CN111982772A - 一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置及方，试验装置包括：底座、垫块、天平、支撑架、储水管、进水管、进水控制阀、气密开关、连通软管和电阻率测试仪。通过该试验装置可读取进水管液面高度和浸水质量，进而计算出湿度、流量、煤柱含水率和扩散系数等参数。该试验方法通过电阻率成像来监测水在煤柱试样中扩散过程，充分考虑隔水煤柱浸水的形式，研究煤柱在单侧浸水条件下的水扩散过程、扩散方式。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学试验技术领域，涉及一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置及方法。
背景技术
煤层突水指的是在巷道掘进开采的过程中，由于降雨、地下水、江河湖海等地表水，通过矿井口处或煤岩的自然裂隙、节理等位置，大量涌入矿井的现象。这不仅会造成大量人员伤亡和财产损失，而且还会煤矿产量下降，影响生产进度，并伴随有地面沉降、塌陷等次生灾害。大约60％矿井事故与地下水作用有关。在煤矿开采过程中一旦受到复杂地质条件及浸水弱化的不利影响，极易诱发煤层的破坏失稳。研究表明，煤岩尤其是粘土矿物含量高的煤体在遇水后其力学性能会有明显的弱化，并且会使煤岩的流变效应增强。这些灾害严重威胁着国家和人民的生命财产安全，给建设工程造成巨大的经济损失。因此，需进一步对煤柱的破坏机理、破坏形式、监测技术及手段、安全评价等方面进行研究。
在实际工程情况中，大多数情况隔水煤柱处于单侧浸水的状态。目前针对这一工程需求，也出现了许多对湿度扩散进行测量的设备和方法。例如中子成像技术测量湿度扩散，其工作原理是入射的中子与材料中的氢发生碰撞产生反冲质子，质子入射到微通道板中产生二次电子并倍增，倍增后输出的电子轰击荧光物质并发光，光子经光纤阵列传播进入像探测器进行成像。核磁共振成像工作原理是通过发射线圈产生激发电磁场，激发水中氢质子吸收能量发生能级跃迁；激发结束后，氢质子释放能量并产生核磁共振响应电磁场；测线上的多个接收线圈在接收感应场作用下，产生核磁共振信号。但这类装置大多都比较昂贵，组成结构复杂，操作繁琐，不易携带等等。这造成了该类装置不实用的情况。并且没有从煤岩电阻率变化的角度研究其浸水过程及力学性能的弱化问题，更缺乏相关的岩石力学实验研究方法。
因此设计制造一台可以对煤柱一维浸水扩散时的扩散过程、扩散方式进行实时观测的实验设备就变得十分重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置及方法，通过电阻率成像来监测水在煤柱中扩散过程，充分考虑隔水煤柱浸水的形式，研究煤柱在单侧浸水条件下的水扩散过程、扩散方式。
本发明提供一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置，包括：底座、垫块、天平、支撑架、储水管、进水管、进水控制阀、气密开关、连通软管和电阻率测试仪；
所述垫块和支撑架都设置在底座上，所述天平设置在垫块上，所述储水管放置在天平上，储水管顶端开口、底端设有进水控制阀，所述进水控制阀通过连通软管与所述进水管连通，连通软管的两端高度一致；所述进水管设置在支撑架上，进水管的底端与气密开关的进口连接，煤柱试样设置在支撑架内，煤柱试样的顶端安装在气密开关的出口上且与进水管内的水接触，所述储水管和进水管上都设有刻度；
所述电阻率测试仪包括信号采集仪以及与信号采集仪相连接的轴向发射电极、轴向接收电极、多个环向电极和信号采集仪，轴向发射电极和轴向接收电极分别安装在煤柱试样的上、下两端，多个环向电极安装在煤柱试样的轴向中心所在圆周上。
在本发明的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置中，与进水管相连的一侧的轴向发射电极要进行防水处理。
3、如权利要求1所述的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置，其特征在于，所述煤柱试样为圆柱体。
在本发明的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置中，所述天平采用高精度电子天平。
