幹孔洩壓閥及水壓致裂地應力測試裝置的製作方法

2023-10-05 02:53:14 3

本發明涉及巖體工程測試技術領域，具體而言，涉及一種幹孔洩壓閥及水壓致裂地應力測試裝置。

背景技術：

地應力是存在於地層中的天然應力，它是造成礦山巷道及其它地下工程變形、破壞的根本作用力，因此，地應力的大小、方向直接影響到巷道圍巖的穩定性，測量巷道原巖地應力，研究圍巖的應力分布特徵是進行巷道圍巖穩定性分析，以及實現地下工程開挖設計科學化的必要前提。目前，國際上普遍採用的工程巖地應力模量測試方法可以歸納為：表面應力解除法、表面應力恢復法、套孔應力解除法、水壓致裂法等。其中，表面應力解除法、套孔應力解除法對巖體質量要求高，需使用巖石力學參數參與計算；表面應力解除法、表面應力恢復法、套孔應力解除法測量深度有限、周期長，且需要單獨打測試鑽孔；水壓致裂法測量深度深；資料整理時不需要巖石彈性參數參與計算，可以避免因巖石彈性參數取值不準引起的誤差；巖壁受力範圍較廣(鑽孔承壓段程度可達1-2米)，可以避免「點」應力狀態的局限性和地質條件不均勻性的影響；操作簡單，測試周期短。綜上，水壓致裂法在水利水電、礦山、交通等方面得到了廣泛應用。

水壓致裂法通常採用單管(密封滿足試驗要求的鑽杆)進行測試，首先通過鑽杆對可膨脹的封隔器膠囊加壓，兩封隔器中間的鑽孔形成試驗段；推動封隔器上端的轉換閥與試驗段連通(此時封隔器膠囊為封閉狀態)，就可以正式開展測試：在試驗段中泵入液體，施壓直到孔壁破裂，並記錄壓力隨時間的變化；根據壓裂過程曲線的壓力特徵值計算地應力。測試完成後，提升鑽杆，推動轉換閥，使鑽杆與封隔器膠囊連通，卸掉封隔器膠囊中的壓力，使其恢復原狀後，再將封隔器提升到下一測試段。

水壓致裂法地應力測試的鑽孔所在部位的地質條件千變萬化，測試鑽孔條件也各不相同，測試鑽孔的地下水位差別很大，有些鑽孔孔口噴水、有些鑽孔全孔無水。若鑽孔巖體完整、滲漏少，通過人工注水，可以注滿；若鑽孔巖體完整性差，滲漏大，人工注水無法注滿。對於無法注滿水的鑽孔，其水壓致裂法地應力測試難度顯著增加，甚至失敗，原因是：水壓致裂法的封隔器膠囊的自擴張的壓力小於0.5mpa，若內外水頭差大於50m，封隔器膠囊膨脹，封隔器膠囊與測試鑽孔壁摩阻力增加，提升困難，甚至無法提升，還可能造成安全事故。國內在水位低或幹孔的水壓致裂法地應力測試中，對工作後的封隔器無法有效提升的問題，常採用如下解決方法：

1、在轉換閥上端加洩壓閥，測試完成後，在鑽杆中丟鋼珠球，鋼珠球堵洩壓閥孔口，通過鑽杆加壓推動洩壓閥閥芯下移，閥芯下移到位後，封隔器膠囊與測試孔連通洩壓；膠囊恢復原狀後，需提升全部鑽杆至地面，以取出洩壓閥中的鋼珠球，將洩壓閥閥芯恢復原位，才能再將測試設備放置到下一測試部位。

2、雙管加壓，具體是用一根高壓管對膠囊加壓(氣壓)，另一根高壓管對測試段加壓(水壓)，這種雙管加壓主要問題有：測試設備複雜、壓力傳感器要放置到封隔器上端(減小壓力誤差)。

因此，需要一種能在幹孔條件下、有效將封隔器內的壓力卸掉，且結構簡單、操作方便的裝置。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種幹孔洩壓閥，其結構簡單，操作方便，能有效將封隔器內的壓力卸掉。

本發明的另一目的在於提供一種水壓致裂地應力測試裝置，其能夠在深鑽孔、幹孔條件下進行水壓致裂法地應力測試試驗，測試穩定。

本發明的實施例是這樣實現的：

一種幹孔洩壓閥，其包括閥體和閥芯，閥體具有沿其軸線布置、且貫通的閥腔，閥芯具有沿其軸線布置的通孔，閥芯由閥體的插入端插入閥腔內，且一端由插入端伸出，閥芯與閥體之間存在間隙，閥體遠離插入端的端部開設有多個用於連通閥腔和閥體外的洩壓孔，閥芯位於洩壓孔和插入端的部分設置有可封堵閥腔的阻擋部，閥體的插入端設置有用於限制閥芯移動伸出閥體長度的限位螺母，閥芯位於阻擋部和限位螺母之間的部分套設有承重彈簧。

