CN107817203B - 一种煤岩渗流演化规律测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩渗流演化规律测量装置与方法，该装置包括煤岩电阻率测量装置、2N个测量电极、对2N个测量电极进行支撑的电极支撑机构和带动电极支撑机构进行上下升降的电动升降机构，所述电动升降机构与电极支撑机构之间进行传动连接，所述电极支撑机构套装在被测试件外侧；2N个所述测量电极沿圆周方向呈均匀布设，2N个所述测量电极分上下两组进行布设；该方法包括步骤：步骤一、参数设定；步骤二、测量前准备工作；步骤三、煤岩渗流演化规律测量。本发明通过在电极支撑机构上沿圆周方向布设的2N个测量电极对被测试件因水的渗透引起的电阻率变化进行简便、准确测量，实现对现场煤岩样本渗流演化规律的简便、准确且实时测量。

Description

一种煤岩渗流演化规律测量装置与方法

技术领域

本发明属于煤岩渗流参数测量技术领域，尤其是涉及一种煤岩渗流演化规律测量装置与方法。

背景技术

岩体工程大多数不是赋存于单一的地质环境中,而是处于复杂的多场环境下，如:应力场、渗流场、温度场以及水化学场等。研究渗流问题时，将压力相等的点连成线即等压线，与等压线垂直的线为流线，等压线和流线所组成的图称为渗流的水动力学场图，也可以叫做渗流场。渗流问题是工程中的常见问题，因渗流导致的工程事故也很多。传统确定渗流参数(也称渗流场参数)的方法，往往通过现场水压实验并利用J.Dupuit公式或C.V.Thesis公式解析求解实际的渗流场参数。但是，这两个公式只有在渗流介质和便捷条件都比较简单的情况下才适用，在工程实际中，渗流介质和边界条件都比较复杂，尤其是在非均匀介质各向异性的岩体中，想通过解析公式求解更加困难。工程客观存在的随机因素(如水头和渗透系数的随机性)会导致渗流测量数据的随机性，使数据测量具有不确定性，且无法确定渗流的分布参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤岩渗流演化规律测量装置，通过在电极支撑机构上沿圆周方向布设的2N个测量电极对被测试件因水的渗透引起的电阻率变化进行简便、准确测量，实现对现场煤岩样本渗流演化规律的简便、准确且实时测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征在于：包括煤岩电阻率测量装置、2N个测量电极、对2N个所述测量电极进行支撑的电极支撑机构和带动所述电极支撑机构进行上下升降的电动升降机构，所述电动升降机构与所述电极支撑机构之间进行传动连接，所述电极支撑机构套装在被测试件外侧；其中，N为正整数且N≥6；所述电极支撑机构包括上支撑环、位于上支撑环正下方的下支撑环和将上支撑环与下支撑环紧固连接为一体的连接结构，所述上支撑环与下支撑环均呈水平布设且二者均为套装在被测试件外侧的圆环，所述上支撑环与下支撑环均与被测试件呈同轴布设，所述被测试件为呈竖直向布设的圆柱形试件，所述上支撑环和下支撑环的内径均大于被测试件的直径；2N个所述测量电极沿圆周方向呈均匀布设，2N个所述测量电极分两组进行布设，两组所述测量电极分别布设在上支撑环和下支撑环上，每组所述测量电极均包括N个沿圆周方向均匀布设的测量电极，每组所述测量电极中的N个所述测量电极均位于同一水平面上；两组所述测量电极中的测量电极呈交错布设；所述上支撑环和下支撑环上均设置有N个对测量电极进行前后移动的电动移动座，N个所述电动移动座沿圆周方向均匀布设于同一水平面上，每个所述测量电极均安装于一个所述电动移动座上。

上述一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征是：所述上支撑环与下支撑环的结构和尺寸均相同。

上述一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征是：2N个所述测量电极的结构和尺寸均相同；所述测量电极为柱状电极。

上述一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征是：2N个所述测量电极均呈水平布设。

上述一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征是：还包括导线盘；

每个所述测量电极的外端均装有用于与被测试件紧密接触的导电套，每个所述测量电极的内端均通过第一导线与煤岩电阻率测量装置连接；

所述导线盘为绝缘圆环，所述导线盘上装有多个沿圆周方向均匀布设的导体接触头，每个所述导体接触头均通过第二导线与煤岩电阻率测量装置连接；所述轮毂上所安装导体接触头的数量与测量电极的数量相同且二者的布设位置一一对应，每个所述测量电极均通过一个所述导体接触头与煤岩电阻率测量装置连接。

