本發(fā)明涉及一種加壓過(guò)程中井下水與煤試樣的結(jié)構(gòu)性測(cè)試裝置及方法，屬于礦業(yè)工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近些年來(lái)，隨著開(kāi)采深度的增加，礦井水害已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅之一。加之早期小煤礦開(kāi)采無(wú)序，形成較多的老空區(qū)，由此產(chǎn)生的老空區(qū)積水給礦山開(kāi)采帶來(lái)極大的安全威脅。另外，礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，裂隙水、斷裂水也對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。針對(duì)此水害問(wèn)題，部分煤礦一直采用鉆探或巷探手段來(lái)進(jìn)行探放水工作，但僅憑“一孔一巷之見(jiàn)”難以排除水患，且效率低、成本高。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層結(jié)構(gòu)的測(cè)試技術(shù)已進(jìn)行了大量研究，開(kāi)發(fā)了用于物探的多種設(shè)備。通過(guò)上述的各種技術(shù)手段所獲得的數(shù)據(jù)，根據(jù)所測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)與井下的實(shí)際情況相對(duì)比，目前還是有許多數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，存在假異常體無(wú)法排除的情況。針對(duì)這種情況，本裝置采用直流電法進(jìn)行改進(jìn)，直流電法在北方礦井水害防治中的成熟應(yīng)用，費(fèi)用低廉且效果較好。作為井下強(qiáng)干擾環(huán)境水害探測(cè)的優(yōu)選方法之一，得到很大發(fā)展。因此先進(jìn)行物探測(cè)試，再配以鉆探或巷探，探放水工作就能取得較滿意的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種加壓過(guò)程中井下水與煤試樣的結(jié)構(gòu)性測(cè)試裝置及方法，采用直流電法，分別對(duì)煤樣、水樣、水樣加煤樣，分別測(cè)定其電阻率，然后繪制出電阻率隨著壓力變化曲線并分析其規(guī)律。

本發(fā)明提供了一種加壓過(guò)程中井下水與煤試樣的結(jié)構(gòu)性測(cè)試裝置，包括標(biāo)定罐體、設(shè)置在標(biāo)定罐體上端的加壓活塞、與標(biāo)定罐體連接的快速加熱裝置和安裝在標(biāo)定罐體內(nèi)部的測(cè)量裝置；

標(biāo)定罐體用于裝載受試水樣及煤樣，設(shè)置有連通罐體內(nèi)外的安裝孔，加壓活塞安裝在標(biāo)定罐體的頂端開(kāi)口處，并能上下自由滑動(dòng)，加壓活塞上設(shè)置有豎直方向的預(yù)留通孔；快速加熱裝置設(shè)置在標(biāo)定罐體的下部且緊貼標(biāo)定罐體外表面布置；測(cè)量裝置包括測(cè)壓管、環(huán)向電阻率測(cè)試電極、垂向電阻率測(cè)試電極、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀、電阻率采集儀，所述測(cè)壓管通過(guò)安裝孔放置到受試煤體中，環(huán)向電阻率測(cè)試電極、垂向電阻率測(cè)試電極均勻分布在標(biāo)定罐體四周；環(huán)向電阻率測(cè)試電極是圍繞罐體一圈、垂向電阻率測(cè)試電極是在罐體外側(cè)自上而下，360度全方位監(jiān)測(cè)試樣變化。

上述裝置中，標(biāo)定罐體的外側(cè)橫向環(huán)繞設(shè)置有多道環(huán)形鋼護(hù)環(huán)。起保護(hù)罐體作用，防止壓力超限，將罐體撐裂。

上述裝置中，標(biāo)定罐體的外壁上沿圓周均勻設(shè)置四組安裝孔陣列，每組安裝孔陣列包括8個(gè)安裝孔，各安裝孔為測(cè)試元件導(dǎo)線的通道。所述的安裝孔一共有32個(gè)，標(biāo)定罐體分為四層，由上至下分別為1、2、3、4層，如圖3所示，分為四個(gè)區(qū)域，順時(shí)針abcd區(qū)域，如圖2所示。）

上述裝置中，加壓活塞上沿圓周方向均勻分布有8個(gè)預(yù)留安裝孔，作為安裝電極孔。

上述裝置中，測(cè)量裝置中的環(huán)向電阻率測(cè)試電極，每層包括8個(gè)沿圓周方向均勻布置的環(huán)向電阻率測(cè)試電極；垂向電阻率測(cè)試電極分組設(shè)置在罐體的頂部和底部，每組包括8個(gè)沿圓周方向均勻布置的垂向電阻率測(cè)試電極。

