CN107024183A - 巷道围岩松动圈范围测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种巷道围岩松动圈范围测试方法及系统。该巷道围岩松动圈范围测试方法，应用于巷道围岩松动圈范围测试系统，系统包括支撑杆、分布式传感光缆、至少两个应变传感器和处理器；其中，分布式传感光缆和应变传感器设置在支撑杆上，处理器与分布式传感光缆和应变传感器连接；该方法包括：根据待测试区域的地质信息确定钻孔的信息；其中，钻孔用于设置支撑杆；通过钻孔中设置的分布式传感光缆和应变传感器采集不同时间的应变数据；根据采集的应变数据，确定巷道围岩松动圈范围。本发明确定巷道围岩松动圈范围，结果较为准确。

Description

巷道围岩松动圈范围测试方法及系统

技术领域

本发明涉及矿压测试技术领域，尤其涉及一种巷道围岩松动圈范围测试方法及系统。

背景技术

随着浅部煤炭资源的匮乏，煤矿开采已趋于深部化发展，此时“三高一扰动”的地质条件使得深部开采较浅部复杂程度增加，尤其表现在地应力的增大导致巷道围岩变形加剧、支护难度加大、采场稳定性降低，从而造成矿井地质灾害事故频繁发生，严重影响矿井安全高效生产。因此，准确地检测巷道开拓、工作面采动引起的围岩松动圈范围，对巷道安全评价及支护技术措施制定等具有重要的意义。

现有技术中，可以通过静态应变测试技术检测围岩松动圈范围，但是静态应变测试技术是通过钻孔植入点式应变测试装置，在深部测试恶劣条件下其获得数据有效性难以保证。

因此，如何提高检测围岩松动圈范围的准确性是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种巷道围岩松动圈范围测试方法及系统，提高了检测围岩松动圈范围的准确性。

第一方面，本发明提供一种巷道围岩松动圈范围测试方法，应用于巷道围岩松动圈范围测试系统，所述系统包括支撑杆、分布式传感光缆、至少两个应变传感器和处理器；其中，所述分布式传感光缆和所述应变传感器设置在所述支撑杆上，所述处理器与所述分布式传感光缆和所述应变传感器连接；所述方法包括：

根据待测试区域的地质信息确定钻孔的信息；其中，所述钻孔用于设置所述支撑杆；所述钻孔的信息包括：钻孔的位置、钻孔的数量、钻孔的角度、钻孔的孔径以及钻孔的深度；

通过所述钻孔中设置的所述分布式传感光缆和所述应变传感器采集不同时间的应变数据；

根据采集的所述应变数据，确定巷道围岩松动圈范围。

第二方面，本发明提供一种巷道围岩松动圈范围测试系统，应用于如第一方面中任一项所述的方法，所述系统包括：

支撑杆、分布式传感光缆、至少两个应变传感器和处理器；其中，所述分布式传感光缆和所述应变传感器设置在所述支撑杆上；所述支撑杆设置在待测试区域的钻孔内；所述处理器与所述分布式传感光缆和所述应变传感器连接，所述处理器用于通过所述分布式传感光缆和所述应变传感器采集所述钻孔内的应变数据，并根据所述应变数据确定巷道围岩松动圈范围。

本发明巷道围岩松动圈范围测试方法及系统，通过根据待测试区域的地质信息确定钻孔的信息；通过所述钻孔中设置的所述分布式传感光缆和所述传感器采集不同时间的应变数据；根据采集的所述应变数据，确定巷道围岩松动圈范围，结果较为准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明巷道围岩松动圈范围测试方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明方法一实施例的巷道断面测试钻孔布设图；

图3为本发明巷道围岩松动圈范围测试系统一实施例的示意图；

图4为本发明方法一实施例的物理模型示意图；

图5a为本发明方法一实施例的应变传感器仿真结果图一；

图5b为本发明方法一实施例的应变传感器仿真结果图二；

图5c为本发明方法一实施例的应变传感器仿真结果图三；

图6a为本发明方法一实施例的分布式传感光缆仿真结果图一；

图6b为本发明方法一实施例的分布式传感光缆仿真结果图二；

图6c为本发明方法一实施例的分布式传感光缆仿真结果图三。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是利用钻孔植入技术将分布式光纤传感器和电阻式应变传感器，利用封装与定位工艺送入设计监测钻孔内部，进行孔内应变多参数综合测试。测试系统可有效监测因采动效应引起的巷道围岩的破裂演化过程及其应变特征变化。通过在钻孔内部布置测试系统，可以动态获得孔内应变数据，形成同一断面不同层位或者不同断面不同层位的二维应变数据体，实现对测试区域内围岩岩层的运移破坏情况评价指标，获得岩体变形的解释成果及认识。该套测试系统可根据巷道地质特征、施工条件、测试目的等变化布设观测系统及孔中测试装置，实现数据有效采集与分析。

