CN114910403A - 一种岩体松动圈检测变截面封水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种岩体松动圈检测变截面封水装置及方法，涉及岩土工程技术领域，包括封水塞和楔块，封水塞包括沿其轴向依次分布的多个直径相异的封水节段，封水塞轴向端面上设有卡槽，卡槽沿封水塞径向的截面呈环形，楔块呈适配卡槽的筒状，楔块包括沿其轴向分布的多个外径相异的卡合节段，楔块可拆卸配合卡槽，以改变封水塞的径向尺寸；针对目前采用气囊和封水塞对松动圈测试过程中钻孔封水效果不佳的问题，采用多段变径的封水节段组成的封水塞，通过一次选择不同位置的封水节段适应钻孔，同时能够通过预留卡槽和楔块的配合实现形变，从而对封水塞与钻孔配合位置进行二次调整，使封水塞外壁与钻孔贴合，保证封水效果。

Description

一种岩体松动圈检测变截面封水装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种岩体松动圈检测变截面封水装置及方法。

背景技术

在岩体开挖成洞施工中，由于岩体应力的重新分配，巷道围岩随应力的重新分配而发现移动，为了使巷道处于稳定状态，就要进行巷道支护，以达到安全、有效使用；如果支护技术不当就会发生巷道片帮、冒顶等安全问题。为了更好的解决支护问题，就要对巷道围岩松动圈进行测试，测试过程主要是在巷道帮上施工钻孔，使用松动圈测试仪进行测试；测试原理主要是在钻孔中放入测试探头，孔内注满水或其他媒介，使用仪器接收在探头位置岩石的波速，来分析围岩的裂隙发育情况，以划定围岩松动圈的范围，辅助优化巷道支护参数。

为了避免媒介从钻孔位置外泄，需要对钻孔进行封堵，在通过探杆置入探头后，也需要对钻孔与探杆之间进行封堵，在现有松动圈测试的封堵过程采用气囊充气封水，每次移动测点都需要重复充气、放气，在放气后的不可控放水过程使巷道污水横流，恶化井下作业环境，同时操作繁琐；孔口封水使用气囊袋充气封水，每次放气充气气囊形状发生变化，也会导致气囊与钻孔内壁之间的相对移动而产生摩擦，反复使用会损坏气囊，严重时气囊带会发生爆裂，严重威胁工作人员的生命安全。而采用封堵塞并预留通孔的方式，虽然能够一定程度上提高排水时的可控性，但需要针对钻孔规格配置专用封堵塞以保证其封堵效果，实际工作过程中，钻孔的尺寸难以进行精确控制，导致封堵塞与钻孔配合效果较差引起泄露等问题，难以满足封水的工作需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种岩体松动圈检测变截面封水装置及方法，采用多段变径的封水节段组成的封水塞，通过一次选择不同位置的封水节段适应钻孔，同时能够通过预留卡槽和楔块的配合实现形变，从而对封水塞与钻孔配合位置进行二次调整，使封水塞外壁与钻孔贴合，保证封水效果。

本发明的第一目的是提供一种岩体松动圈检测变截面封水装置，采用以下方案：

包括封水塞和楔块，封水塞包括沿其轴向依次分布的多个直径相异的封水节段，封水塞轴向端面上设有卡槽，卡槽沿封水塞径向的截面呈环形，楔块呈适配卡槽的筒状，楔块包括沿其轴向分布的多个外径相异的卡合节段，楔块可拆卸配合卡槽，以改变封水塞的径向尺寸。