上述一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征是：还包括供被测试件放置的水平托台和向被测试件注水的注水装置，所述注水装置包括水箱、与所述水箱的出水口连接的注水管和安装在所述注水管上的流量调节阀与水泵，所述注水管的注水口位于被测试件的正上方；所述流量调节阀和所述水泵均由上位监控机进行控制且二者均与上位监控机连接；

所述电动升降机构和电动移动座均由上位监控机进行控制且二者均与上位监控机连接。

上述一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征是：所述煤岩电阻率测量装置包括激励源、控制器和压差测量单元，2N个所述测量电极中任意相邻两个所述测量电极均与激励源连接并组成一个激励电路，2N个所述测量电极与激励源组成2N个所述激励电路，2N个所述激励电路均由控制器进行通断控制，2N个所述激励电路均与控制器连接；

2N个所述测量电极中任意相邻两个所述测量电极均与压差测量单元连接并组成一个压差测量电路，2N个所述测量电极与压差测量单元组成2N个所述压差测量电路，2N个所述压差测量电路均由控制器进行通断控制，2N个所述压差测量电路均与控制器连接；所述压差测量单元为对与其连接的两个所述测量电极之间的电压差值进行测量的测量单元。

上述一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征是：所述煤岩电阻率测量装置还包括与压差测量单元连接的信号放大电路；

所述控制器通过第一多路转换开关对2N个所述激励电路进行通断控制，2N个所述激励电路均与第一多路转换开关连接；

所述控制器通过第二多路转换开关对2N个所述压差测量电路进行通断控制，2N个所述压差测量电路均与第二多路转换开关连接；

所述第一多路转换开关和第二多路转换开关均由控制器进行控制且二者均与控制器连接。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好的煤岩渗流演化规律测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、测试节段划分及参数设定：将被测试件由下至上划分为M个测试节段，M个所述测试节段的高度均相同；再采用上位监控机对所述电动升降机构的升降次数M和每次升降高度h分别进行设定，所述电动升降机构的每次升降高度h均相同；其中，M为正整数且M≥2；h为每个所述测试节段的高度；

同时，采用上位监控机对所述注水管的流量和水压分别进行设定；

步骤二、测量前准备工作：采用上位监控机且根据步骤一中所设定的流量和水压对所述流量调节阀和所述水泵进行控制，并采用所述注水装置且按照常规的渗流实验方法，向被测试件注水；

步骤三、煤岩渗流演化规律测量：步骤二中向被测试件注水过程中或待被测试件注水完成后，由先至后对被测试件进行一次或多次煤岩渗流演化规律测量；每次煤岩渗流演化规律测量方法均相同；

每一次对被测试件进行煤岩渗流演化规律测量时，采用上位监控机且根据步骤一中所设定的升降次数M和每次升降高度h，对所述电动升降机构进行控制，使所述电动升降机构带动所述电极支撑机构由下至上进行M次竖直向上提升；每次竖直向上提升到位后，均对被测试件进行一次煤岩渗流演化规律测量，过程如下：

步骤301、竖直向上提升：采用上位监控机对所述电动升降机构进行控制，并带动所述电极支撑机构进行一次竖直向上提升且提升高度为h；提升到位后，所述电极支撑机构位于一个所述测试节段中部外侧，此时位于所述电极支撑机构内侧中部的所述测试节段为当前测试节段；

步骤302、电动移动座前移控制：采用上位监控机对2N个所述电动移动座分别进行控制，并带动2N个所述测量电极同步向前移动，直至2N个所述测量电极的内端均与被测试件紧密接触；

步骤303、煤岩渗流演化规律测量，包括以下步骤：

步骤3031、数据采集：通过控制器对2N个所述激励电路分别进行通断控制，由先至后完成2N种不同激励状态下的数据采集过程；每种激励状态下2N个所述激励电路中均有一个所述激励电路处于接通状态且其余2N-1个所述激励电路均处于断开状态；

2N种激励状态下的数据采集过程均相同；任一种激励状态下的数据采集过程如下：

步骤A1、激励电路通断控制：通过控制器对2N个所述激励电路分别进行通断控制，使该种激励状态下处于接通状态的一个所述激励电路接通，并使该种激励状态下处于断开状态的其余2N-1个所述激励电路均断开；

本步骤中，处于接通状态的所述激励电路为当前激励电路，所述当前激励电路中的两个所述测量电极均为激励电极；

2N个所述压差测量电路中包含所述激励电极的所述压差测量电路为当前断开压差测量电路，所述当前断开压差测量电路的数量为3个；2N个所述测量电极中3个所述当前断开压差测量电路之外的2N-3个所述压差测量电路均为当前接通压差测量电路；

