CN108195496A - 测量设备及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于对地下水库的采空区中的岩层进行测量有效应力的测量设备及测量方法。测量设备包括总应力测试部和空隙水压测试部；在总应力测试部主体中设置有中空腔体，总应力测试部主体的两侧分别设置有至少一条容液腔；在每条容液腔与中空腔体的顶部之间设置有在压力作用下能够发生变形的弹性板；在两块弹性板的下方分别设置有悬置部，在两个悬置部之间连接有能够被拉伸的振弦；第一电磁线圈与第二电磁线圈之间具有空隙，振弦穿过空隙。本发明公开的测量设备及测量方法，基于多孔介质的有效应力原理，可以对煤矿地下水库的采空区中的岩体进行有效应力测试，为测算采空区岩体储水系数提供了技术基础。
Description
技术领域
本发明涉及矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，尤其涉及一种用于对地下水库的采空区中的岩层进行测量有效应力的测量设备及测量方法。
背景技术
针对我国水资源与煤炭资源呈逆向分布、中西部富煤地区多处于干旱和半干旱的生态脆弱区、水资源短缺且地表生态脆弱、主要煤炭基地水资源严重短缺的情况，在我国煤炭主产矿区必须以煤炭绿色开采理念为指导，采用适合于西部矿区的煤炭开采与水资源协调技术发展煤炭产业。其中，建设煤矿地下水库成是解决这些地区生产生活中缺水问题的一种有效技术途径。通过建立煤矿地下水库对矿井水进行回收、再利用，可以很好的缓解西部矿区煤炭开发与水资源、生态环境的矛盾，具有很好的技术、经济和社会效益。
储水系数是煤矿地下水库规划和设计时的重要参数指标。在地下水库设计和建造中，库址与坝址、库容与特征水位、地下水条款与水质过滤净化，都取决于顶底板岩体渗透性能、导水裂隙带和塌落体的渗透系数与储水系数、以及这些参数的动态变化或异特征与规律。但目前并没有能可靠测量煤矿地下水库中采空区储水系数的装置。
煤炭采出后，上覆岩层垮落并在采空区形成破碎岩块和岩块间空隙组成的堆体结构，这些垮落的破碎岩块及空隙形成了一种典型的多孔介质结构，采空区岩体在储水后成为饱和多孔介质。饱和多孔介质存在特殊的力学行为即有效应力原理，原因在于其微观上的结构性因素：饱和多孔介质中水充满了孔隙空间，因此多孔介质中的固体颗粒结构一方面会受到水压作用，称之为孔隙水压，另一方面也会受到来自其它固体颗粒或固体骨架的作用力，称之为有效应力。显然，多孔介质中孔隙越大，固体颗粒或骨架间的接触面积越小，相应有效应力也会随之改变。因此，多孔介质的有效应力与孔隙度间具有非常明显的相关性。基于此，可以考虑利用有效应力原理来测算煤矿地下水库的采空区中岩体的储水系数，前提在于能设计一种可以有效地测量采空区岩体中的有效应力的设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以有效地测量采空区岩体中的有效应力的测量设备及测量方法。
本发明技术方案提供一种用于对地下水库的采空区中的岩层进行测量有效应力的测量设备，包括总应力测试部和位于所述总应力测试部下方的空隙水压测试部；
在所述总应力测试部的总应力测试部主体中设置有中空腔体，所述总应力测试部主体的两侧分别设置有至少一条容液腔，其中，所述容液腔位于所述中空腔体的上方，且每条所述容液腔上至少部分覆盖在所述中空腔体的顶部；
在每条所述容液腔与所述中空腔体的顶部之间设置有在压力作用下能够发生变形的弹性板；
在所述两块所述弹性板的下方分别设置有悬置部，所述悬置部位于所述中空腔体内，所述悬置部的顶端与所述弹性板连接，所述悬置部的下端为朝向所述中空腔体的底部延伸的自由端，在两个所述悬置部之间连接有能够被拉伸的振弦；
在中空腔体内位于两个所述悬置部之间还设置有相对设置的第一电磁线圈和第二电磁线圈，所述第一电磁线圈与所述第二电磁线圈之间具有空隙，所述振弦穿过所述空隙。
