CN104296804A - 一种充填体破坏失稳前兆信息监测及预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种充填体破坏失稳前兆信息监测及预警方法，用于确定现场充填体监测区域，并进行编号，利用钻孔应力计和针式电极实时监测充填体应力和电阻率值，然后换算应力变化率和电阻率变化率，掌握其变化趋势，达到精确预警充填体破坏失稳。本发明适用于矿山充填开采、尾砂固结处置、土质边坡、矿山排土场等领域，实施简单、可靠度高、成本低、效果好，可以明确现场充填体的稳定状态，还可有根据地去调整灰砂配比，以显著地降低充填成本。
Description
技术领域
本发明属于矿山安全领域，涉及胶结充填技术中大面积、大阶段胶结充填体稳定性监测及预警方法，尤其涉及一种充填体破坏失稳前兆信息监测及预警方法，适用于尾矿库(坝)、尾砂固结处置体、土质边坡、矿山排土场等领域。
背景技术
随着人们对资源充分利用以及环境保护意识的提高，国内外越来越多的矿山开始采用充填法采矿，充填至采场的充填体不仅要维持自身与本阶段采场的稳定性，同时还影响上阶段采矿作业人员有设备安全，充填体一旦发生破坏失稳，容易引起相邻充填采场大面积垮塌，以至延伸地表，对地表环境产生严重破坏，因此，充填体的稳定性监测及失稳预警显得尤为重要。目前国内外对现场充填体的稳定性判断主要采用实验压力机测试和工程类别来确定现场充填体的强度范围，致使国内矿山充填体强度普遍高于国外，直接造成国内充填成本远高于国外同类矿山，缺少现场监测数据和监测方法来反馈其稳定状态。
胶结充填体作为一种人工固结复合多孔介质，其结构形式类似于岩土材料，在外界载荷的作用下，充填体内部微观结构变化势必会引起其内部导电性能和应力状态的改变。鉴于此，在矿山开采过程中，发明的充填体破坏失稳前兆信息监测及预警方法通过监测充填体受外界载荷时的电阻率、应力变化情况以掌握充填体破裂前兆信息，不仅可以明确现场充填体的稳定状态，而且还可有根据地去调整灰砂配比，以显著地降低充填成本。
发明内容
本发明是针对胶结充填采矿中充填体稳定性状态不明确、现场监测数据不全和充填成本过高等问题，提出了采用电阻率、应力应变监测数据实现充填体破坏失稳预警的一种方法，不但方法简单，同时还可大大降低充填成本，提高充填效益，确保能长期、适时地掌握采场充填体稳定状态。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种充填体破坏失稳前兆信息监测及预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据钻孔应力计的尺寸，垂直采场充填体暴露面实施钻孔，钻孔直径应比钻孔应力计尺寸稍大2～3mm，以便预留安装钻孔应力计空间；钻孔深度在3～5m以上，以便测量到充填体内部信息，施工完钻孔后需及时安装，以防塌孔；安装时，采用特制的安装导杆以确保钻孔应力计压力枕的受力面与充填体受力方向保持一致，钻孔应力计安装到位后，将安装 导杆退出；然后，通过液压油泵给压力枕施加初始压力，直到压力枕与充填体完整接触，应力表显示的应力达到一恒定值时，停止加压；等待应力状态完全稳定后(五分钟后)，记录此时数显应力仪的应力值并计为初始应力值σ0，以后通过数显应力仪分别测量充填体的应力值σt，并与前一次记录的应力值对比，得到充填体前后测量时间间隔的应力改变量，用来掌握充填体受力变化情况。
(2)电阻率监测方向与应力监测方向保持一致，参照应力计安装步骤与方法沿充填体受力方向实施安装四个“针式电极”，电极间隔相等，一般为50～60cm，每个电极用铜导线与对应的电阻率采集仪主机的四个极点相联接，打开电阻率采集主机电源，电阻率采集主机自主开始记录充填体的电阻率值,记初始电阻率值为ρ0，并每次与应力测量同步，得到任意时刻的电阻率ρt，同样得到充填体前后测量时间间隔的电阻率改变量，以掌握充填体受载时的电阻率变化情况。
