一种防水煤柱浸水范围确定方法

1.本发明属于地球物理探测技术领域，涉及防水煤柱浸水范围确定方法，具体涉及一种防水煤柱浸水范围确定方法。


背景技术：

2.煤矿生产过程中，煤层透水作为一种常见灾害，严重威胁着生产安全。为了防止工作面突水，除了要做好前期地质勘探工作外，防水煤柱的设置能有效的防治水害的发生。当前防水煤柱预设宽度的设置主要参考施工矿井的地质条件，形成了相应的经验公式，但是对防水煤柱内部的浸水范围的监测较弱。
3.地下地质体内部通常蕴藏着各种地质构造、节理裂隙等缺陷，这些缺陷导致了煤岩体性能的弱化，形成了地下水层浸入的通道。对于流固耦合作用后的煤岩体裂隙带的分布和煤层含水率变化的探测，是保证留设防水煤层作用效果有效性的重要途径。目前大部分确定方法都通过人工经验监测，具有较大的主观性，且由于施工场所存在特殊性，导致钻孔探测方法收到了较大的限制。因此，亟需一种监测深度大、精度高的防水煤柱无损探测方法，以确定防水煤柱内部的含水率情况及分布规律。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供一种防水煤柱浸水范围确定方法，通过电阻率监测手段，从时域上确定巷道支护的稳定性，以解决现有技术中缺少能够对防水煤柱内部裂隙情况和稳定性评价方法的技术问题。
5.为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
6.一种防水煤柱浸水范围确定方法，该方法包括以下步骤：
7.步骤1、通过钻孔取样方法，在现场采集防水煤柱煤样；
8.步骤2、在实验室中测定防水煤柱煤样的孔隙率，然后以采集的防水煤柱煤样制备干燥试件和饱和水试件，测得干燥试件电阻率和饱和水试件电阻率；
9.步骤3、根据步骤2测得的干燥试件电阻率和饱和水试件电阻率，确定煤样在浸水条件下的电阻率衰变率；
10.步骤4、基于步骤2确定的孔隙率和步骤3确定的电阻率衰变率，构建煤样含水率表征方程；
11.步骤5、在施工现场布置测试电极，通过测试电极对防水煤柱进行多次直流电法探测并进行反演计算，获得防水煤柱视电阻率分布图；
12.步骤6、根据步骤5得到的防水煤柱视电阻率分布图和步骤4建立的煤样含水率表征方程，得到防水煤柱内部含水率分布图，将防水煤柱内部含水率分布图中含水率超过预设值的区域定义为防水煤柱浸水范围。
13.本发明还具有以下技术特征：
14.具体的，步骤4所述的煤样含水率表征方程如下：
[0015][0016]
式中，
[0017]
sw为煤样含水率；
[0018]
a为含水率校正参数；
[0019]
d为煤样在浸水条件下的电阻率衰变率；
[0020]
φ为孔隙率；
[0021]
m为煤样胶结指数；
[0022]
n为煤样饱和度指数。
[0023]
更进一步的，煤样在浸水条件下的电阻率衰变率通过以下公式确定：
[0024][0025]
式中，
[0026]
d为煤样在浸水条件下的电阻率衰变率；
[0027]
ρ0为干燥试件电阻率，ω
·
m；
[0028]
ρs表示饱和水试件电阻率，ω
·
m。
[0029]
更进一步的，步骤6所述的预设值为6％。
[0030]
更进一步的，所述测试电极设置在固定于防水煤柱侧壁上的直流电法测线上，且所述测试电极沿防水煤柱长度方向等间隔布设。
[0031]
更进一步的，所述直流电法测线满足以下条件：
[0032]
l≥4d
[0033]
式中：
[0034]
l为直流电法测线长度，m；
[0035]
d为防水煤柱厚度，m。
[0036]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0037]
(1)本发明方法通过实验室测试煤样的相关参数，得到了基于电阻率的煤样含水率表征方程，实现了含水率的定量表示。本发明方法借助直流电法对防水煤柱的视电阻率进行探测，能够确定防水煤柱内部的视电阻率分布情况，提高了防水煤柱有效性的探测。
[0038]
(2)本发明通过含水率的电阻率表征方程及直流电法的视电阻率探测方法，实现了对防水煤柱内部含水率分布的可视化描述，确定了防水煤柱内部的水流浸入情况。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为本发明方法的流程图；
[0041]
图2为实施例1中施工现场的数据采集装置示意图；
[0042]
图3为实施例1的防水煤柱直流电法反演结果；
[0043]