进一步地，在所述容液腔中密封充满有油液。
进一步地，在所述总应力测试部主体中还设置有传力轴部，所述传力轴部的下端位于所述中空腔体内；
两条所述容液腔分别对称地布置在所述传力轴部的两侧，两块所述弹性板分别对称地布置在所述传力轴部的两侧，且每块所述弹性板都与所述传力轴部连接。
进一步地，所述空隙水压测试部的空隙水压测试部主体的底部设置有开口槽；
在所述开口槽的槽口上设置有用于对水进行粗过滤的过滤网；
在所述开口槽中还设置有用于对水进行精过滤的过滤元件；
在所述开口槽中与所述槽口相对设置的槽底上设置有水压测量元件。
进一步地，所述过滤网为金属网。
进一步地，所述过滤元件包括连接在所述开口槽的两侧槽壁上的上滤水板和下滤水板，在所述上滤水板与所述下滤水板之间填充有滤水材料。
进一步地，所述滤水材料由颗粒活性炭与石英砂混合而成。
进一步地，所述颗粒活性炭与所述石英砂的质量比为1:2。
进一步地，所述水压测量元件为压阻式硅敏感元件。
进一步地，所述总应力测试部主体与所述空隙水压测试部主体一体成型。
本发明技术方案还提供一种采用前述任一技术方案所述的测量设备对地下水库的采空区中的岩层进行测量有效应力的测量方法，包括如下步骤：
S001：将测量设备埋入采空区中的冒落岩层中；
S002：通过总应力测试部测量得出测量设备承受的总应力σ总；
S003：通过空隙水压测试部测量得出测量设备的底面所受的压强p；
S004：则测量设备所承受的有效应力σ＝σ总-p。
进一步地，在所述步骤S002中包括：
在外界压力作用下，弹性板会发生变形，并带动相应的悬置部移动，进而拉紧振弦；
向第一电磁线圈中通脉冲电流，振弦被引起振动，进而引起第二电磁线圈的交变电动势改变；
根据交变电动势改变的改变量计算出总应力σ总。
进一步地，总应力σ总通过如下计算公式计算得出：总应力σ总通过如下计算公式计算得出：
式中，f0为振弦的自振频率，L为两悬置部间的振弦的长度，ρ为振弦的密度，E为弹性板的弹性模量，h为弹性板的厚度，μ为弹性板的泊松比，R为弹性板的长度，E0为振弦的弹性模量。
进一步地，在所述步骤S003中包括：
读取水压测量元件所在位置处的压强pw；
测量出水压测量元件与开口槽的槽口之间的距离h；
计算测量设备的底面处的压强p＝pw+10h。
采用上述技术方案，具有如下有益效果：
本发明提供的测量设备及测量方法，基于多孔介质的有效应力原理，可以对煤矿地下水库的采空区中的岩体进行有效应力测试，为测算采空区岩体储水系数提供了技术基础。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的测量设备的剖视图；
图2为图1所示的测量设备中的总应力测试部主体与空隙水压测试部主体的剖视图；
图3为过滤网的示意图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1-2所示，本发明一实施例提供的用于对地下水库的采空区中的岩层进行测量有效应力的测量设备，包括总应力测试部1和位于总应力测试部1下方的空隙水压测试部2。
在总应力测试部1的总应力测试部主体11中设置有中空腔体12，总应力测试部主体11的两侧分别设置有至少一条容液腔13。
其中，容液腔13位于中空腔体12的上方，且每条容液腔13上至少部分覆盖在中空腔体12的顶部。
在每条容液腔13与中空腔体12的顶部之间设置有在压力作用下能够发生变形的弹性板14。
在两块弹性板14的下方分别设置有悬置部15，悬置部15位于中空腔体12内，悬置部15的顶端与弹性板14连接，悬置部15的下端为朝向中空腔体12的底部延伸的自由端，在两个悬置部15之间连接有能够被拉伸的振弦16。
在中空腔体12内位于两个悬置部15之间还设置有相对设置的第一电磁线圈17和第二电磁线圈18，第一电磁线圈17与第二电磁线圈18之间具有空隙A，振弦16穿过空隙A。
该测量设备可以用于对地下水库的采空区中的岩层进行测量有效应力。
