CN109655494A - 一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测系统及方法，包括实验架、电法监测系统、氡气探测系统和热红外监测系统，在模型正表面不同层位布置若干条位移测线，在模型上表面沿工作面方向等距布置若干条并行电法监测系统测线，在模型上表面沿工作面方向等距布置若干条氡气探测系统测线，将红外热像仪设在模型正前方位置；通过并行电法系统监测三维空间电阻率的分布特征得到渗流场的变化规律；通过氡气探测系统探测氡气浓度的变化反应开采过程中裂隙发育过程；通过热红外监测系统探测模型外表面温度的变化特征完成对岩体破坏情况的监测，从而实现三维固液耦合条件下覆岩渗流场、裂隙场变化的实时、动态、无损监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种釆动覆岩监测方法，具体涉及一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测系统及方法，属于井下安全生产技术领域。
背景技术
煤炭作为我国主体能源在能源消费结构中占有较大比重，但是煤炭的开采势必会对水资源造成影响，包括干旱半干旱地区水资源的流失以及顶板富水区域的水害。随着我国东部煤炭资源的枯竭以及中部地区资源与环境的约束，煤炭开采重心已向西部地区转移，由于西部煤炭资源埋藏较浅、煤层较厚、生态环境脆弱、水资源匮乏，大规模、高强度的开采势必会造成水资源的破坏、流失，进而造成地表植被死亡、土地荒漠化。若煤层上方含有范围较大的富水区域，裂隙带沟通该含水区域将引起顶板的突水，给矿井带来巨大的人员伤亡和经济损失。因此研究不同煤层开采条件下水资源的运移规律对于水资源的保护以及煤矿的安全生产具有关键作用。由于实际开采过程中覆岩运移的复杂性和不可预见性，利用三维固液耦合相似模拟实验是研究采动覆岩以及水资源运移规律的有效方法。
传统的三维固液耦合相似模拟监测手段单一，一般通过埋设压力传感器、位移传感器以及湿度传感器等来实现对模型应力变化规律、位移变化规律、导水裂隙发育规律的研究。如公开号为CN108107186A的中国发明专利公开了一种煤炭开采模拟实验装置及其制作方法和操作方法；公开号为CN105974087A的中国发明专利公开了一种适用于近距离煤层保水采煤固液耦合相似模拟试验装置；公开号为CN204791743U的中国发明专利公开了一种近距煤层保水采煤三维相似模拟试验系统。上述三种模拟系统均是通过埋设应力传感器、位移传感器和湿度传感器来监测相应参数的变化规律，进而分析得出在采动及渗流作用下的导水裂隙带发育规律。这种监测方式一定程度上可以反应固液耦合条件下导水裂隙带的发育规律，但由于埋设相应传感器破坏了岩层原有的应力状态和围岩的完整性，甚至导致次生裂隙的产生，在一定程度上增大了实验误差，影响实验结果的准确性，因此无法客观准确的反应覆岩运移规律以及水资源运移规律。
发明内容
为了克服现有技术存在的各种不足，本发明提供一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测系统及方法，排除外部因素对模型造成的影响，最大程度地减少人为干扰，降低实验误差，为覆岩运移规律以及水资源运移规律的研究提供数据支持以及理论基础。
为实现上述发明目的，本发明提供一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测系统，包括实验架、电法监测系统、氡气探测系统和热红外监测系统，所述的并行电法监测系统包括计算机一、电法仪、连接线和铜棒电极；所述氡气探测系统包括探测管、连续测氡仪和计算机二；所述热红外监测系统包括红外热像仪、计算机三和红外分析软件；所述实验架为长方体框架，实验架内侧密封绝缘，模拟工作面实际地质条件及相似比铺设的模型设置在实验架内部，模型正表面不同层位布置若干条位移测线，位移测线上等距布置若干位移测点；模型上表面沿工作面方向等距布置若干条并行电法监测系统测线，电法监测系统测线上等距布置若干测点，铜棒电极被布置在模型上表面的电极测点处，并通过连接线与电法仪相连；模型上表面沿工作面方向等距布置若干条氡气探测系统测线，氡气探测系统测线上等距布置若干测点形成正方形或长方形监测网，连续测氡仪与氡气测点通过探测管连接；红外热像仪布置在模型正前方，并通过红外分析软件调试记录温度数据。