图1为本发明巷道围岩松动圈范围测试方法一实施例的流程示意图。如图1所示，本实施例的方法，应用于如图3所示的巷道围岩松动圈范围测试系统，所述系统包括支撑杆、分布式传感光缆、至少两个应变传感器和处理器；其中，分布式传感光缆和所述应变传感器设置在支撑杆上，所述方法包括：

步骤101、根据待测试区域的地质信息确定钻孔的信息；其中，钻孔用于设置所述支撑杆；钻孔的信息包括：钻孔位置、钻孔数量、钻孔角度、钻孔孔径以及钻孔深度；

步骤102、通过钻孔中设置的分布式传感光缆和传感器采集不同时间的应变数据；

步骤103、根据采集的应变数据，确定巷道围岩松动圈范围。

具体的，在实际应用中，首先，构建巷道围岩松动圈范围测试系统。根据待测试区域的地质信息(如巷道围岩条件)确定松动圈范围的钻孔的信息，其中钻孔的信息包括钻孔角度、钻孔孔径、钻孔深度、钻孔位置、钻孔数量等，其中钻孔孔径包括开孔孔径、终孔孔径，在钻孔中植入分布式传感光缆和应变传感器。其中植入方式可以采用推进式植入，可选地，具体可以通过多段支撑杆本体对接植入，将分布式传感光缆和应变传感器设置在支撑杆上，依次推进支撑杆本体，从而对接植入钻孔中。分布式传感光缆可以兼具传感和传输功能可实现全线应变数据的测量有效避免点式传感器的漏检；至少两个应变传感器可以实现多点并行应变数据测量。根据钻孔深度、测量的位置可布设不同数量的应变传感器，形成具有一定测试范围的测试系统。

待测试区域的巷道断面的钻孔数量及钻孔位置可根据巷道围岩条件灵活进行设计，本发明实施例中对此并不限定。利用钻探方式形成测试钻孔，钻孔孔径范围例如30-45mm。利用支撑杆按钻孔深度将分布式传感光缆和应变传感器完全贴杆耦合，送入至孔底。如图2所示，例如钻孔1、钻孔2、钻孔n与水平线的夹角分别为30度、80度和60度。

然后，采集钻孔内分布式传感光缆和应变传感器的应变数据。分布式传感光缆的应变数据采集可以由处理器如时域技术分布式光纤应变监测器完成，该采集装置无需构成回路可实现单端测量，通过设置采集的参数(例如采样长度大于钻孔深度、采样频率范围：10.5GHz～11.5GHz、采样空间分辨率：0.05m、0.1m等)，根据煤层回采进度以及超前影响范围开展连续监测；应变传感器传感数据的采集由处理器，例如可以通过DH3820T围岩变形多通道应变监测器完成，可实现单点测量也可进行多点(准分布式)测量，获得单次钻孔布设长度范围不同深度位置的应变数据。

根据单次测量以及多次测量获得的应变数据，进行相应的处理，确定围岩松动圈范围。

本实施例提供的巷道围岩松动圈范围测试方法，通过根据待测试区域的地质信息确定钻孔的信息；通过所述钻孔中设置的所述分布式传感光缆和所述传感器采集不同时间的应变数据；根据采集的所述应变数据，确定巷道围岩松动圈范围，结果较为准确。

进一步的，可选地，步骤103之前，还可以包括：

根据所述分布式传感光缆采集的应变数据，生成巷道围岩的位置、时间与所述应变数据的第一对应关系；

根据所述应变传感器采集的应变数据，生成巷道围岩的位置、时间与所述应变数据的第二对应关系。

进一步的，步骤103，具体可以采用如下方式实现：

根据所述第一对应关系、所述第二对应关系以及预设的围岩松动边界的应变量阈值，确定所述巷道围岩松动圈范围。

具体的，在实际应用中，可以依据单次测量的应变数据，构建巷道测试断面单一钻孔或者多个钻孔应变数据的数据库。其中针对钻孔空间布置可首先构建断面坐标系，按空间坐标对单孔分布式传感光缆的应变数据、应变传感器的应变数据分别进行库文件构建。并按不同时间逐次添加各个钻孔深度范围内的应变数据，形成相应的监测数据库，即形成第一对应关系和第二对应关系。