上述裝置中，標(biāo)定罐體采用高強(qiáng)絕緣耐熱塑料制造成圓柱體，尺寸為φ55mm*400mm；

上述裝置中，加壓活塞與罐體接觸處設(shè)置兩道u型槽，內(nèi)嵌有環(huán)形密封圈。

本發(fā)明提供了地下高承壓水與煤在加壓過(guò)程下水與煤結(jié)構(gòu)性測(cè)試方法，采用上述地下高承壓水與煤在加壓過(guò)程下水與煤結(jié)構(gòu)性結(jié)構(gòu)性測(cè)試裝置，包括以下步驟：

1)將受試煤樣裝載到標(biāo)定罐體中，將測(cè)壓管、環(huán)向電阻率測(cè)試電極和垂向電阻率測(cè)試電極安置在煤樣中的設(shè)計(jì)位置上，然后將上述安裝就位的測(cè)試元件分別用信號(hào)線與外置的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀、電阻率采集儀連接；受試煤樣裝載完畢后，開(kāi)展不同工況試驗(yàn)，測(cè)試各項(xiàng)參數(shù)；

2）將受試水體固結(jié)成冰塊裝載到標(biāo)定罐體中，將快速加熱裝置打開(kāi)，加熱使冰塊溶解，十分鐘后，開(kāi)始測(cè)試，重復(fù)步驟1)中測(cè)試過(guò)程，記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)；

3）將水體固結(jié)成冰塊，然后將煤樣與冰塊依次分隔放置在罐體中，將快速加熱裝置打開(kāi)，加熱將冰塊溶解，十分鐘后，開(kāi)始測(cè)試，重復(fù)步驟1)中的測(cè)試過(guò)程，記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)；

4）分析：采用前述方法獲取不同工況下煤樣和水樣垂向和橫向電阻率隨壓力變化的數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析各組數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，繪制出電阻率與壓力的特形曲線。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法很好地對(duì)地下高承壓水與煤層更精確定位的技術(shù)難題；通過(guò)設(shè)置完善的快速加熱裝置系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和加載裝置，協(xié)調(diào)工作，可開(kāi)展水體與煤樣環(huán)向和垂向電阻率測(cè)試、垂向位移測(cè)試，對(duì)標(biāo)定罐體內(nèi)水體與煤樣進(jìn)行全方位的動(dòng)態(tài)測(cè)試，綜合分析電阻率、壓力變化，對(duì)水體與煤層電阻率變化進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)不同壓力下的煤層與水體的電阻率變化進(jìn)行分析比較，為井下排除假異常體提供分析數(shù)據(jù)，對(duì)確保地下工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全性具有重要作用。

附圖說(shuō)明

圖1為試驗(yàn)一狀態(tài)的示意圖；

圖2為試驗(yàn)二狀態(tài)的示意圖；

圖3為試驗(yàn)三狀態(tài)的示意圖；

圖4為本發(fā)明環(huán)向電阻率測(cè)試電極的布置示意圖；

圖5為本發(fā)明垂向電阻率測(cè)試電極的布置示意圖；

圖中：1-罐體、2-加壓活塞、3-快速加熱裝置、4-預(yù)留通孔、5-鋼護(hù)環(huán)、6-密封圈、7-垂向電阻率測(cè)試電極、8-環(huán)向電阻率測(cè)試電極、9-傳感器引線、10-測(cè)壓管、11-安裝孔、12-煤樣、13-水樣。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

本發(fā)明地下高承壓水及煤層在加壓過(guò)程下水與煤結(jié)構(gòu)性測(cè)試裝置及方法。如圖1~3所示，標(biāo)定罐體1采高強(qiáng)絕緣耐熱塑料制造成圓柱體(φ55mm*400mm)；

標(biāo)定罐體1的頂部設(shè)計(jì)有可拆卸的、上下自由滑動(dòng)的加壓活塞2，所述加載系統(tǒng)對(duì)地下煤層結(jié)構(gòu)施加垂向壓力；加壓活塞2與罐體1接觸處設(shè)置兩道u型槽，內(nèi)嵌有環(huán)形密封圈6；如圖4所示，加壓活塞2上開(kāi)設(shè)八個(gè)預(yù)留通孔4，環(huán)向布置，間隔45°角，并且預(yù)留通孔4可根據(jù)需要采用密封螺栓密封或使用。

如圖4所示，標(biāo)定罐體1圓周不同區(qū)域側(cè)壁a/b/c/d分別預(yù)留八個(gè)安裝孔11，總計(jì)32個(gè)安裝孔，a/b區(qū)域圓孔作為測(cè)壓管的通道；c/d區(qū)域圓孔作為傳感器引線9的通道；四個(gè)區(qū)域安裝孔功能亦可互換，根據(jù)需要組合使用。

