专利名称：一种覆岩导水裂隙带监测系统及其探测钻进方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿用于探测覆岩导水裂隙带发育高度的设备及其使用方法，尤其涉及一种覆岩导水裂隙带高度自动监测系统及其探测钻进方法。
背景技术：
在煤矿中，尤其是裂隙带发育较成熟的煤矿顶板中，常常需要使用注水测漏失量的方法来检测顶板裂隙的大小，即通过专用设备向煤层顶板钻孔，向钻孔的某一区段内注 7jC，水通过裂隙向顶板中渗透，当注水达到饱和时，根据实际注水量，也就是漏失量，判断顶板中裂隙的大小，从而得出裂隙的发育程度。目前的双端封堵覆岩导水裂隙带探测设备中，如CN101892841A，其探测头杆为空心结构，进水管都设置在探测头杆的内部，探测头刚性差，无法设置在钻机上使用，在工作时需要先使用钻机钻出探测孔，再手工向孔内下入探测头。因此，其具体探测段的位置主要靠人工测量和记录，在井下环境较恶劣的情况下，容易产生误记或错记，且当探测孔内壁有轻微塌陷时，靠手工可能无法插入探测头，这时就需要重新钻孔，不但费时费力，还需要重新寻找探测位置，极大的影响了覆岩导水裂隙带的探测工作。

发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种覆岩导水裂隙带监测系统，包括钻机、探测钻进装置和注水控制部分，所述探测钻进装置包括钻头、钻杆和连接柄，其可以通过所述连接柄连接所述钻机；所述钻头通过第一连接器连接所述钻杆，所述第一连接器上套置有前封堵胶囊；所述钻杆通过第二连接器连接所述连接柄，所述第二连接器上套置有后封堵胶 ；所述前封堵胶囊和所述后封堵胶囊为空心结构，可通过注水膨胀，膨胀前的所述前封堵胶囊的直径小于所述第一连接器的最大直径，膨胀后的所述前封堵胶囊的直径大于所述第一连接器的最大直径；膨胀前的所述后封堵胶囊的直径小于所述第二连接器的最大直径，膨胀后的所述后封堵胶囊的直径大于所述第二连接器的最大直径；所述探测钻进装置还包括第一进水管和第二进水管，所述第一进水管沿所述钻杆的轴向从所述第二连接器延伸至所述第一连接器，且其至少有一部分位于所述第一连接器和所述钻杆之间、至少有一部分位于所述第二连接器和所述钻杆之间，所述第一进水管在所述前封堵胶囊和所述后封堵胶囊的空心结构内部各有至少一个出水口 ；所述第二进水管至少有一部分位于所述前封堵胶囊和所述钻杆之间，所述第二进水管在所述前封堵胶囊和所述后封堵胶囊之间具有至少一个出水口；所述注水控制部分包括胶囊软管接口、封堵软管接口、胶囊放水阀、封堵放水阀和水源接口，所述胶囊软管接口连接所述胶囊放水阀，所述封堵软管接口连接封堵放水阀，所述胶囊放水阀和封堵放水阀并联连接所述水源接口，所述胶囊放水阀上设置有压力传感器，所述封堵放水阀上设置有压力传感器和流量传感器，所述第一进水管的进水口可固定连接胶囊软管接口，所述第二进水管的进水口可固定连接封堵软管接口。其使用探测钻进方法包括以下步骤①确定需要进行裂隙带监测的顶板位置和钻进深度；②通过连接柄将探测钻进装置安装到钻机上，启动钻机，从所确定的顶板位置处钻进；③钻机控制系统监测探测钻进装置的钻进量，当钻进量达到所确定的钻进深度时，停止钻进；④将第一进水管的进水口连接到注水控制部分的胶囊软管接口上，打开胶囊放水阀，给前封堵胶囊和后封堵胶囊注水，使胶囊膨胀，并保持水压使胶囊保持膨胀状态；⑤将第二进水管的进水口连接到注水控制部分的封堵软管接口上，打开封堵放水阀，向两胶囊之间的钻孔中注水，通过封堵放水阀上的流量传感器记录累积的注水量，通过封堵放水阀上的压力传感器随时监测注水水压；⑥当第⑤步中监测的注水水压上升到开始注水水压的3-5倍时，关闭封堵放水阀，停止注水，将记录的累积的注水量作为漏失量；⑦关闭胶囊放水阀，使胶囊中的水流出，然后将探测钻进装置从钻孔中撤出。本发明的优点在于1、探测钻进装置直接安装在钻机上，使用钻机将探测装置送到目标位置，省时省力；2、使用钻机自身的控制系统控制探测钻进装置的钻进量，可控性好，数值精确，避免人工放置探测装置容易产生的位置误差；3、两路进水，跑冒量少，漏失量记录精确；4、进水管设置在钻杆的外部，探测钻机装置整体可以是实心结构，适合在钻机上使用。


