一种煤矿井下定向钻进随钻水位探测装置及方法与流程

1.本发明属于定向钻探技术领域，具体涉及一种煤矿井下定向钻进随钻水位探测装置及方法。


背景技术：

2.我国煤炭开采长期受水害威胁，水害已成为仅次于瓦斯事故的第二大煤矿杀手，严重制约着煤矿的安全高效开采。国家煤矿监察局对水害问题高度重视，制定了“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治煤矿水害十六字原则，各煤炭企业也把煤矿隐蔽致灾水源的超前探查和治理作为预防水害事故的重要措施。煤矿隐蔽致灾水源的超前探查主要有物探、化探和钻探等技术手段，实际应用中一般采用“物探先行、钻探验证、化探跟进”的综合探查技术体系。
3.煤矿井下钻探是进行隐蔽致灾水源探查最直接、最有效的方法，尤其是定向钻进技术被引入到煤矿井下以来，就以其钻进效率高、钻孔深度大、钻孔轨迹精准可控，一孔可施工多分支等技术优势，成为煤矿井下水害防治和隐蔽致灾因素探查的重要技术手段。利用煤矿井下定向钻孔探测采空区积水、构造带充水及含水层水位具有探查精度高、探查距离远、探查周期短，并可利用定向钻孔进行超前治理等诸多优点，但在实际应用中也存在一些不足，主要表现在：现阶段利用定向钻进技术对采空区、构造带、含水层等可能存在隐蔽致灾水源区域进行超前探查时，当探查定向钻孔孔口标高高于地下积水标高时，地下积水不会从孔口返出，此时要判定所探查区域是否积水，需要提钻后在孔内下入专用仪器探测孔内水位，若钻孔处地下水周围地层条件较差，提钻后容易发生塌孔缩径，探测仪器难以下入孔内完成水位探查，影响隐蔽致灾水源分析和治理效果。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种煤矿井下定向钻进随钻水位探测装置及方法，以解决上述技术问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
6.一种煤矿井下定向钻进随钻水位探测装置，包括探测装置和用于监测探测装置回路中电流的监测模块；所述探测装置包括依次同轴连接的通缆送水器、通缆钻杆、上无磁钻杆、探测短节、测量短节、下无磁钻杆、螺杆马达和钻头；
7.所述探测短节包括探测短节外管和探测短节内芯，所述探测短节内芯设置在探测短节外管中，探测短节内芯与探测短节外管内壁之间设置有供冲洗液流通的通道；
8.所述探测短节外管管壁上沿其径向设置有第一通孔，所述第一通孔中设置有绝缘套，所述绝缘套的一端延伸至与探测短节内芯外壁接触，绝缘套的另一端设置有凸缘，所述凸缘设置在探测短节外管的外壁上，所述绝缘套上嵌套有触点；
9.所述探测短节内芯外表面包裹有绝缘层，探测短节内芯中设置有与所述触点导通的支路以及导通上无磁钻杆内芯与测量短节的探管内芯的主路，所述支路和主路并联；
10.所述通缆送水器与监测模块之间通过快插接头连接，所述快插接头包括正极和负极，当快插接头正接时，所述正极与通缆送水器内芯连通，负极与通缆送水器外壁连通；当快插接头反接时，所述正极与通缆送水器外壁连通，负极与通缆送水器内芯连通。
11.具体的，所述探测短节内芯中设置有两个并联的二极管，其中一个二极管正向连接于探测短节内芯两端之间，形成所述主路；另一个二极管反向连接于所述探测短节内芯和所述触点之间，形成所述支路。
12.具体的，所述触点为与所述探测短节外管外壁贴合的金属板，金属板上设置有能够插入绝缘套内且与所述支路导通的金属杆。
13.具体的，所述探测短节内芯通过支架支撑在探测短节外管中，所述支架为绝缘材质，所述支架上设置有供冲洗液流通的过流孔。
14.优选的，在第一通孔周围的探测短节外管外壁上设置有第一凹槽，所述凸缘嵌套在第一凹槽中，所述凸缘上围绕绝缘套中轴线设置有第二凹槽，用于嵌套所述触点。
15.具体的，所述测量短节包括探管内芯和仪器外管，所述探管内芯通过固定套和扶正器设置在仪器外管中，所述固定套能够导通探管内芯和仪器外管，所述扶正器为绝缘材质。
16.本发明还公开了一种煤矿井下定向钻进随钻水位探测方法，该方法采用本发明所述的煤矿井下定向钻进随钻水位探测装置对水位进行探测，具体方法包括：