根据巷道围岩基本条件，可以在巷道形成后埋设各个钻孔的测试系统，获得巷道围岩的背景场的应变数据、围岩松动变化过程及稳定场的全程应变数据，便于后续数据处理。

根据单次和多次测试的应变数据可以进行相应的处理，主要包括单个应变数据及综合应变数据的处理和利用。

进一步的，还可以将分布式传感光缆采集的应变数据以及应变传感器采集的所应变数据进行对比分析，确定数据的有效性。

进一步的，对断面多个钻孔间应变数据可以进行综合处理。断面多个钻孔的数据可以依据空间坐标关系，对断面围岩变化过程的应变数据按时间形成断面色谱图，便于进行时空对比分析。也可进行不同时间围岩断面的应变数据的变化量运算，进一步形成应变数据的变化量的色谱图，最终可获得时间和空间分布的钻孔应变测试结果，为应变数据变化及围岩变形的发展过程分析提供依据。

进一步的，对于断面中各个钻孔的应变数据可实现自身变化比较、断面综合比较，进一步与时间观测值的对比，确定围岩松动圈范围，评价断面的稳定性。其评价标准依照：1)室内岩石压裂试验，获得不同岩性特征下岩体破裂演化的离散拟合数据，特别是原位岩样的压裂数据，从而确定围岩松动边界的应变量阈值；2)测试过程应变数据的分布与变化特征，其特征主要表现为数值的突变或者连续性的持续变化两种，其中突变特征又表现为应变值的突然增大，之后随数据采集减小，突变通常发生在弹性模量较大硬岩中。连续性持续应变特征则表现为应变值随数据采集过程连续变化，持续增加或者持续增加达到峰值后又持续变小，其变化幅值受到工作面回采速度、掘进速度、构造应力影响等因素的影响，连续性变化多发生弹性模量较小的软岩中。

最后，结合钻孔内测试的应变数据，对待测试区域周围岩层破坏运移情况进行分析判断，确定松动圈的范围。松动圈的确定主要是根据应变数据的异常值分析，以初始采集数据为背景值，后期数据与背景值进行做差处理，高于背景值和低于背景值的数据均定义为岩体形变发生区，结合探测目标体对高、低应变异常区进行判断、解释异常位置，并根据异常值差异的大小定量以及围岩松动边界的应变量阈值评价岩层围岩变形特征和发育规律。

其中，判断围岩松动边界的应变量阈值大小，需要结合测试围岩的性质及测试背景进行综合判断。

本发明实施例提供的方法测试便捷性大大提高，改变以往点式传感器布设、植入和数据采集方式，分布式及准分布式传感器可有效避免漏检区域，并且通过单点应变传感器可对分布式传感光缆的应变数据进行校正与补充，实时数据量增大，提高对待测试区域的松动圈范围识别精度。

其次，测试适应性大大提升，分布式传感光缆兼具传感、传输功能，并且传输距离较长误差较小、存活率高、干扰少，可以适用于较为恶劣的探测环境；并且由于电阻式应变传感器的准分布式测量，间接增加数据量加大可信度，保障测试结果有效性。

最后，测试结果表达更为优化，分布式传感光缆和应变传感器二者采集的数据体可相互验证，避免方法及数据的单一性和不稳定性。丰富数据体可以充实结果表达，呈现多元、多形态数据结果，使其表达直观、明了，实现测试数据定量的评价，形成测试结果对煤矿安全高效的生产、保护煤柱的留设、巷道的支护等具有重要的价值。

下面通过具体的模型实例对上述方法进行举例说明：

1、模型构建：

为了研究巷道开挖过程中周边岩层运移破坏情况，构建室内相似物理模型，进行相关测试研究。物理模拟作为研究巷道围岩松动的重要环节之一，采用上述系统进行布设，系统中包括分布式传感光缆和应变传感器，通过两种方式获取的应变数据可相互对比、分析，将巷道的围岩松动特征更好的表现出来。如图4所示，围岩巷道的物理模型尺寸为70cm×50cm×50cm，其巷道剖面与数值模拟设计的模型均为正方形，大小相当于数值模型的1/400，采用均一的砂岩层进行构建。考虑到开挖效果以及实际的工作量，在设计巷道尺寸时，将其断面直径设置为10cm的圆形，由于设计的巷道断面为圆形，在后期进行结果分析时，可与数值模拟的结果进行对比，提高分析结果的质量和精度。模型六个面用挡板支撑，顶部施加荷载，巷道位置开始时充填以PVC管，巷道的开挖过程即是将PVC管拔出的过程，使用PVC管模拟巷道开挖是因为在模拟开挖过程时操作较为简便。