如圖1所示，可根據(jù)需要在標(biāo)定罐體1的內(nèi)部從下至上鋪設(shè)煤層，厚度為100mm（單層煤）。

如圖2所示，可根據(jù)需要在標(biāo)定罐體1的內(nèi)部從下至上鋪設(shè)冰塊，厚度為50mm。

如圖3所示，可根據(jù)需要在標(biāo)定罐體1的內(nèi)部從下至上分層鋪設(shè)冰塊/煤層/冰塊/煤層，厚度分別為50mm、100mm、50mm、100mm。

如圖3所示，所述測(cè)量系統(tǒng)包括電阻率測(cè)試元件、測(cè)壓管；所述測(cè)試元件設(shè)置于標(biāo)定罐體1內(nèi)、外，測(cè)試元件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)定罐體1內(nèi)的煤層性，并將數(shù)據(jù)傳輸給外接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；具體地，所述測(cè)試元件包括測(cè)壓管10、垂向電阻率測(cè)試電極7和環(huán)向電阻率測(cè)試電極8；

所述測(cè)壓管10外接在罐體1外面，用于測(cè)試不同位置罐體內(nèi)壓力變化；所述垂向電阻率測(cè)試電極7和環(huán)向電阻率測(cè)試電極8，用于測(cè)試加壓過(guò)程中煤體與水的垂向和水平電阻率；所述垂向電阻率測(cè)試電極7通過(guò)加壓活塞2上預(yù)留通孔4進(jìn)行試驗(yàn)，用于測(cè)試水的上方電阻率。

本裝置的使用方法包括以下步驟：

試驗(yàn)一：

1、試驗(yàn)一準(zhǔn)備階段：鋪設(shè)煤樣(1層)，如圖1，同時(shí)將測(cè)壓管、電極片埋設(shè)在設(shè)計(jì)位置上，測(cè)試元件的導(dǎo)線通過(guò)塑料細(xì)管集中引出標(biāo)定罐外，分別與datataker自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀、電阻率自動(dòng)采集儀連接。整個(gè)鋪設(shè)過(guò)程完成后，通過(guò)在煤樣頂部采用加壓活塞均勻施加預(yù)壓力對(duì)煤樣進(jìn)行進(jìn)一步固結(jié)，固結(jié)完成后，即可開(kāi)展不同工況試驗(yàn)。

2、試驗(yàn)一開(kāi)展階段：保持加壓活塞下降到某一固定值，待變形及孔壓測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，按一定幅度改變活塞的壓力值，測(cè)試各項(xiàng)參數(shù)；反復(fù)上述流程，開(kāi)展不同工況試驗(yàn)。

試驗(yàn)二：

1、試驗(yàn)二準(zhǔn)備階段：鋪設(shè)冰塊(1層)，如圖2，同時(shí)將孔壓計(jì)、測(cè)壓管、電極片、快速加熱裝置埋設(shè)在設(shè)計(jì)位置上，測(cè)試元件的導(dǎo)線通過(guò)塑料細(xì)管集中引出標(biāo)定罐外，分別與datataker自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀、電阻率自動(dòng)采集儀連接。整個(gè)鋪設(shè)過(guò)程完成后，通過(guò)在冰塊頂部采用加壓活塞均勻施加預(yù)壓力對(duì)冰塊進(jìn)行進(jìn)一步固結(jié)，固結(jié)完成后，即可開(kāi)展不同工況試驗(yàn)。

上述測(cè)試過(guò)程中，用冰塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是為了更好地加樣，如果是水的話，在試驗(yàn)三的過(guò)程中是很難將煤樣加到水樣上去的，為了控制變量所以試驗(yàn)二中也使用冰樣。

2、試驗(yàn)二開(kāi)展階段：?jiǎn)?dòng)快速加熱裝置，使冰塊完全融化；待孔壓測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，按一定幅度改變活塞的壓力值，測(cè)試各項(xiàng)參數(shù)；反復(fù)上述流程，開(kāi)展不同工況試驗(yàn)。

試驗(yàn)三：

1、試驗(yàn)三準(zhǔn)備階段：分層鋪設(shè)煤樣和冰(2-4層)，如圖3，同時(shí)將孔壓計(jì)、測(cè)壓管、電極片、快速加熱裝置埋設(shè)在設(shè)計(jì)位置上，測(cè)試元件的導(dǎo)線通過(guò)塑料細(xì)管集中引出標(biāo)定罐外，分別與datataker自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀、電阻率自動(dòng)采集儀連接。整個(gè)鋪設(shè)過(guò)程完成后，啟動(dòng)快速加熱裝置，使冰塊完全融化成水后，用加壓活塞為整個(gè)試樣加壓；煤樣在自重固結(jié)完成后，通過(guò)在煤樣頂部采用加壓活塞均勻施加預(yù)壓力對(duì)煤樣進(jìn)行進(jìn)一步固結(jié)，固結(jié)完成后，即可開(kāi)展不同工況試驗(yàn)。

