CN111472761B - 主裂隙结构面确定方法及监测设备 - Google Patents

主裂隙结构面确定方法及监测设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种主裂隙结构面确定方法及监测设备，其包括：在第一钻孔内的不同位置发射声波，分别在第二钻孔和第三钻孔内的不同位置接收声波；得到第一钻孔和第二钻孔之间声波的第一声速、第一钻孔和第三钻孔之间声波的第二声速；确定第一声速中的最小声速对应的第一测线和第二测线，确定第二声速中的最小声速对应的第三测线和第四测线；确定垂直于第一测线和第二测线的第一垂线，确定垂直于第三测线和第四测线的第二垂线，第一垂线和第二垂线所构成的平面为主裂隙结构面。利用本申请不仅可降低对识别人员的技术要求，降低人力成本，而且能够精确快速地识别出主裂隙结构面的位置，可大大提高主裂隙结构面位置的识别准确率和识别效率。

Description

主裂隙结构面确定方法及监测设备
技术领域
本申请涉及煤炭技术领域，具体涉及一种主裂隙结构面确定方法及监测设备。
背景技术
煤层钻孔注浆属于隐蔽工程。注浆前，对煤岩体裂隙发育情况进行探测，对合理指导注浆设计、选择适当的注浆参数、改进注浆工艺及设备、完善注浆技术都具有重要的意义。
目前，煤体裂隙发育情况的监测主要采用钻孔电视窥视技术。具体地，先在煤体内部钻孔，将电视窥视设备放入钻孔内进行窥视，获取影像资料，然后在影像资料中识别出煤体主裂隙结构面。发明人在实现本发明的过程中发现，从影像资料中识别出主裂隙结构面，对识别人员的技术要求很高，人力成本投入较大，而且受限于钻孔电视摄像头的分辨率，钻孔电视窥视技术监测精度不高，即使经验丰富的技术人员也很难准确及时地识别出煤体主裂隙结构面的位置，导致识别准确率和效率都很低。
发明内容
有鉴于此，本申请提出一种主裂隙结构面确定方法及监测设备，以解决上述技术问题。
本申请提出一种主裂隙结构面确定方法，其包括：在第一钻孔内的不同位置发射声波，分别在第二钻孔和第三钻孔内的不同位置接收声波；得到第一钻孔和第二钻孔之间声波的第一声速、第一钻孔和第三钻孔之间声波的第二声速；确定第一声速中的最小声速对应的第一测线和第二测线，确定第二声速中的最小声速对应的第三测线和第四测线；确定垂直于第一测线和第二测线的第一垂线，确定垂直于第三测线和第四测线的第二垂线，第一垂线和第二垂线所构成的平面为主裂隙结构面。
可选地，在第一钻孔内的不同位置发射声波，分别在第二钻孔和第三钻孔内的不同位置接收声波包括：在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向移动声波发射器，并朝向第二钻孔发射声波；在第二钻孔内接收声波；当声波发射器到达孔底时，停止移动声波发射器，并继续发射声波；在第二钻孔内沿孔口到孔底的方向移动第一声波接收器，并接收声波；当第一声波接收器到达孔底时，停止移动第一声波接收器，沿孔底至孔口的方向移动声波发射器，并朝向第三钻孔发射声波；在第三钻孔内接收声波；当声波发射器到达孔口时，停止移动声波发射器，并继续发射声波；在第三钻孔内沿孔口到孔底的方向移动第二声波接收器，并接收声波；当第二声波接收器移动至孔底时，停止发射声波。
可选地，在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向移动声波发射器，并朝向第二钻孔发射声波之前，还包括：打设第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔，其中，第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔的孔深方向平行；在第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔内安装声测管，相邻声测管的管距相等。
可选地，在第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔内安装声测管之后，还包括：将声波发射器、第一声波接收器、第二声波接收器分别置于相应的声测管内，并将声波发射器、第一声波接收器、第二声波接收器置于同一水平位置；声波发射器发射声波；第一声波接收器、第二声波接收器分别接收声波。
