CN111963155B - 一种煤层注水润湿范围检测装置、检测方法及均化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤层注水润湿范围检测装置、检测方法及均化方法，涉及煤矿安全技术领域。该煤层注水润湿范围检测装置，检测管的内部设置多个密闭腔，密闭腔内填充缓冲填充物，检测管的侧壁于密闭腔的位置开设透水孔，每个密闭腔内隔出一个检测腔，检测腔经滑道连通密闭腔，滑道内放置吸水膨胀橡胶柱，滑道内设置推板，吸水膨胀橡胶柱沿轴向膨胀以推动推板移动，检测腔内装配滑动变阻器，滑动变阻器的两接线端分别连接两根线缆，两根线缆沿检测管的内部引出，两根线缆、滑动变阻器及外围电路连接为检测电路，推板经杆件连接滑动变阻器的调节端。本发明改进了煤层注水润湿范围检测的手段，同时，解决煤层注水润湿范围不均匀的问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，具体地说是涉及一种煤层注水润湿范围检测装置、检测方法及均化方法。
背景技术
在我国的矿产资源中，煤炭一直是处于主导地位。随着煤层开采深度的不断增加，地应力、瓦斯压力不断增加，煤层渗透性不断降低。煤与瓦斯突出、粉尘等问题愈发严重，致使煤矿行业的危险性不断增大。为实现煤炭安全高效的开采，就必须解决煤与瓦斯突出等问题。
煤层注水技术在我国煤矿行业应用十分广泛，对于煤与瓦斯突出以及粉尘治理等问题上都有着重要应用。针对不同的问题，所采用的注水方式也不一样，其中包括中低压注水湿润、高压注水、超高压注水等不同压力的注水，也包括静压注水、动压注水等不同方式下的注水。在煤层注水施工后，通常需要来检验注水效果。煤层中裂隙的开度大小不一，使得煤层的润湿范围不均匀，最终会影响注水防灾的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤层注水润湿范围检测装置、检测方法及均化方法，改进了煤层注水润湿范围检测的手段，为煤层注水工艺参数优化提供科学依据，同时，解决煤层注水润湿范围不均匀的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：
一种煤层注水润湿范围检测装置，包括检测管、缓冲填充物、吸水膨胀橡胶柱、滑动变阻器和外围电路；
检测管的内部通过隔板间隔出多个密闭腔，多个密闭腔沿检测管的轴向按设定距离布置；
密闭腔内填充缓冲填充物，水可穿透所述缓冲填充物；
检测管的侧壁于密闭腔的位置开设若干个透水孔，透水孔连通密闭腔；
每个密闭腔内通过隔板间隔出一个检测腔，检测腔上开设有滑道，滑道连通密闭腔和检测腔；
所述滑道内放置吸水膨胀橡胶柱，吸水膨胀橡胶柱的径向侧壁与滑道的内壁贴合，吸水膨胀橡胶柱吸水后，沿径向及轴向膨胀；
滑道内且靠近检测腔的一侧设置推板；
吸水膨胀橡胶柱沿径向膨胀以密封吸水膨胀橡胶柱与滑道的内壁，吸水膨胀橡胶柱沿轴向膨胀以推动推板移动；
检测腔内装配滑动变阻器，滑动变阻器的两接线端分别连接两根线缆，两根线缆沿检测管的内部引出，两根线缆、滑动变阻器及外围电路连接为检测电路；
推板经杆件连接滑动变阻器的调节端。
优选的，所述滑道设置为套管，套管靠近检测腔的一端开放，套管靠近密闭腔的一端封闭，套管的侧壁且靠近密闭腔的位置开设多个毛细透水孔，毛细透水孔连通密闭腔和套管；