(3)利用前后不同时刻监测到的应力值和电阻率值换算成对应的应力变化量Δσ和电阻率变化量Δρ，然后利用应力变化量和电阻率变化量换算应力变化率和电阻率变化率其中，Δσ＝σt-σt-1、Δρ＝ρt-ρt-1。
(4)预警过程如下：
1)按照发明设计的要求实施工应力计和电阻率电极钻孔；
2)利用特制的安装导杆安装钻孔应力计，钻孔深度要达到现场充填体内部未受扰动区域，并按要求施加油压，保证数显应力仪畅通；
3)利用特制的安装导杆安装电阻率电极，要求电阻率电极与应力计方向相同，并通过铜导线与电阻率采集主机接通；
4)按照设计要求把应力监测网络和电阻率监测网络连接电脑，形成可实时进行应力和电阻率同步监测系统；
5)通过监测系统，定期监测应力和电阻率数据，分析监测结果，应力变化量Δσ和电阻率变化量Δρ，换算应力变化率和电阻率变化率
6)依据充填体受载应力变化和电阻率变化规律，充填体在达到峰值应力发生塑性屈服之前，应力随着时间而增高，电阻率变化随时间而降低，进入塑性屈服后，应力随着时间而降低，电阻率变化随时间而增高，分别经历先正后负和先负后正的全过程。进行应力变化率和电阻率分析，可得到应力变化率值从正到负的预警点和电阻率变化率值从负到正的预警点，即为充填体破坏失稳前兆信息预警方法。
与现有相关方法相比，本发明具有如下优点：
采用应力变化率和电阻率变化规律预警充填体破坏失稳预警方法，打破了传统方法采用实验压力机测试和工程类别来确定现场充填体的稳定性状态，克服了单纯考虑某一参数变化方法预警可信度低、错误率高的缺点；本发明方法不仅考虑了充填体受载时应力变化率的变化情况，同时还考虑了充填体受载时电导性能，大大地提高了预警的准确性，为矿山充填体破坏失稳预警提供有效技术支撑；同时，本发明设计施工简单、实用，容易得到推广到其它岩土体工程稳定性监测与预警中，如尾矿库(坝)、尾砂固结处置体、土质边坡、矿山排土场等灾害监测与预警。
附图说明
图1是充填体破坏失稳现场监测设备安装及数据采集网络布置图；
图2充填体破坏失稳预警方法图；
图中:1-充填体，2-压力枕，3-数显应力仪，4-光纤数据线，5-针式电极，6-铜导线，7-电阻率采集主机，8-数据收集总机站，9-用户电脑；10-应力计。
具体实施方式
结合图1、图2所示，种充填体破坏失稳前兆信息监测及预警方法，包括充填体1、压力枕2、数显应力仪3、光纤数据线4、针式电极5、铜导线6、电阻率采集主机7、数据收集总机站8、用户电脑9、应力计10，安装在所述充填体1内的压力枕2上的应力计10将压力信号通油管传输给数显应力仪3；针式电极5通过铜导线6将充填体1内的电阻率信号传输给电阻率采集主机7；数显应力仪3采集的应力数据和电阻率采集主机7采集的电阻率数据再通过光纤数据线4将各自信号传输给数据收集总机站8，最后通过数据收集总机站8汇总后向各级用户电脑9传输，各级用户利用图1监测数据，根据图2预警方法实现充填体破坏失稳预警。
其信息监测及预警方法过程大致如下：
(1)确定现场充填体1监测及预警区域，在适宜的充填体1暴露面选择压力枕2和针式电极5钻孔位置，并对其进行编号，以便准确地获得对应的监测数据；
(2)压力枕2和针式电极5钻孔位置确定后，按照设计要求进行钻孔施工，钻孔直径应比钻孔应力计尺寸稍大2～3mm，钻孔深度在3～5m以上，采用特制的安装导杆以确保钻孔压力枕2上应力计10的受力面与充填体1受力方向保持一致，钻孔应力计10安装到位后，将安装导杆退出；然后，通过液压油泵给压力枕2施加初始压力，直到压力枕2与充填体1完整接触，应力表显示的应力达到一恒定值时，停止加压；等待应力状态完全稳定后(五分 钟后)，通过数显应力仪3分别测量充填体1的应力值，用来掌握充填体受力变化情况。
(3)电阻率监测方向与应力监测方向保持一致，按照设计要求实施并安装四个针式电极5，针式电极5间隔相等，一般为50～60cm，每个针式电极5用铜导线6与对应的电阻率采集仪主机7的四个极点相联接，并确保与电阻率采集主机7电源畅通，同步采集充填体1电阻率值，以掌握充填体受载时的电阻率变化情况；