2、試驗(yàn)三開(kāi)展階段：?jiǎn)?dòng)快速加壓裝置，使冰塊完全融化成水，保持加壓活塞下降到某一固定值，待變形及孔壓測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，按一定幅度改變活塞的壓力值，測(cè)試各項(xiàng)參數(shù)；反復(fù)上述流程，開(kāi)展不同工況試驗(yàn)。

分析過(guò)程：

采用前述方法獲取不同工況下煤樣和水樣垂向和橫向電阻率隨壓力變化的數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析各組數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，繪制出電阻率與壓力的特形曲線。

如圖4，試驗(yàn)一試驗(yàn)時(shí)電阻率測(cè)試電極采取環(huán)形布置方式，環(huán)向電阻率測(cè)試電極8(長(zhǎng)為10mm，寬為5mm)沿標(biāo)定罐體四周不同高度分層布置，可布置2-4層，每層8個(gè)，按45°角間隔布置，總計(jì)16-32個(gè)；如圖5所示，在每層煤或水的頂部和底部分別布設(shè)一層垂向電阻率測(cè)試電極7(長(zhǎng)為10mm，寬為5mm)，每層8個(gè)，按45°角間隔布置。測(cè)試時(shí)，通過(guò)垂向電阻率測(cè)試電極7測(cè)試煤層或水垂向電阻率，通過(guò)環(huán)向電阻率測(cè)試電極8測(cè)試煤層橫向電阻率；測(cè)試時(shí)，選擇兩垂向(或環(huán)向)電極施加電壓，在其他垂向(或環(huán)向)電極上可以得到電勢(shì)差；通過(guò)垂向(或環(huán)向)電極兩兩配對(duì)測(cè)試，可以對(duì)煤樣中不同部位電阻率變化情況進(jìn)行測(cè)試。

如圖4，試驗(yàn)二試驗(yàn)時(shí)電阻率測(cè)試電極采取環(huán)形布置方式，環(huán)向電阻率-測(cè)試電極8(長(zhǎng)為10mm，寬為5mm)沿標(biāo)定罐體四周不同高度分層布置，可布置2-4層，每層8個(gè)，按45°角間隔布置，總計(jì)16-32個(gè)；如圖5所示，在每層煤的頂部和底部分別布設(shè)一層垂向電阻率測(cè)試電極7(長(zhǎng)為10mm，寬為5mm)，每層8個(gè)，按45°角間隔布置。測(cè)試時(shí)，通過(guò)垂向電阻率測(cè)試電極7測(cè)試煤層垂向電阻率，通過(guò)環(huán)向電阻率測(cè)試電極8測(cè)試冰塊橫向電阻率；測(cè)試時(shí)，選擇兩垂向(或環(huán)向)電極施加電壓，在其他垂向(或環(huán)向)電極上可以得到電勢(shì)差；通過(guò)垂向(或環(huán)向)電極兩兩配對(duì)測(cè)試，可以對(duì)冰塊中不同部位電阻率變化情況進(jìn)行測(cè)試。

如圖4，試驗(yàn)三試驗(yàn)時(shí)電阻率測(cè)試電極采取環(huán)形布置方式，環(huán)向電阻率測(cè)試電極8(長(zhǎng)為10mm，寬為5mm)沿標(biāo)定罐體四周不同高度分層布置，可布置2-4層，每層8個(gè)，按45°角間隔布置，總計(jì)16-32個(gè)；如圖5所示，在每層煤樣和冰塊的頂部和底部分別布設(shè)一層垂向電阻率測(cè)試電極7(長(zhǎng)為10mm，寬為5mm)，每層8個(gè)，按45°角間隔布置。測(cè)試時(shí)，通過(guò)垂向電阻率測(cè)試電極7測(cè)試試樣垂向電阻率，通過(guò)環(huán)向電阻率測(cè)試電極8測(cè)試每層煤樣和冰塊的橫向電阻率；測(cè)試時(shí)，選擇兩垂向(或環(huán)向)電極施加電壓，在其他垂向(或環(huán)向)電極上可以得到電勢(shì)差；通過(guò)垂向(或環(huán)向)電極兩兩配對(duì)測(cè)試，可以對(duì)中不同部位電阻率變化情況進(jìn)行測(cè)試。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。