进一步地，沿所述封水塞轴向上，封水节段依据直径尺寸从小到大依次分布，所有封水节段同轴分布。

进一步地，沿所述楔块轴向上，卡合节段依据外径尺寸从小到大依次分布，所有卡合节段同轴分布。

进一步地，所述封水塞上相邻封水节段之间平滑过渡，楔块上相邻卡合节段之间平滑过渡。

进一步地，所述卡槽开口与封水塞一端端面平齐，卡槽沿封水塞轴向延伸至封水塞内部，卡槽与封水塞同轴布置。

进一步地，所述封水塞上设有多个功能孔，功能孔沿封水塞轴向上贯穿封水塞，且功能孔位于卡槽内圈范围内。

进一步地，至少两个所述功能孔侧壁相接且连通。

进一步地，至少一个功能孔配合有水管，水管与所配合功能孔内壁贴合且能够相对滑动。

进一步地，所述楔块一端连接有限位环，另一端用于同轴嵌入卡槽内，使封水塞形成弹性形变。

本发明的第二目的是提供一种岩体松动圈检测变截面封水方法，利用如第一目的所述的岩体松动圈检测变截面封水装置，包括以下步骤：

将封水塞远离卡槽开口的一端置入钻孔内，使封水塞沿轴向移动；

封水塞的封水节段外壁与钻孔内壁适配后，将楔块一端置入卡槽内；

楔块一端在卡槽内沿轴向移动，卡合节段抵接卡槽内壁使封水塞形变，封水塞外壁与钻孔内壁贴合以封堵钻孔。

进一步地，使封水塞沿轴向逐步移动，楔块在卡槽内沿轴向逐步移动，调节楔块与封水塞相对位置。

进一步地，封水塞上设有功能孔，功能孔配合管件和/或探杆后，将封水塞安装于钻孔进行封堵。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前采用气囊和封水塞对松动圈测试过程中钻孔封水效果不佳的问题，采用多段变径的封水节段组成的封水塞，通过一次选择不同位置的封水节段适应钻孔，同时能够通过预留卡槽和楔块的配合实现形变，从而对封水塞与钻孔配合位置进行二次调整，使封水塞外壁与钻孔贴合，保证封水效果。

(2)通过变直径的多段封水节段布置，使其能够利用多段封水节段适应不同尺寸的钻孔，匹配多种尺寸的钻孔，提高封水塞的适用性，减少水流从钻孔内渗出的问题；通过变外径的多段卡合节段布置，使其能够依据需求分段配合卡槽，不同的卡合节段能够使封水塞产生不同程度的形变，满足钻孔与封水塞之间不同大小间隙封堵的需求。

(3)在封水塞上预留功能孔，能够配合管件或探杆，方便向孔内注水和安装探杆，同时也可以将功能孔作为排气孔或排水孔，便于注水时孔内气体的排出和排水时对孔内水体进行导引，避免水流的不可控外泄。

附图说明

构成本发明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。

图1为本发明背景技术中及实施例1或2中封水装置的示意图。

图2为本发明实施例1或2中封水塞和楔块的剖面示意图。

图3为本发明实施例1或2中封水塞配合楔块的示意图。

图4为本发明实施例1或2中封水塞、楔块和管件的结构示意图。

图中，1.探杆孔；2.封水塞；3.卡槽；4.进水孔；5.管件；6.换气孔；7.楔块；8.水管。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图4所示，给出一种岩体松动圈检测变截面封水装置。

如图1所示岩体松动圈检测变截面封水装置，用于对需要注水的钻孔进行封水，尤其是用于岩体松动圈检测过程中对钻孔进行封堵，能够通过带有多段不同直径封水节段的封水塞2适应钻孔，利用不同截面尺寸的封水节段配合不同尺寸的钻孔，解决岩体松动圈检测过程中钻孔尺寸偏差的问题。另外，封水塞2还能够在楔块7作用下调节尺寸，提高封水塞2与钻孔配合贴合度，从而提升封水效果。

结合图1、图4，岩体松动圈检测变截面封水装置主要包括封水塞2和楔块7，封水塞2和楔块7配合使用，能够对钻孔进行封水，充分发挥在检测时水的耦合作用，需要指出的是，背景技术中提出的封堵塞预留了通孔供探杆、水管8等穿过，以满足岩体松动圈检测过程中安装探头的需求；在本实施例中，在具有安装探头等元件的需求时，同样可以对封水塞2上配置相应的功能孔，以供各类功能元件穿过封水塞2；在只有封水需求时，封水塞2上可以不设置功能孔，利用封水塞2实现对钻孔的完全封堵。

如图2所示，封水塞2包括沿其轴向依次分布的多个直径相异的封水节段，不同封水节段沿径向的截面具有不同的尺寸，形成变截面的封水结构，能够适应多种尺寸的钻孔。

可以选用氟硅胶材料，耐摩擦、耐腐蚀，在其他实施方式，也可以选用满足弹性需求的材料。封水塞2沿轴向方向直径发生变化，沿封水塞2轴向上，封水节段依据直径尺寸从小到大依次分布，所有封水节段同轴分布。

在本实施例中设置三个封水节段，形成三段式的封水塞2。变截面封水塞2本身存在不同的直径，变截面封水塞2的最小直径为44mm，并且由于氟硅胶具有可逆形变的特性，所以变截面封水塞2最小可以适应直径为40mm的钻孔；二级直径为52mm，三级直径为60mm，所以变截面封水塞2可以适应直径40mm-60mm的钻孔。

封水塞2轴向端面上设有卡槽3，卡槽3沿封水塞2径向的截面呈环形，楔块7呈适配卡槽3的筒状，楔块7包括沿其轴向分布的多个外径相异的卡合节段，楔块7可拆卸配合卡槽3，以改变封水塞2的径向尺寸。