可选地，得到第一钻孔和第二钻孔之间声波的第一声速、第一钻孔和第三钻孔之间声波的第二声速包括：获取第一钻孔和第二钻孔之间声波或者第一钻孔和第三钻孔之间声波的测量声速值v；
根据公式
校正的测量声速值，得到第一声速或者第二声速vj；其中，l为相邻声测管的管距，D为声测管外径，d为声测管内径，d’为声波发射器外径和声波接收器外径之和的一半，vt为声音在声测管管壁厚度方向传播的声速值，vw为声音在声测管内传播的声速值，vh为声音在岩体中传播的声速值。
可选地，在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向移动声波发射器，并朝向第二钻孔发射声波包括：在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向匀速移动声波发射器；声波发射器每移动第一预定距离，朝向第二钻孔发射一次声波。
可选地，停止移动声波发射器，并继续发射声波包括：停止移动声波发射器，监测第一声波接收器或者第二声波接收器的移动距离；第一声波接收器或者第二声波接收器每移动第二预定距离，声波发射器发射一次声波，所述第一预定距离与第二预定距离相等。
可选地，还包括：将水平面与主裂隙结构面相交得到相交线，所述相交线为主裂隙的走向线。
可选地，将水平面与主裂隙结构面相交得到相交线，所述相交线为主裂隙的走向线之后，还包括：在主裂隙结构面内，确定与走向线垂直的倾斜线；确定倾斜线在水平面上的投影线；倾斜线与投影线之间的夹角为主裂隙的倾角。
本申请还提供一种基于如上所述的主裂隙结构面确定方法的监测设备，其包括：声波发射器、声波接收器、第一升降电缆、第二升降电缆和上位机，声波发射器用于发射声波，声波接收器用于接收声波，并将声波信息发送至上位机，所述第一升降电缆用于升降声波发射器，第二升降电缆用于升降声波接收器，所述上位机用于根据声波信息计算声速，确定声速中的最小声速对应的测线，并根据测线确定其垂线，根据垂线确定主裂隙构造面。
本申请提供的主裂隙结构面确定方法及监测设备通过在第一钻孔内发射声波，第二钻孔和第三钻孔内接收声波，根据声波中的最小声速值确定相应测线，再由相应测线确定垂线，根据垂线确定主裂隙结构面的位置，无需识别影像资料，不仅可降低对识别人员的技术要求，降低人力成本，而且能够精确快速地识别出主裂隙结构面的位置，可大大提高主裂隙结构面位置的识别准确率和识别效率。
附图说明
图1是本申请的主裂隙结构面确定方法的流程图。
图2是本申请的第一钻孔和第二钻孔的工作示意图。
图3是本申请的主裂隙结构面的位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及具体实施例，对本申请的技术方案进行详细描述。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。
图1示出了本申请的主裂隙结构面确定方法的流程图，如图1所示，本申请的主裂隙结构面确定方法，可适用于煤岩体中主裂隙结构面的确定，其包括：
S110，在第一钻孔内的不同位置发射声波，分别在第二钻孔和第三钻孔内的不同位置接收声波；
如图2所示，可以在第一钻孔1的同一位置发射声波，在第二钻孔2或者第三钻孔3内的不同位置接收声波。也可在第一钻孔的不同位置处发射声波，在第二钻孔或者第三钻孔内的某一固定位置接收声波。
S120，得到第一钻孔和第二钻孔之间声波的第一声速、第一钻孔和第三钻孔之间声波的第二声速；
如图2所示，每条测线对应一个声速，例如V1、V2、V3、V4……Vn-1(n≥2)等。
S130，确定第一声速中的最小声速对应的第一测线和第二测线，确定第二声速中的最小声速对应的第三测线和第四测线；
如图2所示，Vmin对应的第一测线和第二测线平行。第三测线和第四测线也平行。
S140，确定垂直于第一测线和第二测线的第一垂线，确定垂直于第三测线和第四测线的第二垂线，第一垂线和第二垂线所构成的平面为主裂隙结构面。
如图3所示，L1为垂直第一测线和第二测线的第一垂线，L2为垂直于第三测线和第四测线的第二垂线。L1和L2构成的平面P为主裂隙结构面。