附图1为本发明所述覆岩导水裂隙带监测系统的结构示意图；附图2为覆岩导水裂隙带监测系统中探测钻进装置的结构示意图。附图标记如下1-探测钻进装置；2-钻机；3-注水控制部分；4-胶囊放水阀；5-封堵放水阀； 6-胶囊软管接口 ；7-封堵软管接口 ；8-水源接口 ；9-钻头；10-钻杆；11-连接柄；12-第一连接器；13-第二连接器；14-前封堵胶囊；15-后封堵胶囊；16-第一进水管；17-第二进水管；18-顶板；19-钻孔。
具体实施例方式参见附图1，其显示一种覆岩导水裂隙带监测系统，包括钻机、探测钻进装置和注水控制部分。参见附图2，覆岩导水裂隙带监测系统的探测钻进装置包括钻头、钻杆和连接柄，钻头、钻杆和连接柄均采用实心结构，钻头通过第一连接器连接钻杆，钻杆通过第二连接器连接连接柄，其中钻头采用通用的煤层钻头即可，连接柄用于连接钻机，钻杆的直径一般小与第一连接器和第二连接器的最小直径，即将其旋入第一连接器和第二连接器。第一连接器和第二连接器具有凸棱，在第一连接器上套置有前封堵胶囊，前封堵胶囊位于第一连接器的凸棱和钻头之间，在第二连接器上套置有后封堵胶囊，后封堵胶囊位于第二连接器的两个凸棱之间，以此来定位两个封堵胶囊。前封堵胶囊和后封堵胶囊都为空心结构，可通过注水膨胀，为保证在钻进时胶囊不干涉钻孔壁，要求膨胀前的前封堵胶囊的直径小于第一连接器的最大直径，膨胀前的后封堵胶囊的直径小于第二连接器的最大直径，最大直径也就是连接器各自凸棱处的直径； 同时，为保证探测时封堵的可靠性，要求膨胀后的前封堵胶囊的直径大于第一连接器的最大直径，膨胀后的后封堵胶囊的直径大于第二连接器的最大直径，最大直径也就是连接器各自凸棱处的直径。为保证探测漏失量的数据可靠性，探测钻进装置采用双进水结构，包括第一进水管和第二进水管两组进水机构。第一进水管用于为封堵胶囊供水以使其膨胀，其从第二连接器和连接柄之间插入，插入可采用在第二连接器内壁预先设置凹槽等方式实现，沿钻杆的轴向从第二连接器延伸至第一连接器，并进入第一连接器和钻杆之间的部分，第一进水管通过第一连接器和第二连接器上的孔在前封堵胶囊和后封堵胶囊的空心结构内部各有至少一个出水口 ；第二进水管用于探测裂隙带漏失量的供水，其同样从第二连接器和连接柄之间插入，并沿着第二连接器延伸到第二连接器与钻杆的连接端，这样使其在前封堵胶囊和后封堵胶囊之间具有至少一个出水口。为保证封堵的效果，前封堵胶囊和后封堵胶囊沿探测钻进装置轴向的长度大于其沿探测钻进装置径向的长度，即增加了有效封堵段的长度。封堵胶囊由由弹性材料制成，优选由橡胶材料制成。注水控制部分可以设置在一个防爆安全盒内，包括胶囊软管接口、封堵软管接口、 胶囊放水阀、封堵放水阀和水源接口，胶囊软管接口连接胶囊放水阀，封堵软管接口连接封堵放水阀，胶囊放水阀和封堵放水阀并联连接水源接口，同时水源接口的另一端连接水泵， 胶囊放水阀上设置有压力传感器，用于监测胶囊中的水压，从而通过水压监测胶囊的膨胀状态，即水压越大胶囊膨胀的越大，封堵放水阀上设置有压力传感器和流量传感器，用于记录其注水流量和注水压力，第一进水管的进水口和胶囊软管接口相配合，第二进水管的进水口和封堵软管接口相配合，一般采用通用的压力流体接头即可，进水管和软管接口平时不连接，在探测钻机装置进入工作位置需要注水时才连接上。注水控制部分还可以包括控制器、电池、显示器等设备，如将压力传感器和流量传感器连接控制器对数据进行记录整理等，其为本领域的公知常识，在此不予累述。上述覆岩导水裂隙带监测系统的探测钻进方法包括以下步骤①确定需要进行裂隙带监测的顶板位置和钻进深度；②通过连接柄将探测钻进装置安装到钻机上，启动钻机，从所确定的顶板位置处钻进；③钻机控制系统监测探测钻进装置的钻进量，当钻进量达到所确定的钻进深度时，停止钻进；