2、测线布置：

本次物理模拟实验总共设计三条测线，即测线1、测线2、测线3，三条测线中布置有分布式传感光缆和应变传感器，分布位置以及分布式光缆长度和应变传感器的个数，如下：

其中测线1分布式传感光缆20cm，1～5号应变传感器，间距为5cm；测线2分布式传感光缆20cm，6～10号应变传感器，间距为5cm；测线3分布式传感光缆28cm，11～16号应变传感器，间距为5cm。此处的物理模拟只研究简单的拉伸与压缩变形，且不考虑温度等因素的影响，因此采用1/4桥接方式，不使用应变花，仅进行简单的单应变片测试。

3、数据采集：

本次巷道开挖引起的围岩应变变化测试使用DH3820T围岩变形多通道应变监测器和时域技术分布式光纤应变监测器，模拟测试使用16个应变传感器及3条总计2m的分布式传感光缆。测试时，多通道应变监测器不使用应变花，仅进行简单的单应变传感器测试。测试前，对两种方式采集参数进行设置。应变传感器测试采用单次采样，每点击一次采样按钮，监测器就进行一次采样操作，采样次数达到5次，分别是对三条测线开挖前后进行采样，测量内容选为应力应变测试，开始采样前，点击平衡测点，进行平衡操作；分布式光纤应变监测器同样采取单次采样，巷道开挖后每隔两小时进行一次应力应变测试。

4、数据分析：

由于巷道开挖，导致部分应变传感器遭到破坏，保存较好的应变传感器有十个，且每条测线上具有分布，因此可以对围岩的应变情况进行分析。其中，1～5分布在测线1上，6、9分布在测线2上，11～15分布在测线3上。图5a、图5b、图5c为三条测线，各个应变传感器所测应变值的变化情况，图5a中从下到上依次为1～5号应变传感器的应变值，由图5a可见1～5号应变传感器的应变值都随着时间的推移而增大，其中1号应变传感器的应变数据值变化最快且变化量最大，其他应变传感器离巷道越近，变化越大，离巷道越远，应变的变化越平缓。图5b中从下到上依次为6号和9号应变传感器的应变值，图5c中从下到上依次为11～15号应变传感器的应变值，图5b、图5c表现的特征与图5a类似，但对比三图可知，测线1的应变值从0增加到7000με，相比于测线2的从0到3000με以及测线3的从0到4000με要大很多，表明巷道顶板的围岩松动比巷道两帮及斜方的要剧烈。

传感光缆外部有保护装置，因此其在一定外力范围之内不会发生任何破坏，从开挖至结束数据采集完整，现对应应变传感器的贴片位置提取相应的分布式传感光缆的位置的应变值绘图，如图6a、图6b、图6c所示。

将分布式传感光缆采集的应变值与应变传感器采集的应变值进行对比分析可得，分布式传感光缆测试结果与应变传感器测试结果在误差范围内基本一致，因此分布式传感光缆测试结果是可信的，可以直接应用于巷道围岩松动测试应用研究。从应变综合分析可得：巷道开挖过程中围岩应变均为压应变，其中巷道顶板近距离应变变化最大，达到7000με，远离巷道位置的应变变化较为平稳，相当于顶板近距离变化的一半，表明巷道开挖主要引起顶板围岩岩层运移，破坏量较大，并且测试结果与数值模拟基本一致。

如图3所示，本实施例的巷道围岩松动圈范围测试系统，应用于如上述任一项实施例所述的方法，所述系统包括：

支撑杆2、分布式传感光缆3、至少两个应变传感器1和处理器；其中，所述分布式传感光缆和所述应变传感器设置在所述支撑杆上；所述支撑杆设置在待测试区域的钻孔4内；所述处理器用于通过分布式传感光缆和应变传感器采集所述钻孔内的应变数据，根据所述应变数据确定巷道围岩松动圈范围。

