节点式光电传感多含水层水压及多参数原位监测装置的制作方法

本发明涉及原位监测装置，具体涉及节点式光电传感多含水层水压及多参数原位监测装置。

背景技术：

1、目前多含水层水压及理化参数相关实验主要用于矿井水害监测等应用场景，具体形式是水力特性测试，核心目的是探究水流运动规律和含水层之间的导通性情况。主要实验类型有：分层抽水/注水试验：这是最经典的方法。通过在钻孔内使用封隔器将不同含水层隔开，对各层进行独立的抽水或注水试验。技术人员在一个由潜水层和三个承压层构成的系统中进行了抽水试验，成功揭示了不同含水层间的水力联系。该方法基于泰斯（theis）非稳定流理论，通过分析水位和流量数据来求各参数。微水试验：这种方法快速、成本低。它通过在井孔内瞬间注入或抽取少量水，然后监测水位恢复过程来分析水文地质参数，尤其适合在弱透水层等难以进行持续抽水的场景下应用。此外，还有一些更创新的方法，比如利用井水位对大气压的响应来反演含水层参数，实现了“原位、低成本、低扰动”的观测。分层泄水/放水试验：主要用于解决工程水害问题。例如，通过在井下打专门的泄水钻孔，并进行单孔或多孔放水，可以有效降低地下水位，形成“降落漏斗”，从而治理井筒或巷道的渗水问题。这些方法都存在共性问题，必须通过施加人为因素后观察地下水体系的变化进而判断多含水层之间的大致情况。为防止这种人为引入的误差产生的无关变量，近些年相关研究人员逐渐摸索出通过传感器对地下水含水层的压力、温度、盐碱度等理化属性进行原位监测的方法。

2、多含水层，尤其是断层两侧含水层的情况特殊，一直是监测的难点，上述方法通过钻孔抽水注水试验能够通过数学计算判断含水层的导通情况，但需要钻多孔，一孔一层、套管贯通，在断层结构不清楚的情况下，钻进的方向不一定是垂直于地面，多钻孔可能会触及断层的灰色边界，不但会出现地层紊乱，还可能出现在有限距离上的多个钻孔直接导通各个含水层，甚至导致开采煤层矿井突水隐患。

3、针对多含水层的监测一直是业内的技术难点。当前有些项目做了建设性的尝试，发明了多含水层监测的仪器设备，这些仪器设备大多通过机械设计的方式如橡胶隔水圈、照门式隔水阀，或膨润土填料土工充填等方式对不同含水层进行隔离，进而在不同含水层埋设监测传感器进行多含水层监测。但这些设备或多或少存在结构复杂、功能单一、依赖精细化施工管控等问题。如机械结构过于精密，在地质勘查研究、煤矿开采现场存在大量泥（煤）浆的环境故障率较高，密封不严甚至失效；功能相对单一，仅通过光电或电子传感器监测含水层的某一项主要参数，缺少多传感器相互校正的相关设计；依赖精细化施工，如采用的膨润土或团聚体填充隔离非常考验项目管理能力，一旦出现失误则整个钻孔甚至整套设备都将面临废弃。

4、为此我们提供节点式光电传感多含水层水压及多参数原位监测装置解决上述问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了节点式光电传感多含水层水压及多参数原位监测装置，通过轻量化、模组化的设计，实现了设备各类功能的高效集成，其具体功能包括但不限于钻井可视化、钻井光谱数据扫描、钻井深度测量、含水层封堵、水压及其他理化性质的原位在线监测和小尺度井下施工。

2、为了实现上述目的，本发明采用的节点式光电传感多含水层水压及多参数原位监测装置，包括滑轮井架、5g物联网功能控制器主机、在线式ups主机以及若干组多含水层监测单元模组，所述滑轮井架架设于钻孔井口上方，用于对多含水层监测单元模组进行悬吊、导向与升降调控；

3、所述多含水层监测单元模组包括多含水层监测单元模组a和多含水层监测单元模组b，多含水层监测单元模组a布设于钻孔内部隔水层a位置，多含水层监测单元模组b布设于钻孔内部隔水层b位置，多孔套管底部设于钻孔最底端形成井下限位基准；

4、所述多含水层监测单元模组均包括外壳、半球形中空气囊包壳、半球体膨胀头、监控组件、外壳胀裂引导缝和机械爪；

5、所述外壳为模组承载基体，外壳顶端一体式连接半球形中空气囊包壳，半球形中空气囊包壳顶端嵌装半球体膨胀头，半球体膨胀头侧部集成固定监控组件；所述外壳侧壁分区独立预留水文参数传感器安装位与光电传感器安装位；所述外壳内部中空并通过水溶性胶膜密封包裹膨胀剂，外壳外壁开设有外壳胀裂引导缝；所述外壳底端装配可开合的机械爪，机械爪连接贯穿模组的机械爪控制铠缆。