进一步的，为了防止外界电磁辐射对模型造成的干扰，提高测试的精确性，整个模型的外部通过紫铜屏蔽网覆盖。
进一步的，为了方便观察模型开挖覆岩运移及裂隙发育情况，实验架正面为透明玻璃挡板。
一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、根据模拟工作面实际地质条件及相似比铺设模型，实验架内侧四周采用黄油及塑料薄膜进行密闭及绝缘化处理，模型干湿度满足开挖要求后，将实验架前侧横钢板拆除，换装上透明玻璃挡板，作为模型开挖覆岩运移及裂隙发育的观察窗，并用紫铜屏蔽网覆盖在三维模型外侧以抵抗外界电磁干扰；
第二步、根据模型大小在模型正表面不同层位布置若干条位移测线，测线上等距布置若干位移测点，开挖过程中对各层位测点的位移变化进行监测，分析各测点水平位移和垂直位移量，掌握覆岩整体位移变化；
第三步、根据模型大小在模型上表面沿工作面方向等距布置若干条并行电法监测系统测线，测线上等距布置若干测点，将并行电法仪通过连接线与测点铜棒电极连接，进行调试及初始电压、电流数据记录；
第四步、根据模型大小在模型上表面沿工作面方向等距布置若干条氡气探测系统测线，测线上等距布置若干测点，测点之间形成正方形或长方形监测网，将氡气探测仪与测点之间通过探测管相连，进行调试及初始氡气浓度数据记录；
第五步、根据模型大小确定红外热像仪在模型正前方位置，并将红外热像仪固定在三脚架上，调整三脚架高度直至红外热像仪达到位置要求，再分别与电源线和网线相连接，进行调试及初始红外辐射温度数据记录；
第六步、模型开采期间，通过并行电法系统对各测点的电压、电流进行实时监测，通过氡气探测系统对测点氡气浓度进行连续测量，每5分钟记录一次数据，通过热红外监测系统开挖过程中对监测表面的红外温度进行实时监测和记录，并在模型正前侧采用录像机对覆岩垮落特征、裂隙发育现象进行记录，所有监测直至模型开采结束，实现对试验现象的无损监测和记录；
第七步、数据分析：通过实时监测开采过程中的电压、电流数据得出电阻率的变化规律，进而得到渗流场的变化规律；通过连续监测工作面不同推进度情况下氡气浓度的变化规律，进而得到覆岩采动裂隙演化与氡气浓度变化特征对应规律；通过实时监测开采过程中的红外辐射温度变化规律反应正表面岩体的破坏情况；从而得到三维固液耦合条件下覆岩运移以及渗流场、裂隙场变化规律。
进一步的，红外热像仪在模型正前方位置，其中在模型长度方向距离左右边界为L/2，在高度方向距离模型上边界为H/2，确定红外热像仪距模型正表面距离D为：
式中：L为模型长度，H为模型高度，α为水平方向视场角，β为垂直方向视场角，x为水平分辨率，y为垂直分辨率。
优选的，位移测线上各测点之间的间距为300～500mm，两端测点距离模型边界200～300mm。
优选的，电法监测系统测线之间的间距为400～600mm，测线上各测点之间的间距为40～60mm，当存在多条测线时，各测线可平行布置或斜交布置。
优选的，氡气探测系统测线之间的间距为400～600mm，测线上各测点之间的间距为400～600mm。
本发明通过并行电法系统监测三维空间电阻率的分布特征得到渗流场的变化规律；通过氡气探测系统探测氡气浓度的变化反应开采过程中裂隙发育过程；通过热红外监测系统探测模型外表面温度的变化特征完成对岩体破坏情况的监测，从而实现三维固液耦合条件下覆岩渗流场、裂隙场变化的实时、动态、无损监测，打破了以往实验中埋设应变片、传感器等对模型本身造成的影响，最大程度地减少人为干扰，降低实验误差，提高工作效率。
附图说明
图1是本发明综合实验系统示意图；
图2是本发明模型正表面位移监测点布置示意图；
图3是本发明模型上表面并行电法测点布置示意图；
图4是本发明模型上表面氡气测试测点布置示意图；
图中：1、实验架，2、玻璃挡板，3、模型，4、电法监测系统，5、氡气监测系统，6、红外监测系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。
为了便于描述，以图1中模型为基准定义模型的左侧为左，右侧为右，上方为上表面，下方为下表面。
