CN107340318B - 加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置及方法。该装置包括标定罐体、设置在标定罐体上端的加压活塞、与标定罐体连接的快速加热装置和安装在标定罐体内部的测量装置；测量装置包括测压管、环向电阻率测试电极、垂向电阻率测试电极、自动化数据采集仪、电阻率采集仪。本发明通过测试电极测得试样的电阻率，获得不同工况下煤样和水样垂向和横向电阻率随压力变化的数据，进而分析各组数据的内在联系，绘制出电阻率与压力的特形曲线。本发明能为井下排除假异常体提供分析数据，对确保地下工程结构长期安全性具有重要作用。

Description

加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置及方法，属于矿业工程技术领域。

背景技术

近些年来，随着开采深度的增加，矿井水害已经成为制约煤矿安全生产的主要威胁之一。加之早期小煤矿开采无序，形成较多的老空区，由此产生的老空区积水给矿山开采带来极大的安全威胁。另外，矿井水文地质条件复杂，裂隙水、断裂水也对煤矿安全生产构成威胁。针对此水害问题，部分煤矿一直采用钻探或巷探手段来进行探放水工作，但仅凭“一孔一巷之见”难以排除水患，且效率低、成本高。

国内外对煤层结构的测试技术已进行了大量研究，开发了用于物探的多种设备。通过上述的各种技术手段所获得的数据，根据所测出来的数据与井下的实际情况相对比，目前还是有许多数据不准确，存在假异常体无法排除的情况。针对这种情况，本装置采用直流电法进行改进，直流电法在北方矿井水害防治中的成熟应用，费用低廉且效果较好。作为井下强干扰环境水害探测的优选方法之一，得到很大发展。因此先进行物探测试，再配以钻探或巷探，探放水工作就能取得较满意的效果。

发明内容

本发明旨在提供一种加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置及方法，采用直流电法，分别对煤样、水样、水样加煤样，分别测定其电阻率，然后绘制出电阻率随着压力变化曲线并分析其规律。

本发明提供了一种加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置，包括标定罐体、设置在标定罐体上端的加压活塞、与标定罐体连接的快速加热装置和安装在标定罐体内部的测量装置；

标定罐体用于装载受试水样及煤样，设置有连通罐体内外的安装孔，加压活塞安装在标定罐体的顶端开口处，并能上下自由滑动，加压活塞上设置有竖直方向的预留通孔；快速加热装置设置在标定罐体的下部且紧贴标定罐体外表面布置；测量装置包括测压管、环向电阻率测试电极、垂向电阻率测试电极、自动化数据采集仪、电阻率采集仪，所述测压管通过安装孔放置到受试煤体中，环向电阻率测试电极、垂向电阻率测试电极均匀分布在标定罐体四周；环向电阻率测试电极是围绕罐体一圈、垂向电阻率测试电极是在罐体外侧自上而下，360度全方位监测试样变化。

上述装置中，标定罐体的外侧横向环绕设置有多道环形钢护环。起保护罐体作用，防止压力超限，将罐体撑裂。

上述装置中，标定罐体的外壁上沿圆周均匀设置四组安装孔阵列，每组安装孔阵列包括8个安装孔，各安装孔为测试元件导线的通道。所述的安装孔一共有32个，标定罐体分为四层，由上至下分别为1、2、3、4层，如图3所示，分为四个区域，顺时针ABCD区域，如图二所示。）

上述装置中，加压活塞上沿圆周方向均匀分布有8个预留安装孔，作为安装电极孔。

上述装置中，测量装置中的环向电阻率测试电极，每层包括8个沿圆周方向均匀布置的环向电阻率测试电极；垂向电阻率测试电极分组设置在罐体的顶部和底部，每组包括8个沿圆周方向均匀布置的垂向电阻率测试电极。

