本实用新型专利技术公开了一种高压电脉冲破岩中检测岩层位移和破坏状态的装置，该装置包括高压电脉冲破岩钻头、高压电脉冲电源装置、钻进数据地面监测仪、钻井液存储及泵送装置、运行控制装置、柔性钻杆和支架；高压电脉冲破岩钻头与柔性钻杆底端相连，柔性钻杆上端与高压电脉冲电源装置、钻进数据地面监测仪、钻井液存储及泵送装置相连；运行控制装置与高压电脉冲电源装置、钻井液存储及泵送装置相连接；柔性钻杆和运行控制装置固定在支架上。高压电脉冲破岩钻头与所述高压电脉冲电源装置通过柔性钻杆内电缆连接，实现对岩体的钻进。本实用新型专利技术结构简单，可实现快速破岩成孔，且具有机械性磨损小，工作效率高，适应不同硬度、温度的岩层，成孔形状多样化等优点。成孔形状多样化等优点。成孔形状多样化等优点。
【技术实现步骤摘要】
高压电脉冲破岩中检测岩层位移和破坏状态的装置
[0001]本技术属于采矿工程
，涉及采空区上覆岩层位移检测，更具体地说，涉及一种高压电脉冲破岩中检测岩层位移和破坏状态的装置。
技术介绍
[0002]近年来，随着煤矿开采强度的增大，很多矿区开采条件较好的煤炭资源逐渐减少。而残采区上部遗留煤层的储量可观，具有良好的开采价值，其能缓解部分矿区煤炭资源储量不足的问题，有效延长矿区开采寿命。而残采区上部遗留煤层开采由于下部采空区的存在，使其上行开采过程中的稳定性判别等安全性问题日益凸显。为保证上行开采的安全有序进行，需对下部煤层开采引起的上覆岩层破坏情况进行调查和监测。
[0003]目前，常用的调查监测手段主要有现场监测、模拟分析和理论计算等方法。其中，现场监测方法主要为井下彩色电视系统、地面钻孔超声成像技术、钻孔分段注水法、传感器监测方法、分布式光纤检测法、微震监测以及遥感技术。这些方法在监测过程中存在依赖钻孔质量性高、测量误差大、监测范围有限、容易发生漏检、监测费用高、仪器易损坏等问题。模拟分析方法通过在实验室建立小型试验平台，模拟现场实际开挖状态，通过观测上覆岩层的位移和破坏情况反证现场实际情况。但实验室模拟条件与现场实际情况存在偏差，且模拟过程存在大量简化过程，并不能准确无误的反映现场实际情况。而理论计算方法亦存在参数简化、判别因素单一、公式适用范围小等问题。因此，上覆岩层破坏情况的判别急需一种高效、准确的新方法。
[0004]近年来，涌现出一批新兴的破岩技术：一类为机械能破碎岩石（如中国专利CN113982615A、CN114152514A），另一类为热能破碎岩石（如中国专利CN114636544A、CN113898287A、CN109737841A）。在新式机械能破碎岩石中，高压电脉冲技术近年来受到国内外的关注，可以广泛应用于岩石开采、钻井、机械除垢、医疗等领域。且高压电脉冲破岩技术具有安全、高效的特点，具有很大的发展潜力。高压电脉冲破岩分为电破岩和液电破岩两类。当击穿电压上升时间小于500ns时，水的击穿场强大于岩石的击穿场强，在水为绝缘液时，岩石首先被击穿，达到破碎岩石的效果，产生电破岩；而当击穿电压上升时间大于500ns时，岩石的击穿场强大于水的击穿场强，水中的高压脉冲波以及气泡的产生与溃灭对岩石造成损伤，达到破碎岩石的效果，此时的破岩方式为液电破岩。高压电脉冲破岩过程中，破岩速率、导电液体流量与岩石的岩性、孔隙度、裂隙度存在一定关系，故而可以将高压电脉冲破岩引入上行开采中采空区上覆岩层状态的监测。
技术实现思路
[0005]本技术旨在提供一种高压电脉冲破岩中检测岩层位移和破坏状态的装置。本技术提供的高压电脉冲破岩检测技术，可以应用于已开采煤层上覆岩层位移及破坏状态的检测，为后续上行开采的可行性判别提供基础资料。
