一种浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置的制作方法

本发明属于渗透率变化探测技术领域，涉及一种煤层开采前后覆岩地层中松散层受采动影响下的渗透率变化探测设备，特别是一种浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置。

背景技术：
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中国煤炭经济形势自2012年以来持续低迷，目前煤炭价格已经低于某些地区的煤炭生产成本，特别是传统的煤炭产区—华北型煤田，华北型煤田由于开采煤层较深，煤炭在生产过程中遇到的不安全因素较多，例如水害、瓦斯灾害、顶板灾害等。西北地区由于煤层赋存的地质条件较为简单，煤炭开采成本相对较低，煤炭开采过程中涉及的不安全因素的危险程度相对较低，因此西北已成为我国煤炭能源最主要的基地。由于西北煤田能源基地的煤层主要为侏罗系煤层，埋深较浅，煤层在开采过程中涉及的主要问题是第四系含水层的水害防治问题、第四系含水层保护问题。其中的第四系松散含水层水害已成为威胁煤层开采的主要防治水问题，而干旱地区的保水采煤已成为西北地区生态环境保护的重中之重。

目前，对于松散层水害的防治主要涉及两个方面的问题，一个是大气降水的渗入，其作为含水层水的补给问题；另一个是煤层开采后第四系地层经过变形、运动并重新稳定后的渗透性变化情况。这两者都涉及前面所述的防治水及保水采煤问题。对于大气降水的入渗研究，可以对矿井涌水量的预计提供关键性的参数，同时也可以获得第四系含水层的水文地质参数，用以第四系含水层的富水性评价等；对于第四系含水层的保水采煤问题，通过连续探测第四系松散含水层渗透性的变化，用以评价松散层中隔水层的隔水性能是否具有自我修复功能，或用探测结果表明煤层采动是否影响至该层位。因此对松散层渗透性的变化探测是非常重要的，探测成果亦是非常有意义的。

当前还未见有针对松散含水层的渗透性的研究报道，特别是在浅埋深煤层开采过程中覆岩松散含水层的渗透性探测方面未见有相应的研究内容。因此迫切需要开发一种创新性浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置，用以对浅埋深煤层矿区第四系松散含水层的渗透性变化探测及研究工作。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置，用以对浅埋深煤层矿区第四系松散含水层的渗透性变化探测及研究工作。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括硬质塑料探头外壳、金属探针、多芯集成传输管、卸载推动器、加载推动器、硬质塑料探针装载板、加载动力传输管、卸载动力连接管、多芯电缆、支架、密封壳体、探针孔、多芯电缆接头、密封板和密封板滑轨；密封壳体内侧设置有硬质塑料探头外壳，用于保护金属探针，PVC材料制成的圆柱状结构的密封壳体侧壁上均匀设有十七个探针孔，探针孔内设置有一层高弹橡胶，使金属探针在穿过探针孔后具有密封性能，避免松散层水进入密封壳体内；密封壳体顶部留设密封板和密封板滑轨，用以在金属探针加载及卸载过程中保持密封性，密封板滑轨上设置有密封胶垫，多芯传输管道固定在密封板滑轨上，密封壳体的长度为2m，壁厚为5mm，直径为70mm；密封壳体内部侧壁上均匀设置有三组与探针孔位置相对的加载推动器，加载推动器的顶部固定在硬质塑料探针装载板上，用以加载时推动金属探针进入探测目标层内，三组加载推动器之间由加载动力传输管联通，并使用打气装置进行推动；密封壳体的尾部和顶部分别设有一组卸载推动器，卸载推动器的结构和参数与加载推动器一致，两组卸载推动器通过卸载动力连接管联通，卸载动力连接管安装在长度为50米的多芯集成传输管内；钢质材料的金属探针固定在硬质塑料探针装载板上，金属探针的长度为40mm，直径为2mm，相邻两个金属探针的间距为10mm，金属探针的个数与探针孔一致；每个金属探针单独连接的导线汇集在多芯电缆内，并与卸载动力连接管、加载动力传输管一块集成于多芯集成传输管，卸载推动器的收缩位置与金属探针中部对齐位置处以及加载推动器的收缩位置处均安装支架；多芯集成传输管的末端设置有多芯电缆接头，多芯电缆接头与外部的多功能激电仪连接，用于进行直流电阻率数据的采集。

本发明所述加载推动器为千斤顶式推动装置，打气装置采用打气筒，由于金属探针直径仅为2mm，因此在小型推动器的推动作用下可以轻松进入松散层中，加载推动器的直径为35mm，收缩长度为20mm，加载长度为50mm。

