井下断层水流方向探测装置及探测方法与流程

本发明涉及一种井下断层水流方向的探测装置及探测方法。

背景技术：

虽然我国一直提倡新能源在能源消耗中的比重，但是可以预见，在一段很长的时间内，煤炭在我国能源结构中的主导地位不会改变。近10年来，在我国的“煤矿五大灾害”中，矿井水害造成的人员伤亡和经济损失列居第二位。其中，底板突水在矿井突水中占重要比重，而绝大多数底板突水事故发生在华北型煤田。底板突水事件多数是由地质构造导致，而90％以上的突水事故是由断层引起，因此，断层是影响底板突水的主要影响因素。

为了减少大断层对工作面回采工作面的影响，传统的做法是在断层附近留设足够的安全煤柱，从而保证工作面的安全生产。对于断层落差小于3m以上的断层，很多煤矿没有引起足够的重视，因此，在小断层附近进行采掘活动过程中，小断层往往容易活化并成为导水通道，引起突水事故。例如2018年霄云煤矿9.10突水事故，突水原因是：小落差的断层没有引起足够的重视，没有采取任何过断层措施，因此，工作面在采动过程中发生了突水事故。

目前，对于断层突水的治理主要采取注浆封堵的方法，在治理过程中在断层附近打孔，在注浆孔中不断的注浆。然而，从注浆孔的设计到注浆封堵过程中，缺乏对断层水导水性能的研究，尤其是缺乏小断层的断层导水方向的研究，更不会对其采取任何措施。因此，在注浆封堵过程中不仅浪费了大量的人力和物力，也达不到预定的注浆效果。为了既能保障工作面开采的安全，又能开发潜在的煤炭资源，在充分研究断层的基础上，对断层导水方向进行有效探测，判断断层两盘之间水流方向，从而设计合理的钻孔，对导水通道进行有效的注浆治理，从而保障工作面安全回采。

针对井下断层的水流方向的探测仪器，目前仍然不存在。尤其缺乏探测小落差断层的水流方向的仪器及方法成为当前底板防治水工作者的迫切需求，以解决煤矿当前“大落差断层突水可防，小落差断层突水不可防”的问题。

中国专利申请201611054971x公开了一种土体导电性和渗透性多功能测试装置，包括主体装置、支撑台座、水流输送装置和收集装置，主体装置包含主筒体、上副筒和下副筒，上、下副筒与主筒体分别通过亚克力拼接连接，上、下副筒内均填充有透水石；主筒体内放置有试样，试样通过击锤分层是在主筒体内，在试样的上下两个断面上安装有铜网电极，在主筒体的内壁上预埋有两个铜圈电极，在主筒体内沿轴线方向等间距的预埋有三对铜丝电极，所有电极均与电导性测量系统连接。该专利申请主要测试的对象是土体，测试的特征是土体的导电性和渗透性，该发明根本无法预防煤矿小断层突水问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种井下断层水流方向探测装置及探测方法，该专利不仅可以能够准确探测井下断层水流方向，而且可以为动水注浆提供合理的钻孔依据，从而实现预期注浆效果，保障工作面安全回采。该探测装置结构简单、原理科学、数据准确、便于操作。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种井下断层水流方向探测装置，包括探测主机，探测主机通过两条连接线分别与断层之间两个钻孔中的探测电极连接，每个探测电极均包括设置于外部的环状电极，环状电极内部为空腔，环状电极的底端设置带内螺纹的开口，所述开口中旋有螺丝，将螺丝拧紧后，环状电极下端关闭，将螺丝拧开后，环状电极底端开口打开；

所述连接线包括位于中部的液体探测导管，液体探测导管外部设置有两根铜导线，铜导线和液体探测导管外部由外皮密封，形成整条连接线；铜导线分别连接主机铜导线接头和环状电极，液体探测导管两端接头分别与主机液体探测接头和环状电极的空腔连通；

所述探测主机包括外壳，外壳内设置有主板、电压表、电源、水泵和液体探测盛放装置，壳体上设置有与连接线相连的主机连接线接头，主机连接线接头中设置有主机铜导线接头和主机液体探测接头，连接线连接至主机连接线接头上，连接线中的铜导线通过主机铜导线接头与电路主板连接，主机铜导线接头上通过电路主板连接电压表，电路主板上还连接电源和水泵，主机液体探测接头与液体探测盛放装置中的水泵连接，电路主板和水泵均由电源供电。