在本發明較佳的實施例中，上述閥體具有沿軸線布置、且相互連通的第一閥腔和第二閥腔，第一閥腔的直徑小於第一閥腔的直徑，洩壓孔位於與第一閥腔對應的閥體上，阻擋部位於第二閥腔內，且阻擋部可移動覆蓋於第一閥腔與第二閥腔的連通處。

在本發明較佳的實施例中，上述閥芯包括連接成一體的第一閥芯和第二閥芯，第一閥芯的直徑小於第二閥芯的直徑，阻擋部設置於第二閥芯與第一閥芯的連接處，當阻擋部覆蓋於第一閥腔與第二閥腔的連通處，第一閥芯位於第一閥腔內，第二閥芯位於第二閥腔內，且伸出插入端。

在本發明較佳的實施例中，上述第二閥芯包括連接成一體的阻擋段和移動段，阻擋段與第一閥芯連接，阻擋端的直徑大於移動端的直徑，限位螺母安裝於插入端，且套設於移動段，阻擋段的直徑大於限位螺母的內徑，移動段的直徑小於限位螺母的內徑。

在本發明較佳的實施例中，上述閥芯位於閥腔內的端部套設有o型密封圈，o型密封圈位於洩壓孔和閥體遠離插入端的端部之間。

在本發明較佳的實施例中，上述閥芯伸出插入端的一端套設有接頭，接頭用於與轉換閥相互插接連通；限位螺母可以調節承重彈簧的承重力，承重彈簧的承重力大於幹孔洩壓閥下端連接的各部件的總重量。

一種水壓致裂地應力測試裝置，其包括高壓泵，轉換閥，提引器，懸掛於提引器下方且向下插入鑽孔內的鑽杆，以及位於鑽孔內的封隔器，高壓泵與鑽孔的頂端連通，鑽孔的底端與上述的幹孔洩壓閥遠離插入端的端部連通，閥芯伸出插入端的一端與轉換閥的頂端連通，轉換閥的底端與封隔器連通。

在本發明較佳的實施例中，上述高壓泵還與壓力表相連；高壓泵通過高壓管與鑽孔連通，高壓管連接有流量傳感器、壓力傳感器。

在本發明較佳的實施例中，上述還包括採集儀，流量傳感器、壓力傳感器，以及封隔器之間的應力測量電纜分別與採集儀相連。

在本發明較佳的實施例中，上述提引器通過鋼絲繩與鑽機相連。

本發明實施例的有益效果是：本發明實施例的幹孔洩壓閥包括閥體和閥芯，閥體具有沿其軸線布置、且貫通的閥腔，閥芯具有沿其軸線布置的通孔，閥芯由閥體的插入端移動插入閥腔內，且一端由插入端伸出，閥芯與閥體之間存在間隙，閥體遠離插入端的端部開設有多個用於連通閥腔和閥體外的洩壓孔，閥芯位於洩壓孔和插入端的部分設置有可封堵閥腔的阻擋部，閥體的插入端設置有用於限制閥芯移動伸出閥體長度的限位螺母，閥芯位於阻擋部和限位螺母之間的部分按壓套設有承重彈簧，該幹孔洩壓閥結構簡單，操作方便，能有效將封隔器內的壓力卸掉。本發明實施例的水壓致裂地應力測試裝置包括高壓泵，轉換閥，提引器，懸掛於提引器下方且向下插入鑽孔內的鑽杆，以及位於鑽孔內的封隔器，高壓泵與鑽孔的頂端連通，鑽孔的底端與上述的幹孔洩壓閥遠離插入端的端部連通，閥芯伸出插入端的一端與轉換閥的頂端連通，轉換閥的底端與封隔器連通，該水壓致裂地應力測試裝置能夠在深鑽孔、幹孔條件下進行水壓致裂法地應力測試試驗，測試穩定。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明第一實施例提供的一種幹孔洩壓閥的結構示意圖；