17.当正常定向钻进时，将快插接头正接，通过孔底螺杆马达带动钻头碎岩，通过测量短节完成测斜，保存钻孔轨迹数据；
18.当需要探测孔内或地质异常体积水情况时，将快插接头反接，通过监测模块监测探测装置回路中电流值，判定孔内电路是否接通，并反复小角度旋转孔内钻具，若电路稳定接通，说明探测短节处有积水，再结合钻孔轨迹数据，判定孔内或地质异常体积水情况及位置；若电路断路，说明探测短节处无积水。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.(1)本发明装置和方法能实现随钻水位探测，避免了因孔壁不稳定造成的探测仪器下放困难和重复的提钻、下钻工作，使探查工作量大幅减小，可为煤矿采空区、陷落柱、断层、烧变岩等地质异常体水位探查提供支持，对煤矿水害超前探查及治理具有重要意义。
21.(2)本发明的探测装置对煤矿井下定向钻具改动小，在原钻具组合的上无磁钻杆和仪器外管间加探测短节，探测水位时，只需要将通缆送水器快插接头反插即可实现水位探测；
22.(3)本发明的探测装置结构简单，设计巧妙，加工维修难度小，制造成本低廉，可充分利用现有钻探装备，应用在隐蔽致灾水源探查领域后将大幅降低探查成本。
23.本发明的其他优点在具体实施方式中进行详细说明。
附图说明
24.图1是本发明实施例展示的煤矿井下定向钻进随钻水位探测装置结构示意图。
25.图2是本发明实施例展示的探测短节纵剖面图。
26.图3是图2的a-a剖面图。
27.图4是图2的b-b剖面图。
28.图5是本发明实施例展示的测量短节纵剖面图。
29.图6是本发明实施例展示的通缆送水器示意图。
30.图7是图6通缆送水器的快接插头处局部放大图。
31.图中各标号说明：
32.1-通缆送水器，2-通缆钻杆，3-上无磁钻杆，4-探测短节，5-测量短节，6-下无磁钻杆，7-螺杆马达，8-钻头，9-快插接头，10-控制中心；
33.11-通缆送水器内芯，12-通缆送水器外壁，13-进水口；
34.41-探测短节外管，42-探测短节内芯，43-绝缘套，44-触点，45-通道，46-支架；
35.411-第一通孔；421-支路，422-主路；431-凸缘；461-过流孔；
36.51-探管内芯，52-仪器外管，53-固定套，54-扶正器
37.91-正极，92-负极。
具体实施方式
38.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
39.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的，“前方、后方”是指以气体流动方向为基准定义的。
40.本发明并不局限于以下具体实施例，在下述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。
41.实施例1
42.本实施例公开了一种煤矿井下定向钻进随钻水位探测装置，包括探测装置和监测模块，监测模块用于监测探测装置回路中的电路大小。
43.如图1所示，探测装置包括依次同轴连接的通缆送水器1、通缆钻杆2、上无磁钻杆3、探测短节4、测量短节5、下无磁钻杆6、螺杆马达7和钻头8，通缆送水器1外管、通缆钻杆2外管、上无磁钻杆3外管、探测短节4外管、测量短节5外管均通过丝扣连接。
44.通缆送水器1、通缆钻杆2、上无磁钻杆3、探测短节4、测量短节5均设置有外壁和内芯，本实施例的通缆送水器1除了设置内芯11外，其余结构与市面上常见的送水器结构类似，设置有进水口13，供钻进冲洗液进入；通缆钻杆2和上无磁钻杆3为常规结构。
45.如图2和图3所示，本实施例的探测短节4设置为通缆结构，包括探测短节外管41和探测短节内芯42，探测短节内芯42设置在探测短节外管41中，探测短节内芯42与探测短节外管41内壁之间设置有供冲洗液流通的通道45，具体的，探测短节内芯42通过支架46支撑在探测短节外管41中，支架46由绝缘材料制成，支架46具体为一个环形支撑块，如图4所示，环形支撑块的内壁和外壁分别与探测短节内芯42和探测短节外管41固定连接，环形支撑块上设置有供冲洗液流通的过流孔461，过流孔461围绕其圆周方向间隔布置。
