CN106813976B - 一种标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置及方法，适用于深部地下动力灾害的超前监测预警研究。包括监测夹具骨架和高频数据采集监控系统，监测夹具骨架(14)内侧上设有多个与标准煤岩样品侧壁面紧贴的震动传感器、电法电极和磁法线圈，固定在监测装置内的标准煤岩样品在压裂过程中，由震动传感器捕捉煤岩变形破坏产生的震动信号，由电法电极捕捉煤岩变形破坏产生的自然电场电位差，由磁法线圈捕捉煤岩变形破坏产生的瞬变磁场强度；通过捕捉被测样品压裂变形破坏或渗流过程的震电磁三场信号特征，建立煤岩破裂面与物理场效应之间的关系谱，为深部地下工程动力灾害的预测、评价和防治提供理论支撑。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置及方法，尤其适用于深部地下动力灾害的超前监测预警研究。
背景技术
目前，深部地下动力灾害的防治仍然是一项国际性难题，通常采用单一场被动监测，无法较为全面地认识动力灾害。相关学者对岩爆、煤与瓦斯突出等深部动力灾害的机理仍持有不同观点，同步得到煤岩动力灾害从孕育、发展和突变过程中的弹性波场、电磁场及地电场三场能谱与形变特征，是一个亟待解决的关键问题。
由于理论研究的蓬勃发展，地球物理监测方法中的微震监测技术和电磁辐射监测技术已广泛应用于冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害的监测及预测实际工程研究中，从而使得国内外微震监测仪和电磁辐射仪得到迅速发展。
微震监测系统开发于上世纪七十年代初期，20世纪80年代微震监测技术应用于我国煤矿，主要的手段就是震源定位，通过实时的分析微震震源位置以及微震震级大小划分易发生塌陷、顶板下沉和瓦斯突出等危险区域。90年代开始，全数字型微震监测技术和设备开始得到广泛的应用，目前国外南非、波兰、加拿大、澳大利亚、美国等分别研制出了ISS、SOS、Paladin Seismic Recorder-V2等有较强影响力和较广应用范围的微震采集与处理系统。国内微震监测系统方面的研究工作起步较晚，2003年李庶林等在凡口铅锌矿建立了一套全数字型64通道微震监测系统；2005年，中国矿业大学和国家地震局共同研制了TDS–6微震信号数据采集试验系统；2007年，姜福兴利用自主研发的本安型微震监测系统进行了煤矿突水的微震监测；中国矿业大学窦林名、大连理工大学唐春安等通过分析研究冲击前兆微震信号的频率特征来有效的诊断冲击地压的危险程度以达到预防冲击地压和岩爆等事故的目的，并研究优化了煤矿监测台网布设，达到了提高微震定位精度的目的。
在煤岩动力灾害电磁辐射监测仪器的开发应用方面，80年代未至90年代初前苏联全苏矿山测量与矿山地质力学研究院先后研制了“EГ-9”、“ВOЛHα-1”、“ВOЛHα-1”型测量仪器，用以评价工作面前方的冲击矿压和突出危险状态；俄罗斯科学院西伯利亚分院矿业研究所研制的ИЭМИ-1型电磁脉冲接收仪。20世纪90年代开始，国内外学者V.I.Frid、A.N.shabarov、何学秋、王恩元、窦林名等针对煤岩体破坏过程中电磁辐射产生的机理、特征、规律等进行了大量的科学实验研究，为电磁辐射监测技术应用于煤矿煤岩动力灾害的预测预报奠定了理论基础并得到了广泛应用。重庆分院马超群、陆道儿等研制了MTT-92型煤与瓦斯突出危险探测仪；2003年，中国矿业大学王恩元等研制了KBD5型矿用本安型煤与瓦斯突出电磁辐射监测仪和之后的KBD7型煤岩电磁辐射连续监测系统及数据处理软件(接收频率范围0～500kHz，有效探测距离7～22m。魏建平等研究了矿井煤岩动力灾害的电磁辐射预警机理，开发了煤岩电磁辐射连续监测仪的配套软件，并应用于煤与瓦斯突出和冲击矿压的预警。刘文波通过Ansoft HFSS软件对电磁辐射监测仪接受天线进行了仿真设计与性能参数优化,进一步改善了电磁辐射接收天线的接收效果，增强了接收天线的方向性。