套管内放置吸水膨胀橡胶柱和推板，吸水膨胀橡胶柱的一端贴合套管的封闭端，吸水膨胀橡胶柱的另一端贴合推板。
优选的，所述外围电路包括检测电阻、开关、电源和电压表，滑动变阻器串联检测电阻、开关和电源，电压表并联检测电阻或滑动变阻器。
优选的，所述缓冲填充物设置为棉纱。
优选的，所述检测管的顶端设置有锥形端头。
优选的，检测腔内设置有装配座，装配座上装配滑动变阻器。
优选的，所述隔板由树脂材料制成。
一种煤层注水润湿范围检测方法，应用上述的煤层注水润湿范围检测装置，还应用注水装置，注水装置包括水箱、水泵和注水钻杆，水泵的进水端连接水箱，水泵的出水端连接注水钻杆；
所述方法包括如下步骤：
步骤一、在煤巷内向煤层钻孔施工，在煤层开设注水孔、第一检测孔、第二检测孔、第三检测孔、第四检测孔、第五检测孔和第六检测孔，第一检测孔、第二检测孔、第三检测孔、第四检测孔、第五检测孔和第六检测孔位于以注水孔为圆心，半径为4米的圆周位置，第一检测孔、第二检测孔、第三检测孔、第四检测孔、第五检测孔和第六检测孔等间距布置；
步骤二、将各检测孔排渣后，将注水钻杆伸入注水孔内，将煤层注水润湿范围检测装置伸入各检测孔内，煤层注水润湿范围检测装置布置三个密闭腔，将线缆引出连接检测电阻、开关、电源和电压表构成检测电路，各检测孔煤层注水润湿范围检测装置连接的电压表稳定在同一示数时，判定各检测孔的煤层注水润湿范围检测装置安设完成，将注水孔及各检测孔封孔；
步骤三、通过注水装置的注水钻杆向注水孔注入水，当水到达各检测孔，水穿过检测管的透水孔，并继续穿过缓冲填充物，水被吸水膨胀橡胶柱吸收，吸水膨胀橡胶柱吸水后，沿径向及轴向膨胀，吸水膨胀橡胶柱沿径向膨胀以密封吸水膨胀橡胶柱与滑道的内壁，吸水膨胀橡胶柱沿轴向膨胀以推动推板移动，进而使滑动变阻器的电阻增大，记录各检测孔对应的电压表示数依次为U1、U2、U3；U4、U5、U6…U18；
步骤四、计算电压表示数的平均值计算电压表示数的标准差/> 计算均匀性系数/>判断均匀性系数A大于等于15％时，则煤层注水润湿范围不均匀，判断均匀性系数A小于15％时，则煤层注水润湿范围均匀。
一种煤层注水润湿范围均化方法，应用钻孔窥视仪和封堵颗粒添加装置，封堵颗粒添加装置连接注水钻杆，封堵颗粒添加装置可将封堵颗粒压入注水钻杆，在上述的一种煤层注水润湿范围检测方法步骤后，还包括如下步骤：
步骤五、对应的电压表示数小于电压表示数的平均值的检测孔标记为修复孔，使用钻孔窥视仪观测修复孔，统计检测孔内的裂隙开度，封堵颗粒的直径为最大裂隙开度的2/3；
步骤六、启动注水装置，向封堵颗粒添加装置注入封堵颗粒，同时启动封堵颗粒添加装置，封堵颗粒压入注水钻杆，封堵颗粒随水注入修复孔，封堵颗粒随水进入并嵌入裂隙内部，降低裂隙的导流能力；
重复步骤一至四，直到均匀性系数A小于15％。
优选的，所述封堵颗粒由SiO2制成。
本发明的有益技术效果是：
本发明的一种煤层注水润湿范围检测装置、检测方法及均化方法，在煤层注水施工过程中，实现对煤层注水润湿范围的精准检测，确定影响润湿范围均匀性的区域，筛选出存在高渗透裂隙的区域，通过钻孔窥视仪进行裂隙开度的观测统计，确定封堵颗粒的直径，将封堵颗粒通过注水装置注入裂隙中，降低裂隙的导流能力，使得煤层裂隙导流能力趋于均匀状态，解决煤层注水润湿范围不均匀的问题，优化煤层注水工艺，提高煤层注水防灾效果，保障矿井的安全高效开采。