步骤A2、压差测量电路通断控制：通过控制器对2N个所述压差测量电路分别进行通断控制，使步骤A1中3个所述当前断开压差测量电路均处于断开状态，并使2N-3个所述当前接通压差测量电路均处于接通状态；

步骤A3、压差测量：采用压差测量单元对步骤A2中2N-3个所述当前接通压差测量电路的两个所述测量电极之间的电压差值分别进行测量，获得2N-3个电压差值测量结果，并将所获得的2N-3个电压差值测量结果同步传送至控制器；所获得的2N-3个电压差值测量结果为该种激励状态下的数据采集结果；

步骤A4、多次重复步骤A1至步骤A3，完成2N种不同激励状态下的数据采集过程，并获得2N种激励状态下的数据采集结果；2N种激励状态下的数据采集结果包括2N×(2N-3)个电压差值测量结果；

步骤3032、基于电阻层析成像的处理：采用控制器或与控制器连接的上位机且调用电阻层析成像模块，对步骤A4中获得的2N×(2N-3)个电压差值测量结果进行处理，获得当前测试节段的电阻层析成像结果，所获得的电阻层析成像结果为当前测试节段的煤岩渗流演化规律测量结果；

步骤304、电动移动座后移控制：采用上位监控机对2N个所述电动移动座分别进行控制，并带动2N个所述测量电极同步向外移动，直至2N个所述测量电极的内端均与被测试件分离；

步骤305、返回步骤301，对被测试件进行下一次煤岩渗流演化规律测量；

步骤306、多次重复步骤305，直至完成被测试件的M次煤岩渗流演化规律测量过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的煤岩渗流演化规律测量装置结构简单、设计合理且加工简便，投入成本较低。利用电极支撑机构安装测量电极，并通过电动升降机构带动电极支撑机构进行上下升降，实现被测试件中各测试节段的全部测量过程。

2、所采用的煤岩电阻率测量装置结构设计合理，由于水的渗透引起被测试件电阻率的变化，因而通过测量电阻率分布来推演被测试件渗水过程中或达到水饱和状态后的渗流场分布(即煤岩渗流演化规律)。并且，使用操作简便，由一对相邻测量电极注入激励信号建立敏感场，在其它的相邻测量电极对上测量电极上的压差；之后切换到下一个相邻电极对并注入激励信号，以相同的方式测量其余相邻电极上的压差；如此重复，直到返回最初的激励状态。

3、使用效果好且实用价值高，能监测到被测试件整体结构的渗流场分布，采用电阻层析成像方法来对被测试件的渗水场分布进行测量，并获得被测试件的渗流演化规律。待被测试件干燥处理后进行渗水实验，由于水的渗透引起电阻率的变化，因而通过电阻层析成像的方法，能把水的渗透扩散过程记录下来。

综上所述，本发明通过在电极支撑机构上沿圆周方向布设的2N个测量电极对被测试件因水的渗透引起的电阻率变化进行简便、准确测量，实现煤岩渗流演化规律的简便、准确且实时测量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明煤岩渗流演化规律测量装置的使用状态参考图。

图2为本发明2N个测量电极的布设位置示意图。

图2-1为本发明上支撑环上N个测量电极的布设位置示意图。

图3为本发明煤岩电阻率测量装置的电路原理框图。

图4为采用本发明进行煤岩渗流演化规律测量时的方法流程框图。

附图标记说明:

1—上支撑环； 2—测量电极； 3—煤岩电阻率测量装置；

3-1—激励源； 3-2—控制器； 3-3—压差测量单元；

3-4—信号放大电路； 3-5—第一多路转换开关；

3-6—第二多路转换开关； 4—下支撑环；

5—被测试件； 6—电动移动座； 7—水平托台；

8—上位监控机； 9—管套； 10—水平支架；

11—竖向立柱； 12—外支撑架； 13—竖向液压缸。

具体实施方式

如图1、图2和图2-1所示的一种煤岩渗流演化规律测量装置，包括煤岩电阻率测量装置3、2N个测量电极2、对2N个所述测量电极2进行支撑的电极支撑机构和带动所述电极支撑机构进行上下升降的电动升降机构，所述电动升降机构与所述电极支撑机构之间进行传动连接，所述电极支撑机构套装在被测试件5外侧；其中，N为正整数且N≥6；所述电极支撑机构包括上支撑环1、位于上支撑环1正下方的下支撑环4和将上支撑环1与下支撑环4紧固连接为一体的连接结构，所述上支撑环1与下支撑环4均呈水平布设且二者均为套装在被测试件5外侧的圆环，所述上支撑环1与下支撑环4均与被测试件5呈同轴布设，所述被测试件5为呈竖直向布设的圆柱形试件，所述上支撑环1和下支撑环4的内径均大于被测试件5的直径；2N个所述测量电极2沿圆周方向呈均匀布设，2N个所述测量电极2分两组进行布设，两组所述测量电极2分别布设在上支撑环1和下支撑环4上，每组所述测量电极2均包括N个沿圆周方向均匀布设的测量电极2，每组所述测量电极2中的N个所述测量电极2均位于同一水平面上；两组所述测量电极2中的测量电极2呈交错布设；所述上支撑环1和下支撑环4上均设置有N个对测量电极2进行前后移动的电动移动座6，N个所述电动移动座6沿圆周方向均匀布设于同一水平面上，每个所述测量电极2均安装于一个所述电动移动座6上。

其中，煤岩电阻率测量装置3能进行电阻层析成像的测量装置。采用常规的电阻层析成像装置即可。

所述被测试件5为从现场钻取的煤、岩试件，该试件既可以是煤试样，也可以是岩体试样。

本实施例中，N＝8。

所述上支撑环1和下支撑环4上均安装有8个所述测量电极2。

实际使用时，可根据具体需要，对N的取值大小进行相应调整。

本实施例中，所述上支撑环1与下支撑环4的结构和尺寸均相同。

所述上支撑环1位于下支撑环4的正上方。

本实施例中，2N个所述测量电极2的结构和尺寸均相同；所述测量电极2为柱状电极。

本实施例中，2N个所述测量电极2均呈水平布设。

实际使用时，可根据具体需要，对N的取值大小进行相应调整。

由于水的渗透能引起被测试件5的电阻率发生变化，因而电阻率测量结果能直接、准确反映水的渗透过程，相应反映被测试件5的煤岩渗流演化规律。

本发明通过测量相邻两个测量电极2之间的电阻率值，实现被测试件5上相邻两个测量电极2之间区域的煤岩渗流演化规律测量，并且采用2N个所述测量电极2实现被测试件5上各测试节段的煤岩渗流演化规律测量，从而获得待测量轮胎4上的煤岩渗流演化规律测量结果。其中，相邻两个测量电极2指的是沿圆周方向位置相邻的两个所述测量电极2。

本实施例中，将2N个测量电极2沿圆周方向由前至后进行编号，所述2N个测量电极2的编号分别为1#、2#、3#、…、2N#。相邻两个测量电极2指的是编号相邻的编号相邻的两个所述测量电极2。

其中，编号分别为1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#和15#的测量电极2均布设于上支撑环1上，编号分别为2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#和16#的测量电极2均布设于下支撑环4上。

本实施例中，所述测量电极2的直径为Φ5mm。实际使用时，根据具体需要，对测量电极2的直径和长度进行相应调整。

如图3所示，所述煤岩电阻率测量装置3包括激励源3-1、控制器3-2和压差测量单元3-3，2N个所述测量电极2中任意相邻两个所述测量电极2均与激励源3-1连接并组成一个激励电路，2N个所述测量电极2与激励源3-1组成2N个所述激励电路，2N个所述激励电路均由控制器3-2进行通断控制，2N个所述激励电路均与控制器3-2连接；

2N个所述测量电极2中任意相邻两个所述测量电极2均与压差测量单元3-3连接并组成一个压差测量电路，2N个所述测量电极2与压差测量单元3-3组成2N个所述压差测量电路，2N个所述压差测量电路均由控制器3-2进行通断控制，2N个所述压差测量电路均与控制器3-2连接；所述压差测量单元3-3为对与其连接的两个所述测量电极2之间的电压差值进行测量的测量单元。