本申请提供的主裂隙结构面确定方法通过在第一钻孔内发射声波，第二钻孔和第三钻孔内接收声波，根据声波中的最小声速值确定相应测线，再由相应测线确定垂线，根据垂线确定主裂隙结构面的位置，无需识别影像资料，不仅可降低对识别人员的技术要求，降低人力成本，而且能够精确快速地识别出主裂隙结构面的位置，可大大提高主裂隙结构面位置的识别准确率和识别效率。
进一步地，S110，在第一钻孔内的不同位置发射声波，分别在第二钻孔和第三钻孔内的不同位置接收声波，具体地包括：
S1101，在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向移动声波发射器，并朝向第二钻孔发射声波；
如图2所示，声波发射器5的移动方向取决于其初始位置。若，初始位置位于孔底，则沿着孔底至孔口的方向移动。
S1102，在第二钻孔内接收声波；
其中，第一声波接收器4可固定在第二钻孔2内的孔口位置。
S1103，当声波发射器到达孔底时，停止移动声波发射器，并继续发射声波；
S1104，在第二钻孔内沿孔口到孔底的方向移动第一声波接收器，并接收声波；
S1105，当第一声波接收器到达孔底时，停止移动第一声波接收器，沿孔底至孔口的方向移动声波发射器，并朝向第三钻孔发射声波；
S1106，在第三钻孔内接收声波；
此时，第三钻孔内的第二声波接收器也可固定在第二钻孔2内的孔口位置。
S1107，当声波发射器到达孔口时，停止移动声波发射器，并继续发射声波；
S1108，在第三钻孔内沿孔口到孔底的方向移动第二声波接收器，并接收声波；
S1109，当第二声波接收器移动至孔底时，停止发射声波。
通过逐一发射和接收声波，可增加声波接收的准确度，从而提高主裂隙结构面确定的准确性。
在一个具体实施例中，声波发射器可采用声波发射换能器，第一声波接收器和第二声波接收器均可采用声波接收换能器，声波发射换能器和声波接收换能器兼具发射和接收声波功能，可进一步地方便声波的发射和接收。
优选地，S1101，在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向移动声波发射器，并朝向第二钻孔发射声波之前，还包括：
打设第一钻孔1、第二钻孔2和第三钻孔3，其中，第一钻孔1、第二钻孔2和第三钻孔3的孔深方向平行；
在第一钻孔1、第二钻孔2和第三钻孔3内安装声测管6，声测管6与相应的钻孔共轴，相邻声测管6的管距相等。在本实施例中，相邻声测管6的管距约为30米。
每根声测管6靠近孔底的底端封闭，靠近孔口的顶端使用塑料盖封口，以避免声波由声测管6的顶底端泄露，减少声波损耗。
通过设置声测管6，可保证声波发射器5、第一声波接收器、第二声波接收器在钻孔内顺利移动，以便更好地检测。
进一步地，在第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔内安装声测管之后，还包括：
将声波发射器、第一声波接收器、第二声波接收器分别置于相应的声测管内，并将声波发射器、第一声波接收器、第二声波接收器置于同一水平位置；
声波发射器发射声波；
第一声波接收器、第二声波接收器分别接收声波。
声波发射器可发射两次声波，由第一声波接收器、第二声波接收器各自接收声波，以避免干扰。
通过将声波发射器、第一声波接收器、第二声波接收器置于同一水平位置，在工作前可对声波发射器、第一声波接收器、第二声波接收器进行校正，保证声速测量的准确性。
进一步地，S120，得到第一钻孔和第二钻孔之间声波的第一声速、第一钻孔和第三钻孔之间声波的第二声速包括：
S121，获取第一钻孔和第二钻孔之间声波或者第一钻孔和第三钻孔之间声波的测量声速值v；
测量声速值V可由声波仪直接测量的。
S122，根据公式
校正的测量声速值，得到第一声速或者第二声速vj。
其中，l为相邻声测管的管距，D为声测管外径，d为声测管内径，d’为声波发射器外径和声波接收器外径之和的一半。
vt为声音在声测管管壁厚度方向传播的声速值，vw为声音在声测管内传播的声速值，vh为声音在岩体中传播的声速值。其中，vt、vw、vh可在实验室内测量得到，也可采用理论值。