图4为实施例1的浸水线确定结果示意图。
[0044]
图中标记表示：
[0045]
1-防水煤柱；2-测试巷道；3-直流电法测线；4-电极；5-直流电法探测范围；6-直流电法仪。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0047]
实施例1：
[0048]
遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例公开了一种防水煤柱浸水范围确定方法，该方法包括以下步骤：
[0049]
步骤1、通过钻孔取样方法，在现场采集防水煤柱煤样；
[0050]
具体包括：通过钻孔法向防水煤柱区域打钻，将钻取下的煤岩钻芯加工处理，取样时保证钻孔直径大于70mm，随后在钻芯中选择长度大于100mm的煤块作为防水煤柱煤样。
[0051]
步骤2、在实验室中测定防水煤柱煤样的孔隙率，然后借助真空饱水装置和干燥装置制备干燥试件和饱和水试件，测得各试件的电阻率；
[0052]
本实施例中，测得的孔隙率为6％。
[0053]
步骤3、根据步骤2测得的干燥试件电阻率和饱和水试件电阻率，确定煤样在浸水条件下的电阻率衰变；
[0054]
煤样在浸水条件下的电阻率衰变率通过以下公式确定：
[0055][0056]
式中，
[0057]
d为煤样在浸水条件下的电阻率衰变率；
[0058]
ρ0为干燥试件电阻率；
[0059]
ρs表示饱和水试件电阻率。
[0060]
本实施例中，测得的ρ0为250.52kω
·
m，ρs为59.94kω
·
m，最终计算得到煤样在浸水条件下的电阻率衰变率为76％。
[0061]
步骤4、基于步骤2确定的孔隙率和步骤3确定的电阻率衰变率，构建煤样含水率表征方程；
[0062]
所述煤样含水率表征方程如下：
[0063][0064]
式中，
[0065]
sw为煤样含水率；
[0066]
a为含水率校正参数；取值为1
[0067]
d为煤样在浸水条件下的电阻率衰变率；
[0068]
φ为孔隙率；
[0069]
m为煤样胶结指数，1.3～2之间；
[0070]
n为煤样饱和度指数，1.5～2.5之间。
[0071]
本实施例中，m取值为1.8，n取值为2。
[0072]
将得到的煤样在浸水条件下的电阻率衰变率带入上式，最终得到的得到煤样含水率表征方程为：
[0073][0074]
步骤5、在施工现场布置测试电极，通过测试电极对防水煤柱进行多次直流电法探测并进行反演计算，获得防水煤柱视电阻率分布图；
[0075]
如图2所示，所述测试电极设置在固定于防水煤柱侧壁上的直流电法测线上，且所述测试电极沿防水煤柱长度方向等间隔布设。
[0076]
其中，直流电法测线满足以下条件：
[0077]
l≥4d
[0078]
式中：
[0079]
l为直流电法测线长度，单位为米；
[0080]
d为防水煤柱厚度，单位为米。
[0081]
直流电法测线可以重叠布置，保证整个防水煤柱均在电法测试范围，测试电极设置在测线上，测线与电法仪的接口连接，记录测试过程中各电极之间的电位信息，获取防水煤柱的原始电场信息；对防水煤柱内部的电位信息通过现有的ert开源处理程序进行处理，获得如图3所示的防水煤柱直流电法反演结果。
[0082]
如图3所示，本实施例中得到的视电阻率分布图为由等值电阻率曲线组成梯形区域；
[0083]
步骤6、根据步骤5得到的防水煤柱视电阻率分布图和步骤4建立的煤样含水率表征方程，得到防水煤柱内部含水率分布图，将防水煤柱内部含水率分布图中含水率超过预设值的区域定义为防水煤柱浸水范围。
[0084]
本实施例中，如图4所示，将含水率6％定义为饱和浸水线，在饱和浸水线以下区域为防水煤柱浸水范围。
[0085]
具体包括：由于电阻率是精确测量值，视电阻率是电场反演得到的数值，所以，可将视电阻率看成是电阻率，然后将防水煤柱视电阻率分布图中的视电阻率代入步骤4建立的含水率表征公式中，计算得到每个视电阻率点所对应的含水率值，进而得到防水煤柱内部含水率分布图。
[0086]
本发明方法通过实验测试煤样的相关参数，得到了基于电阻率的煤样含水率表征方程，实现了含水率的定量表示。本发明方法借助直流电法对防水煤柱的视电阻率进行探测，能够确定防水煤柱内部的视电阻率分布情况，提高了防水煤柱有效性的探测。
[0087]
需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施
例范围的所有变更和修改。