本实施例中，所述煤岩电阻率测量装置3还包括与压差测量单元3-3连接的信号放大电路3-4；

所述控制器3-2通过第一多路转换开关3-5对2N个所述激励电路进行通断控制，2N个所述激励电路均与第一多路转换开关3-5连接；

所述控制器3-2通过第二多路转换开关3-6对2N个所述压差测量电路进行通断控制，2N个所述压差测量电路均与第二多路转换开关3-6连接；

所述第一多路转换开关3-5和第二多路转换开关3-6均由控制器3-2进行控制且二者均与控制器3-2连接。

本实施例中，所述激励源3-1和信号放大电路3-4均与控制器3-2连接。

本实施例中，所述控制器3-2为单片机。

实际使用时，所述控制器3-2也可以采用其它类型的控制芯片，如ARM芯片等。

本实施例中，所述激励源3-1为电压源。

本实施例中，所述煤岩渗流演化规律测量装置还包括供被测试件5放置的水平托台7和向被测试件5注水的注水装置，所述注水装置包括水箱、与所述水箱的出水口连接的注水管和安装在所述注水管上的流量调节阀与水泵，所述注水管的注水口位于被测试件5的正上方；所述流量调节阀和所述水泵均由上位监控机8进行控制且二者均与上位监控机8连接；

所述电动升降机构和电动移动座6均由上位监控机8进行控制且二者均与上位监控机8连接。

实际使用时，所述水平托台7上方设置有供所述注水管穿过的管套9，所述管套9安装在水平支架10上，所述水平支架10位于被测试件5上方，所述水平托台7与水平支架10之间通过竖向立柱11进行连接。所述竖向立柱11位于被测试件5一侧。

本实施例中，所述上支撑环1和下支撑环4之间通过外支撑架12紧固连接为一体，所述外支撑架12为圆环形支架，所述圆环形支架与上支撑环1呈同轴布设，所述圆环形支架的直径大于上支撑环1的直径。

所述电动升降机构包括多个沿圆周方向均匀布设的竖向液压缸13，所述竖向液压缸13的缸体固定在水平支架10上，所述竖向液压缸13的活塞杆固定在外支撑架12上。

如图4所示的一种煤岩渗流演化规律测量方法，包括以下步骤：

步骤一、测试节段划分及参数设定：将被测试件5由下至上划分为M个测试节段，M个所述测试节段的高度均相同；再采用上位监控机8对所述电动升降机构的升降次数M和每次升降高度h分别进行设定，所述电动升降机构的每次升降高度h均相同；其中，M为正整数且M≥2；h为每个所述测试节段的高度；

同时，采用上位监控机8对所述注水管的流量和水压分别进行设定；

步骤二、测量前准备工作：采用上位监控机8且根据步骤一中所设定的流量和水压对所述流量调节阀和所述水泵进行控制，并采用所述注水装置且按照常规的渗流实验方法，向被测试件5注水；

步骤三、煤岩渗流演化规律测量：步骤二中向被测试件5注水过程中或待被测试件5注水完成后，由先至后对被测试件5进行一次或多次煤岩渗流演化规律测量；每次煤岩渗流演化规律测量方法均相同；

每一次对被测试件5进行煤岩渗流演化规律测量时，采用上位监控机8且根据步骤一中所设定的升降次数M和每次升降高度h，对所述电动升降机构进行控制，使所述电动升降机构带动所述电极支撑机构由下至上进行M次竖直向上提升；每次竖直向上提升到位后，均对被测试件5进行一次煤岩渗流演化规律测量，过程如下：

步骤301、竖直向上提升：采用上位监控机8对所述电动升降机构进行控制，并带动所述电极支撑机构进行一次竖直向上提升且提升高度为h；提升到位后，所述电极支撑机构位于一个所述测试节段中部外侧，此时位于所述电极支撑机构内侧中部的所述测试节段为当前测试节段；

步骤302、电动移动座前移控制：采用上位监控机8对2N个所述电动移动座6分别进行控制，并带动2N个所述测量电极2同步向前移动，直至2N个所述测量电极2的内端均与被测试件5紧密接触；

步骤303、煤岩渗流演化规律测量，包括以下步骤：

步骤3031、数据采集：通过控制器3-2对2N个所述激励电路分别进行通断控制，由先至后完成2N种不同激励状态下的数据采集过程；每种激励状态下2N个所述激励电路中均有一个所述激励电路处于接通状态且其余2N-1个所述激励电路均处于断开状态；

2N种激励状态下的数据采集过程均相同；任一种激励状态下的数据采集过程如下：

步骤A1、激励电路通断控制：通过控制器3-2对2N个所述激励电路分别进行通断控制，使该种激励状态下处于接通状态的一个所述激励电路接通，并使该种激励状态下处于断开状态的其余2N-1个所述激励电路均断开；

本步骤中，处于接通状态的所述激励电路为当前激励电路，所述当前激励电路中的两个所述测量电极2均为激励电极；

2N个所述压差测量电路中包含所述激励电极的所述压差测量电路为当前断开压差测量电路，所述当前断开压差测量电路的数量为3个；2N个所述测量电极2中3个所述当前断开压差测量电路之外的2N-3个所述压差测量电路均为当前接通压差测量电路；