附图说明
图1为本发明实施例煤层注水润湿范围检测装置的结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为本发明实施例煤层注水润湿范围检测装置的电路图；
图4为本发明实施例注水装置和封堵颗粒添加装置的结构示意图；
图5为本发明实施例注水孔及检测孔的布置示意图；
图6为本发明实施例注水孔及检测孔的布置剖视图，沿第一检测孔、注水孔和第四检测孔的连线剖视。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例的一种煤层注水润湿范围检测装置，请参考图1至图3所示。
一种煤层注水润湿范围检测装置，包括检测管11、缓冲填充物12、吸水膨胀橡胶柱13、滑动变阻器14和外围电路。
检测管11的顶端设置有锥形端头112，以方便检测管11伸入检测孔内。
检测管11的内部为中空腔体，检测管11的内部通过隔板15间隔出三个密闭腔，三个密闭腔沿检测管11的轴向按检测施工要求设定的距离布置。
隔板15由树脂材料制成，重量较轻，以实现煤层注水润湿范围检测装置的轻量化设计。
密闭腔内填充缓冲填充物12，本实施例的缓冲填充物12设置为棉纱。检测管11的侧壁于密闭腔的位置开设若干个透水孔111，透水孔111连通密闭腔与外界。
水可通过透水孔111进入到密闭腔内，水进入时穿透缓冲填充物12，缓冲填充物12对水流缓冲，避免水流直接冲击吸水膨胀橡胶柱13，使吸水膨胀橡胶柱13产生轴向移动，影响检测结果。
每个密闭腔内通过隔板15间隔出一个检测腔16，检测腔16上开设有滑道，滑道连通密闭腔和检测腔16。滑道内放置吸水膨胀橡胶柱13，吸水膨胀橡胶柱13为柱状体，吸水膨胀橡胶柱13的径向侧壁与滑道的内壁贴合，吸水膨胀橡胶柱13吸水后，沿径向及轴向膨胀。吸水膨胀橡胶柱13沿径向膨胀以密封吸水膨胀橡胶柱13与滑道的内壁，避免水流进入检测腔16，滑道内且靠近检测腔16的一侧设置推板17，吸水膨胀橡胶柱13沿轴向膨胀以推动推板17移动。
具体的，上述滑道设置为套管18，套管18靠近检测腔16的一端开放，套管18靠近密闭腔的一端通过隔板15封闭，套管18的侧壁且靠近密闭腔的位置开设多个毛细透水孔181，毛细透水孔181连通密闭腔和套管18。套管18内放置吸水膨胀橡胶柱13和推板17，吸水膨胀橡胶柱13的一端贴合套管18的封闭端，吸水膨胀橡胶柱13的另一端贴合推板17。如此，水流经过毛细透水孔181进入套管18，吸水膨胀橡胶柱13吸水后膨胀，套管18可以对吸水膨胀橡胶柱13轴向导向，使吸水膨胀橡胶柱13沿轴向膨胀伸长，进而推动推板17移动；并且，吸水膨胀橡胶柱13在套管18内沿径向膨胀，可以实现吸水膨胀橡胶柱13与套管18内壁之间的密封。
检测腔16内设置装配座161，装配座161上装配滑动变阻器14。滑动变阻器14的两接线端分别连接两根线缆141，两根线缆141沿检测管11的内部穿过隔板15并引出检测管11，两根线缆141、滑动变阻器14及外围电路连接为检测电路，推板17经杆件19连接滑动变阻器14的调节端。其中，外围电路包括检测电阻R1、开关S、电源和电压表，滑动变阻器14串联检测电阻R1、开关S和电源，电压表并联检测电阻R1。