利用电压表测量不同钻孔之间的电位差；通过主机探测液体接头，可排出探测液体盛放装置中的液体；通过水泵可以将钻孔中的液体吸入探测液体盛放装置中。

一种利用井下断层水流方向探测装置的测试方法，包括以下步骤：

(1)探测装置连接，

为了便于现场探测装置开展工作，采用先主机连接，再向两端电极的连接的方式，这样在连接过程中，可以防止出现遗漏的工作。首先将探测主机两端的铜导线接线头和液体探测装置接头分别与连接铜导线和液体探测装置接头连接，检测接头连接完好后，再将主机的连接线接头分别与连接线进行连接，连接完毕后，检查连接情况，如果连接完好，主机的连接工作即可结束。如果连接不好，需要重新进行连接工作。

其次将铜导线分别固定在探测电极上端的接头上，同时将铜电极的液体探测装置接头与电极接头连接充分，利用防水胶带将上述接头缠绕，使铜电极与铜导线充分接触，液体能够在液体探测装置内正常流通，不发生漏液现象。将测试电极的下端螺丝拧紧，使其开口闭合，防止液体流出。这样探测装置的连接工作基本完成。

(2)在井下断层上下盘之间施工两个钻孔，且钻孔内出现涌水，如果没有水，可以人工注入少量的水。将环状铜电极步入两钻孔中，通过铜导线将电极与探测主机连接，形成闭合回路；

(3)电压表数据采集

将上述探测装置连接完毕后，然后将其中的一电极和连接线放入其中一个钻孔内，将另外一电极和连接线放入另外钻孔内，即可开始进行数据采集；

设岩层曲面上有n个电荷，设第k个电荷为qk，在t时刻自电过程产生的电荷函数为

f(t)＝fk(t)(1)

k电荷在自电过程中的产生的电荷量为：qi(t)＝qk·f(t)＝qk·fk(t)(2)

根据叠加原理n个电荷自电过程产生的电荷量：当曲面很小时，曲面上自电过程产生的电势可看作整个电荷产生的电势，对于曲面外一点a点的电势为ua(t)＝(1/4πε0ra)·q(t)其中ε0＝8.85×10^-12c²/(n·m²)(4)

将(3)带人(4)可以对于曲面任意一点a点的电势为

由上可知钻孔间岩层曲面上存在着电势公式为因此，探测装置的数据大小是由公式(5)所决定的；如果水流上游方向钻孔电极处产生低电位，在水流方向下游钻孔电极处产生高电位，两钻孔中的电极之间将会产生电位差，电压表将发生偏转。

利用该探测仪器进行5～10次数据采集，根据测量的数据，可以初步判断出水流方向。如果测量数据多次出现负数，说明水流上游方向钻孔电极处产生低电位，在水流方向下游钻孔电极处产生高电位，电压表出现多次负数。反之，多次出现正数，水流方向相反，初步确定钻孔之间水流流向。

(4)液体探测装置的测量

初步确定水流方向后，然后将钻孔中测试电极取出，将电极下端通过螺纹丝拧开，这样，环形电极可以自由流出探测液体，再将测试电极放入该钻孔中。

其次将食盐溶液或者(其它示踪试剂)放入探测主机容器内，通过连接线中的液体探测导管将其输入钻孔中，食盐溶液或者(其它示踪试剂)剂量根据钻孔之间的距离确定需求量。

最后，在探测规定的时间内利用液体探测盛放装置在另外钻孔中取出一定量的水溶液，将水溶液进行水质化验，分析食盐溶液或(其它示踪试剂)含量。如果钻孔中不含有食盐溶液(其它示踪试剂)，说明确定的水流方向不对，需要重新测量确定水流方向；如果水溶液内含有一定的量的食盐溶液(其它示踪试剂)，说明确定的水流方向正确。根据已确定断层之间的水流方向，设计合理的注浆钻孔，提高注浆效果，保障矿井安全。

本发明中电极采用环状电极，与传统电极不同的是该电极中间不是实心，而是虚心，不仅可以能够保证探测装置的正常工作，而且还能将液体探测试剂流入钻孔中，该电极是准对探测断层水流方向专门设计的。