步骤A2、压差测量电路通断控制：通过控制器3-2对2N个所述压差测量电路分别进行通断控制，使步骤A1中3个所述当前断开压差测量电路均处于断开状态，并使2N-3个所述当前接通压差测量电路均处于接通状态；

步骤A3、压差测量：采用压差测量单元3-3对步骤A2中2N-3个所述当前接通压差测量电路的两个所述测量电极2之间的电压差值分别进行测量，获得2N-3个电压差值测量结果，并将所获得的2N-3个电压差值测量结果同步传送至控制器3-2；所获得的2N-3个电压差值测量结果为该种激励状态下的数据采集结果；

步骤A4、多次重复步骤A1至步骤A3，完成2N种不同激励状态下的数据采集过程，并获得2N种激励状态下的数据采集结果；2N种激励状态下的数据采集结果包括2N×(2N-3)个电压差值测量结果；

步骤3032、基于电阻层析成像的处理：采用控制器3-2或与控制器(3-2)连接的上位机且调用电阻层析成像模块，对步骤A4中获得的2N×(2N-3)个电压差值测量结果进行处理，获得当前测试节段的电阻层析成像结果，所获得的电阻层析成像结果为当前测试节段的煤岩渗流演化规律测量结果；

步骤304、电动移动座后移控制：采用上位监控机8对2N个所述电动移动座6分别进行控制，并带动2N个所述测量电极2同步向外移动，直至2N个所述测量电极2的内端均与被测试件5分离；

步骤305、返回步骤301，对被测试件5进行下一次煤岩渗流演化规律测量；

步骤306、多次重复步骤305，直至完成被测试件5的M次煤岩渗流演化规律测量过程。

本实施例中，步骤一中所述的h不小于所述电极支撑机构的高度。

本实施例中，向被测试件5注水时，按照常规的达西渗流实验方法进行注水。

并且，待被测试件5达到水饱和状态时，注水完成。

本实施例中，步骤3031中2N×(2N-3)个电压差值为电压。

本实施例中，所述压差测量单元3-3为电压测量单元，两个所述测量电极2之间的电压差值指的是两个所述测量电极2之间的电压，也称为电位差。每个所述电压差值测量结果均为一个电压值。

步骤3032中对2N×(2N-3)个电压差值测量结果进行处理时，按照常规的电阻层析成像方法进行处理。

并且，对2N×(2N-3)个电压差值测量结果进行处理时，先将测得的电压值换算成对应的电阻率值，然后进行反演计算，获得待测试件5中各测试节段的电阻率层析成像结果。实际进行反演计算时，采用Landweber算法进行计算，获得待测试件5中各测试节段的电阻率分布成像，进而得到煤岩渗流演化规律测量结果。根据待测试件5中各测试节段的煤岩渗流演化规律测量结果，获得整个待测试件5的煤岩渗流演化规律测量结果。

步骤3032中对2N×(2N-3)个电压差值测量结果进行处理时，可参照北京：科学出版社于2013年03月出版的王化祥著的《电学层析成像》一书，第四章第54页至第108页中记载的方法进行处理。

本实施例中，步骤A1中通过控制器3-2对第一多路转换开关3-5进行控制，实现对2N个所述压差测量电路分别进行通断控制。

步骤A2中通过控制器3-2对第二多路转换开关3-6进行控制，实现对2N个所述压差测量电路分别进行通断控制。

实际接线时，所述激励源3-1通过第一多路转换开关3-5和所述第一导线分别与2N个所述测量电极2连接，所述压差测量单元3-3通过第二多路转换开关3-6和所述第二导线分别与2N个所述测量电极2连接。

由上述内容可知，通过第一多路转换开关3-5的选通将激励源3-1发出的激励信号输至任意相邻两个所述测量电极2，接通一个所述激励电路；再通过第二多路转换开关3-6的选通，并采用压差测量单元3-3完成2N-3个所述当前接通压差测量电路的两个所述测量电极2之间的电压差值的测量，完成一种激励状态下的数据采集过程；再通过第一多路转换开关3-5的选通接通下一个所述激励电路，如此不断重复，完成2N种激励状态下的数据采集过程。