上述装置中，标定罐体采用高强绝缘耐热塑料制造成圆柱体，尺寸为Φ55mm*400mm；

上述装置中，加压活塞与罐体接触处设置两道U型槽，内嵌有环形密封圈。

本发明提供了地下高承压水与煤在加压过程下水与煤结构性测试方法，采用上述地下高承压水与煤在加压过程下水与煤结构性结构性测试装置，包括以下步骤：

1)将受试煤样装载到标定罐体中，将测压管、环向电阻率测试电极和垂向电阻率测试电极安置在煤样中的设计位置上，然后将上述安装就位的测试元件分别用信号线与外置的自动化数据采集仪、电阻率采集仪连接；受试煤样装载完毕后，开展不同工况试验，测试各项参数；

2）将受试水体固结成冰块装载到标定罐体中，将快速加热装置打开，加热使冰块溶解，十分钟后，开始测试，重复步骤1)中测试过程，记录各项数据；

3）将水体固结成冰块，然后将煤样与冰块依次分隔放置在罐体中，将快速加热装置打开，加热将冰块溶解，十分钟后，开始测试，重复步骤1)中的测试过程，记录各项数据；

4）分析：采用前述方法获取不同工况下煤样和水样垂向和横向电阻率随压力变化的数据，进而分析各组数据的内在联系，绘制出电阻率与压力的特形曲线。

本发明的有益效果：

本发明解决了现有技术无法很好地对地下高承压水与煤层更精确定位的技术难题；通过设置完善的快速加热装置系统、测试系统和加载装置，协调工作，可开展水体与煤样环向和垂向电阻率测试、垂向位移测试，对标定罐体内水体与煤样进行全方位的动态测试，综合分析电阻率、压力变化，对水体与煤层电阻率变化进行评价，进而对不同压力下的煤层与水体的电阻率变化进行分析比较，为井下排除假异常体提供分析数据，对确保地下工程结构长期安全性具有重要作用。

附图说明

图1为试验一状态的示意图；

图2为试验二状态的示意图；

图3为试验三状态的示意图；

图4为本发明环向电阻率测试电极的布置示意图；

图5为本发明垂向电阻率测试电极的布置示意图；

图中：1-罐体、2-加压活塞、3-快速加热装置、4-预留通孔、5-钢护环、6-密封圈、7-垂向电阻率测试电极、8-环向电阻率测试电极、9-传感器引线、10-测压管、11-安装孔、12-煤样、13-水样。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

本发明地下高承压水及煤层在加压过程下水与煤结构性测试装置及方法。如图1~3所示，标定罐体1采高强绝缘耐热塑料制造成圆柱体(Φ55mm*400mm)；

标定罐体1的顶部设计有可拆卸的、上下自由滑动的加压活塞2，所述加载系统对地下煤层结构施加垂向压力；加压活塞2与罐体1接触处设置两道U型槽，内嵌有环形密封圈6；如图4所示，加压活塞2上开设八个预留通孔4，环向布置，间隔45°角，并且预留通孔4可根据需要采用密封螺栓密封或使用。

如图4所示，标定罐体1圆周不同区域侧壁A/B/C/D分别预留八个安装孔11，总计32个安装孔，A/B区域圆孔作为测压管的通道；C/D区域圆孔作为传感器引线9的通道；四个区域安装孔功能亦可互换，根据需要组合使用。

如图1所示，可根据需要在标定罐体1的内部从下至上铺设煤层，厚度为100mm（单层煤）。

如图2所示，可根据需要在标定罐体1的内部从下至上铺设冰块，厚度为50mm。

如图3所示，可根据需要在标定罐体1的内部从下至上分层铺设冰块/煤层/冰块/煤层，厚度分别为50mm、100mm、50mm、100mm。

如图3所示，所述测量系统包括电阻率测试元件、测压管；所述测试元件设置于标定罐体1内、外，测试元件实时监测标定罐体1内的煤层性，并将数据传输给外接的数据采集系统；具体地，所述测试元件包括测压管10、垂向电阻率测试电极7和环向电阻率测试电极8；

所述测压管10外接在罐体1外面，用于测试不同位置罐体内压力变化；所述垂向电阻率测试电极7和环向电阻率测试电极8，用于测试加压过程中煤体与水的垂向和水平电阻率；所述垂向电阻率测试电极7通过加压活塞2上预留通孔4进行试验，用于测试水的上方电阻率。