(4)设置好初始参数，定期同步采集数据，并分析应力变化率和电阻率变化，根据上述方程求得应力变化率值和电阻率变化率值，得到受载充填体的应力和电阻率变化率趋势；
(5)根据应力和电阻率变化率进行充填体1破坏失稳预警，当应力变化率处于正值和电阻率变化率处于负值，充填体处于受压阶段，还未达到塑性屈服峰值，充填体1不会发生破坏失稳；当应力变化率处于负值和电阻率变化率处于正值时，充填体1进入塑性屈服阶段，充填体1内部新的裂纹发育、发展并连通导致破坏失稳。因而，监测充填体的应力和电阻率变化数据可预警充填体的破坏失稳。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (1)
1.一种充填体破坏失稳前兆信息监测及预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据钻孔应力计的尺寸，垂直采场充填体暴露面实施钻孔，钻孔直径应比钻孔应力计尺寸稍大2～3mm，以便预留安装钻孔应力计空间；钻孔深度在3～5m以上，以便测量到充填体内部信息，施工完钻孔后需及时安装，以防塌孔；安装时，采用特制的安装导杆以确保钻孔应力计压力枕的受力面与充填体受力方向保持一致，钻孔应力计安装到位后，将安装导杆退出；然后，通过液压油泵给压力枕施加初始压力，直到压力枕与充填体完整接触，应力表显示的应力达到恒定值时，停止加压；等待应力状态完全稳定后(五分钟后)，记录此时数显应力仪的应力值并计为初始应力值σ0，以后通过数显应力仪分别测量充填体的应力值σt，并与前一次记录的应力值对比，得到充填体前后测量时间间隔的应力改变量，用来掌握充填体受力变化情况。
(2)电阻率监测方向与应力监测方向保持一致，参照应力计安装步骤与方法沿充填体受力方向实施安装四个“针式电极”，电极间隔相等，一般为50～60cm，每个电极用铜导线与对应的电阻率采集仪主机的四个极点相联接，打开电阻率采集主机电源，电阻率采集主机自主开始记录充填体的电阻率值,记初始电阻率值为ρ0，并每次与应力测量同步，得到任意时刻的电阻率ρt，同样得到充填体前后测量时间间隔的电阻率改变量，以掌握充填体受载时的电阻率变化情况。
(3)利用前后不同时刻监测到的应力值和电阻率值换算成对应的应力变化量Δσ和电阻率变化量Δρ，然后利用应力变化量和电阻率变化量换算应力变化率和电阻率变化率其中，Δσ＝σt-σt-1、Δρ＝ρt-ρt-1。
(4)预警过程如下：
1)按照发明设计的要求实施工应力计和电阻率电极钻孔；
2)利用特制的安装导杆安装钻孔应力计，钻孔深度要达到现场充填体内部未受扰动区域，并按要求施加油压，保证数显应力仪畅通；
3)利用特制的安装导杆安装电阻率电极，要求电阻率电极与应力计方向相同，并通过铜导线与电阻率采集主机接通；
4)按照设计要求把应力监测网络和电阻率监测网络连接电脑，形成可实时进行应力和电阻率同步监测系统；
5)通过监测系统，定期监测应力和电阻率数据，分析监测结果，应力变化量Δσ和电阻率变化量Δρ，换算应力变化率和电阻率变化率
6)依据充填体受载应力变化和电阻率变化规律，充填体在达到峰值应力发生塑性屈服之前，应力随着时间而增高，电阻率变化随时间而降低，进入塑性屈服后，应力随着时间而降低，电阻率变化随时间而增高。当应力变化率处于正值和电阻率变化率处于负值，充填体处于受压阶段，还未达到塑性屈服峰值，充填体不会发生破坏失稳；当应力变化率处于负值和电阻率变化率处于正值时，充填体进入塑性屈服阶段，充填体内部新的裂纹发育、发展并连通导致破坏失稳。因而，可把应力变化率值从正到负和电阻率变化率值从负到正作为充填体破坏失稳的预警点的预警点。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170606 |