吸水膨胀橡胶柱13在套管18内沿轴向膨胀推动推板17移动，进而使滑动变阻器14的电阻增大，使电压表的电压示数降低。
本实施例还提供一种煤层注水润湿范围检测方法，应用本实施例上述的煤层注水润湿范围检测装置，还应用注水装置，如图4所示，注水装置包括水箱21、水泵22、注水钻杆23和注水钻头24，水泵22的进水端连接水箱21，水泵22的出水端连接注水钻杆23，注水钻杆23的末端设置注水钻头24。
所述方法包括如下步骤：
步骤一、如图5、图6所示，在煤巷内向煤层钻孔施工，在煤层开设注水孔4、第一检测孔51、第二检测孔52、第三检测孔53、第四检测孔54、第五检测孔55和第六检测孔56，第一检测孔51、第二检测孔52、第三检测孔53、第四检测孔54、第五检测孔55和第六检测孔56环绕注水孔4布置。第一检测孔51、第二检测孔52、第三检测孔53、第四检测孔54、第五检测孔55和第六检测孔56位于以注水孔4为圆心，半径为4米的圆周位置。第一检测孔51、第二检测孔52、第三检测孔53、第四检测孔54、第五检测孔55和第六检测孔56等间距布置，即相邻的检测孔与注水孔4的连线夹角为60°。
第一检测孔51、第二检测孔52、第三检测孔53、第四检测孔54、第五检测孔55和第六检测孔56环绕注水孔4布置，并且，每个检测孔内间隔设定的距离设置三组检测单元(密闭腔、缓冲填充物12、检测腔16、套管18、吸水膨胀橡胶柱13、推板17、杆件19和滑动变阻器14等组成)，如此，使检测单元在立体空间环绕注水孔4均匀布置，使检测结果更精确。
步骤二、将各检测孔采用风力排渣后，将注水钻杆23及注水钻头24伸入注水孔4内，将煤层注水润湿范围检测装置伸入各检测孔内，煤层注水润湿范围检测装置布置三个密闭腔，将线缆141引出连接检测电阻R1、开关S、电源和电压表构成检测电路，各检测孔煤层注水润湿范围检测装置连接的电压表稳定在同一示数时，判定各检测孔的煤层注水润湿范围检测装置安设完成，将注水孔4及各检测孔采用聚氨酯封孔。
步骤三、通过注水装置的注水钻杆23及注水钻头24向注水孔4注入水，当水到达各检测孔，水穿过检测管11的透水孔111，并继续穿过缓冲填充物12，水被吸水膨胀橡胶柱13吸收，吸水膨胀橡胶柱13吸水后，沿径向及轴向膨胀，吸水膨胀橡胶柱13沿径向膨胀以密封吸水膨胀橡胶柱13与滑道的内壁，吸水膨胀橡胶柱13沿轴向膨胀以推动推板17移动，进而使滑动变阻器14的电阻增大，记录各检测孔对应的电压表示数依次为U1、U2、U3；U4、U5、U6…U18。本实施例U1、U2、U3；U4、U5、U6…U18的电压表示数依次为7V、6V、6V、9V、10V、9V、6V、6V、7V、3V、4V、3V、6V、7V、6V、8V、6V、6V。
步骤四、计算电压表示数的平均值本实施例的/>为5.3V；计算电压表示数的标准差/>本实施例的σ为1.87V；计算均匀性系数/>本实施例的A为35％；判断均匀性系数A大于等于15％时，则煤层注水润湿范围不均匀，判断均匀性系数A小于15％时，则煤层注水润湿范围均匀，本实施例对应的均匀性系数A大于15％，则煤层注水润湿范围不均匀。
本实施例还提供一种煤层注水润湿范围均化方法，应用钻孔窥视仪和封堵颗粒添加装置3，如图4所示，封堵颗粒添加装置3连接注水钻杆23，封堵颗粒添加装置3可将封堵颗粒压入注水钻杆23，其中，封堵颗粒由SiO2制成。