本装置的使用方法包括以下步骤：

试验一：

1、试验一准备阶段：铺设煤样(1层)，如图1，同时将测压管、电极片埋设在设计位置上，测试元件的导线通过塑料细管集中引出标定罐外，分别与DataTaker自动化数据采集仪、电阻率自动采集仪连接。整个铺设过程完成后，通过在煤样顶部采用加压活塞均匀施加预压力对煤样进行进一步固结，固结完成后，即可开展不同工况试验。

2、试验一开展阶段：保持加压活塞下降到某一固定值，待变形及孔压测试数据稳定后，按一定幅度改变活塞的压力值，测试各项参数；反复上述流程，开展不同工况试验。

试验二：

1、试验二准备阶段：铺设冰块(1层)，如图2，同时将孔压计、测压管、电极片、快速加热装置埋设在设计位置上，测试元件的导线通过塑料细管集中引出标定罐外，分别与DataTaker自动化数据采集仪、电阻率自动采集仪连接。整个铺设过程完成后，通过在冰块顶部采用加压活塞均匀施加预压力对冰块进行进一步固结，固结完成后，即可开展不同工况试验。

上述测试过程中，用冰块进行实验是为了更好地加样，如果是水的话，在试验三的过程中是很难将煤样加到水样上去的，为了控制变量所以试验二中也使用冰样。

2、试验二开展阶段：启动快速加热装置，使冰块完全融化；待孔压测试数据稳定后，按一定幅度改变活塞的压力值，测试各项参数；反复上述流程，开展不同工况试验。

试验三：

1、试验三准备阶段：分层铺设煤样和冰(2-4层)，如图3，同时将孔压计、测压管、电极片、快速加热装置埋设在设计位置上，测试元件的导线通过塑料细管集中引出标定罐外，分别与DataTaker自动化数据采集仪、电阻率自动采集仪连接。整个铺设过程完成后，启动快速加热装置，使冰块完全融化成水后，用加压活塞为整个试样加压；煤样在自重固结完成后，通过在煤样顶部采用加压活塞均匀施加预压力对煤样进行进一步固结，固结完成后，即可开展不同工况试验。

2、试验三开展阶段：启动快速加压装置，使冰块完全融化成水，保持加压活塞下降到某一固定值，待变形及孔压测试数据稳定后，按一定幅度改变活塞的压力值，测试各项参数；反复上述流程，开展不同工况试验。

分析过程：

采用前述方法获取不同工况下煤样和水样垂向和横向电阻率随压力变化的数据，进而分析各组数据的内在联系，绘制出电阻率与压力的特形曲线。

如图4，试验一试验时电阻率测试电极采取环形布置方式，环向电阻率测试电极8(长为10mm，宽为5mm)沿标定罐体四周不同高度分层布置，可布置2-4层，每层8个，按45°角间隔布置，总计16-32个；如图5所示，在每层煤或水的顶部和底部分别布设一层垂向电阻率测试电极7(长为10mm，宽为5mm)，每层8个，按45°角间隔布置。测试时，通过垂向电阻率测试电极7测试煤层或水垂向电阻率，通过环向电阻率测试电极8测试煤层横向电阻率；测试时，选择两垂向(或环向)电极施加电压，在其他垂向(或环向)电极上可以得到电势差；通过垂向(或环向)电极两两配对测试，可以对煤样中不同部位电阻率变化情况进行测试。

如图4，试验二试验时电阻率测试电极采取环形布置方式，环向电阻率-测试电极8(长为10mm，宽为5mm)沿标定罐体四周不同高度分层布置，可布置2-4层，每层8个，按45°角间隔布置，总计16-32个；如图5所示，在每层煤的顶部和底部分别布设一层垂向电阻率测试电极7(长为10mm，宽为5mm)，每层8个，按45°角间隔布置。测试时，通过垂向电阻率测试电极7测试煤层垂向电阻率，通过环向电阻率测试电极8测试冰块横向电阻率；测试时，选择两垂向(或环向)电极施加电压，在其他垂向(或环向)电极上可以得到电势差；通过垂向(或环向)电极两两配对测试，可以对冰块中不同部位电阻率变化情况进行测试。