传统地电场仪器发展历史悠久，20世纪80年代中期，高密度电法仪器出现并进行应用。1991年长春地质学院研制了GC-1加HD-1型高密度电阻率采集系统；1992年地矿部机电研究所推出了GC-2型多路转换器和MIR-1B型多功能电测仪，以及MIS-2型多路转换器和MIR-1C型多功能电测仪配套成的系统；1995年北京地质仪器厂和中国地质大学合作推出了由DUM-1型电极转换器和DDJ-1型多功能电测仪系统。进入21世纪，重庆地质仪器厂推出了可置120个电极的DUK-2高密度电法测量系统；吉林大学工程技术研究所先后推出了E60系列分布式开关电缆的高密度电法勘探仪；2004年课题组提出了网络并行电法勘探仪器，并于2008年取得国家重点新产品称号。国外在地电勘探仪器方面更具优势，美国AGI公司的SuperSting R8IP 8首次推出双模式智能电极的直流电法仪器；德国DMT公司推出的RESECSⅡ三维高密度电法仪；法国的SYSCAL PRO电法仪器可以10通道同时采集；美国的ZONGE公司的GDP32II电法工作站集成直流电法到电磁法的多功能于一体，支持16通道同时采集；加拿大凤凰公司的V8系列仪器几乎涵盖所有地电场勘探功能，是一台多功能电磁法工作站。这些地电场勘探仪器总体为资源勘探和工程物探类仪器，仪器系统笨重，基本不具备监测功能。
以上介绍的仪器均是单独测量微震信号、电场信号或者电磁信号，属于单场监测仪器。
发明内容
针对上述技术问题，提出一种结构简单、操作易行的配备有主动激发装置、可实现同时同步采集震电磁三场信号的一种标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置及试验方法。
为实现上述目的，本发明的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置，包括设置在压力机底盘上并将标准煤岩样品完全包裹住的监测夹具骨架和高频数据采集监控系统两大部分组成，其特征在于：所述监测装置夹具包括设置在标准煤岩样品上下的标准煤岩样品底座，标准煤岩样品底座通过压力机底盘将标准煤岩样品夹住，标准煤岩样品底座侧面设置有监测夹具底座，监测夹具底座上设置有监测夹具骨架，监测夹具骨架内侧上设有多个与标准煤岩样品侧壁面紧贴的震动传感器、电法电极和磁法线圈，所述震动传感器、电法电极和磁法线圈分别通过通讯线缆与监控系统相连接，标准煤岩样品上还设有多个可控源变频激震器，开启可控源变频激震器后利用震动传感器捕捉煤岩变形破坏产生的震动信号，电法电极捕捉煤岩变形破坏产生的自然电场电位差，磁法线圈捕捉煤岩变形破坏产生的瞬变磁场强度，并向监控系统发送采集到的信息。
所述设置在监测夹具骨架上与标准煤岩样品接触的多个震动传感器为12个，按每层4个共3层的正交对称方式布置，相邻两层震动传感器的间距相同，震动传感器采用单分量或三分量，速度型或加速度型，每组震动传感器的间距相等，分别在柱状的标准煤岩样品侧面的四周分组设置，每组震动传感器从标准煤岩样品侧面的顶部开始设置，直至设置到标准煤岩样品的底部。
所述监测夹具骨架上的可控源变频激震器有12个，按每层4个共3层的正交对称方式布置，与震动传感器位置紧邻，与标准煤岩样品外壁的弹性预留空间不大于1.5mm。
所述监测夹具骨架上的电法电极数量共32个，按每层4个共8层的正交对称方式布置，相邻两层电法电极的间距相同，电法电极采用优质铜棒，端头直径不大于3mm，其中两个最远距离的电法电极作为B/N电极使用。