本发明所述密封壳体呈圆柱状，采用PVC(Polyvinyl chloride，聚氯乙烯)材料制成，减少由于探测装置的导电性影响对松散层的探测结果准确性。

本发明所述多芯集成传输管由17芯电缆和两个直径为5mm软管组成，17芯电缆为采集数据传输线，两软管为加载推动器及卸载推动器的动力传输管路，多芯集成传输管外壁自壳体顶段开始设有长度标尺用以测量探测深度。

本发明加载推动器使用时，卸载推动器的管道处于开启状态，其中一个处于加压状态一个处于常压状态，推动金属探针从密封壳体内推出并进入松散层内，以便测量。

本发明所述卸载推动器的动力源为气，测量完毕后采用打气筒对其进行卸载推动，卸载推动器使用时，加载推动器的管道处于开启状态，这时加载推进器处于加压状态，卸载推进器处于常压状态，推动金属探针从松散层中拔出并收回密封壳体内。

本发明进行现场施工操作时，先将浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置放置于已经施工完成的探测孔内，按照多芯集成传输管上所标注的标尺，下放至预设深度，然后对加载推动器连接管进行气压推动，使金属探针进入探测目标层，然后连接多芯电缆接头至多功能激电仪器，使用三极MNB观测装置对探测目标层进行数据采集，数据采集完毕后对卸载推动器连接管进行气压推动，使金属探针从探测目标层中拔出并收回至密封壳体内，然后进行下一目标层的探测工作，重复以上过程完成对探测孔全段的探测工作，具体过程为：

(1)根据探测目标层的埋深和厚度，预先设计起始探测深度，记录起始位置用于放置浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置使用，探测孔径设置为75mm，在孔口2m内设置钻孔套管以防塌孔，套管长度2.1m并高处地面0.1m以防异物掉入探测孔内；

(2)钻孔施工完毕后使用浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置进行探测，先检查加载推动器和卸载推动器是否正常工作，管路是否漏气，多芯集成传输管中的多芯电缆是否存在断路，检查完毕后将浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置放入钻孔内，并对照多芯集成传输管上的长度标尺放入起始位置；

(3)利用打气装置对加载推动器传输管道进行充气，观察压力表，当气压达到0.4MPa时，金属探针进入待测目标层内，此时撤离打气装置使气压降低至0MPa，将多芯电缆接头接入多功能激电仪，使用现有三极观测装置采集数据；

(4)数据采集完毕后对卸载推动器管道进行充气，观测压力表，当气压达到0.4MPa时，金属探针从待测目标层内拔出并进入至密封壳体内，此时撤离打气装置使气压降低至0MPa，该测量段测量完毕后下放2m进行持续观测，在下一测量段，重复上面过程即可；若测量过程中，由于待测目标层致密导致金属探针无法收回至密封壳体内时，则重复对加载推动器传输管道和卸载推动器管道进行充气，使金属探针在待测目标层中松动后再次对卸载推动器管道充气收回至密封壳体内。

本发明与现有技术相比，其结构简单，操作方便，设计合理，轻便易携带，探测结果稳定准确，使用时，将测量装置放入已施工完成的探测孔内，根据管线外侧标尺数值，放置于预定的探测深度，然后对加载推动器管道进行充气使得探针接触松散层并开始采集数据，采集数据使用多功能激电仪器，测量方法使用三极观测系统；该测量段探测结束后对卸载推动器管道进行充气使探针收回至壳体内，重复以上过程，直至全段测量结束。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明的主体结构加载探针原理示意图。