为了更好地保证声波在声测管6内传播，声测管6内置有油液耦合介质。vw为声音在声测管7内油液耦合介质中传播的声速值。
通过对声速进行校正，可减少外界因素干扰，以便获得更准确的声速值，从而更精确地找到声速值中的最小值。
进一步地，S1101，在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向移动声波发射器，并朝向第二钻孔发射声波包括：
在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向匀速移动声波发射器；
声波发射器每移动第一预定距离，朝向第二钻孔发射一次声波。
通过匀速移动声波发射器，可减小声波发射器平稳移动，避免产生干扰。每隔第一预定距离发射一次声波，可降低能耗。
同样地，S1103或者S1107中的停止移动声波发射器，并继续发射声波，包括：
停止移动声波发射器，监测第一声波接收器或者第二声波接收器的移动距离；
在本实施例中，第一声波接收器或者第二声波接收器也为匀速移动。
第一声波接收器或者第二声波接收器每移动第二预定距离，声波发射器发射一次声波，所述第一预定距离与第二预定距离相等。
在本实施例中，第一预定距离与第二预定距离均约为0.5米。
较佳地，主裂隙结构面确定方法还包括：
S150，将水平面与主裂隙结构面相交得到相交线，所述相交线为主裂隙的走向线。如图3所示，MN为主裂隙的走向线。
通过测量走向线的角度，即可获取主裂隙的走向，从而更好地指导注浆工作。
进一步地，S150，将水平面与主裂隙结构面相交得到相交线，所述相交线为主裂隙的走向线之后，还包括：S160，确定主裂隙的倾角。具体包括：
S161，在主裂隙结构面内，确定与走向线垂直的倾斜线；
S162，确定倾斜线在水平面上的投影线；
如图3所示，倾斜线在水平面上的投影线为倾向线MO。
S163，倾斜线与投影线之间的夹角为主裂隙的倾角。
α为主裂隙的倾角。获取主裂隙的倾角，可更好地掌握主裂隙的情况，更好地指导注浆工作。
基于如上所述的主裂隙结构面确定方法，本申请还提供一种监测设备，其包括：声波发射器5、声波接收器4、第一升降电缆、第二升降电缆和上位机7。
声波发射器5用于发射声波，声波接收器4用于接收声波，并将声波信息发送至上位机7。
所述第一升降电缆用于升降声波发射器，第二升降电缆用于升降声波接收器。
所述上位机7用于根据声波信息计算声速，确定声速中的最小声速对应的测线，并根据测线确定其垂线，根据垂线确定主裂隙构造面。
如图2所示，工作时，先在第一钻孔1和第二钻孔2内监测，然后再将声波接收器置入第三钻孔3内进行监测。
第一升降电缆、第二升降电缆以及信号传输线缆均由声测管6的顶端进入声测管6内。信号传输线缆与上位机7连接。
进一步地，监测设备还包括功率放大器8，上位机7发出指令，控制功率放大器对电压提供的电功率进行放大，驱动声波发射器5输出声音信号。通过设置功率放大器，以增大输出效率，保证声音信号能够传输的更远。
优选地，监测设备还包括增益放大器9，声波接收器4接收到的声音信息经增益放大器9放大后，再传输给上位机7。
通过设置增益放大器7，可对微弱声音信号进行放大，避免遗漏声音信号。
本申请提供的监测设备通过设置声波发射器、声波接收器、第一升降电缆、第二升降电缆和上位机，在第一钻孔内发射声波，第二钻孔和第三钻孔内接收声波，根据声波中的最小声速值确定相应测线，再由相应测线确定垂线，根据垂线确定主裂隙结构面的位置，无需识别影像资料，不仅可降低对识别人员的技术要求，降低人力成本，而且能够精确快速地识别出主裂隙结构面的位置，可大大提高主裂隙结构面位置的识别准确率和识别效率。
以上，结合具体实施例对本申请的技术方案进行了详细介绍，所描述的具体实施例用于帮助理解本申请的思想。本领域技术人员在本申请具体实施例的基础上做出的推导和变型也属于本申请保护范围之内。

Claims (7)

1.一种主裂隙结构面确定方法，其特征在于，包括：
在第一钻孔内的不同位置发射声波，分别在第二钻孔和第三钻孔内的不同位置接收声波；
得到第一钻孔和第二钻孔之间声波的第一声速、第一钻孔和第三钻孔之间声波的第二声速；
确定第一声速中的最小声速对应的第一测线和第二测线，确定第二声速中的最小声速对应的第三测线和第四测线；