变直径的楔块7能够插进变截面封水塞2的卡槽3，由于封水塞2采用能够进行弹性形变的材质，具有大幅度可逆形变的特性；在楔块7插入卡槽3后，随着楔块7外径的变化带动卡槽3尺寸的变化，使得配合位置处封水塞2直径发生变化，并且由于封水塞2本身具有弹性形变的特性，从而能够适应不同尺寸的钻孔。

对上述配合状态，采用多段变径的封水节段组成的封水塞2，通过一次选择不同位置的封水节段适应钻孔，同时能够通过预留卡槽3和楔块7的配合实现形变，从而对封水塞2与钻孔配合位置进行二次调整，使封水塞2外壁与钻孔贴合，保证封水效果。

封水塞2上设有多个功能孔，功能孔沿封水塞2轴向上贯穿封水塞2，且功能孔位于卡槽3内圈范围内；至少一个功能孔配合有水管8，水管8与所配合功能孔内壁贴合且能够相对滑动。

同时，在封水塞2上设置功能孔时，比如设置如图2、图3所示的探杆孔1、进水孔、换气孔6，均沿变截面封水塞2轴向贯通，探杆孔1用于探杆的穿入，进水孔用于水管8的穿入，换气孔6用于连通封水塞2两端，水管8穿过进水孔并保持贴合封水。平滑探杆能够穿过探杆孔1并保持贴合。

由于封水塞2的弹性材质，能够使功能孔内壁贴合所配合的管件5、探杆，在管件5、探杆相对于封水塞2滑动时，也能够保持贴合避免漏水，能满足在水介质中连续移动测试的要求。

至少两个所述功能孔侧壁相接且连通，在本实施例中，探杆孔1与换气孔6在轴向方向互通，松动圈测试仪的电缆能够通过探杆孔1过渡到换气孔6中，换气孔6既可以作为气体交换通道，又可以作为电缆通道。水管8一端连接外部水源，另一端插入进水孔便于水流进入钻孔中

光滑探杆能过通过探杆孔1且与其内壁形成良好的密封性，既可以保证钻孔内的水不会过量流出，也可以保证光滑探杆容易拔出。相较于传统的直插式密封结构，采用探杆与探杆孔1滑动贴合，能够在保证密封的条件下，光滑探杆能够自由出入探杆孔1，无需螺纹对接。

在探孔测试的具体操作过程中，使换气孔6位于光滑探杆的正上方，进水孔位于光滑探杆的正下方，当钻孔里的水满后，水从换气孔6缓慢流出，能够始终保持松动圈测试仪的探头处于水中。

对于楔块7，其呈筒状且适配卡槽3，沿楔块7轴向上，卡合节段依据外径尺寸从小到大依次分布，所有卡合节段同轴分布；楔块7也形成变外径结构，采用硬质材料，便于对封水塞2施加作用。

对于卡槽3，卡槽3开口与封水塞2一端端面平齐，卡槽3沿封水塞2轴向延伸至封水塞2内部，卡槽3与封水塞2同轴布置。

楔块7上具有径向厚度大于卡槽3厚度的卡合节段，在该类卡合节段挤入封水塞2的卡槽3后，能够改变封水塞2的最大直径，楔块7配合卡槽3实现封水塞2径向的扩张，提高贴合度，从而能够进一步调节封水塞2外围的尺寸，同时能够对部分钻孔内壁上的凹陷位置进行适应，楔块7推动封水塞2形变，封水塞2能够向凹陷位置形变，填充凹陷位置以减少或消除间隙，实现全面封堵。

同时，楔块7一端连接有限位环，另一端用于同轴嵌入卡槽3内，使封水塞2形成弹性形变。

结合上述封水塞2的尺寸规格的示例，由于变外径的楔块7能够挤入变截面封水塞2的卡槽3，所以变截面封水塞2直径能够向外扩大，最大直径为66mm。综上所述，该变截面封水塞2可以适应直径为40mm-66mm的钻孔。在其他实施方式中，可以对封水塞2的封水节段的规格、数量进行配置，也可以对楔块7的卡合节段的规格、数量进行配置，形成适应不同尺寸范围的封水装置，满足实际施工需求。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图4所示，给出一种岩体松动圈检测变截面封水方法。