如图1所示，一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测系统，包括实验架1、电法监测系统4、氡气探测系统5和热红外监测系统6，所述并行的电法监测系统4包括计算机一、电法仪、连接线和铜棒电极；所述氡气探测系统5包括探测管、连续测氡仪和计算机二；所述热红外监测系统6包括红外热像仪、计算机三和红外分析软件；所述实验架1为长方体框架，实验架内侧密封绝缘，模拟工作面实际地质条件及相似比铺设的模型3设置在实验架1内部，模型3正表面不同层位布置若干条位移测线，位移测线上等距布置若干位移测点；模型3上表面沿工作面方向等距布置若干条并行电法监测系统测线，电法监测系统测线上等距布置若干测点，铜棒电极被布置在模型上表面的电极测点处，并通过连接线与电法仪相连；模型3上表面沿工作面方向等距布置若干条氡气探测系统测线，氡气探测系统测线上等距布置若干测点形成正方形或长方形监测网，连续测氡仪与氡气测点通过探测管连接；红外热像仪布置在模型3正前方，并通过红外分析软件调试记录温度数据。
进一步的，为了防止外界电磁辐射对模型造成的干扰，提高测试的精确性，整个模型的外部通过紫铜屏蔽网覆盖。
进一步的，为了方便观察模型开挖覆岩运移及裂隙发育情况，实验架正面为透明玻璃挡板。
本实施例以某矿21103工作面实际地质条件为例，对本方法做详细阐述：
一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测方法，包括以下步骤：
第一步、根据某矿21103工作面实际地质条件以相似比1:100，确定铺设模型的尺寸：长×宽×高＝2500mm×1500mm×1150mm；
依据相似配比表选取相似材料进行配比及模型铺设，如图2所示，由下至上依次铺设基岩、含砾粗砂岩、泥岩、砾石、粉土，实验架内侧四周采用黄油及塑料薄膜进行密闭及绝缘化处理，并晾至干湿度达到开挖要求；然后将实验架前侧横钢板拆除，换装上透明玻璃挡板，作为模型开挖覆岩运移及裂隙发育的观察窗；并用紫铜屏蔽网将三维模型罩上，以抵抗外界电磁干扰。
如图2所示，第二步、在模型正表面距煤层上方150mm、550mm、825mm、1050mm位置依次布置4条测线，每条测线布置6个位移监测点，位移监测点间距400mm，最左侧和最右侧监测点分别距模型左边界和右边界为250mm，开挖过程中对各测点的位移变化进行监测，分析各测点水平位移和垂直位移量，掌握覆岩整体位移变化。
如图3所示，第三步、在模型上表面布置并行电法监测系统测点，从距模型正表面500mm开始，沿工作面方向每隔500mm设置一条监测线，共布设2条，测线从模型边缘75mm位置处，每隔50mm布置1个测点，将YBD11-Z并行电法仪通过连接线与测点铜棒电极连接，进行调试及初始电压、电流数据记录。
如图4所示，第四步、在模型上表面布置氡气探测系统测点，根据工作面长度，从距离模型左侧边缘650mm位置处开始沿工作面推进方向每隔600mm设置一条监测线，共布设3条；从距离模型正表面边缘250mm处开始，沿工作面宽度方向每隔500mm布置一个测点，每条测线共布置3个测点，形成长方形监测网；
将KJD-2000R型氡气探测仪与测点通过直径Φ5mm探测管连接，进行调试及初始氡气浓度数据记录。
第五步、在模型正前方根据观测模型大小确定观测位置，将三脚架放置在距模型左右边界L/2＝2500/2＝1250mm，距模型正表面距离D：
即5640mm≤D≤138800mm，取6000mm位置处，将FLIR A615型红外热像仪固定在三脚架上，升三脚架至红外热像仪距模型上边界H/2＝1150/2＝575mm处，再分别与电源线和网线相连接，进行调试及初始红外辐射温度数据记录。
第六步、模型开采期间，通过并行电法系统对各测点的电压、电流进行实时监测；通过氡气探测系统对测点氡气浓度进行连续测量，每5分钟记录一次数据；通过热红外监测系统开挖过程中对监测表面的红外温度进行实时监测和记录；并在模型正前侧采用录像机对覆岩垮落特征、裂隙发育现象进行记录，所有监测直至模型开采结束，实现对试验现象的无损监测和记录。
第七步、数据分析，通过实时监测开采过程中的电压、电流数据得出电阻率的变化规律，进而得到渗流场的变化规律；通过连续监测工作面不同推进度情况下氡气浓度的变化规律，进而得到覆岩采动裂隙演化与氡气浓度变化特征对应规律；通过实时监测开采过程中的红外辐射温度变化规律反应正表面岩体的破坏情况；从而得到三维固液耦合条件下覆岩运移以及渗流场、裂隙场变化规律。
Claims (8)
