一种定量探测煤层内含水量的模拟方法与流程

本发明涉及一种定量探测煤层内含水量的模拟方法，属于煤层含水检测技术领域。

背景技术：

随着开采深度不断加深，水文地质条件复杂化，煤矿生产受到了严重的水害威胁。煤矿水害事故造成了大量的财产损失和人员伤亡，据统计矿井水害事故造成的直接经济损失，居各类事故首位。自2000年起发生事故500余起，2800多人遇难，直接经济损失350多亿元，单次死亡人数仅次于瓦斯事故居第二位。此外，与瓦斯及顶板事故不同，煤矿水害事故极易发生二次灾害，引发多种环境问题。在矿井生产中，如何准确全面地超前预测煤层内含水情况，对预防矿井水害事故具有重要意义，煤层内的含水情况，一直以来都影响着煤矿的安全和生产。因此，查明井下煤层内的含水情况是煤矿安全生产亟待解决的问题。

矿井直流电法以地壳中各种介质之间的电性差异为基础，通过布置供电电极建立起稳定的人工电场，测量该电场的变化规律，求取岩层的视电阻率，绘制视电阻率曲线从而达到了解煤层内含水情况的目的。但前人的研究多集中于采用该方法探测煤层中含水范围，但始终不能实现含水情况的定量化预测。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种定量探测煤层内含水量的模拟方法，通过在煤样储水体周围布置测线电极，采用直流电法，结合煤样钻芯的水量分析，实现了定量预测煤中含水情况的目的。

本发明提供了一种定量探测煤层内含水量的模拟方法，包括以下步骤：

（1）制作含水煤层物理模型，模型为正方体结构，在模型的内部中心处设有储水空间，储水空间通过塑料管与外部连接；

（2）储水空间周围均匀布设供电电极和测量电极；

所述储水空间的下方、上方以及侧面分别设有测线，在测线上均匀分布有供电电极和测量电极。

（3）将制作好的煤样放置于实验室内的一块绝缘木板上；

（4）通过预留的塑料管向煤样中的储水空间注水；

（5）注满水后，打开测试仪电源供电开关向电极供电；

（6）采集数据：测定相邻两处的电压值，依次得出各测线上的电压值；

（7）数据采集完成后，断开连线；采用钢管套在电钻钻头处在煤样侧面正中处向煤样中央钻芯，共取八组钻芯；

（8）将所取芯样磨碎烘干称重计算其含水量，根据各钻芯的含水量绘制煤样侧方区域的水量分布图；本组钻芯取自煤样侧面，含水情况主要受水的扩散因素影响；

（9）重复步骤（7）（8）在煤样上方、下方取样并绘制煤样上部、下部水量分布图；煤样上部钻芯含水量少，下部钻芯含水量多，主要是受重力影响，中部储水体中的水向下渗透的更多；

（10）整理所得测量数据，由测试仪进行计算处理后，获得煤样内各测点处的电阻率情况；建立电阻率与相应位置的水量对应关系；定量化预测煤层内含水情况。

上述方法具体包括以下步骤：

（1）制作正方体模具，逐层压制铺设0.2-0.25mm粒径的粉煤；在煤样中心部位留设正方体储水空间，内衬0.5mm塑料薄片，每个薄片上留设五个φ2mm的小孔；预埋一根φ2mm塑料管，一端开口连接储水空间，一端露在煤样外部，塑料管管身敷设入煤样内部；在距储水空间底部中点正下方20mm处布设一条测线cx-2，在测线上每隔4mm布设一处电极，以同样方式在储水空间正上方20mm处布设测线cx-1，在储水空间左侧中部距储水空间20mm处布设测线cx-3；在每条测线上共设12个电极，其中靠近储水空间的4个为供电电极、位于供电电极外侧的8个为测量电极，每个电极独立连线；

（2）将制作好的煤样放置于实验室内的一块绝缘木板上；将cx-1测线上的供电电极g1-1连接到测试仪上的50ma直流电正极接口，负极接口连接到距煤样2m远的一处地线接头；将测量电极c1-1、c1-2连接测试仪的电压测量接口；

所述测试仪为agilentu1733clcr测试仪。

（3）通过预留的塑料管向煤样中的储水空间注入水；

（4）注满水后，打开agilentu1733clcr测试仪电源供电开关向g1-1电极供电，采集c1-1、c1-2两处电极的电压值；

（5）关闭测试仪电源供电开关，断开g1-1连线，测量电极不变，将供电电极g1-2接入测试仪上的50ma直流电正极接口，打开测试仪电源供电开关，采集此时c1-1、c1-2的电压值；重复上述步骤，再获得g1-3、g1-4作为供电电极时c1-1、c1-2的电压值；

（6）关闭测试仪供电开关，断开c1-1、c1-2连线，移动测量电极至c1-2、c1-3重复步骤（4）（5），获得供电电极g1-1、g1-2、g1-3、g1-4分别单独供电时c1-2、c1-3处的电压值；

（7）重复步骤（4）~（6）获得测线cx-1上剩余测量电极处的电压值；

（8）重复步骤（4）~（7）获得测线cx-2、cx-3上的测量电极处的电压值；

（9）数据采集完成后，断开连线；采用φ10mm的钢管套在电钻钻头处在煤样侧面正中m点处向煤样中央钻芯，每隔10mm取芯一次，共取八组钻芯；

（10）将所取芯样磨碎烘干称重计算其含水量，根据各钻芯的含水量绘制煤样侧方区域的水量分布图；本组钻芯取自煤样侧面，含水情况主要受水的扩散因素影响；

（11）重复步骤（8）（9）在煤样顶部中心点、底部中心点取样并绘制煤样上部、下部水量分布图；煤样上部钻芯含水量较少，下部钻芯含水量较多，主要是受重力影响，中部储水体中的水向下渗透的更多；

