用于确定注水煤层裂隙内部水压力的测试装置及测试方法与流程

本发明涉及孔隙水压力测试技术领域，具体涉及一种用于确定煤层注水钻孔周围煤体裂隙结构中水压力的测试装置及测试方法。

背景技术

煤层注水是目前世界上普遍使用的矿井灾害综合防治技术，经历几十年的实践与发展，到目前为止，我国已有接近80％的综采工作面采用了煤层注水技术。近年来，随着这一技术及工艺的不断进步，煤层注水技术的应用领域也在不断扩大，从开始的减尘、防治冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害，到目前发展到可以消除煤层中的硫化氢等有毒气体，同时还被广泛地应用于软化坚硬顶板及放顶煤开采等领域。煤层注水措施实施过程中，不同瓦斯赋存、煤体硬度、孔隙结构、润湿特性、煤层中水的赋存状态随注水压力变化迥异，因此及时调整煤层注水过程中的注水压力对于提高煤层注水防灾效果具有重要的作用，而能够精确地获得注水煤层裂隙内部的水压力则成为了调整注水压力的前提条件。

现有技术中测定注水钻孔周围煤体中流体压力的方法为：施工钻孔—铺设测压管路—封孔—孔口安设压力表—读数，该方法中压力表显示的压力为气、水两相的综合压力，而水的压力无法准确测定。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种用于确定注水煤层裂隙内部水压力的测试装置及测试方法，其通过现场试验可以获得测试部分进水孔的孔径，以该孔径为中间量，根据washburn方程中的毛细孔径和水压力之间的关系，可以计算出煤层注水钻孔周围煤体裂隙结构中的水压力。

本发明的任务之一在于提供一种用于确定注水煤层裂隙内部水压力的测试装置，其技术解决方案包括：

一种用于确定注水煤层裂隙内部水压力的测试装置，其包括测试机构和显示机构，所述的测试机构包括外壳、滤水膜、透水钢网、吸水膨胀橡胶、正极接电头、负极接电头及防爆电源，所述的外壳为圆柱形，在所述外壳上设置有若干个不同孔径的进水孔，在所述外壳内部的圆柱形空腔内设置有若干个隔板，若干个隔板将所述圆柱形空腔分割为若干个密封腔，在所述的圆柱形空腔的圆心处设置有一隔水橡胶管，所述的隔水橡胶管内用于放置与所述防爆电源连接的线路；

所述的吸水膨胀橡胶对应放置在所述的密封腔内，所述吸水膨胀橡胶与外壳之间依次设置所述透水钢网和滤水膜，所述的滤水膜用于将水中含有的杂质进行隔离，当所述吸水膨胀橡胶吸水进行膨胀反应时，所述的透水钢网用于保护所述的滤水膜，并使得吸水膨胀橡胶向一侧进行运动；

所述的显示机构包括外接导线、指示灯及开关，所述的外接导线与所述防爆电源连接的线路连接；

所述的吸水膨胀橡胶内部设置有导线，其一端设置有正极接头，所述的吸水膨胀橡胶与所述密封腔之间还留有一定的膨胀空间，在所述的膨胀空间相邻处设置所述防爆电源，所述负极接头位于所述防爆电源处，当所述吸水膨胀橡胶吸水进行膨胀反应时，所述的正极接头与负极接头相连，此时使得防爆电源与显示机构之间形成电流闭合回路，并通过显示机构的指示灯显示。

作为本发明的一个优选方案，所述的隔板焊接在所述圆柱形空腔内。

作为本发明的另一个优选方案，所述的滤水膜为ro膜。

本发明的另一任务在于提供一种用于确定注水煤层裂隙内部水压力的测试方法，其采用上述的测试装置，所述的测试方法包括以下步骤：

a根据煤层注水作业方案，设计密封腔个数及对应进水孔大小，并进行加工，其后待煤层注水钻孔施工完毕后，在注水钻孔周围施工若干水压力测试孔；

b、进行煤层注水作业之前，将测试机构与显示机构相连，确定各个密封腔与指示灯的连接顺序，并验证电路可靠性，待验证完成后，将测试机构推入测试钻孔底部，并进行封孔作业；

c、煤层注水作业开始后，不同孔径的进水孔代表不同尺寸的毛细管，通过设置不同孔径的进水孔，以使低压水能够通过大孔进入低压密封腔内，使高压水通过小孔进入高压密封腔内；观测显示机构的指示灯，待某一指示灯明亮后，测定相关参数后，根据式(1)所示的washburn方程，利用密封腔进水孔大小计算水压力；