在地下水库的采空区中，冒落岩层中饱和有水。物体(例如测量设备)处于冒落岩层中时，一方面会承受冒落岩层中的空隙水的压力，简称空隙水压，另一方面会承受周围固体颗粒或固体骨架的作用力，简称有效压力。该物体所承受的空隙水压与有效压力之和为该物体所承受的总应力。
本发明提供的测量设备具有总应力测试部1和空隙水压测试部2，空隙水压测试部2位于总应力测试部1的下方。
总应力测试部1用于测试该测量设备所承受的总应力σ总。
空隙水压测试部2用于测试该测量设备指定位置所承受的空隙水压。
总应力测试部1包括有总应力测试部主体11，在总应力测试部主体11中设置有中空腔体12，在总应力测试部主体11的至少两侧设置有容液腔13，容液腔13位于中空腔体12的上方，并且至少部分容液腔13或容液腔13中的至少部分覆盖在中空腔体12的顶部上方。
在容液腔13与中空腔体12的顶部之间设置有弹性板14，例如钢板。弹性板14覆盖在中空腔体12的顶部开口上，弹性板14作为中空腔体12的顶板或顶板的一部分。
弹性板14在收到外力时，发生变形，会朝向中空腔体12内发生形变。
在每块弹性板14的下方都设置有悬置部15，悬置部15的顶端连接在弹性板14上，其下端为朝向中空腔体12的底部延伸的自由端，也即是悬置部15的下端不与中空腔体12的底部连接，从而在弹性板14发生变形时，悬置部15会随之上下移动。
振弦16，例如钢丝或金属丝，其可以被拉伸。振弦16连接在两个悬置部15之间。
振弦16在不同粗细状态，或在张紧状态与松开状态时，振动时具有不同的频率。
在中空腔体12内相对地设置有两个安装柱3，两个安装柱3位于两个悬置部15之间。
在其中一个安装柱3上设置有第一电磁线圈17，在另一个安装柱3上设置有第二电磁线圈18，并且第一电磁线圈17与第二电磁线圈18之间具有空隙10。安装时，振弦16穿过空隙10。
当将该测量设备放置在采空区的冒落岩层中时，在孔隙水的压力及周围固体颗粒或固体骨架的作用力下，总应力测试部主体11所受的力会传导给弹性板14，每块弹性板14都会发生变形，进而使得两个悬置部15的顶部之间产生相对位移。这个相对位移将使振弦16拉紧或被拉伸，从而引起自身振动性质(例如，振动频率)的改变。
在第一电磁线圈17(可称为激励电磁线圈)内通以脉冲电流，振弦16即被吸放引起振动。
振弦16的振动引起第二电磁线圈18(可称为测量电磁线圈)交变电动势的改变，进而可计算出测量设备承受的总应力σ总。
然后通过空隙水压测试部2测量得出测量设备的底面所受的压强p；
则得出测量设备所承受的有效应力σ＝σ总-p。
本发明提供的测量设备，基于多孔介质的有效应力原理，可以对煤矿地下水库的采空区中的岩体进行有效应力测试，为测算采空区岩体储水系数提供了技术基础。
优选地，两条容液腔13对称地布置在总应力测试部主体11的两侧，也对称地布置在中空腔体12的顶部的两侧。两块弹性板14对称地布置在中空腔体12的顶部的两侧。
在测量时，容液腔13中填充有液体，通过密封圈19密封，例如水，起到减缓弹性板14振动的作用，避免弹性板14剧烈振动而发生折断。
优选地，在容液腔13中密封充满有油液，缓冲效果好。
较佳地，如图1-2所示，在总应力测试部主体11中还设置有传力轴部10，传力轴部10的下端位于中空腔体12内。
两条容液腔13分别对称地布置在传力轴部10的两侧，两块弹性板14分别对称地布置在传力轴部10的两侧，且每块弹性板14都与传力轴部10连接。在测试时，外力通过传力轴部10传递至弹性板14，引起弹性板14变形，传力更加直接，效果更好。
一个安装柱3可以安装在传力轴部10的下端上。
较佳地，如图1-3所示，空隙水压测试部2的空隙水压测试部主体21的底部设置有开口槽22。
在开口槽22的槽口221上设置有用于对水进行粗过滤的过滤网25。
在开口槽22中还设置有用于对水进行精过滤的过滤元件24。
在开口槽22中与槽口221相对设置的槽底222上设置有水压测量元件23。