本实施例中，步骤A4中获得2N种激励状态下的数据采集结果后，还需对所获得的2N种激励状态下的数据采集结果进行同步存储。

本实施例中，所述上位监控机8为电脑、笔记本、智能手机等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征在于：包括煤岩电阻率测量装置(3)、2N个测量电极(2)、对2N个所述测量电极(2)进行支撑的电极支撑机构和带动所述电极支撑机构进行上下升降的电动升降机构，所述电动升降机构与所述电极支撑机构之间进行传动连接，所述电极支撑机构套装在被测试件(5)外侧；其中，N为正整数且N≥6；所述电极支撑机构包括上支撑环(1)、位于上支撑环(1)正下方的下支撑环(4)和将上支撑环(1)与下支撑环(4)紧固连接为一体的连接结构，所述上支撑环(1)与下支撑环(4)均呈水平布设且二者均为套装在被测试件(5)外侧的圆环，所述上支撑环(1)与下支撑环(4)均与被测试件(5)呈同轴布设，所述被测试件(5)为呈竖直向布设的圆柱形试件，所述上支撑环(1)和下支撑环(4)的内径均大于被测试件(5)的直径；2N个所述测量电极(2)沿圆周方向呈均匀布设，2N个所述测量电极(2)分两组进行布设，两组所述测量电极(2)分别布设在上支撑环(1)和下支撑环(4)上，每组所述测量电极(2)均包括N个沿圆周方向均匀布设的测量电极(2)，每组所述测量电极(2)中的N个所述测量电极(2)均位于同一水平面上；两组所述测量电极(2)中的测量电极(2)呈交错布设；所述上支撑环(1)和下支撑环(4)上均设置有N个对测量电极(2)进行前后移动的电动移动座(6)，N个所述电动移动座(6)沿圆周方向均匀布设于同一水平面上，每个所述测量电极(2)均安装于一个所述电动移动座(6)上；

还包括供被测试件(5)放置的水平托台(7)和向被测试件(5)注水的注水装置，所述注水装置包括水箱、与所述水箱的出水口连接的注水管和安装在所述注水管上的流量调节阀与水泵，所述注水管的注水口位于被测试件(5)的正上方；所述流量调节阀和所述水泵均由上位监控机(8)进行控制且二者均与上位监控机(8)连接；

所述电动升降机构和电动移动座(6)均由上位监控机(8)进行控制且二者均与上位监控机(8)连接；

所述煤岩电阻率测量装置(3)包括激励源(3-1)、控制器(3-2)和压差测量单元(3-3)，2N个所述测量电极(2)中任意相邻两个所述测量电极(2)均与激励源(3-1)连接并组成一个激励电路，2N个所述测量电极(2)与激励源(3-1)组成2N个所述激励电路，2N个所述激励电路均由控制器(3-2)进行通断控制，2N个所述激励电路均与控制器(3-2)连接；

2N个所述测量电极(2)中任意相邻两个所述测量电极(2)均与压差测量单元(3-3)连接并组成一个压差测量电路，2N个所述测量电极(2)与压差测量单元(3-3)组成2N个所述压差测量电路，2N个所述压差测量电路均由控制器(3-2)进行通断控制，2N个所述压差测量电路均与控制器(3-2)连接；所述压差测量单元(3-3)为对与其连接的两个所述测量电极(2)之间的电压差值进行测量的测量单元；

所述煤岩电阻率测量装置(3)还包括与压差测量单元(3-3)连接的信号放大电路(3-4)；

所述控制器(3-2)通过第一多路转换开关(3-5)对2N个所述激励电路进行通断控制，2N个所述激励电路均与第一多路转换开关(3-5)连接；

所述控制器(3-2)通过第二多路转换开关(3-6)对2N个所述压差测量电路进行通断控制，2N个所述压差测量电路均与第二多路转换开关(3-6)连接；

所述第一多路转换开关(3-5)和第二多路转换开关(3-6)均由控制器(3-2)进行控制且二者均与控制器(3-2)连接。

2.按照权利要求1所述的一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征在于：所述上支撑环(1)与下支撑环(4)的结构和尺寸均相同。

3.按照权利要求1或2所述的一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征在于：2N个所述测量电极(2)的结构和尺寸均相同；所述测量电极(2)为柱状电极。

4.按照权利要求1或2所述的一种煤岩渗流演化规律测量装置，其特征在于：2N个所述测量电极(2)均呈水平布设。

5.一种利用如权利要求1所述装置对被测试件进行煤岩渗流演化规律测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、测试节段划分及参数设定：将被测试件(5)由下至上划分为M个测试节段，M个所述测试节段的高度均相同；再采用上位监控机(8)对所述电动升降机构的升降次数M和每次升降高度h分别进行设定，所述电动升降机构的每次升降高度h均相同；其中，M为正整数且M≥2；h为每个所述测试节段的高度；