如图4，试验三试验时电阻率测试电极采取环形布置方式，环向电阻率测试电极8(长为10mm，宽为5mm)沿标定罐体四周不同高度分层布置，可布置2-4层，每层8个，按45°角间隔布置，总计16-32个；如图5所示，在每层煤样和冰块的顶部和底部分别布设一层垂向电阻率测试电极7(长为10mm，宽为5mm)，每层8个，按45°角间隔布置。测试时，通过垂向电阻率测试电极7测试试样垂向电阻率，通过环向电阻率测试电极8测试每层煤样和冰块的横向电阻率；测试时，选择两垂向(或环向)电极施加电压，在其他垂向(或环向)电极上可以得到电势差；通过垂向(或环向)电极两两配对测试，可以对中不同部位电阻率变化情况进行测试。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置，其特征在于：包括标定罐体、设置在标定罐体上端的加压活塞、与标定罐体连接的快速加热装置和安装在标定罐体内部的测量装置；

标定罐体设置有连通罐体内外的安装孔，加压活塞安装在标定罐体的顶端开口处，并能上下自由滑动，加压活塞上设置有竖直方向的预留通孔；快速加热装置设置在标定罐体的下部且紧贴标定罐体外表面布置；测量装置包括测压管、环向电阻率测试电极、垂向电阻率测试电极、自动化数据采集仪、电阻率采集仪，所述测压管通过安装孔放置到受试煤体中，环向电阻率测试电极、垂向电阻率测试电极均匀分布在标定罐体四周；环向电阻率测试电极是围绕罐体一圈设置，垂向电阻率测试电极是在罐体外侧自上而下设置，360度全方位监测试样变化；

测量装置中的环向电阻率测试电极，每层包括8个沿圆周方向均匀布置的环向电阻率测试电极；垂向电阻率测试电极分组设置在罐体的顶部和底部，每组包括8个沿圆周方向均匀布置的垂向电阻率测试电极。

2.根据权利要求1所述的加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置，其特征在于：标定罐体的外侧横向环绕设置有多道环形钢护环。

3.根据权利要求1所述的加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置，其特征在于：标定罐体的外壁上沿圆周均匀设置四组安装孔阵列，每组安装孔阵列包括8个安装孔，共设有32个安装孔，各安装孔为测试元件导线的通道。

4.根据权利要求1所述的加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置，其特征在于：加压活塞上沿圆周方向均匀分布有8个预留安装孔，作为安装电极孔。

5.根据权利要求1所述的加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置，其特征在于：标定罐体采用高强绝缘耐热塑料制造成圆柱体，尺寸为Φ55mm*400mm。

6.根据权利要求1所述的加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置，其特征在于：加压活塞与罐体接触处设置两道U型槽，内嵌有环形密封圈。

7.一种加压过程中井下水与煤试样的结构性测试方法，采用权利要求1~6任一项所述的加压过程中井下水与煤试样的结构性测试装置，其特征在于包括以下步骤：

1)将受试煤样装载到标定罐体中，将测压管、环向电阻率测试电极和垂向电阻率测试电极安置在煤样中的设计位置上，然后将上述安装就位的测试元件分别用信号线与外置的自动化数据采集仪、电阻率采集仪连接；受试煤样装载完毕后，开展不同工况试验，测试各项参数；

2）将受试水体固结成冰块装载到标定罐体中，将快速加热装置打开，加热使冰块溶解，十分钟后，开始测试，重复步骤1)中测试过程，记录各项数据；

3）将水体固结成冰块，然后将煤样与冰块依次分隔放置在罐体中，将快速加热装置打开，加热将冰块溶解，十分钟后，开始测试，重复步骤1)中的测试过程，记录各项数据；

4）分析：采用前述方法获取不同工况下煤样和水样垂向和横向电阻率随压力变化的数据，进而分析各组数据的内在联系，绘制出电阻率与压力的特形曲线。