技术特征：
1.一种防水煤柱浸水范围确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、通过钻孔取样方法，在现场采集防水煤柱煤样；步骤2、在实验室中测定防水煤柱煤样的孔隙率，然后以采集的防水煤柱煤样制备干燥试件和饱和水试件，测得干燥试件电阻率和饱和水试件电阻率；步骤3、根据步骤2测得的干燥试件电阻率和饱和水试件电阻率，确定煤样在浸水条件下的电阻率衰变率；步骤4、基于步骤2确定的孔隙率和步骤3确定的电阻率衰变率，构建煤样含水率表征方程；步骤5、在施工现场布置测试电极，通过测试电极对防水煤柱进行多次直流电法探测并进行反演计算，获得防水煤柱视电阻率分布图；步骤6、根据步骤5得到的防水煤柱视电阻率分布图和步骤4建立的煤样含水率表征方程，得到防水煤柱内部含水率分布图，将防水煤柱内部含水率分布图中含水率超过预设值的区域定义为防水煤柱浸水范围。2.如权利要求1所述的防水煤柱浸水范围确定方法，其特征在于，步骤4所述的煤样含水率表征方程如下：式中，s
w
为煤样含水率；a为含水率校正参数；d为煤样在浸水条件下的电阻率衰变率；φ为孔隙率；m为煤样胶结指数；n为煤样饱和度指数。3.如权利要求2所述的防水煤柱浸水范围确定方法，其特征在于，煤样在浸水条件下的电阻率衰变率通过以下公式确定：式中，d为煤样在浸水条件下的电阻率衰变率；ρ0为干燥试件电阻率，ω
·
m；ρ
s
表示饱和水试件电阻率，ω
·
m。4.如权利要求1所述的防水煤柱浸水范围确定方法，其特征在于，步骤6所述的预设值为6％。5.如权利要求1所述的防水煤柱浸水范围确定方法，其特征在于，所述测试电极设置在固定于防水煤柱侧壁上的直流电法测线上，且所述测试电极沿防水煤柱长度方向等间隔布设。6.如权利要求5所述的防水煤柱浸水范围确定方法，其特征在于，所述直流电法测线满
足以下条件：l≥4d式中：l为直流电法测线长度，m；d为防水煤柱厚度，m。

技术总结
本发明公开一种防水煤柱浸水范围确定方法，包括以下内容：在现场采集防水煤柱煤样；在实验室中测定防水煤柱煤样的孔隙率，以及干燥试件电阻率和饱和水试件电阻率；确定煤样在浸水条件下的电阻率衰变率；基于确定的孔隙率和电阻率衰变率，构建煤样含水率表征方程；通过测试电极对防水煤柱进行多次直流电法探测并进行反演计算，获得防水煤柱视电阻率分布图；得到防水煤柱内部含水率分布图，将防水煤柱内部含水率分布图中含水率超过预设值的区域定义为防水煤柱浸水范围。本发明方法通过测试煤样参数，得到基于电阻率的煤样含水率表征方程，然后借助直流电法对防水煤柱的视电阻率进行探测，实现了防水煤柱浸水范围的确定。实现了防水煤柱浸水范围的确定。实现了防水煤柱浸水范围的确定。


技术研发人员：邱黎明 刘强 朱开鹏 王安虎 刘英杰 王振荣 杨茂林 殷山
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/9