所述监测夹具内的磁法线圈分为轴向线圈和环向线圈两种类型；其中轴向线圈数量为4个，每个轴向线圈以柱面形式绕线，对应圆心角为90°，四个轴向线圈搭接可组成一个内部直径为50mm的正圆柱筒；环向线圈数量为6个，正圆形绕线，以标准煤岩样品的中心点在轴向上对称分布，每侧设置3个，环向磁法线圈直径不小于68mm，两种磁法线圈的有效监测面积均不小于3m2，其中环向磁法线圈完全嵌入监测夹具骨架种，由于轴向磁法线圈需要随煤岩样品环向变形而滑动，每个磁法线圈均依靠两个顶杆支撑在监测夹具骨架内进，从而确保轴向磁法线圈能在装置骨架环内沿径向平稳滑动。
所述监测夹具内的震动传感器和电法电极均使用顶杆进行支撑，并实现与标准煤岩样品直接接触的效果；环向磁法线圈嵌于骨架内部。
所述监控主机为高性能的台式电脑或手提式电脑，监控主机与监测夹具之间通过无线或有线方式进行数据传输。
一种标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测方法，其步骤如下：
a.提升压力机底盘，在压力机底盘上设置标准煤岩样品底座，并将待测的标准煤岩样品放入标准煤岩样品底座中，调整压力机底盘将标准煤岩样品对齐调整好位置，将标准煤岩样品底座固定；
b.在标准煤岩样品底座上安装监测夹具底座，并将监测夹具骨架套在标准煤岩样品外侧，通过监测夹具骨架底部卡扣与监测夹具底座连接，使监测夹具骨架与标准煤岩样品底座良好对接；
c.分别检查并校准设置在监测夹具骨架上的多个震动传感器、电法电极和磁法线圈的姿态，使所有震动传感器、电法电极和磁法线圈均与标准煤岩样品外壁紧密接触，确保震动传感器、电法电极和磁法线圈构成的三场传感器与标准煤岩样品完好耦合；
d.利用讯线缆将所有三场传感器与监控主机连接，并完成调试；
e.调试成功后控制压力机进行标准煤岩样品的单轴压缩实验，控制压力机或模拟水力对标准煤岩样品进行单轴压裂或水力压裂，直至标准煤岩样品变形破坏，在标准煤岩样品被挤压从而变形破坏全过程中根据需要控制多个可控源变频激震器对标准煤岩样品分别进行撞击，同时通过震动传感器、电法电极和磁法线圈实时采集相应的信息，采集到信息通过讯线缆发送到监控主机，通过监控主机对采集信息进行记录和整理，为进一步的地下动力岩样监测提供试验支持。
单轴压缩试验为标准煤岩样品创造力学环境，根据实际试验需要利用可控源变频激震器进行主动激励，当实验方案单纯监测纯被动场的特征，则无需使用可控源变频激震器；单实验方案需要进行主动的事件激励，则根据试验需要在标准煤岩样品的单轴压缩变形破坏全过程中控制可控源变频激震器进行主动激励撞击。
有益效果：实现对实验室内标准煤岩样品在单轴压裂过程或水力压裂条件下变形破坏全过程中产生的震动波场、自然电场、自然磁场的全时程效应及特征进行主被动一体化同步采集监测；通过对震电磁三场信号的处理，建立煤岩破裂面与物理场效应之间的关系谱，为标准煤岩样品的变形破坏演化过程及异常现象提供反演依据，为深部地下工程动力灾害的预测、评价和防治提供理论支撑，其装置结构简单，使用方便，方法步骤简便，监测过程无需人工干预，获取实验数据快速可靠。
附图说明
图1是本发明的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置工作原理与操作示意图；
图2是本发明的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置俯视图；
图3是本发明的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置环向磁线圈位置示意图。
说明：1-监测夹具底座；2-标准煤岩样品底座；3-压力机底盘；4-标准煤岩样品；5-监测装置夹具；6-通讯线缆；7-监控主机；8-震动传感器；9-电场电极；10-轴向磁场线圈；11-环向磁场线圈；12-夹具附带通讯线；13-线缆插口集线盒；14-监测夹具骨架；