[0006]本技术提供了一种高压电脉冲破岩中检测岩层位移和破坏状态的装置，包
括：高压电脉冲破岩钻头、高压电脉冲电源装置、钻进数据地面监测仪、钻井液存储及泵送装置、运行控制装置、柔性钻杆和支架；高压电脉冲破岩钻头与柔性钻杆底端相连，柔性钻杆上端与高压电脉冲电源装置、钻进数据地面监测仪、钻井液存储及泵送装置相连；运行控制装置与高压电脉冲电源装置、钻井液存储及泵送装置相连接；柔性钻杆和运行控制装置固定在支架上。
[0007]高压电脉冲破岩钻头，与所述高压电脉冲电源装置通过柔性钻杆内电缆连接，实现对岩体的钻进作用。该高压电脉冲破岩钻头包括钻头绝缘托座、外环低压电极和内环高压电极。
[0008]钻头绝缘托座相当于连接件，用于固定低压和高压电极，其具体形状可根据破岩钻孔需求确定，如圆形、矩形、多边形等。外环低压电极和内环高压电极均连接于钻头绝缘托座下端，钻头绝缘托座为中空结构，中间位置设有钻井液通道，供钻井液和渣土、岩屑等排出钻孔底部。
[0009]优选地，外环低压电极和内环高压电极均由多个子电极组成，子电极形状为针棒状、L形、倒L形等；子电极为拼接式，便于替换磨损严重的子电极头，从而节约电极材料及成本；
[0010]优选地，子电极材料为纯铜、石墨、钢中的一种；钻头绝缘托座材料为刚玉和聚四氟乙烯中的一种；
[0011]优选地，内环高压电极与绝缘托座为旋转卡扣连接，钻头绝缘托座可旋转，以调控外环低压电极和内环高压电极子电极间的距离；
[0012]优选地，钻头绝缘托座中间位置处的钻井液通道口处设有格网，用以防止破碎后较大块的岩石反吸入钻井液输送管中，造成堵管；格网直接焊接固定于绝缘托座上即可，网格中孔洞均匀分布，孔洞直径为2cm左右。
[0013]优选地，高压电脉冲破岩钻头形状可为圆形、矩形、多边形等。
[0014]高压电脉冲电源装置，与所述高压电脉冲破岩钻头通过柔性钻杆中的电缆电性连接，为所述高压电脉冲破岩钻头提供高压脉冲电源；
[0015]钻井液存储及泵送装置，包含钻井液存储箱、高压抽水泵及沉淀池，为所述高压电脉冲破岩钻头破岩时的内环高压电极与外环低压电极间提供钻井液，并保证钻井液的循环及携带走破碎岩屑；钻井液存储箱通过管道（该管道从钻井液存储箱通入所钻的井下）将钻井液输送到井下，高压抽水泵一端通过管道连接柔性钻杆，将井下的钻井液及破碎岩屑抽离井下，并通过高压抽水泵另一端连接沉淀池，将破碎岩屑沉淀；沉淀池与钻井液存储箱相通，将沉淀池处理后的钻井液循环使用。
[0016]优选地，钻井液为自然地下水、NaCl溶液、NaOH溶液、CaCl2溶液中的一种，NaCl溶液、NaOH溶液、CaCl2溶液的浓度为0.01~0.5%；
[0017]柔性钻杆内设有电缆，连接高压电脉冲破岩钻头和高压电脉冲电源装置，起连接悬挂和导向作用（可以认为将柔性钻杆通过支架上的柔性钻杆固定抓手固定悬挂在支架上）；同时传输（柔性钻杆中具有电缆，通过电缆的电磁感应，会产生相关电磁数据，并通过柔性钻杆中的电缆将数据传输至地面监测仪中。）高压电脉冲破岩钻头钻进测量数据至钻进数据地面监测仪。柔性钻杆由内腔、外腔和对接端头组成，其中内腔为钻井液输送通道、外腔为电缆放置空间；
[0018]优选地，相邻两根柔性钻杆通过对接端头连接，对接端头内含电性接头及电磁线圈，实现高压电及高压电脉冲的有效传输；柔性钻杆有一定强度，能对高压电脉冲破岩钻头起到支撑作用，从而引导高压电脉冲破岩钻头改变钻进方向；每一根柔性钻杆长度固定，随着钻头钻进深度的增加，柔性钻杆在不断的接长，以保证钻头能下放到预定的钻进深度。
