井下断层水流方向探测装置及探测方法论文和设计-贾颢晨

全文摘要

本发明公开了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，环状电极底端设置带内螺纹的开口；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空腔连通；还公开了一种利用该探测装置的探测方法。该技术能为断层动水注浆提供钻孔设计依据，实现预期的注浆效果，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。

主设计要求

1.一种井下断层水流方向探测装置，其特征是，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；铜导线的两端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主板连接，主机铜导线接头通过主板连接有电压表，主板上还连接有电源和水泵，主机液体探测接头与液体探测盛放装置中的水泵连接，主板和水泵均由电源供电。

设计方案

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；铜导线的两端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主板连接，主机铜导线接头通过主板连接有电压表，主板上还连接有电源和水泵，主机液体探测接头与液体探测盛放装置中的水泵连接，主板和水泵均由电源供电。

2.一种利用权利要求1所述井下断层水流方向探测装置的探测方法，其特征是，包括以下步骤：

1).组装探测装置；

2).在井下断层上下盘之间施工以形成两个钻孔，且钻孔内出现涌水，如果没有水，进行人工注入水；将已连接好的铜导线和环状电极置于断层两盘不同钻孔中，可以形成闭合回路；

3).电压表数据采集，将上述探测装置连接完毕后，开始数据采集；

设岩层曲面上有n个电荷，设第k个电荷为q_{k<\/sub>，在t时刻自电过程产生的电荷函数为}

F(t)＝f_{k<\/sub>(t) (1)}

第k个电荷在自电过程中的产生的电荷量为：

Q_{i<\/sub>(t)＝q_{k<\/sub>·F(t)＝q_{k<\/sub>·f_{k<\/sub>(t) (2)}}}}

根据叠加原理n个电荷自电过程产生的电荷量：

设计说明书

技术领域

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。

发明内容

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q_{k<\/sub>，在t时刻自电过程产生的电荷函数为}

F(t)＝f_{k<\/sub>(t) (1)}

k电荷在自电过程中的产生的电荷量为：Q_{i<\/sub>(t)＝q_{k<\/sub>·F(t)＝q_{k<\/sub>·f_{k<\/sub>(t)(2)}}}}

根据叠加原理n个电荷自电过程产生的电荷量：设计图

井下断层水流方向探测装置及探测方法论文和设计

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