6、作为上述方案的进一步优化，所述5g物联网功能控制器主机与在线式ups主机集成布设于井口地表位置，在线式ups主机与5g物联网功能控制器主机电性连接，实现整机不间断稳压供电、数据接收解析、存储及远程无线传输。

7、作为上述方案的进一步优化，所述多含水层监测单元模组分别独立外接电传感器通信缆与光电传感器通信光缆。

8、作为上述方案的进一步优化，所述监控组件集成设置有监控探头、超声传感器和导水管；所述监控组件整体固定于半球体膨胀头旁侧并与外壳顶端固定配合；

9、其中，所述监控探头朝向钻孔下方设置，用于采集钻孔影像、反馈孔壁及水体环境；所述超声传感器与监控探头同轴布设，用于检测多含水层监测单元模组下放深度、校核层位位置；所述导水管为贯通导流结构，连通多含水层监测单元模组外部水体与外壳内部腔体，为膨胀剂遇水反应提供进水通道。

10、作为上述方案的进一步优化，所述膨胀剂为膨润土-铁粉-蛭石复合膨胀剂，遇水发热膨胀；所述水溶性胶膜贴合外壳腔体内壁密封包裹膨胀剂，遇水溶解后触发膨胀剂膨胀反应。

11、作为上述方案的进一步优化，所述半球形中空气囊包壳、外壳、外壳胀裂引导缝均采用聚四氟乙烯材料制成。

12、作为上述方案的进一步优化，所述外壳胀裂引导缝为薄壁弱化结构，膨胀剂膨胀过程中沿外壳胀裂引导缝定向撑开外壳，使膨胀剂均匀填充模组与钻孔孔壁间隙，形成刚性密封封堵层。

13、作为上述方案的进一步优化，所述半球体膨胀头采用纤维与高吸水树脂混纺材质，遇水快速膨胀填充孔壁间隙，在模组顶端形成柔性密封隔水层，与膨胀剂刚性封堵结构配合构成化学-机械双层联合密封体系，隔断不同含水层水力串扰。

14、作为上述方案的进一步优化，所述机械爪控制铠缆远程控制机械爪开合，机械爪张开抵接钻孔孔壁实现模组刚性定位固定，且机械爪张开过程中同步顶推半球形中空气囊包壳，使半球体膨胀头完全裸露水体完成初步封堵启动。

15、作为上述方案的进一步优化，所述水文参数传感器安装位用于装配水文理化传感器以采集水压、温度、盐碱度参数，所述光电传感器安装位用于装配光电传感器。

16、本发明的节点式光电传感多含水层水压及多参数原位监测装置，具备如下有益效果：

17、本发明的节点式光电传感多含水层水压及多参数原位监测装置，采用轻量化、模块化集成设计，核心监测、封堵、定位部件一体化集成于独立模组内部，代替传统设备复杂精密的机械密封结构；同时半球形中空气囊包壳、外壳等核心结构采用聚四氟乙烯材质，具备低摩擦、耐腐蚀、高强度的特性，可适配倾斜、带毛刺、含泥浆煤浆的复杂钻孔环境，下放过程顺畅无卡滞，降低井下复杂工况下的设备故障率，解决传统设备易失效、稳定性差的问题。

18、本发明采用柔性膨胀密封与刚性固结密封相结合的化学-机械联合双层封堵体系，通过半球体膨胀头遇水快速膨胀形成顶端柔性密封层，再通过内部膨润土-铁粉-蛭石复合膨胀剂定向膨胀固结形成孔壁刚性密封层，双重密封结构相互配合，可紧密贴合不规则钻孔孔壁，隔断不同含水层之间的水力联系，解决层间水压互通、水体串扰问题，保障各含水层监测数据的独立性，从结构根源上提升分层监测精度；

19、本装置依靠机械爪定位顶推、结构自触发膨胀封堵的工作模式，无需人工精细化填料、注浆、分层密封等复杂施工工序，下放定位、封堵固化全程自动化完成，降低现场施工难度与施工精度要求，规避人工施工偏差导致的设备报废问题，缩短监测施工周期，降低工程施工成本与运维成本；

20、本发明多含水层监测单元模组为独立结构，各模组可独立下放、单独封堵、分开监测，可根据钻孔含水层数量、层位分布灵活增减布设组数，既能适配常规单层、多层含水层监测，也可满足断层破碎带、复杂地层的水文监测需求，适配矿井水害防治、水工环地质勘查、废弃矿井水文监测等多类工程场景。

21、参照后文的说明与附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式，应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制，在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。