46.探测短节外管41为无磁材料，探测短节外管41管壁上沿其径向设置有第一通孔
411，第一通孔411中设置有绝缘套43，绝缘套43的一端延伸至与探测短节内芯42外壁接触，另一端设置有凸缘431，即绝缘套43整体截面形状为t型。
47.凸缘431设置在探测短节外管41的外壁上，而且绝缘套43的凸缘431上嵌套有触点44，绝缘套43保证触点44与探测短节内芯42中的支路导通，与探测短节外管41及腔内的冲洗液绝缘；具体的，触点44为与探测短节外管41外壁贴合的金属板，金属板上设置有能够插入绝缘套43内且与支路421导通的金属杆，金属杆可采用常见的金属螺杆，在金属板上开设中心孔，安装时采用金属螺杆通过金属板的中心孔与支路421连接。
48.第一通孔411周围的探测短节外管41外壁上设置有第一凹槽(图中未标出)，凸缘431嵌套在第一凹槽中，使得凸缘431的外侧面与探测短节外管41的外壁面齐平，在凸缘431上围绕绝缘套43中心设置有第二凹槽(图中未标出)，触点44嵌套在第二凹槽中，使得触点44的外侧面与探测短节外管41的外壁面齐平。
49.探测短节内芯42外表面包裹有绝缘层，保证探测短节内芯42与探测短节外管41、冲洗液绝缘，探测短节内芯42中设置有与触点44导通的支路421以及导通上无磁钻杆3内芯与测量短节5的探管内芯的主路422，支路421和主路422并联。具体的，探测短节内芯42中设置有两个并联的二极管，其中一个二极管正向连接于探测短节内芯42两端之间，形成主路422，保证从上无磁钻杆3内芯到测量短节5的探管内芯51的电流通过；另一个二极管反向连接于探测短节内芯42和触点44之间，形成支路421，保证触点44到上无磁钻杆3内芯间电流通过。
50.测量短节5包括探管内芯51和仪器外管52，如图5所示，探管内芯51通过固定套53和扶正器54安装在仪器外管52中心轴线上，固定套53能够导通探管内芯51和仪器外管52，扶正器54由绝缘材料制成。
51.通缆送水器1、通缆钻杆2、上无磁钻杆3各自的内芯也通过支架安装外管中，且支架与探测短节4内的支架一样，均由绝缘材料制成，并在支架上设置通孔，供冲洗液自由流通。
52.缆送水器1与监测模块之间通过快插接头9连接，如图7所示，快插接头9包括正极91和负极92，当快插接头9正接时，如图6所示，正极91与通缆送水器内芯11连通，负极92与通缆送水器外壁12连通；当快插接头9反接时，正极91与通缆送水器外壁12连通，负极92与通缆送水器内芯11连通。一般正常钻进时，快插接头9正接，此时探测短节内芯42中的主路422导通；当需要探测孔内水位时，将快插接头9反接，若电路稳定接通，则说明支路421导通，说明孔内有积水且积水位于探测短节4处，若电路断路，说明探测短节4处无积水。
53.本实施例将监测模块集成在控制中心10中，控制中心10还设置有能够与测量探管配合使用的测斜模块，且控制中心10具备能够为快插接头9提供稳定电压的功能。
54.实施例2
55.本实施例公开了一种煤矿井下定向钻进随钻水位探测方法，用实施例1记载的煤矿井下定向钻进随钻水位探测装置对水位进行探测，具体方法包括：
56.当正常定向钻进时，将快插接头9正接，通过孔底螺杆马达7带动钻头8碎岩，通过测量短节5配合控制中心的测斜模块完成测斜，保存钻孔轨迹数据；
57.当需要探测孔内或地质异常体积水情况时，将快插接头9反接，通过控制中心10的监测模块监测探测装置回路中电流值，判定孔内电路是否接通，并反复小角度旋转孔内钻
具，若电路稳定接通，说明探测短节4处有积水，积水导通了触点44与探测短节外管41，再结合钻孔轨迹数据，判定孔内或地质异常体积水情况及位置；若电路断路，说明探测短节处无积水。
58.可以看出，采用本发明的探测装置和方法在探测水位时，只需要将快插接头9反插在通缆送水器1上，即可实现水位探测，操作便捷，探查工作量大幅减小。