大至卸压钻孔直径时，停止注水。
3)缓慢调小溢流阀整定压力，直至有水可从溢流阀出口微微流出；用力挤压变形感应枕侧面，排出20％～30％的水量，以使变形感应枕可顺利装入钻孔。
4)将安装杆与变形感应枕上的安装导杆卡头相连，将变形感应枕推入钻孔中指定深度。
5)利用注水泵通过单向阀继续向变形感应枕内缓慢注水，直至有水从溢流阀出口微微流出；撤出安装杆及注水泵，并将高精度流量计与溢流阀连接。
6)每隔1～3天，记录一次高精度流量计示数；通过几何关系换算得出钻孔变形量。

煤岩层卸压钻孔变形监测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种监测煤岩层钻孔变形的装置及方法，尤其适用于监测冲击地压矿井大直径卸压钻孔的大变形过程。
背景技术
在煤矿等矿山领域，随着采深和开采强度的不断加大，冲击地压灾害日益严重。冲击地压治理已成为保障冲击地压矿井安全生产的第一要务。
大直径钻孔卸压作为防治冲击地压的有效措施，在冲击地压矿井被广泛采用，并取得了积极效果。卸压钻孔主要通过钻孔自身变形和钻孔周围煤岩破碎乃至塌孔实现释放煤岩层中弹性变形能的作用。因此，钻孔卸压效果与钻孔变形量及其随时间的变化关系密切相关，相关数据对于钻孔参数设计、优化及其卸压时效性评判具有重要指导意义。可见，卸压钻孔变形过程的监测具有重要实用价值。
经查询，现有的36-2型钻孔变形计及实用新型专利“高灵敏度钻孔变形计”(专利号：CN 203719798 U)、实用新型专利“三分向双环钻孔变形计”(专利号：CU 203310554 U)仅适用于地应力测量时对小直径钻孔的弹性变形进行测量，无法对大直径钻孔的大变形甚至塌孔进行监测。
发明专利“一种模拟测试钻孔变形的装置及方法”(专利号：CN 104535422 N)利用实验室相似模拟获取的钻孔变形量与相对压力的对应关系，间接反映钻孔变形量。但该装置在工作过程中，胶囊压力感应器及管路组成的液压系统是封闭的，受液体可压缩性的限制，当胶囊内液体压力过高时，将对钻孔内壁施加较高反作用力，进而改变钻孔在自然条件下的变形规律，获取的变形量数据将偏离实际情况。另外，为获取“变形量-压力”对应关系，在开展现场监测之前，需专门制作多个相似模拟试验台，工艺相对复杂且成本高。
目前，还没有一种准确度高、工艺简便、成本低廉的煤岩层卸压钻孔大变形监测装置及方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是，如何准确的监测煤岩层大直径卸压钻孔变形量随时间的变化过程，同时实现操作工艺简单、成本低廉的目标。
(2)技术方案
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
煤岩层卸压钻孔变形监测装置，它包括变形感应枕、导向锥、导水管、防滑倒刺、单向阀、溢流阀、高精度流量计。变形感应枕外形呈圆柱形，沿变形感应枕中心轴线设置有一根 连接导水管的注水轴。导水管另一端连接有三通，三通的另外两端分别连接单向阀和溢流阀、高精度流量计。
所述的变形感应枕采用橡胶材料制成，两底面的厚度均为5～7mm，具有一定硬度，直径略小于钻孔直径；侧面厚度1～2mm，具有较好弹性。在变形感应枕的尾部设置有排气开关。
所述的注水轴为中空的，由坚硬金属材料制成，两端头封闭，沿变形感应枕中心轴线设置，尾部超出变形感应枕5～10cm，端部与变形感应枕紧密连接。注水轴在变形感应枕内的部分设置有6～10个圆形导水孔。在注水轴外露段设置有安装杆卡头。
所述的导向锥为无底面的中空圆锥体，底部可通过丝扣与变形感应枕端部外缘连接。
所述的导水管采用低刚度金属材料制成，外径Φ5～7mm，与注水轴外露段侧面连通。
所述的防滑倒刺由6～8根钢丝和固定环焊接而成，其中固定环设有内螺纹，可与注水轴外露部分的外螺纹匹配。
所述的溢流阀可人工设定整定压力，并可起到稳定变形感应枕内水体压力的作用。
使用上述装置监测钻孔变形的方法，包括如下步骤：
1)将变形感应枕尾部朝上竖直放置，打开排气开关，用注水泵通过单向阀向变形感应枕内注水，直至水从排气开关溢出，关闭排气开关。
2)利用注水泵通过单向阀继续向变形感应枕注水，同时量取膨胀后的变形感应枕直径。变形感应枕直径增大至卸压钻孔直径时，停止注水。
3)缓慢调小溢流阀整定压力，直至有水可从溢流阀出口微微流出。用力挤压变形感应枕侧面，排出20％～30％的水量，以使变形感应枕可顺利装入钻孔。