圖2為圖1中閥體和限位螺母的結構示意圖；

圖3為圖1中閥芯和接頭的結構示意圖；

圖4為本發明第二實施例提供的一種水壓致裂地應力測試裝置的結構示意圖。

圖標：001-幹孔洩壓閥；100-閥體；110-洩壓孔；120-插入端；200-閥芯；210-第一閥芯；220-第二閥芯；221-阻擋段；222-移動段；230-阻擋部；300-閥腔；310-第一閥腔；320-第二閥腔；400-通孔；500-限位螺母；600-接頭；700-承重彈簧；800-o型密封圈；002-水壓致裂地應力測試裝置；010-高壓泵；011-流量傳感器；012-壓力傳感器；013-高壓管；014-滑輪；015-鋼絲繩；016-井架；017-提引器；018-鑽杆；019-鑽孔；020-轉換閥；021-封隔器；022-測試段；023-採集儀；024-控制閥門；025-壓力表。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「上」、「下」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

第一實施例

請參照圖1至圖3所示，本實施例提供一種幹孔洩壓閥001，其包括閥體100和閥芯200，閥體100具有沿其軸線布置、且貫通的閥腔300，閥芯200具有沿其軸線布置的通孔400，閥芯200由閥體100的插入端120移動插入閥腔300內，且一端由插入端120伸出，閥芯200與閥體100之間存在間隙，閥體100遠離插入端120的一端通過閥腔300與閥芯200的一端連通，再通過通孔400與閥芯200伸出插入端120的一端連通，實現幹孔洩壓閥001兩端的連通，當將幹孔洩壓閥001安裝在鑽杆上，就可以通過幹孔洩壓閥001對封隔器膠囊加壓，使封隔器膠囊在預定測試深度封隔一段鑽孔，形成試驗段。閥體100遠離插入端120的端部開設有多個用於連通閥腔300和閥體100外的洩壓孔110，閥芯200位於洩壓孔110和插入端120的部分設置有可封堵閥腔300的阻擋部230，閥體100的插入端120設置有用於限制閥芯200移動伸出閥體100長度的限位螺母500，閥芯200位於阻擋部230和限位螺母500之間的部分按壓套設有承重彈簧700。自由狀態：在承重彈簧700的彈力作用下，閥芯200相對閥體100向上移動，直至阻擋部230封堵閥腔300，則閥腔300與閥體100外無法連通；洩壓狀態：在外力作用下，閥芯200相對閥體100向下運動一段距離後，阻擋部230無法封堵閥腔300，閥芯200與閥體100之間的閥腔300通過洩壓孔110與閥體100外連通。而且，在限位螺母500的限位作用下，閥芯200隻能相對閥體100下移固定具體，避免由於位移過大導致承重彈簧700變形。

參見圖2所示，閥體100的具體結構為：閥體100具有沿軸線布置、且相互連通的第一閥腔310和第二閥腔320，第一閥腔310的直徑小於第一閥腔310的直徑，洩壓孔110位於與第一閥腔310對應的閥體100上，阻擋部230位於第二閥腔320內，且阻擋部230可移動覆蓋於第一閥腔310與第二閥腔320的連通處。

對應的，參見圖3所示，閥芯200的具體結構為：閥芯200包括連接成一體的第一閥芯210和第二閥芯220，第一閥芯210的直徑小於第二閥芯220的直徑，阻擋部230設置於第二閥芯220與第一閥芯210的連接處，當阻擋部230覆蓋於第一閥腔310與第二閥腔320的連通處，第一閥芯210位於第一閥腔310內，第二閥芯220位於第二閥腔320內，且伸出插入端120。

實現限位螺母500限制閥芯200移動伸出閥體100長度的具體結構為：第二閥芯220包括連接成一體的阻擋段221和移動段222，阻擋段221與第一閥芯210連接，阻擋端的直徑大於移動端的直徑，限位螺母500安裝於插入端120，二者螺紋配合，且套設於移動段222，阻擋段221的直徑大於限位螺母500的內徑，移動段222的直徑小於限位螺母500的內徑。第二閥芯220的移動段222可以在限位螺母500的孔內自由移動，但一旦第二閥芯220下移至阻擋端抵住限位螺母500時，則第二閥芯220無法再繼續下移，使閥芯200伸出閥體100的長度不會超過一定長度。本發明實施例的這種變徑的閥芯200，是最為獨特的結構，可以使閥芯200下移固定長度，既可以使洩壓孔110與閥腔300內貫通，卸掉水頭差，又可以讓操作變得簡單。這是因為將幹孔洩壓閥001提升是手動操控，提升力的大小不易控制，將閥芯200下移距離限制為固定長度後，就算提升力大了，也不會使洩壓閥中的承重彈簧700壓縮變形過大，失去作用。另外，提升力大小可以通過調節限位螺母500進行調節，降低了勞動強度。

本實施例中，閥芯200位於閥腔300內的端部套設有o型密封圈800，o型密封圈800位於洩壓孔110和閥體100遠離插入端120的端部之間。由於o型密封圈800的密封作用，封堵了閥芯200與閥體100之間的閥腔300，避免幹孔洩壓閥001的插入端120通過閥芯200與閥體100之間的閥腔300與另一端連通。