过滤网25设置在开口槽22的槽口221处，其滤孔直径约1mm，用于过滤待测量多孔介质中的大粒径固体颗粒，实现对水的粗过滤。
水在粗过滤后进入过滤网25与过滤元件24之间的一次过滤腔中。
一次过滤水腔内的水含有微粒径固体颗粒，不能直接对一次过滤水腔内的水进行水压测量。
因此在此基础上设置了二次过滤结构，即过滤元件24将微粒径固体颗粒过滤掉，对水进行二次过滤或精过滤。
二次过滤后的水进入过滤元件24与槽底222之间的二次过滤腔中。
槽底222上的水压测量元件23可以直接对二次过滤腔中的水进行测量压强得到该处的压强为pw。
那么槽口221处的压强，也就是测量设备的底面的压强p＝pw+10h，h为槽口221距离槽底222的距离或者为槽深。
较佳地，过滤网25为金属网，使用寿命长。
较佳地，如图2所示，过滤元件24包括连接在开口槽22的两侧槽壁上的上滤水板241和下滤水板242，在上滤水板241与下滤水板242之间填充有滤水材料243。
上滤水板241和下滤水板242都为透水板，具有良好的透水性。
将滤水材料243设置在上滤水板241和下滤水板242之间，通过滤水材料243对水进行二次过滤或精过滤。
较佳地，滤水材料23由颗粒活性炭与石英砂混合而成。滤水材料23选用颗粒活性炭与石英砂混合物的原因在于，这种材料在过滤微小粒径固体颗粒的同时，还具有良好的透水性。其渗透系数要远高于一般的过滤材料，如渗水石或高温氧化物陶瓷片等。这种过滤结构具有较高的渗透性，从而保证煤矿地下水库内储水水位变化时能及时监测孔隙水压的变化情况。
混合时，颗粒活性炭与石英砂的质量比为1:2。
较佳地，水压测量元件23为压阻式硅敏感元件。
优选地，总应力测试部主体11与空隙水压测试部主体21一体成型，提高了结构强度。采用整体式结构能具有更好地可靠性，更适用于煤矿地下水库长期运行过程中的有效应力监测。
本发明一实施例还提供一种采用测量设备对地下水库的采空区中的岩层进行测量有效应力的测量方法，结合图1-2所示，包括如下步骤：
S001：将测量设备埋入采空区中的冒落岩层中。
S002：通过总应力测试部1测量得出测量设备承受的总应力σ总。
S003：通过空隙水压测试部2测量得出测量设备的底面所受的压强p。
S004：则测量设备所承受的有效应力σ＝σ总-p。
较佳地，在步骤S002中包括：
在外界压力作用下，弹性板14会发生变形，并带动相应的悬置部15移动，进而拉紧振弦。
向第一电磁线圈17中通脉冲电流，振弦16被引起振动，进而引起第二电磁线圈18的交变电动势改变。
根据交变电动势改变的改变量计算出总应力σ总。
较佳地，总应力σ总通过如下计算公式计算得出：总应力σ总通过如下计算公式计算得出：
式中，f0为振弦的自振频率，L为两悬置部间的振弦的长度，ρ为振弦的密度，E为弹性板的弹性模量，h为弹性板的厚度，μ为弹性板的泊松比，R为弹性板的长度，E0为振弦的弹性模量。
较佳地，在步骤S003中包括：
读取水压测量元件23所在位置处的压强pw。
测量出水压测量元件23与开口槽22的槽口221之间的距离h。
计算出测量设备的底面处的压强p＝pw+10h。
本发明提供的测量方法，基于多孔介质的有效应力原理，可以对煤矿地下水库的采空区中的岩体进行有效应力测试，为测算采空区岩体储水系数提供了技术基础。
根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。
以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种用于对地下水库的采空区中的岩层进行测量有效应力的测量设备，其特征在于，包括总应力测试部和位于所述总应力测试部下方的空隙水压测试部；
在所述总应力测试部的总应力测试部主体中设置有中空腔体，所述总应力测试部主体的两侧分别设置有至少一条容液腔，其中，所述容液腔位于所述中空腔体的上方，且每条所述容液腔上至少部分覆盖在所述中空腔体的顶部；