4)将安装杆与变形感应枕上的安装导杆卡头相连，将变形感应枕推入钻孔中指定深度。
5)利用注水泵通过单向阀继续向变形感应枕内缓慢注水，直至有水从溢流阀出口微微流出。撤出安装杆及注水泵，并将高精度流量计与溢流阀连接。
6)每隔1～3天，记录一次高精度流量计示数。通过几何关系换算得出钻孔变形量。
本发明的有益效果是：变形感应枕内设置了注水轴，且变形感应枕两底面橡胶厚度较大，并具有一定强度，如此可保证变形感应枕的圆柱形状，避免其在钻孔内推送过程中发生弯曲；注水轴与变形感应枕的两底面紧密连接，能够限制变形感应枕在水压增大时的轴向膨胀变形，保证变形感应枕出水量与卸压钻孔变形量的精确对应关系；通过设置防滑倒刺，可避免大仰角钻孔变形监测时变形感应枕容易滑出的问题；通过设置导向锥，可防止变形感应枕在推送过程中不断堆积钻孔底部的残留钻屑；通过设置溢流阀及其整定压力，可使变形感应枕在与钻孔孔壁充分接触的情况下，保持恒定的低水压，不足以影响钻孔的自然变形特征，并可敏感的感知钻孔变形。该发明具有安装方便，生产成本低，适用性强，测量准确度高等优点。
附图说明
图1是本发明的煤岩层卸压钻孔变形监测装置的整体图。
图2是本发明的煤岩层卸压钻孔变形监测装置中变形感应枕的剖面图。
图3是本发明的煤岩层卸压钻孔变形监测装置中防滑倒刺的侧视图。
图4是在同一个倾斜钻孔内布置多个变形感应枕时的现场安装时的示意图。
图中：1、导向锥；2、变形感应枕；3、导水孔；4、注水轴；5、排气开关；6、防滑倒刺；7、安装杆卡头；8、导水管；9、三通；10、单向阀；11、溢流阀；12、高精度流量计；601、钢丝；602、固定环。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例以某个直径为130mm，仰角为50°的卸压钻孔为例，介绍监测钻孔变形的实施步骤。
煤岩层卸压钻孔变形监测装置，它包括变形感应枕2、导向锥1、导水管8、防滑倒刺6、单向阀10、溢流阀11、高精度流量计12。变形感应枕2外形呈圆柱形，沿变形感应枕2中心轴线设置有一根连接导水管8的注水轴4。导水管8另一端连接有三通9，三通的另外两端分别连接单向阀10和溢流阀11、高精度流量计12。
所述的变形感应枕2采用橡胶材料制成，两底面的厚度均为5～7mm，具有一定硬度，直径Φ100～110mm；侧面厚度1～2mm，具有较好弹性。在变形感应枕2的尾部设置有排气开关5。
所述的注水轴4为中空的，由坚硬金属材料制成，两端头封闭，沿变形感应枕2中心轴线设置，尾部超出变形感应枕5～10cm，端部与变形感应枕2紧密连接。注水轴4在变形感应枕2内的部分设置有8个圆形导水孔3。在注水轴4外露段设置有安装杆卡头7。
所述的导向锥1为无底面的中空圆锥体，由普通硬质塑料制成，底部可通过丝扣与变形感应枕2端部外缘连接。
所述的导水管8采用低刚度金属材料制成，外径Φ5～7mm，与注水轴4外露段侧面连通。
所述的防滑倒刺6由6根14#钢丝601和固定环602焊接而成，其中固定环602设有内螺纹，可与注水轴4外露部分的外螺纹匹配。
所述的溢流阀11可人工设定整定压力，并可起到稳定变形感应枕2内水体压力的作用。
使用上述装置监测钻孔变形的方法，包括如下步骤：
1)将变形感应枕2尾部朝上竖直放置，打开排气开关5，用注水泵通过单向阀10向变形感应枕2内注水，直至水从排气开关5溢出，关闭排气开关5。
2)利用注水泵通过单向阀10继续向变形感应枕2注水，同时量取膨胀后的变形感应枕 2直径。变形感应枕2直径增大130mm时，停止注水。
3)缓慢调小溢流阀11的整定压力，直至有水可从溢流阀11出口微微流出。用力挤压变形感应枕2的侧面，排出20％～30％的水量，以使变形感应枕2可顺利装入钻孔。
4)将安装杆与变形感应枕2上的安装导杆卡头7相连，将变形感应枕2推入钻孔中指定深度。
5)利用注水泵通过单向阀10继续向变形感应枕2内缓慢注水，直至有水从溢流阀11出口微微流出。撤出安装杆及注水泵，并将高精度流量计12与溢流阀11连接。
6)每隔1～3天，记录一次高精度流量计12的示数。通过几何关系换算得出钻孔变形量。
7)如图4所示，为监测同一钻孔内不同深度处的变形量，可由里向外依次将多个变形感应枕2间隔布置在钻孔内，每个变形感应枕2分别连接各自的导水管8及其他部件。通过读取不同高精度流量计12的示数，可掌握不同钻孔在不同深度处的变形量。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。