封堵颗粒添加装置3连接注水钻杆23，在上述的一种煤层注水润湿范围检测方法步骤后，还包括如下步骤：
步骤五、对应的电压表示数(3V、4V、3V)小于电压表示数的平均值的检测孔(第四检测孔54)标记为修复孔，修复孔附近区域为高渗透裂隙的区域，使用钻孔窥视仪观测修复孔，统计检测孔内的裂隙开度，第四检测孔54的最大裂隙开度为4cm，将封堵颗粒的直径设置为最大裂隙开度的2/3，为2.6cm。
步骤六、启动注水装置，向封堵颗粒添加装置3注入封堵颗粒，同时启动封堵颗粒添加装置3，封堵颗粒压入注水钻杆23，封堵颗粒随水注入修复孔，裂隙内部表面凹凸不平，封堵颗粒随水进入并嵌入裂隙内部实现封堵，降低裂隙的导流能力，改善第四检测孔54周边裂隙导流能力的均匀性。
重复步骤一至四，直到均匀性系数A小于15％。重复步骤一至四，本实施例U1、U2、U3；U4、U5、U6…U18的电压表示数依次为7V、6V、6V、6V、8V、7V、6V、6V、7V、6V、6V、8V、6V、7V、6V、8V、6V、6V，求得为6.5V，σ为0.58V，A为14％，A小于15％，则煤层注水润湿范围均匀。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的一种煤层注水润湿范围检测装置、检测方法及均化方法有了清楚的认识。本发明在煤层注水施工过程中，实现对煤层注水润湿范围的精准检测，确定影响润湿范围均匀性的区域，筛选出存在高渗透裂隙的区域，通过钻孔窥视仪进行裂隙开度的观测统计，确定封堵颗粒的直径，将封堵颗粒通过注水装置注入裂隙中，降低裂隙的导流能力，使得煤层裂隙导流能力趋于均匀状态，解决煤层注水润湿范围不均匀的问题，优化煤层注水工艺，提高煤层注水防灾效果，保障矿井的安全高效开采。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤层注水润湿范围检测装置，其特征在于：包括检测管、缓冲填充物、吸水膨胀橡胶柱、滑动变阻器和外围电路；
检测管的内部通过隔板间隔出多个密闭腔，多个密闭腔沿检测管的轴向按设定距离布置；
密闭腔内填充缓冲填充物，水可穿透所述缓冲填充物；
检测管的侧壁于密闭腔的位置开设若干个透水孔，透水孔连通密闭腔；
每个密闭腔内通过隔板间隔出一个检测腔，检测腔上开设有滑道，滑道连通密闭腔和检测腔；
所述滑道内放置吸水膨胀橡胶柱，吸水膨胀橡胶柱的径向侧壁与滑道的内壁贴合，吸水膨胀橡胶柱吸水后，沿径向及轴向膨胀；
滑道内且靠近检测腔的一侧设置推板；
吸水膨胀橡胶柱沿径向膨胀以密封吸水膨胀橡胶柱与滑道的内壁，吸水膨胀橡胶柱沿轴向膨胀以推动推板移动；
检测腔内装配滑动变阻器，滑动变阻器的两接线端分别连接两根线缆，两根线缆沿检测管的内部引出，两根线缆、滑动变阻器及外围电路连接为检测电路；
推板经杆件连接滑动变阻器的调节端。
2.根据权利要求1所述的一种煤层注水润湿范围检测装置，其特征在于：所述滑道设置为套管，套管靠近检测腔的一端开放，套管靠近密闭腔的一端封闭，套管的侧壁且靠近密闭腔的位置开设多个毛细透水孔，毛细透水孔连通密闭腔和套管；
套管内放置吸水膨胀橡胶柱和推板，吸水膨胀橡胶柱的一端贴合套管的封闭端，吸水膨胀橡胶柱的另一端贴合推板。