本发明首先在井下断层之间施工钻孔，然后通过铜导线将环状电极与测量主机连接，将铜导线和环状电极置于断层两盘不同钻孔中，形成闭合回路。依据断层之间岩层曲面自电过程中形成的电位公式，利用探测主机中的电压表采集不同钻孔之间电位差数据，依据测得数据的变化，初步判断断层之间的水流的方向；通过连接线内的液体探测管将主机与两钻孔相连，利用探测主机液体盛放容器将食盐溶液(其它示踪试剂)释放液体，在探测规定时间内，通过探测主机中的水泵在另外钻孔内取液，分析钻孔中食盐(示踪试剂)的含量，进一步确定断层水流的方向，为注浆提供钻孔设计依据，从而实现预期的效果注浆，保障工作面安全回采。

该探测装置结构简单、原理科学、数据准确、便于操作。

本发明不仅可以探测断层上下两盘之间的水流方向，而且还可以探测断层落差小的断层的导水的能力，是目前针对小断层突水事故专门设计的技术，该发明可以有效预防煤矿小断层突水问题，保障煤矿安全。

附图说明

图1是本发明探测装置结构示意图；

图2是探测电极结构示意图；

图3是连接线结构示意图；

图4是探测主机结构示意图；

其中，1.第一探测电极；2.第一钻孔；3.第一连接线；4.探测主机；5.第二连接线；6.第二钻孔；7.第二探测电极；101.第一铜导线接头；102.液体探测接头；103.第二铜导线接头；104.环状电极底端开口；301.第一铜导线；302.第二铜导线；303.液体探测导管；401.主机连接线接头，402.电路主板，403.电压表，404.主机铜导线接头，405.主机液体探测接头，406.电源，407.水泵，408.液体探测盛放装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图4所示，井下断层水流方向探测装置，包括探测主机4，探测主机4通过第一连接线3、第二连接线5分别与断层之间的第一、第二钻孔2、6中的第一、第二探测电极1、7连接。要求钻孔深度要求钻孔内出现涌水，便于主机测量钻孔间的电位差及液体示踪试验。

每个探测电极均包括设置于外部的环状电极，环状电极内部为空腔，环状电极的上端分别设置有与连接线连接的铜导线及液体探测导管连接的铜导线接头和液体探测接头102。其中两个铜导线接头主要是用来接两条铜导线，将探测电极和探测主机4连接起来，同时铜导线接头起到固定探测电极作用，防止探测电极脱落。

环状电极的底端设置带内螺纹的开口104，所述开口104中旋有螺丝，将螺丝拧紧后，环状电极下端关闭，将螺丝拧开后，环状电极底端开口104打开；环状电极下端留设开口，主要是便于示踪试剂的使用。当探测主机测量两钻孔之间的电位差时，将环状电极下端开口关闭；当测量主机进行示踪试验时，下端开口处打开，便于示踪试剂的放入及取液工作，便于试验操作。

每一个连接线均包括位于中部的液体探测导管303，液体探测导管303外部设置有两根铜导线(即第一、第二铜导线301、302)，铜导线和液体探测导管303外部由外皮密封，形成整条连接线；铜导线分别连接主机铜导线接头404和环状电极的第一、第二铜导线接头101、103，液体探测导管303两端接头分别与主机液体探测接头405和环状电极的液体探测接头102连接；为了防止铜导线出现虚连的情况，采用两根铜导线连接的形式，只要一根铜导线正常连接，即可进行电位差测量。

探测主机4包括外壳，外壳内设置有电路主板402、电压表403、电源406、水泵407和液体探测盛放装置408，壳体上设置有与连接线相连的主机连接线接头401，主机连接线接头401中设置有主机铜导线接头404和主机液体探测接头405，连接线连接至主机连接线接头10上，连接线中的铜导线通过主机铜导线接头404与主板402连接，主机铜导线接头404上还连接有电压表403，电路主板402上还连接有电源406和水泵407，主机液体探测接头405与液体探测盛放装置408中的水泵407连接，电路主板402和水泵407均由电源406供电。

主机连接接头连接必须完好，防止漏电和漏液。主机铜导线接头要求将铜导线拧在接线柱上，便于不同钻孔之间的电位测试正常使用。利用电压表403测量不同钻孔之间的电位差；要求该电压表零刻度在中间，能够向两边偏的仪表，这样可以防止电压表出现反接的而重新连接的情况，从而提高测试效率。通过主机液体探测接头405可排出探测液体盛放装置408中的液体；通过水泵407可以将钻孔中的液体吸入探测液体盛放装置408中。