[0019]优选地，通过柔性钻杆控制，高压电脉冲破岩钻头的钻进角度为0
‑
180
°
；
[0020]运行控制装置与高压电脉冲电源装置、钻井液存储及泵送装置、支架电性连接，用于高压电脉冲电源装置的电源开启与关闭、电压大小、放电时长等控制；用于钻井液的泵送启停控制、钻井液泵送流量大小控制；用于柔性钻杆的钻进及抬升控制；
[0021]运行控制装置对高压电脉冲电源装置的控制：首先通本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高压电脉冲破岩中检测岩层位移和破坏状态的装置，其特征在于包括：高压电脉冲破岩钻头、高压电脉冲电源装置、钻进数据地面监测仪、钻井液存储及泵送装置、运行控制装置、柔性钻杆和支架；高压电脉冲破岩钻头与柔性钻杆底端相连，柔性钻杆上端与高压电脉冲电源装置、钻进数据地面监测仪、钻井液存储及泵送装置相连；运行控制装置与高压电脉冲电源装置、钻井液存储及泵送装置相连接；柔性钻杆和运行控制装置固定在支架上；高压电脉冲破岩钻头，与所述高压电脉冲电源装置通过柔性钻杆内电缆连接，实现对岩体的钻进作用；该高压电脉冲破岩钻头包括钻头绝缘托座、外环低压电极和内环高压电极；钻头绝缘托座用于固定外环低压电极和内环高压电极，且外环低压电极和内环高压电极之间的距离可调；钻头绝缘托座为中空结构，中间位置设有钻井液通道；高压电脉冲电源装置，与所述高压电脉冲破岩钻头通过柔性钻杆中的电缆电性连接，为所述高压电脉冲破岩钻头提供高压脉冲电源；钻井液存储及泵送装置，包含钻井液存储箱、高压抽水泵及沉淀池，为所述高压电脉冲破岩钻头破岩时的内环高压电极与外环低压电极间提供钻井液；钻井液存储箱通过管道将钻井液输送到井下，高压抽水泵一端通过管道连接柔性钻杆，将井下的钻井液及破碎岩屑抽离井下，并通过高压抽水泵另一端连接沉淀池，将破碎岩屑沉淀；沉淀池与钻井液存储箱相通，将沉淀池处理后的钻井液循环使用；柔性钻杆内设有电缆，连接高压电脉冲破岩钻头和高压电脉冲电源装置，起连接和导向作用；同时传输高压电脉冲破岩钻头钻进测量数据至钻进数据地面监测仪；柔性钻杆由内腔、外腔和对接端头组成，其中内腔为钻井液输送通道、外腔为电缆放置空间；该装置包括若干个柔性钻杆，相邻两根柔性钻杆通过对接端头连接，对接端头内含电性接头及电磁线圈，实现高压电及高压电脉冲的有效传输；运行控制装置与高压电脉冲电源装置、钻井液存储及泵送装置、支架电性连接，用于控制高压电脉冲电源装置的电源开启与关闭、电压大小、放电时长；用于钻井液的泵送启停控制、钻井液泵送流量大小控制、柔性钻杆的钻进及抬升控制；钻进数据地面监测仪，用于监测收集高压电脉冲破岩钻头钻进角度、钻井方位角、井底所受压力及所钻穿地层的电阻率、密度、孔隙度这些地层物理性能参数；支架，包括履带、外框架、抓举提升装置、柔性钻杆固定抓手，用于钻井位置的固定、高压电脉冲破岩钻头和柔性钻杆的提升与下放。2.根据权利要求1所述的高压电脉冲破岩中检测岩层位...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁铭绩，张逸群，郝瑞卿，冯国瑞，曹志勇，韩冰睿，刘新礼，史彩霞，郭军，李文璞，靳瑾，
申请(专利权)人：山煤国际能源集团股份有限公司，
类型：新型
国别省市：
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