本實施例中，閥芯200伸出插入端120的一端套設有接頭600，接頭600用於與轉換閥相互插接連通；限位螺母500可以調節承重彈簧700的承重力，承重彈簧700的承重力大於幹孔洩壓閥001下端連接的各部件(比如轉換閥、封隔器等)的總重量。

第二實施例

請參照圖4所示，本實施例提供一種水壓致裂地應力測試裝置002，其包括採集儀023，高壓泵010，轉換閥020，提引器017，懸掛於提引器017下方且向下插入鑽孔019內的鑽杆018，以及位於鑽孔019內的封隔器021，高壓泵010與鑽孔019的頂端連通，鑽孔019的底端與第一實施例中的幹孔洩壓閥001的頂端連通，幹孔洩壓閥001的底端與轉換閥020的頂端連通，轉換閥020的底端與封隔器021連通。

本實施例中，幹孔洩壓閥001垂直布置，幹孔洩壓閥001的頂端為遠離插入端120的端部，幹孔洩壓閥001的底端為套設有接頭600的一端，接頭600與轉換閥020相互插接連通，幹孔洩壓閥001的承重彈簧700的承重力大於幹孔洩壓閥001下端連接的轉換閥020、封隔器021等的總重量。

本實施例中，高壓泵010還與壓力表025、用於控制高壓泵010輸出氣壓的控制閥門024相連；高壓泵010通過高壓管013與鑽孔019連通，高壓管013連接有流量傳感器011、壓力傳感器012，流量傳感器011、壓力傳感器012，以及封隔器021之間的應力測量電纜分別與採集儀023相連。

提引器017的設置結構為：鑽孔019上方架設有井架016，井架016下方懸掛有滑輪014，提引器017通過鋼絲繩015與鑽機相連，鋼絲繩015掛繞過井架016滑輪014。

水壓致裂地應力測試裝置002適用於不同鑽孔019孔徑(φ75mm、φ91mm、φ110mm)巖體，深鑽孔019、幹孔條件下巖體地應力的測試，採用水壓致裂地應力測試裝置002的水壓致裂地應力測試方法是：

利用鑽機，鑽取一段基巖裸露的鑽孔019；利用提引器017，將懸掛於下方的鑽杆018伸入鑽孔019內，直至鑽杆018底端連接的兩個封隔器021位於地應力待測試段022的兩端。

封隔器021頂端的轉換閥020和幹孔洩壓閥001處於自由狀態，轉換閥020使鑽杆018與封隔器021連通，幹孔洩壓閥001在承重彈簧700的彈力作用下，閥芯200相對閥體100向上移動，直至阻擋部230封堵閥腔300，閥腔300與閥體100外無法連通。通過鑽杆018對封隔器021膠囊加壓膨脹，兩個封隔器021密封它們之間的鑽孔019形成試驗段；推動轉換閥020，使鑽杆018與試驗段連通(此時兩個封隔器021膠囊之間為封閉狀態)，就可以正式開展試驗段的地應力測試：通過鑽杆018在試驗段中泵入液體，施壓直到孔壁破裂，並記錄壓力隨時間的變化；根據壓裂過程曲線的壓力特徵值計算地應力。

測試完成後，利用提引器017提升鑽杆018，鑽杆018推動轉換閥020，使鑽杆018與封隔器021膠囊連通、同時帶動閥體100，閥體100受到向上的提引力，但由於此時水頭差大，封隔器021膠囊膨脹，封隔器021膠囊與鑽孔019壁摩阻力增加，封隔器021無法被提取移動，閥芯200也無法移動。在提升力保持的作用下，閥體100內的閥芯200相對閥體100向下運動，阻擋部230無法封堵閥腔300，閥芯200與閥體100之間的閥腔300通過洩壓孔110與閥體100外連通，直至閥芯200下移固定具體後，閥芯200在限位螺母500的限制作用下，停止移動，此時為洩壓狀態，鑽杆018內的液體進入閥芯200與閥體100之間的閥腔300內，並由洩壓孔110流出至鑽杆018外的鑽孔019內，卸掉水頭差，即卸掉封隔器021膠囊中的壓力，待封隔器021恢復原狀後，再利用提引器017將封隔器021提升到下一測試段。

綜上所述，本發明實施例的幹孔洩壓閥結構簡單，操作方便，能有效將封隔器內的壓力卸掉；本發明實施例的水壓致裂地應力測試裝置能夠在深鑽孔、幹孔條件下進行水壓致裂法地應力測試試驗，測試穩定。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。