在每条所述容液腔与所述中空腔体的顶部之间设置有在压力作用下能够发生变形的弹性板；
在所述两块所述弹性板的下方分别设置有悬置部，所述悬置部位于所述中空腔体内，所述悬置部的顶端与所述弹性板连接，所述悬置部的下端为朝向所述中空腔体的底部延伸的自由端，在两个所述悬置部之间连接有能够被拉伸的振弦；
在中空腔体内位于两个所述悬置部之间还设置有相对设置的第一电磁线圈和第二电磁线圈，所述第一电磁线圈与所述第二电磁线圈之间具有空隙，所述振弦穿过所述空隙。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，在所述容液腔中密封充满有油液。
3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，在所述总应力测试部主体中还设置有传力轴部，所述传力轴部的下端位于所述中空腔体内；
两条所述容液腔分别对称地布置在所述传力轴部的两侧，两块所述弹性板分别对称地布置在所述传力轴部的两侧，且每块所述弹性板都与所述传力轴部连接。
4.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述空隙水压测试部的空隙水压测试部主体的底部设置有开口槽；
在所述开口槽的槽口上设置有用于对水进行粗过滤的过滤网；
在所述开口槽中还设置有用于对水进行精过滤的过滤元件；
在所述开口槽中与所述槽口相对设置的槽底上设置有水压测量元件。
5.根据权利要求4所述的测量设备，其特征在于，所述过滤网为金属网。
6.根据权利要求4所述的测量设备，其特征在于，所述过滤元件包括连接在所述开口槽的两侧槽壁上的上滤水板和下滤水板，在所述上滤水板与所述下滤水板之间填充有滤水材料。
7.根据权利要求6所述的测量设备，其特征在于，所述滤水材料由颗粒活性炭与石英砂混合而成。
8.根据权利要求7所述的测量设备，其特征在于，所述颗粒活性炭与所述石英砂的质量比为1:2。
9.根据权利要求4所述的测量设备，其特征在于，所述水压测量元件为压阻式硅敏感元件。
10.根据权利要求4所述的测量设备，其特征在于，所述总应力测试部主体与所述空隙水压测试部主体一体成型。
11.一种采用权利要求1-10中任一所述的测量设备对地下水库的采空区中的岩层进行测量有效应力的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S001：将测量设备埋入采空区中的冒落岩层中；
S002：通过总应力测试部测量得出测量设备承受的总应力σ总；
S003：通过空隙水压测试部测量得出测量设备的底面所受的压强p；
S004：则测量设备所承受的有效应力σ＝σ总-p。
12.根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，在所述步骤S002中包括：
在外界压力作用下，弹性板会发生变形，并带动相应的悬置部移动，进而拉紧振弦；
向第一电磁线圈中通脉冲电流，振弦被引起振动，进而引起第二电磁线圈的交变电动势改变；
根据交变电动势改变的改变量计算出总应力σ总。
13.根据权利要求12所述的测量方法，其特征在于，总应力σ总通过如下计算公式计算得出：
式中，f0为振弦的自振频率，L为两悬置部间的振弦的长度，ρ为振弦的密度，E为弹性板的弹性模量，h为弹性板的厚度，μ为弹性板的泊松比，R为弹性板的长度，E0为振弦的弹性模量。
14.根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，在所述步骤S003中包括：
读取水压测量元件所在位置处的压强pw；
测量出水压测量元件与开口槽的槽口之间的距离h；
计算测量设备的底面处的压强p＝pw+10h。
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