在上述实施例的基础上，进一步的，在支撑杆设置在待测试区域的钻孔内后，固定支撑杆，对钻孔孔口部位封闭(封闭采用合成树脂或者锚固剂进行孔内封固)，封固时设计注浆孔，可利用注浆管对钻孔内进行注浆封闭，注浆至中空的支撑杆孔口返水泥浆时止，同时应做好孔外测试线缆的保护。

可选的，在设置分布式传感光缆和所述应变传感器时需注意两类传感器应在支撑杆的管壁同侧，并保证受力大致相同。

进一步的，所述支撑杆的外壁设有U型凹槽，用于固定所述分布式传感光缆和所述应变传感器。

进一步的，所述应变传感器为点式电阻式应变单元；所述分布式传感光缆为金属加强型基索状应变传感光缆。

进一步的，所述支撑杆包括至少两段支撑杆本体；所述至少两段支撑杆本体用于采用螺纹或者直插式的管接方式进行对接。

进一步的，所述支撑杆为中空结构。

进一步的，所述至少两个应变传感器等间距设置在所述支撑杆上。

进一步的，所述支撑杆为由聚氯乙烯PVC或者三型聚丙烯PP-R制成的。

具体的，可以采用对接PVC或者PP-R材质的管材作为支撑杆，在外壁较厚一侧设计U型凹槽，同时设计螺纹对接或者直插式对接的管接方式，对管材和管接长度进行选取与标定后，将分布式光缆和点式电阻式应变传感器利用环形基带固定于凹槽位置，依次推进管材。

分布式传感光缆为金属加强型基索状应变传感光缆，兼具传感和传输功能可实现全线应变数据的测量有效避免点式传感器的漏检；应变传感系统采用BF1K-3AA 1KΩ高精度电阻式应变单元或采用点式埋入应变计，其中点式应变传感器采用防水封装并通过等间隔距离布设，实现多点并行数据测量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种巷道围岩松动圈范围测试方法，其特征在于，应用于巷道围岩松动圈范围测试系统，所述系统包括支撑杆、分布式传感光缆、至少两个应变传感器和处理器；其中，所述分布式传感光缆和所述应变传感器设置在所述支撑杆上，所述处理器与所述分布式传感光缆和所述应变传感器连接；所述方法包括：

根据待测试区域的地质信息确定钻孔的信息；其中，所述钻孔用于设置所述支撑杆；所述钻孔的信息包括：钻孔的位置、钻孔的数量、钻孔的角度、钻孔的孔径以及钻孔的深度；

通过所述钻孔中设置的所述分布式传感光缆和所述应变传感器采集不同时间的应变数据；

根据采集的所述应变数据，确定巷道围岩松动圈范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定巷道围岩松动圈范围之前，还包括：

根据所述分布式传感光缆采集的应变数据，生成巷道围岩的位置、时间与所述应变数据的第一对应关系；

根据所述应变传感器采集的应变数据，生成巷道围岩的位置、时间与所述应变数据的第二对应关系。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据采集的所述应变数据，确定巷道围岩松动圈范围，具体包括：

根据所述第一对应关系、所述第二对应关系以及预设的围岩松动边界的应变量阈值，确定所述巷道围岩松动圈范围。

4.一种巷道围岩松动圈范围测试系统，其特征在于，应用于如权利要求1-3任一项所述的方法，所述系统包括：

支撑杆、分布式传感光缆、至少两个应变传感器和处理器；其中，所述分布式传感光缆和所述应变传感器设置在所述支撑杆上；所述支撑杆设置在待测试区域的钻孔内；所述处理器与所述分布式传感光缆和所述应变传感器连接，所述处理器用于通过所述分布式传感光缆和所述应变传感器采集所述钻孔内的应变数据，并根据所述应变数据确定巷道围岩松动圈范围。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述支撑杆的外壁设有U型凹槽，用于固定所述分布式传感光缆和所述应变传感器。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述应变传感器为点式电阻式应变单元；所述分布式传感光缆为金属加强型基索状应变传感光缆。

7.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述支撑杆包括至少两段支撑杆本体；所述至少两段支撑杆本体用于采用螺纹或者直插式的管接方式进行对接。

8.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述支撑杆为中空结构。

9.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述至少两个应变传感器等间距设置在所述支撑杆上。

10.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述支撑杆为由聚氯乙烯PVC或者三型聚丙烯PP-R制成的。