结合实施例1中的岩体松动圈检测变截面封水装置，封水方法包括以下步骤：

将封水塞2远离卡槽3开口的一端置入钻孔内，使封水塞2沿轴向逐步移动；

封水塞2的封水节段外壁与钻孔内壁适配后，将楔块7一端置入卡槽3内；

楔块7一端在卡槽3内沿轴向逐步移动，卡合节段抵接卡槽3内壁使封水塞2形变，封水塞2外壁与钻孔内壁贴合以封堵钻孔。

具体的，在本实施例中，结合图1-图4，提供上述封水方法的一组示例。

巷道孔深3m，倾角5°，孔径50mm，点距200mm进行松动圈测试，岩体松动圈检测变截面封水方法的步骤如下：

(1)根据实际操作情况将测试探杆置于钻孔中，并按图1把变截面封水塞2进行组装；

(2)选择略大于钻孔直径的变截面封水塞2的截面进行封孔，封孔完毕后进行注水；

(3)水经水管8或其他所配合管体流入钻孔底，钻孔内水面开始向孔口移动，孔内空气通过换气孔6把空气排出孔外；

(4)钻孔内空气排完后，水已注满钻孔内，此时水经换气孔6流出钻孔外，表明钻孔内已注满水，松动圈测试探头处在水介质中，测试过程始终保证换气孔6流水；

(5)开始测试，通过松动圈测试仪操作，该点测试完成后，进行下一点的测试；

(6)通过光滑探杆移动200mm，带动钻孔底的松动圈测试探头向钻孔口移动200mm，移动完成后确认换气孔6流水，开始该点的测试；重复操作，直至测试完成，形成该钻孔沿轴向方向的波速曲线。

比仪器自带封水元件，变截面封水塞2操作简单，一次封堵，无需重复，无需像气囊袋使用过程中充气—注水—测试—放气(放水)—移动测点程序繁琐；再者，变截面封水塞2使用氟硅胶材料，耐磨擦耐低温耐腐蚀，可重复使用多次，并且封水效果明显，不会发生气囊袋爆裂等威胁工作人员的生命安全的现象。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩体松动圈检测变截面封水装置，其特征在于，包括封水塞和楔块，封水塞包括沿其轴向依次分布的多个直径相异的封水节段，封水塞轴向端面上设有卡槽，卡槽沿封水塞径向的截面呈环形，楔块呈适配卡槽的筒状，楔块包括沿其轴向分布的多个外径相异的卡合节段，楔块可拆卸配合卡槽，以改变封水塞的径向尺寸。

2.如权利要求1所述的岩体松动圈检测变截面封水装置，其特征在于，沿所述封水塞轴向上，封水节段依据直径尺寸从小到大依次分布，所有封水节段同轴分布。

3.如权利要求1所述的岩体松动圈检测变截面封水装置，其特征在于，沿所述楔块轴向上，卡合节段依据外径尺寸从小到大依次分布，所有卡合节段同轴分布。

4.如权利要求1所述的岩体松动圈检测变截面封水装置，其特征在于，所述封水塞上相邻封水节段之间平滑过渡，楔块上相邻卡合节段之间平滑过渡。

5.如权利要求1所述的岩体松动圈检测变截面封水装置，其特征在于，所述卡槽开口与封水塞一端端面平齐，卡槽沿封水塞轴向延伸至封水塞内部，卡槽与封水塞同轴布置。

6.如权利要求1所述的岩体松动圈检测变截面封水装置，其特征在于，所述封水塞上设有多个功能孔，功能孔沿封水塞轴向上贯穿封水塞，且功能孔位于卡槽内圈范围内。；

至少两个所述功能孔侧壁相接且连通；

至少一个功能孔配合有水管，水管与所配合功能孔内壁贴合且能够相对滑动。

7.如权利要求1所述的岩体松动圈检测变截面封水装置，其特征在于，所述楔块一端连接有限位环，另一端用于同轴嵌入卡槽内，使封水塞形成弹性形变。

8.一种岩体松动圈检测变截面封水方法，利用如权利要求1-7任一项所述的岩体松动圈检测变截面封水装置，其特征在于，包括以下步骤：

将封水塞远离卡槽开口的一端置入钻孔内，使封水塞沿轴向移动；

封水塞的封水节段外壁与钻孔内壁适配后，将楔块一端置入卡槽内；

楔块一端在卡槽内沿轴向移动，卡合节段抵接卡槽内壁使封水塞形变，封水塞外壁与钻孔内壁贴合以封堵钻孔。

9.如权利要求8所述的岩体松动圈检测变截面封水方法，其特征在于，使封水塞沿轴向逐步移动，楔块在卡槽内沿轴向逐步移动，调节楔块与封水塞相对位置。

10.如权利要求8所述的岩体松动圈检测变截面封水方法，其特征在于，封水塞上设有功能孔，功能孔配合管件和/或探杆后，将封水塞安装于钻孔进行封堵。

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