（12）整理所得测量数据，由测试仪内部自带程序进行计算处理后，获得煤样内各测点处的电阻率情况；

（13）建立电阻率与相应位置的水量对应关系；定量化预测煤层内含水情况。

本发明的有益效果：

本发明通过建立电阻率与煤层内各处含水量的对应关系，可定量测定煤中水量分布的情况，直观给出测量结果；并且以储水空间为中心，分别测定了储水空间上方、侧面、下方的水量分布情况，对实际生产中顶板、底板、巷道前方的煤层内含水情况测定具有指导意义。

附图说明

图1为本发明定量探测煤层内含水情况的物理模拟装置的结构示意图；

图2为模拟试验系统的结构示意图；

图3为直流电法测试原理图；

图4为含水量分布图；

图5为电阻率分布图；

图6为电阻率定量探测图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1、图2所示，一种定量探测煤层内含水率的模拟方法，包括如下步骤：

（1）用木板制作一个长宽高各200mm的正方体模具；逐层压制铺设0.2-0.25mm粒径的粉煤；在煤样中心部位留设长宽高各40mm的正方体储水空间，内衬0.5mm塑料薄片，每个薄片上留设五个φ2mm的小孔；预埋一根φ2mm塑料细管，一端开口连接储水空间，一端露在煤样外部，管身敷设入煤样内部；在距储水空间底部中点正下方20mm处布设一条测线cx-2，测线长44mm，每隔4mm布设一处电极，共设12个电极其中靠近储水空间的4个为供电电极、位于供电电极外侧的8个为测量电极，每个电极独立连线；以同样方式在储水空间正上方20mm处布设测线cx-1，在储水空间左侧中部距储水空间20mm处布设测线cx-3，如图1所示；

图1为试件结构图，试件中部灰色部分为预留的储水空间，用于模拟煤层内的隐伏空腔积水，测线cx-1、cx-2、cx-3可实现对煤层内积水上、下及侧方的电阻率监测。

（2）将制作好的煤样放置于实验室内的一块绝缘木板上；将cx-1测线上的供电电极g1-1连接到agilentu1733clcr测试仪上的50ma直流电正极接口，负极接口连接到距煤样2m远的一处地线接头；将测量电极c1-1、c1-2连接agilentu1733clcr测试仪的电压测量接口；整体实验系统布置如图2所示。图2为实验的实施环境及整体设备连线示意。实验的测试原理如图3所示，电流通入供电电极g1-1后会在其周围形成一个圆形等位面，其电势变化会被测量电极c1-1、c1-2捕捉到。

（3）通过预留的细管向煤样中的储水空间注入64ml的水；

（4）注满水后，打开agilentu1733clcr测试仪电源供电开关向g1-1电极供电，采集c1-1、c1-2两处电极的电压值；

（5）关闭agilentu1733clcr测试仪电源供电开关，断开g1-1连线，测量电极不变，将供电电极g1-2接入测试仪上的50ma直流电正极接口，打开测试仪电源供电开关，采集此时c1-1、c1-2的电压值；重复上述步骤，再获得g1-3、g1-4作为供电电极时c1-1、c1-2的电压值；

（6）关闭测试仪供电开关，断开c1-1、c1-2连线，移动测量电极至c1-2、c1-3重复步骤（4）（5），获得供电电极g1-1、g1-2、g1-3、g1-4分别单独供电时c1-2、c1-3处的电压值；

（7）重复步骤（4）（5）（6）获得测线cx-1上剩余测量电极处的电压值；

（8）重复步骤（4）（5）（6）（7）获得测线cx-2、cx-3上的测量电极处的电压值；

数据采集完成后即可对其电阻率进行分析，图5为分析后所得的电阻率分布图，可以直观得出在试件中部电阻率较低，符合隐伏积水位于试件中部的特征。

（9）数据采集完成后，断开连线；采用φ10mm的钢管套在电钻钻头处在煤样侧面正中m点处向煤样中央钻芯，每隔10mm取芯一次，共取八组钻芯；

（10）将所取芯样磨碎烘干称重计算其含水量，根据各钻芯的含水量绘制煤样侧方区域的水量分布图，如图4；本组钻芯取自煤样侧面，含水情况主要受水的扩散因素影响；

图4为含水量分布图，根据测试，靠近中部隐伏积水处的煤层内含水量较高，边缘处较低。

（11）重复步骤（8）（9）在煤样上部n点、底部s点取样并绘制煤样上部、下部水量分布图；煤样上部钻芯含水量较少，下部钻芯含水量较多，主要是受重力影响，中部储水体中的水向下渗透的更多；

（12）整理所得测量数据，由测试仪内部自带程序进行计算处理后，获得煤样内各测点处的电阻率情况，如图5所示；可以直观得出在试件中部电阻率较低，符合隐伏积水位于试件中部的特征；

（13）建立电阻率与相应位置的水量对应关系；定量化预测煤层内含水情况。

图6为电阻率定量监测图，结合图4所得的含水量变化与图5所得的电阻率变化，获得电阻率与煤层含水量的定量关系，实现定量化预测煤层含水量。