具体实施方式
下面结合附图对实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置，包括设置在压力机底盘3上并将标准煤岩样品4完全包裹住的监测夹具骨架14和高频数据采集监控系统两大部分组成，其特征在于：所述监测装置夹具5包括设置在标准煤岩样品4上下的标准煤岩样品底座2，标准煤岩样品底座2通过压力机底盘3将标准煤岩样品4夹住，标准煤岩样品底座2侧面设置有监测夹具底座1，监测夹具底座1上设置有监测夹具骨架14，监测夹具骨架14内侧上设有多个与标准煤岩样品侧壁面紧贴的震动传感器8、电法电极9和磁法线圈10，所述震动传感器8、电法电极9和磁法线圈10分别通过通讯线缆6与监控系统相连接，所述监控主机为高性能的台式电脑或手提式电脑，监控主机与监测夹具之间通过无线或有线方式进行数据传输，所述监测夹具内的震动传感器8和电法电极9均使用顶杆进行支撑，并实现与标准煤岩样品直接接触的效果；环向磁法线圈嵌于骨架内部，标准煤岩样品4上还设有多个可控源变频激震器，开启可控源变频激震器后利用震动传感器8捕捉煤岩变形破坏产生的震动信号，电法电极9捕捉煤岩变形破坏产生的自然电场电位差，磁法线圈10捕捉煤岩变形破坏产生的瞬变磁场强度，并向监控系统发送采集到的信息。
如图2所示，所述设置在监测夹具骨架14上与标准煤岩样品4接触的多个震动传感器8为12个，按每层4个共3层的正交对称方式布置，相邻两层震动传感器的间距相同，震动传感器采用单分量或三分量，速度型或加速度型，每组震动传感器8的间距相等，分别在柱状的标准煤岩样品4侧面的四周分组设置，每组震动传感器8从标准煤岩样品4侧面的顶部开始设置，直至设置到标准煤岩样品4的底部。所述监测夹具骨架14上的可控源变频激震器有12个，按每层4个共3层的正交对称方式布置，与震动传感器位置紧邻，与标准煤岩样品外壁的弹性预留空间不大于1.5mm。所述监测夹具骨架14上的电法电极9数量共32个，按每层4个共8层的正交对称方式布置，相邻两层电法电极9的间距相同，电法电极9采用优质铜棒，端头直径不大于3mm，其中两个最远距离的电法电极9作为B/N电极使用。
如图3所示，所述监测夹具内的磁法线圈10分为轴向线圈10和环向线圈11两种类型；其中轴向线圈10数量为4个，每个轴向线圈10以柱面形式绕线，对应圆心角为90°，四个轴向线圈10搭接可组成一个内部直径为50mm的正圆柱筒；环向线圈11数量为6个，正圆形绕线，以标准煤岩样品2的中心点在轴向上对称分布，每侧设置3个，环向磁法线圈11直径不小于68mm，两种磁法线圈11的有效监测面积均不小于3m2，其中环向磁法线圈完全嵌入监测夹具骨架14种，由于轴向磁法线圈需要随煤岩样品环向变形而滑动，每个磁法线圈均依靠两个顶杆支撑在监测夹具骨架14内进，从而确保轴向磁法线圈能在装置骨架环内沿径向平稳滑动。
一种标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测方法，其步骤如下：
a.提升压力机底盘3，在压力机底盘3上设置标准煤岩样品底座2，并将待测的标准煤岩样品4放入标准煤岩样品底座2中，调整压力机底盘3将标准煤岩样品4对齐调整好位置，将标准煤岩样品底座2固定；
b.在标准煤岩样品底座2上安装监测夹具底座1，并将监测夹具骨架14套在标准煤岩样品4外侧，通过监测夹具骨架14底部卡扣与监测夹具底座1连接，使监测夹具骨架14与标准煤岩样品底座2良好对接；
c.分别检查并校准设置在监测夹具骨架14上的多个震动传感器8、电法电极9和磁法线圈10的姿态，使所有震动传感器8、电法电极9和磁法线圈10均与标准煤岩样品4外壁紧密接触，确保震动传感器8、电法电极9和磁法线圈10构成的三场传感器与标准煤岩样品4完好耦合；