本发明还提供一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验方法，包括：
S1、根据现场实际工况取样，加工成圆柱形的煤柱试样；
S2、称量煤柱试样的初始质量M，然后在煤柱试样的两端的中心处安装轴向发射电极和轴向接收电极，在煤柱试样的轴向中心所在圆周上安装多个环向电极，并对与进水管相连的一侧的轴向发射电极进行防水处理；
S3、将信号采集仪的传输线与电脑连接，检查其是否正常工作；
S4、将煤柱试样通过气密开关与进水管连接，检查装置整体气密性；
S5、将进水控制阀关闭，向储水管内注入水，再将进水控制阀打开，使储水管中的水通过连通软管流入进水管中，待储水管和进水管中的水面高度一致时，记录进水管的水高度H0，并开始计时；
S6、在实验过程中，每隔1小时，对进水管液面进行读数，高度记为Hi，时间记为ti，高精度电子天平实时测量的读数为mi，i为第几小时，取0,1,2,3…；
S7、对电阻率进行实时监测，直至轴向发射电极和环向电极之间的电阻率不再变化，记录时间为ts，液面高度为Hs，高精度电子天平的读数为ms，此时水扩散至煤柱中段；再放置一段时间，直至轴向发射电极和轴向接收电极之间的电阻率不再变化，记录时间为tt，液面高度为Ht，高精度电子天平的读数为mt，此时水在煤柱中的扩散完毕，停止电脑端的记录；
S8、将实验完毕的煤柱试样拆下，打开进水控制阀，并将进水管和储水管的水全部排出，清洗装置，为下次试验进行准备；
S9、根据试验过程中记录的煤柱试样的初始电阻率和任意时刻电阻率计算煤柱试样的湿度；根据记录的不同时刻的进水管中液面的高度、天平读数和时间，计算两次记录时间段内的平均流量、煤柱试样的含水率和扩散系数；
S10、选取新的煤柱试件，以同样的条件重复步骤S1至S9，根据所测得的数据结果进行分析煤柱试件的单侧浸水扩散规律，进而分析煤柱单侧浸水的岩石力学特性。
在本发明的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验方法中，根据下列公式计算煤柱试样的湿度：
其中，R为初始时刻的煤柱试样的电阻率，R测为浸水扩散过程中测试的煤柱试样的电阻率，R饱为扩散完毕时煤柱试样的电阻率。
在本发明的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验方法中，根据下列公式计算两次记录时间段内的平均流量：
其中，Hi为第i时刻ti的进水管的液面高度，Hi+1为第i+1时刻ti+1的进水管的液面高度，s0是进水管的横截面积。
在本发明的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验方法中，根据下列公式计算煤柱试样的含水率：
根据下列公式计算扩散系数：
其中，Dh为扩散系数，h为湿度。
本发明的一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置及方法，至少具有以下有益效果：
1)本发明的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置是一种实验室用单侧煤柱浸水弱化装置，可以将湿度扩散的过程用电阻率来定量化表示，同时可以根据电阻率的变化绘制图像，更直观的观测水在煤岩体中的扩散方式。
2)本发明的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置可以自动、连续、实时的测量煤岩类材料的电阻率、湿度、流量、煤柱含水率和扩散系数等参数，节省了大量时间。并且便携式电阻率测试装置可以方便的拆卸、安装，可重复使用。解决了缺少实验室用便携式煤柱单侧浸水力学试验设备的问题。
附图说明
图1是本发明的一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置的结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置，包括：底座11、垫块9、天平7、支撑架8、储水管1、进水管2、进水控制阀4、气密开关5、连通软管10和电阻率测试仪12。