井下断层水流方向测试方法如下:

(1)探测装置连接

为了便于现场测试装置开展工作，采用先主机连接，再向两端电极的连接的方式，这样在连接过程中，可以防止出现遗漏的工作。首先将测试主机两端的铜导线接线头和导管接头分别与连接铜导线和导管连接，检测接头连接完好后，再将主机的连接线接头分别与连接线进行连接，连接完毕后，检查连接情况，如果连接完好，主机的连接工作即可结束。如果连接不好，需要重新进行连接工作。

其次将铜导线分别固定在测试电极上端的接头上，同时将铜电极的示踪试剂导管与电极的导管接头连接充分，利用防水胶带将上述接头缠绕，使铜电极与铜导线充分接触，示踪试剂导管内能够正常流通示踪试剂，不发生漏液现象。然后将测试电极的下端开口闭合，防止液体流入。这样测试装置的连接工作面基本完成。

(2)在井下断层上下盘之间施工两个钻孔，且钻孔内出现涌水，将连接完毕的铜导线和环状电极置于断层两盘不同钻孔中，形成闭合回路；

(3)电压表数据采集

经过上述操作后，即可开始进行数据采集。

设岩层曲面上有n个电荷，设第k个电荷为qk，在t时刻自电过程产生的电荷函数为

f(t)＝fk(t)(1)

k电荷在自电过程中的产生的电荷量为：

qi(t)＝qk·f(t)＝qk·fk(t)(2)

根据叠加原理n个电荷自电过程产生的电荷量：

当曲面很小时，曲面上自电过程产生的电势可看作整个电荷产生的电势，对于曲面外一点a点的电势为ua(t)＝(1/4πε0ra)·q(t)其中ε0＝8.85×10^-12c²/(n·m²)(4)

将公式(3)带人公式(4)可以对于曲面任意一点a点的电势为：

由上可知断层钻孔间岩层曲面上存在着电势公式为因此，电位差探测装置的数据大小是由公式(5)所决定的。如果水流上游方向钻孔电极处产生低电位，在水流方向下游钻孔电极处产生高电位，两电极之间将会产生电位差，电压表将发生偏转。

由于井下在正常的通风环境下，断层中水流中岩石颗粒与围岩形成双离子电层，靠近岩石颗粒的一般带阴离子(负电)，而溶液一侧为阳离子(正电)。水流的上游会留下多余的负离子(负电)，下游会留下多余的正离子(正电)，形成正负电极的极化，将沿水流方向产生电位差，产生流动电位。钻孔之间存在断层水流动现象，因此，在钻孔间产生不同的电位值。在水流上游方向钻孔电极处产生低电位，在水流方向下游钻孔电极处产生高电位，两电极之间将会产生电位差，电压表将发生偏转。

利用该探测仪器进行5～10次数据采集，根据测量的数据，可以初步判断出水流方向。如果测量数据多次出现负数，说明水流上游方向钻孔电极处产生低电位，在水流方向下游钻孔电极处产生高电位，电位探测装置出现多次负数。反之，多次出现正数，水流方向相反，初步确定不同钻孔间水流流向。

(4)不同钻孔间液体探测装置的测量

初步确定水流方向后，然后将该钻孔中测试电极取出，将电极下端通过螺纹丝拧开开口，这样，环形电极可以自由流出探测液体，再将测试电极放入该钻孔中。

其次将食盐溶液或(其它示踪试剂)放入探测主机容器内，通过连接线中的液体探测导管将其输入钻孔中，食盐溶液或(其它示踪试剂)剂量根据钻孔间距离确定需求量。

最后，在探测规定的时间内利用探测主机在另外钻孔中取出一定量的水溶液，将水溶液进行水质化验，分析食盐溶液或(其它示踪试剂)含量。如果钻孔中不含有食盐溶液(示踪试剂)，说明确定的水流方向不对，需要重新进行测量确定水流方向；如果水溶液内含有一定的量的食盐溶液(其它示踪试剂)，说明确定的水流方向正确。可以根据确定的断层之间的水流方向，设计合理的注浆钻孔，以提高注浆效果，保障矿井安全。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。