d.利用讯线缆6将所有三场传感器与监控主机7连接，并完成调试；
e.调试成功后控制压力机进行标准煤岩样品4的单轴压缩实验，控制压力机或模拟水力对标准煤岩样品4进行单轴压裂或水力压裂，直至标准煤岩样品4变形破坏，在标准煤岩样品4被挤压从而变形破坏全过程中控制多个可控源变频激震器对标准煤岩样品4分别进行撞击，同时通过震动传感器8、电法电极9和磁法线圈10实时采集相应的信息，采集到信息通过讯线缆6发送到监控主机7，通过监控主机7对采集信息进行记录和整理，为进一步的地下动力岩样监测提供试验支持；
单轴压缩试验为标准煤岩样品4创造力学环境，根据实际试验需要利用可控源变频激震器进行主动激励，当实验方案单纯监测纯被动场的特征，则无需使用可控源变频激震器；单实验方案需要进行主动的事件激励，则根据试验需要在标准煤岩样品的单轴压缩变形破坏全过程中控制可控源变频激震器进行主动激励撞击。
Claims (9)
1.一种标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置，包括设置在压力机底盘（3）上并将标准煤岩样品（4）完全包裹住的监测夹具骨架（14）和高频数据采集监控主机（7）两大部分组成，其特征在于：所述监测装置夹具（5）包括设置在标准煤岩样品（4）上下的标准煤岩样品底座（2），标准煤岩样品底座（2）通过压力机底盘（3）将标准煤岩样品（4）夹住，标准煤岩样品底座（2）侧面设置有监测夹具底座（1），监测夹具底座（1）上设置有监测夹具骨架（14），监测夹具骨架（14）内侧上设有多个与标准煤岩样品侧壁面紧贴的震动传感器（8）、电法电极（9）和磁法线圈（10），所述震动传感器（8）、电法电极（9）和磁法线圈（10）分别通过通讯线缆（6）与监控主机（7）相连接，标准煤岩样品（4）上还设有多个可控源变频激震器，开启可控源变频激震器后利用震动传感器（8）捕捉煤岩变形破坏产生的震动信号，电法电极（9）捕捉煤岩变形破坏产生的自然电场电位差，磁法线圈（10）捕捉煤岩变形破坏产生的瞬变磁场强度，并向监控主机（7）发送采集到的信息。
2.根据权利要求1所述的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置，其特征在于：所述设置在监测夹具骨架（14）上与标准煤岩样品（4）接触的多个震动传感器（8）为12个，按每层4个共3层的正交对称方式布置，相邻两层震动传感器的间距相同，震动传感器采用单分量或三分量，速度型或加速度型，每组震动传感器（8）的间距相等，分别在柱状的标准煤岩样品（4）侧面的四周分组设置，每组震动传感器（8）从标准煤岩样品（4）侧面的顶部开始设置，直至设置到标准煤岩样品（4）的底部。
3.根据权利要求1所述的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置，其特征在于：所述监测夹具骨架（14）上的可控源变频激震器有12个，按每层4个共3层的正交对称方式布置，与震动传感器位置紧邻，与标准煤岩样品外壁的弹性预留空间不大于1.5mm。
4.根据权利要求1所述的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置，其特征在于：所述监测夹具骨架（14）上的电法电极（9）数量共32个，按每层4个共8层的正交对称方式布置，相邻两层电法电极（9）的间距相同，电法电极（9）采用优质铜棒，端头直径不大于3mm，其中两个最远距离的电法电极（9）作为B/N电极使用。