所述垫块9和支撑架8都设置在底座11上。所述天平7设置在垫块9上，所述储水管1放置在天平7上，通过天平7可以测量储水管1和内部水的整体质量。储水管1顶端开口、底端设有进水控制阀4，所述进水控制阀4通过连通软管10与所述进水管2连通，连通软管10的两端高度一致。所述进水管2设置在支撑架8上，进水管2的底端与气密开关5的进口连接，煤柱试样6设置在支撑架8内，煤柱试样6的顶端安装在气密开关5的出口上且与进水管2内的水接触，所述储水管1和进水管2上都设有刻度3，可以对浸入煤柱试样的水量进行测量，储水管1和进水管2上的量程为0～50cm，精度为1mm。所述电阻率测试仪12包括信号采集仪以及与信号采集仪相连接的轴向发射电极、轴向接收电极、多个环向电极和信号采集仪，轴向发射电极和轴向接收电极分别安装在煤柱试样6的上、下两端；多个环向电极安装在煤柱试样6的轴向中心所在圆周上，用来测量煤柱试样6中各个位置的电阻率变化，信号采集仪将采集的数据传到电脑用于后续处理。
支撑架8是实验装置的主体框架，用于安装进水管2和煤柱试样6，使各个部件可以正常工作。垫块9将储水管1垫起，使其与进水管2高度一致，能够让连通软管10两端高度一致正常供水。储水管1整体为圆柱形单侧密封管，顶端开口可以注水保证试验水量充足。进水管2整体为圆柱体，下侧通过气密开关5与煤柱6连接，防止水从煤柱6四周流出，保证扩散试验进行。
具体实施时，与进水管2相连的一侧的轴向发射电极要进行防水处理。所述煤柱试样6为圆柱体。所述天平7采用高精度电子天平。
本发明的一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验方法，包括：
S1、根据现场实际工况取样，加工成圆柱形的煤柱试样；
具体实施时，将现场取样加工成
圆柱煤柱试样，进行试验。
S2、称量煤柱试样的初始质量M，然后在煤柱试样的两端的中心处安装轴向发射电极和轴向接收电极，在煤柱试样的轴向中心所在圆周上安装多个环向电极，并对与进水管相连的一侧的轴向发射电极进行防水处理，以便其能够在水中正常测量；
S3、将信号采集仪的传输线与电脑连接，检查其是否正常工作；
S4、将煤柱试样通过气密开关与进水管连接，检查装置整体气密性；
S5、将进水控制阀关闭，向储水管内注入水，再将进水控制阀打开，使储水管中的水通过连通软管流入进水管中，待储水管和进水管中的水面高度一致时，记录进水管的水高度H0，并开始计时；
S6、在实验过程中，每隔1小时，对进水管液面进行读数，高度记为Hi，时间记为ti，高精度电子天平实时测量的读数为mi，i为第几小时，取0,1,2,3…；
S7、对电阻率进行实时监测，直至轴向发射电极和环向电极之间的电阻率不再变化，记录时间为ts，液面高度为Hs，高精度电子天平的读数为ms，此时水扩散至煤柱中段；再放置一段时间，直至轴向发射电极和轴向接收电极之间的电阻率不再变化，记录时间为tt，液面高度为Ht，高精度电子天平的读数为mt，此时水在煤柱中的扩散完毕，停止电脑端的记录；
S8、将实验完毕的煤柱试样拆下，打开进水控制阀，并将进水管和储水管的水全部排出，清洗装置，为下次试验进行准备；
S9、根据试验过程中记录的煤柱试样的初始电阻率和任意时刻电阻率计算煤柱试样的湿度；根据记录的不同时刻的进水管中液面的高度、天平读数和时间，计算两次记录时间段内的平均流量、煤柱试样的含水率和扩散系数；
S10、选取新的煤柱试件，以同样的条件重复步骤S1至S9，根据所测得的数据结果进行分析煤柱试件的单侧浸水扩散规律，进而分析煤柱单侧浸水的岩石力学特性。
具体实施时，根据下列公式计算煤柱试样的湿度：
其中，R为初始时刻的煤柱试样的电阻率，R测为浸水扩散过程中测试的煤柱试样的电阻率，R饱为扩散完毕时煤柱试样的电阻率。
具体实施时，根据下列公式计算两次记录时间段内的平均流量：
其中，Hi为第i时刻ti的进水管的液面高度，Hi+1为第i+1时刻ti+1的进水管的液面高度，s0是进水管的横截面积。
具体实施时，根据下列公式计算煤柱试样的含水率：
根据下列公式计算扩散系数：
其中，Dh为扩散系数，h为湿度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置，其特征在于，包括：底座、垫块、天平、支撑架、储水管、进水管、进水控制阀、气密开关、连通软管和电阻率测试仪；