式(1)中，pc-孔径r相对应的毛管压力；σ、θ-液体的表面张力和接触角；

d、待水压力计算完成后，根据计算结果，及时调整注水参数；

e、待水压力测试完成后，回收显示机构，以便进行循环使用。

本发明所带来的有益技术效果为：

本发明利用煤层裂隙中存在气、水两相时，当水压力达到一定数值后方可克服气体压力和毛细管阻力进入更小的毛细管结构这一原理，设计了一种水压力测试装置，当煤层裂隙中存在气水两相时，只有水的压力达到一定程度后方可克服气体压力进入更小的毛细管结构中，因此在测试机构外壳上设置有代表不同尺寸毛细管的不同孔径外部进水孔，以使低压水能够通过大孔进入测试装置内部低压密封腔，使高压水通过较小的孔进入高压密封腔内；同时由于r.o膜只让水分子通过的特性，可以将水中的泥沙等杂质隔离在外，待水进入某一密封腔后，吸水膨胀橡胶在水的作用下会发生膨胀反应，由于在其外部设置有一层透水钢网，导致该密封腔内的吸水膨胀橡胶只能向装置一侧进行运动，待其运动到一定程度后，该密封腔内的电源正负极接电头相连，使内部防爆电源与外部显示机构形成电流闭合回路，从而使外部显示机构上对应该密封腔的指示灯变亮。其后根据washburn方程中的毛细孔径和水压力之间的关系，可以计算出煤层注水钻孔周围煤体裂隙结构中的水压力。

本发明装置的使用可以对煤层注水过程中钻孔周围煤体内部的水压力进行精确地定量计算，其计算结果对于调整煤层注水参数，提高煤层注水综合防灾效果具有重要的作用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明中测试机构的结构示意图；

图2为本发明中测试机构的剖面示意图；

图3为本发明中显示机构的结构示意图；

图中，1-外壳，2-较大进水孔，3-r.o滤水膜，4-透水钢网，5-吸水膨胀橡胶，6-正极接电头，7-负极接电头，8-较小进水孔，9-导线，10-密封腔，11-防爆电源，12-电源腔，13-隔水橡胶管，14-隔板，15-指示灯，16-外接导线，17-开关。

具体实施方式

本发明提出了一种用于确定注水煤层裂隙内部水压力的测试装置及测试方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

结合图1至图3所示，一种用于确定注水煤层裂隙内部水压力的测试装置，包括测试机构和显示机构，测试机构包括外壳1、较大进水孔2、r.o滤水膜3、透水钢网4、吸水膨胀橡胶5、正极接电头6、负极接电头7、较小进水孔8、导线9、密封腔10、防爆电源11、电源腔12、隔水橡胶管13及隔板14，外壳1形状为圆柱形，在外壳上设置若干个不同孔径的进水孔，即较大进水孔2和较小进水孔8，在外壳内部的圆柱形空腔内设置若干个隔板14，若干个隔板14将圆柱形空腔分割为若干个密封腔10，在圆柱形空腔的圆心处设置一隔水橡胶管13，隔水橡胶管内用于放置与防爆电源连接的线路。

显示机构包括指示灯15、外接导线16及开关17，指示灯15设置有多个，测试时分别对应连接不同的密封腔。

上述外壳1由高强度钢管制成，若干个不同孔径的进水孔代表了不同尺寸毛细管，当煤层裂隙中存在气水两相时，只有水的压力达到一定程度后方可克服气体压力进入更小的毛细管结构中，因此低压水能够通过较大进水孔2进入低压密封腔，使高压水通过较小进水孔8进入高压密封腔内，密封腔由隔板14在圆柱形空腔内焊接隔离而成，在密封腔外部分别设置r.o滤水膜3及透水钢网4，r.o滤水膜只让水分子通过，可以将水中的泥沙等杂质隔离在外，透水钢网带有一定强度，可以在吸水膨胀橡胶进行膨胀反应时保护r.o膜及防止阻塞进水孔，并保证密封腔内的吸水膨胀橡胶5只能向装置一侧进行运动，吸水膨胀橡胶带有高弹性和较好的机械强度，使得橡胶在吸水后可膨胀几倍至几百倍，吸水膨胀橡胶内部设置导线，一端设置有电源正极接头，待吸水膨胀橡胶和水发生反应后，密封腔内的电源正负极接电头相连，使内部防爆电源与外部显示机构形成电流闭合回路，从而使外部显示机构上对应该密封腔的指示灯变亮。

待某一指示灯亮后，根据washburn方程中的毛细孔径和水压力之间的关系，可以计算出煤层注水钻孔周围煤体裂隙结构中的水压力。

一种用于确定注水煤层裂隙内部水压力的测试方法，其采用上述的测试装置，包括以下步骤：

a根据煤层注水作业方案，设计密封腔个数及对应进水孔大小，并进行加工，其后待煤层注水钻孔施工完毕后，在注水钻孔周围施工若干水压力测试孔；

b、进行煤层注水作业之前，将测试机构与显示机构相连，确定各个密封腔与指示灯的连接顺序，并验证电路可靠性，待验证完成后，使用钻杆将测试机构推入测试钻孔底部，并进行封孔作业；

c、煤层注水作业开始后，不同孔径的进水孔代表不同尺寸的毛细管，通过设置不同孔径的进水孔，以使低压水能够通过较大孔进入低压密封腔内，使高压水通过较小孔进入高压密封腔内；观测显示机构的指示灯，待某一指示灯明亮后，测定相关参数后，根据式(1)所示的washburn方程，利用密封腔进水孔大小计算水压力；

式(1)中，pc-孔径r相对应的毛管压力；σ、θ-液体的表面张力和接触角；

d、待水压力计算完成后，根据计算结果，及时调整注水参数；例如当测试水压力过小时，应该及时增加注水压力等；

e、待水压力测试完成后，回收显示机构，以便进行循环使用。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如r.o滤水膜3、透水钢网4、吸水膨胀橡胶5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。