5.根据权利要求1所述的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置，其特征在于：所述监测夹具内的磁法线圈（10）分为轴向线圈（10）和环向线圈（11）两种类型；其中轴向线圈（10）数量为4个，每个轴向线圈（10）以柱面形式绕线，对应圆心角为90°，四个轴向线圈（10）搭接可组成一个内部直径为50mm的正圆柱筒；环向线圈（11）数量为6个，正圆形绕线，以标准煤岩样品（2）的中心点在轴向上对称分布，每侧设置3个，环向磁法线圈（11）直径不小于68mm，两种磁法线圈（11）的有效监测面积均不小于3m2，其中环向磁法线圈完全嵌入监测夹具骨架（14）种，由于轴向磁法线圈需要随煤岩样品环向变形而滑动，每个磁法线圈均依靠两个顶杆支撑在监测夹具骨架（14）内进，从而确保轴向磁法线圈能在装置骨架环内沿径向平稳滑动。
6.根据权利要求3或4所述的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置，其特征在于：所述监测夹具内的震动传感器（8）和电法电极（9）均使用顶杆进行支撑，并实现与标准煤岩样品直接接触的效果；环向磁法线圈嵌于骨架内部。
7.根据权利要求1所述的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测装置，其特征在于：所述监控主机（7）为高性能的台式电脑或手提式电脑，监控主机（7）与监测夹具之间通过无线或有线方式进行数据传输。
8.一种使用权利要求1所述装置的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测方法，其特征在于步骤如下：
a. 提升压力机底盘（3），在压力机底盘（3）上设置标准煤岩样品底座（2），并将待测的标准煤岩样品（4）放入标准煤岩样品底座（2）中，调整压力机底盘（3）将标准煤岩样品（4）对齐调整好位置，将标准煤岩样品底座（2）固定；
b. 在标准煤岩样品底座（2）上安装监测夹具底座（1），并将监测夹具骨架（14）套在标准煤岩样品（4）外侧，通过监测夹具骨架（14）底部卡扣与监测夹具底座（1）连接，使监测夹具骨架（14）与标准煤岩样品底座（2）良好对接；
c. 分别检查并校准设置在监测夹具骨架（14）上的多个震动传感器（8）、电法电极（9）和磁法线圈（10）的姿态，使所有震动传感器（8）、电法电极（9）和磁法线圈（10）均与标准煤岩样品（4）外壁紧密接触，确保震动传感器（8）、电法电极（9）和磁法线圈（10）构成的三场传感器与标准煤岩样品（4）完好耦合；
d. 利用讯线缆（6）将所有三场传感器与监控主机（7）连接，并完成调试；
e. 调试成功后控制压力机进行标准煤岩样品（4）的单轴压缩实验，控制压力机或模拟水力对标准煤岩样品（4）进行单轴压裂或水力压裂，直至标准煤岩样品（4）变形破坏，在标准煤岩样品（4）被挤压从而变形破坏全过程中控制多个可控源变频激震器对标准煤岩样品（4）分别进行撞击，同时通过震动传感器（8）、电法电极（9）和磁法线圈（10）实时采集相应的信息，采集到信息通过讯线缆（6）发送到监控主机（7），通过监控主机（7）对采集信息进行记录和整理，为进一步的地下动力岩样监测提供试验支持。
9.根据权利要求8所述的标准煤岩样品压裂过程震电磁效应同步监测方法，其特征在于：单轴压缩试验为标准煤岩样品（4）创造力学环境，根据实际试验需要利用可控源变频激震器进行主动激励，当实验方案单纯监测纯被动场的特征，则无需使用可控源变频激震器；单实验方案需要进行主动的事件激励，则根据试验需要在标准煤岩样品的单轴压缩变形破坏全过程中控制可控源变频激震器进行主动激励撞击。
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