所述垫块和支撑架都设置在底座上，所述天平设置在垫块上，所述储水管放置在天平上，储水管顶端开口、底端设有进水控制阀，所述进水控制阀通过连通软管与所述进水管连通，连通软管的两端高度一致；所述进水管设置在支撑架上，进水管的底端与气密开关的进口连接，煤柱试样设置在支撑架内，煤柱试样的顶端安装在气密开关的出口上且与进水管内的水接触，所述储水管和进水管上都设有刻度；
所述电阻率测试仪包括信号采集仪以及与信号采集仪相连接的轴向发射电极、轴向接收电极、多个环向电极和信号采集仪，轴向发射电极和轴向接收电极分别安装在煤柱试样的上、下两端，多个环向电极安装在煤柱试样的轴向中心所在圆周上。
2.如权利要求1所述的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置，其特征在于，与进水管相连的一侧的轴向发射电极要进行防水处理。
3.如权利要求1所述的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置，其特征在于，所述煤柱试样为圆柱体。
4.如权利要求1所述的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验装置，其特征在于，所述天平采用高精度电子天平。
5.一种基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验方法，其特征在于，包括：
S1、根据现场实际工况取样，加工成圆柱形的煤柱试样；
S2、称量煤柱试样的初始质量M，然后在煤柱试样的两端的中心处安装轴向发射电极和轴向接收电极，在煤柱试样的轴向中心所在圆周上安装多个环向电极，并对与进水管相连的一侧的轴向发射电极进行防水处理；
S3、将信号采集仪的传输线与电脑连接，检查其是否正常工作；
S4、将煤柱试样通过气密开关与进水管连接，检查装置整体气密性；
S5、将进水控制阀关闭，向储水管内注入水，再将进水控制阀打开，使储水管中的水通过连通软管流入进水管中，待储水管和进水管中的水面高度一致时，记录进水管的水高度H0，并开始计时；
S6、在实验过程中，每隔1小时，对进水管液面进行读数，高度记为Hi，时间记为ti，高精度电子天平实时测量的读数为mi，i为第几小时，取0,1,2,3…；
S7、对电阻率进行实时监测，直至轴向发射电极和环向电极之间的电阻率不再变化，记录时间为ts，液面高度为Hs，高精度电子天平的读数为ms，此时水扩散至煤柱中段；再放置一段时间，直至轴向发射电极和轴向接收电极之间的电阻率不再变化，记录时间为tt，液面高度为Ht，高精度电子天平的读数为mt，此时水在煤柱中的扩散完毕，停止电脑端的记录；
S8、将实验完毕的煤柱试样拆下，打开进水控制阀，并将进水管和储水管的水全部排出，清洗装置，为下次试验进行准备；
S9、根据试验过程中记录的煤柱试样的初始电阻率和任意时刻电阻率计算煤柱试样的湿度；根据记录的不同时刻的进水管中液面的高度、天平读数和时间，计算两次记录时间段内的平均流量、煤柱试样的含水率和扩散系数；
S10、选取新的煤柱试件，以同样的条件重复步骤S1至S9，根据所测得的数据结果进行分析煤柱试件的单侧浸水扩散规律，进而分析煤柱单侧浸水的岩石力学特性。
6.如权利要求5所述的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验方法，其特征在于，根据下列公式计算煤柱试样的湿度：
其中，R为初始时刻的煤柱试样的电阻率，R测为浸水扩散过程中测试的煤柱试样的电阻率，R饱为扩散完毕时煤柱试样的电阻率。
7.如权利要求5所述的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验方法，其特征在于，根据下列公式计算两次记录时间段内的平均流量：
其中，Hi为第i时刻ti的进水管的液面高度，Hi+1为第i+1时刻ti+1的进水管的液面高度，s0是进水管的横截面积。
8.如权利要求5所述的基于电阻率成像的煤岩湿度扩散识别试验方法，其特征在于，根据下列公式计算煤柱试样的含水率：
根据下列公式计算扩散系数：
其中，Dh为扩散系数，h为湿度。
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