④将第一进水管的进水口连接到注水控制部分的胶囊软管接口上，打开胶囊放水阀，给前封堵胶囊和后封堵胶囊注水，使胶囊膨胀，并保持水压使胶囊保持膨胀状态；⑤将第二进水管的进水口连接到注水控制部分的封堵软管接口上，打开封堵放水阀，向两胶囊之间的钻孔中注水，通过封堵放水阀上的流量传感器监测注水量，通过封堵放水阀上的压力传感器监测注水水压，并可以将注水量和注水水压传送到控制器中，进行计算得到本次探测累积的注水量；⑥当第⑤步中监测的注水水压上升到开始注水水压的3-5倍时，关闭封堵放水阀，停止注水，将记录的累积的注水量作为漏失量；⑦关闭胶囊放水阀，使胶囊中的水流出，然后将探测钻进装置从钻孔中撤出。以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式
，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
权利要求
1.一种覆岩导水裂隙带监测系统，其特征在于包括钻机、探测钻进装置和注水控制部分；所述探测钻进装置包括钻头、钻杆和连接柄，其可以通过所述连接柄连接所述钻机；所述钻头通过第一连接器连接所述钻杆，所述第一连接器上套置有前封堵胶囊；所述钻杆通过第二连接器连接所述连接柄，所述第二连接器上套置有后封堵胶囊；所述前封堵胶囊和所述后封堵胶囊为空心结构，可通过注水膨胀，膨胀前的所述前封堵胶囊的直径小于所述第一连接器的最大直径，膨胀后的所述前封堵胶囊的直径大于所述第一连接器的最大直径；膨胀前的所述后封堵胶囊的直径小于所述第二连接器的最大直径，膨胀后的所述后封堵胶囊的直径大于所述第二连接器的最大直径；所述探测钻进装置还包括第一进水管和第二进水管，所述第一进水管沿所述钻杆的轴向从所述第二连接器延伸至所述第一连接器，且其至少有一部分位于所述第一连接器和所述钻杆之间、至少有一部分位于所述第二连接器和所述钻杆之间，所述第一进水管在所述前封堵胶囊和所述后封堵胶囊的空心结构内部各有至少一个出水口 ；所述第二进水管至少有一部分位于所述前封堵胶囊和所述钻杆之间，所述第二进水管在所述前封堵胶囊和所述后封堵胶囊之间具有至少一个出水口；所述注水控制部分包括胶囊软管接口、封堵软管接口、胶囊放水阀、封堵放水阀和水源接口，所述胶囊软管接口连接所述胶囊放水阀，所述封堵软管接口连接封堵放水阀，所述胶囊放水阀和封堵放水阀并联连接所述水源接口，所述胶囊放水阀上设置有压力传感器，所述封堵放水阀上设置有压力传感器和流量传感器，所述第一进水管的进水口可固定连接胶囊软管接口，所述第二进水管的进水口可固定连接封堵软管接口。
2.一种使用权利要求1所述的覆岩导水裂隙带监测系统的探测钻进方法，其特征在于包括以下步骤①确定需要进行裂隙带监测的顶板位置和钻进深度；②通过连接柄将探测钻进装置安装到钻机上，启动钻机，从所确定的顶板位置处钻进；③钻机控制系统监测探测钻进装置的钻进量，当钻进量达到所确定的钻进深度时，停止钻进；④将第一进水管的进水口连接到注水控制部分的胶囊软管接口上，打开胶囊放水阀， 给前封堵胶囊和后封堵胶囊注水，使胶囊膨胀，并保持水压使胶囊保持膨胀状态；⑤将第二进水管的进水口连接到注水控制部分的封堵软管接口上，打开封堵放水阀， 向两胶囊之间的钻孔中注水，通过封堵放水阀上的流量传感器记录累积的注水量，通过封堵放水阀上的压力传感器随时监测注水水压；⑥当第⑤步中监测的注水水压上升到开始注水水压的3-5倍时，关闭封堵放水阀，停止注水，将记录的累积的注水量作为漏失量；⑦关闭胶囊放水阀，使胶囊中的水流出，然后将探测钻进装置从钻孔中撤出。
全文摘要
一种覆岩导水裂隙带监测系统，包括钻机、探测钻进装置和注水控制部分，探测钻进装置包括钻头、钻杆和连接柄，其可以通过所述连接柄连接所述钻机；探测钻进装置还包括封堵胶囊、连接器和进水管，其中进水管可以连接注水控制部分的软管接口。本发明中的覆岩导水裂隙带监测系统中的探测钻进装置直接安装在钻机上，使用钻机将探测装置送到目标位置，省时省力，使用钻机自身的控制系统控制探测钻进装置的钻进量，可控性好，数值精确，避免人工放置探测装置容易产生的位置误差；两路进水，跑冒量少，漏失量记录精确。
文档编号G01V1/40GK102565859SQ20111045701
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者刘进晓, 刘音, 史俊伟, 孙文斌, 尹立明, 常西坤, 张新国, 李杨杨, 江兴元, 江宁, 郭惟嘉, 陈绍杰 申请人:山东科技大学