3.根据权利要求1所述的一种煤层注水润湿范围检测装置，其特征在于：所述外围电路包括检测电阻、开关、电源和电压表，滑动变阻器串联检测电阻、开关和电源，电压表并联检测电阻或滑动变阻器。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种煤层注水润湿范围检测装置，其特征在于：所述缓冲填充物设置为棉纱。
5.根据权利要求1至3任一项所述的一种煤层注水润湿范围检测装置，其特征在于：所述检测管的顶端设置有锥形端头。
6.根据权利要求1至3任一项所述的一种煤层注水润湿范围检测装置，其特征在于：检测腔内设置有装配座，装配座上装配滑动变阻器。
7.根据权利要求1至3任一项所述的一种煤层注水润湿范围检测装置，其特征在于：所述隔板由树脂材料制成。
8.一种煤层注水润湿范围检测方法，其特征在于，应用权利要求1至7任一项所述的煤层注水润湿范围检测装置，还应用注水装置，注水装置包括水箱、水泵和注水钻杆，水泵的进水端连接水箱，水泵的出水端连接注水钻杆；
所述方法包括如下步骤：
步骤一、在煤巷内向煤层钻孔施工，在煤层开设注水孔、第一检测孔、第二检测孔、第三检测孔、第四检测孔、第五检测孔和第六检测孔，第一检测孔、第二检测孔、第三检测孔、第四检测孔、第五检测孔和第六检测孔位于以注水孔为圆心，半径为4米的圆周位置，第一检测孔、第二检测孔、第三检测孔、第四检测孔、第五检测孔和第六检测孔等间距布置；
步骤二、将各检测孔排渣后，将注水钻杆伸入注水孔内，将煤层注水润湿范围检测装置伸入各检测孔内，煤层注水润湿范围检测装置布置三个密闭腔，将线缆引出连接检测电阻、开关、电源和电压表构成检测电路，各检测孔煤层注水润湿范围检测装置连接的电压表稳定在同一示数时，判定各检测孔的煤层注水润湿范围检测装置安设完成，将注水孔及各检测孔封孔；
步骤三、通过注水装置的注水钻杆向注水孔注入水，当水到达各检测孔，水穿过检测管的透水孔，并继续穿过缓冲填充物，水被吸水膨胀橡胶柱吸收，吸水膨胀橡胶柱吸水后，沿径向及轴向膨胀，吸水膨胀橡胶柱沿径向膨胀以密封吸水膨胀橡胶柱与滑道的内壁，吸水膨胀橡胶柱沿轴向膨胀以推动推板移动，进而使滑动变阻器的电阻增大，记录各检测孔对应的电压表示数依次为U1、U2、U3；U4、U5、U6…U18；
步骤四、计算电压表示数的平均值计算电压表示数的标准差/> 计算均匀性系数/>判断均匀性系数A大于等于15％时，则煤层注水润湿范围不均匀，判断均匀性系数A小于15％时，则煤层注水润湿范围均匀。
9.一种煤层注水润湿范围均化方法，其特征在于，应用钻孔窥视仪和封堵颗粒添加装置，封堵颗粒添加装置连接注水钻杆，封堵颗粒添加装置可将封堵颗粒压入注水钻杆，在权利要求8所述的一种煤层注水润湿范围检测方法步骤后，还包括如下步骤：
步骤五、对应的电压表示数小于电压表示数的平均值的检测孔标记为修复孔，使用钻孔窥视仪观测修复孔，统计检测孔内的裂隙开度，封堵颗粒的直径为最大裂隙开度的2/3；
步骤六、启动注水装置，向封堵颗粒添加装置注入封堵颗粒，同时启动封堵颗粒添加装置，封堵颗粒压入注水钻杆，封堵颗粒随水注入修复孔，封堵颗粒随水进入并嵌入裂隙内部，降低裂隙的导流能力；
重复步骤一至四，直到均匀性系数A小于15％。
10.根据权利要求9所述的一种煤层注水润湿范围均化方法，其特征在于：所述封堵颗粒由SiO2制成。
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