1.一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测系统，其特征在于，包括实验架(1)、电法监测系统(4)、氡气探测系统(5)和热红外监测系统(6)，所述并行的电法监测系统(4)包括计算机一、电法仪、连接线和铜棒电极；所述氡气探测系统(5)包括探测管、连续测氡仪和计算机二；所述热红外监测系统(6)包括红外热像仪、计算机三和红外分析软件；所述实验架(1)为长方体框架，实验架内侧密封绝缘，模拟工作面实际地质条件及相似比铺设的模型(3)设置在实验架(1)内部，模型(3)正表面不同层位布置若干条位移测线，位移测线上等距布置若干位移测点；模型(3)上表面沿工作面方向等距布置若干条并行电法监测系统测线，电法监测系统测线上等距布置若干测点，铜棒电极被布置在模型上表面的电极测点处，并通过连接线与电法仪相连；模型(3)上表面沿工作面方向等距布置若干条氡气探测系统测线，氡气探测系统测线上等距布置若干测点形成正方形或长方形监测网，连续测氡仪与氡气测点通过探测管连接；红外热像仪布置在模型(3)正前方，并通过红外分析软件调试记录温度数据。
2.根据权利要求1所述的釆动覆岩固液耦合三维无损监测系统，其特征在于，整个模型(3)的外部通过紫铜屏蔽网覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的釆动覆岩固液耦合三维无损监测系统，其特征在于，实验架(1)正面为透明玻璃挡板。
4.一种釆动覆岩固液耦合三维无损监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、根据模拟工作面实际地质条件及相似比铺设模型，实验架内侧四周采用黄油及塑料薄膜进行密闭及绝缘化处理，模型干湿度满足开挖要求后，将实验架前侧横钢板拆除，换装上透明玻璃挡板，作为模型开挖覆岩运移及裂隙发育的观察窗，并用紫铜屏蔽网覆盖在三维模型外侧以抵抗外界电磁干扰；
第二步、根据模型大小在模型正表面不同层位布置若干条位移测线，测线上等距布置若干位移测点，开挖过程中对各层位测点的位移变化进行监测，分析各测点水平位移和垂直位移量，掌握覆岩整体位移变化；
第三步、根据模型大小在模型上表面沿工作面方向等距布置若干条并行电法监测系统测线，测线上等距布置若干测点，将并行电法仪通过连接线与测点铜棒电极连接，进行调试及初始电压、电流数据记录；
第四步、根据模型大小在模型上表面沿工作面方向等距布置若干条氡气探测系统测线，测线上等距布置若干测点，测点之间形成正方形或长方形监测网，将氡气探测仪与测点之间通过探测管相连，进行调试及初始氡气浓度数据记录；
第五步、根据模型大小确定红外热像仪在模型正前方位置，并将红外热像仪固定在三脚架上，调整三脚架高度直至红外热像仪达到位置要求，再分别与电源线和网线相连接，进行调试及初始红外辐射温度数据记录；
第六步、模型开采期间，通过并行电法系统对各测点的电压、电流进行实时监测，通过氡气探测系统对测点氡气浓度进行连续测量，每5分钟记录一次数据，通过热红外监测系统开挖过程中对监测表面的红外温度进行实时监测和记录，并在模型正前侧采用录像机对覆岩垮落特征、裂隙发育现象进行记录，所有监测直至模型开采结束，实现对试验现象的无损监测和记录；
第七步、数据分析：通过实时监测开采过程中的电压、电流数据得出电阻率的变化规律，进而得到渗流场的变化规律；通过连续监测工作面不同推进度情况下氡气浓度的变化规律，进而得到覆岩采动裂隙演化与氡气浓度变化特征对应规律；通过实时监测开采过程中的红外辐射温度变化规律反应正表面岩体的破坏情况；从而得到三维固液耦合条件下覆岩运移以及渗流场、裂隙场变化规律。
5.根据权利要求4所述的釆动覆岩固液耦合三维无损监测方法，其特征在于，红外热像仪在模型正前方位置，其中在模型长度方向距离左右边界为L/2，在高度方向距离模型上边界为H/2，确定红外热像仪距模型正表面距离D为：
式中：L为模型长度，H为模型高度，α为水平方向视场角，β为垂直方向视场角，x为水平分辨率，y为垂直分辨率。
6.根据权利要求5所述的釆动覆岩固液耦合三维无损监测方法，其特征在于，位移测线上各测点之间的间距为300～500mm，两端测点距离模型边界200～300mm。
7.根据权利要求5所述的釆动覆岩固液耦合三维无损监测方法，其特征在于，电法监测系统测线之间的间距为400～600mm，测线上各测点之间的间距为40～60mm，当存在多条测线时，各测线可平行布置或斜交布置。
8.根据权利要求5所述的釆动覆岩固液耦合三维无损监测方法，其特征在于，氡气探测系统测线之间的间距为400～600mm，测线上各测点之间的间距为400～600mm。
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