图3为本发明所述加载、卸载推动器剖面图。

图4为本发明所述多芯集成电缆与探针剖面图。

图5为本发明所述密封壳体顶部密封板结构图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括硬质塑料探头外壳101、金属探针102、多芯集成传输管103、卸载推动器104、加载推动器105、硬质塑料探针装载板106、加载动力传输管107、卸载动力连接管108、多芯电缆109、支架111、密封壳体114、探针孔112、多芯电缆接头113、密封板201和密封板滑轨202；密封壳体114内侧设置有硬质塑料探头外壳101，用于保护金属探针102，PVC材料制成的圆柱状结构的密封壳体114侧壁上均匀设有十七个探针孔112，探针孔112内设置有一层高弹橡胶，使金属探针102在穿过探针孔112后具有密封性能，避免松散层水进入密封壳体114内；密封壳体114顶部留设密封板201和密封板滑轨202，用以在金属探针102加载及卸载过程中保持密封性，密封板滑轨202上设置有密封胶垫，多芯传输管道103固定在密封板滑轨202上，密封壳体114的长度为2m，壁厚为5mm，直径为70mm；密封壳体114内部侧壁上均匀设置有三组与探针孔112位置相对的加载推动器105，加载推动器105的顶部固定在硬质塑料探针装载板106上，用以加载时推动金属探针102进入探测目标层内，三组加载推动器105之间由加载动力传输管107联通，并使用气动源进行推动；密封壳体114的尾部和顶部分别设有一组卸载推动器104，卸载推动器104的结构和参数与加载推动器105一致，两组卸载推动器104通过卸载动力连接管108联通，卸载动力连接管108安装在长度为50米的多芯集成传输管103内；钢质材料的金属探针102固定在硬质塑料探针装载板106上，金属探针102的长度为40mm，直径为2mm，相邻两个金属探针102的间距为10mm，金属探针102的个数与探针孔112一致；每个金属探针102单独连接的导线汇集在多芯电缆109内，并与卸载动力连接管108、加载动力传输管107一块集成于多芯集成传输管103，卸载推动器104的收缩位置与金属探针102中部对齐位置处以及加载推动器105的收缩位置处均安装支架111；多芯集成传输管103的末端设置有多芯电缆接头113，多芯电缆接头113与外部的多功能激电仪连接，用于进行直流电阻率数据的采集。

本实施例所述加载推动器105为千斤顶式推动装置，气动源采用打气筒，由于金属探针102直径仅为2mm，因此在小型推动器的推动作用下可以轻松进入松散层中，加载推动器105的直径为35mm，收缩长度为20mm，加载长度为50mm。

本实施例所述密封壳体114呈圆柱状，采用PVC(Polyvinyl chloride，聚氯乙烯)材料制成，减少由于探测装置的导电性影响对松散层的探测结果准确性。

本实施例所述多芯集成传输管103由17芯电缆和两个直径为5mm软管组成，17芯电缆为采集数据传输线，两软管为加载推动器及卸载推动器的动力传输管路，多芯集成传输管103外壁自壳体顶段开始设有长度标尺用以测量探测深度。

本实施例加载推动器105使用时，卸载推动器104的管道处于开启状态，其中一个处于加压状态一个处于常压状态，推动金属探针102从密封壳体114内推出并进入松散层内，以便测量。

本实施例所述卸载推动器104的动力源为气，测量完毕后采用打气筒对其进行卸载推动，卸载推动器105使用时，加载推动器105的管道处于开启状态，这时加载推进器105处于加压状态，卸载推进器104处于常压状态，推动金属探针102从松散层中拔出并收回密封壳体114内。

本实施例现场施工操作时，先将浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置放置于已经施工完成的探测孔内，按照多芯集成传输管103上所标注的标尺，下放至预设深度，然后对加载推动器连接管107进行气压推动，使金属探针102进入探测目标层，然后连接多芯电缆接头113至多功能激电仪器，使用三极MNB观测装置对探测目标层进行数据采集，数据采集完毕后对卸载推动器连接管108进行气压推动，使金属探针102从探测目标层中拔出并收回至密封壳体114内，然后进行下一目标层的探测工作，重复以上过程完成对探测孔全段的探测工作，具体过程为：

(1)根据探测目标层的埋深和厚度，预先设计起始探测深度，记录起始位置用于放置浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置使用，探测孔径设置为75mm，在孔口2m内设置钻孔套管以防塌孔，套管长度2.1m并高处地面0.1m以防异物掉入探测孔内；

(2)钻孔施工完毕后使用浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置进行探测，先检查加载推动器105和卸载推动器104是否正常工作，管路是否漏气，多芯集成传输管103中的多芯电缆是否存在断路，检查完毕后将浅埋深煤层采动松散层入渗率变化测量装置放入钻孔内，并对照多芯集成传输管103上的长度标尺放入起始位置；

(3)利用打气装置对加载推动器传输管道107进行充气，观察压力表，当气压达到0.4MPa时，金属探针102进入待测目标层内，此时撤离打气装置使气压降低至0MPa，将多芯电缆接头113接入多功能激电仪，使用现有三极观测装置采集数据；

(4)数据采集完毕后对卸载推动器管道108进行充气，观测压力表，当气压达到0.4MPa时，金属探针102从待测目标层内拔出并进入至密封壳体114内，此时撤离充气装置使气压降低至0MPa，该测量段测量完毕后下放2m进行持续观测，在下一测量段，重复上面过程即可；若测量过程中，由于待测目标层致密导致金属探针102无法收回至密封壳体114内时，则重复对加载推动器传输管道107和卸载推动器管道108进行充气，使金属探针102在待测目标层中松动后再次对卸载推动器管道108充气收回至密封壳体114内。