同时，采用上位监控机(8)对所述注水管的流量和水压分别进行设定；

步骤二、测量前准备工作：采用上位监控机(8)且根据步骤一中所设定的流量和水压对所述流量调节阀和所述水泵进行控制，并采用所述注水装置且按照常规的渗流实验方法，向被测试件(5)注水；

步骤三、煤岩渗流演化规律测量：步骤二中向被测试件(5)注水过程中或待被测试件(5)注水完成后，由先至后对被测试件(5)进行一次或多次煤岩渗流演化规律测量；每次煤岩渗流演化规律测量方法均相同；

每一次对被测试件(5)进行煤岩渗流演化规律测量时，采用上位监控机(8)且根据步骤一中所设定的升降次数M和每次升降高度h，对所述电动升降机构进行控制，使所述电动升降机构带动所述电极支撑机构由下至上进行M次竖直向上提升；每次竖直向上提升到位后，均对被测试件(5)进行一次煤岩渗流演化规律测量，过程如下：

步骤301、竖直向上提升：采用上位监控机(8)对所述电动升降机构进行控制，并带动所述电极支撑机构进行一次竖直向上提升且提升高度为h；提升到位后，所述电极支撑机构位于一个所述测试节段中部外侧，此时位于所述电极支撑机构内侧中部的所述测试节段为当前测试节段；

步骤302、电动移动座前移控制：采用上位监控机(8)对2N个所述电动移动座(6)分别进行控制，并带动2N个所述测量电极(2)同步向前移动，直至2N个所述测量电极(2)的内端均与被测试件(5)紧密接触；

步骤303、煤岩渗流演化规律测量，包括以下步骤：

步骤3031、数据采集：通过控制器(3-2)对2N个所述激励电路分别进行通断控制，由先至后完成2N种不同激励状态下的数据采集过程；每种激励状态下2N个所述激励电路中均有一个所述激励电路处于接通状态且其余2N-1个所述激励电路均处于断开状态；

2N种激励状态下的数据采集过程均相同；任一种激励状态下的数据采集过程如下：

步骤A1、激励电路通断控制：通过控制器(3-2)对2N个所述激励电路分别进行通断控制，使该种激励状态下处于接通状态的一个所述激励电路接通，并使该种激励状态下处于断开状态的其余2N-1个所述激励电路均断开；

本步骤中，处于接通状态的所述激励电路为当前激励电路，所述当前激励电路中的两个所述测量电极(2)均为激励电极；

2N个所述压差测量电路中包含所述激励电极的所述压差测量电路为当前断开压差测量电路，所述当前断开压差测量电路的数量为3个；2N个所述测量电极(2)中3个所述当前断开压差测量电路之外的2N-3个所述压差测量电路均为当前接通压差测量电路；

步骤A2、压差测量电路通断控制：通过控制器(3-2)对2N个所述压差测量电路分别进行通断控制，使步骤A1中3个所述当前断开压差测量电路均处于断开状态，并使2N-3个所述当前接通压差测量电路均处于接通状态；

步骤A3、压差测量：采用压差测量单元(3-3)对步骤A2中2N-3个所述当前接通压差测量电路的两个所述测量电极(2)之间的电压差值分别进行测量，获得2N-3个电压差值测量结果，并将所获得的2N-3个电压差值测量结果同步传送至控制器(3-2)；所获得的2N-3个电压差值测量结果为该种激励状态下的数据采集结果；

步骤A4、多次重复步骤A1至步骤A3，完成2N种不同激励状态下的数据采集过程，并获得2N种激励状态下的数据采集结果；2N种激励状态下的数据采集结果包括2N×(2N-3)个电压差值测量结果；

步骤3032、基于电阻层析成像的处理：采用控制器(3-2)或与控制器(3-2)连接的上位机且调用电阻层析成像模块，对步骤A4中获得的2N×(2N-3)个电压差值测量结果进行处理，获得当前测试节段的电阻层析成像结果，所获得的电阻层析成像结果为当前测试节段的煤岩渗流演化规律测量结果；

步骤304、电动移动座后移控制：采用上位监控机(8)对2N个所述电动移动座(6)分别进行控制，并带动2N个所述测量电极(2)同步向外移动，直至2N个所述测量电极(2)的内端均与被测试件(5)分离；

步骤305、返回步骤301，对被测试件(5)进行下一次煤岩渗流演化规律测量；

步骤306、多次重复步骤305，直至完成被测试件(5)的M次煤岩渗流演化规律测量过程。

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