确定垂直于第一测线和第二测线的第一垂线，确定垂直于第三测线和第四测线的第二垂线，第一垂线和第二垂线所构成的平面为主裂隙结构面；
在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向移动声波发射器，并朝向第二钻孔发射声波之前，还包括：
打设第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔，其中，第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔的孔深方向平行；
在第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔内安装声测管，相邻声测管的管距相等；
在第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔内安装声测管之后，还包括：
将声波发射器、第一声波接收器、第二声波接收器分别置于相应的声测管内，并将声波发射器、第一声波接收器、第二声波接收器置于同一水平位置；
声波发射器发射声波；
第一声波接收器、第二声波接收器分别接收声波；
得到第一钻孔和第二钻孔之间声波的第一声速、第一钻孔和第三钻孔之间声波的第二声速包括：
获取第一钻孔和第二钻孔之间声波或者第一钻孔和第三钻孔之间声波的测量声速值v；
根据公式
校正的测量声速值，得到第一声速或者第二声速vj；其中，l为相邻声测管的管距，D为声测管外径，d为声测管内径，d’为声波发射器外径和声波接收器外径之和的一半，vt为声音在声测管管壁厚度方向传播的声速值，vw为声音在声测管内传播的声速值，vh为声音在岩体中传播的声速值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一钻孔内的不同位置发射声波，分别在第二钻孔和第三钻孔内的不同位置接收声波包括：
在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向移动声波发射器，并朝向第二钻孔发射声波；
在第二钻孔内接收声波；
当声波发射器到达孔底时，停止移动声波发射器，并继续发射声波；
在第二钻孔内沿孔口到孔底的方向移动第一声波接收器，并接收声波；
当第一声波接收器到达孔底时，停止移动第一声波接收器，沿孔底至孔口的方向移动声波发射器，并朝向第三钻孔发射声波；
在第三钻孔内接收声波；
当声波发射器到达孔口时，停止移动声波发射器，并继续发射声波；
在第三钻孔内沿孔口到孔底的方向移动第二声波接收器，并接收声波；
当第二声波接收器移动至孔底时，停止发射声波。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向移动声波发射器，并朝向第二钻孔发射声波包括：
在第一钻孔内，沿孔口到孔底的方向匀速移动声波发射器；
声波发射器每移动第一预定距离，朝向第二钻孔发射一次声波。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，停止移动声波发射器，并继续发射声波包括：
停止移动声波发射器，监测第一声波接收器或者第二声波接收器的移动距离；
第一声波接收器或者第二声波接收器每移动第二预定距离，声波发射器发射一次声波，所述第一预定距离与第二预定距离相等。
5.如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，还包括：
将水平面与主裂隙结构面相交得到相交线，所述相交线为主裂隙的走向线。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将水平面与主裂隙结构面相交得到相交线，所述相交线为主裂隙的走向线之后，还包括：
在主裂隙结构面内，确定与走向线垂直的倾斜线；
确定倾斜线在水平面上的投影线；
倾斜线与投影线之间的夹角为主裂隙的倾角。
7.一种基于权利要求1-6任一所述的主裂隙结构面确定方法的监测设备，其特征在于，包括：声波发射器、声波接收器、第一升降电缆、第二升降电缆和上位机，声波发射器用于发射声波，声波接收器用于接收声波，并将声波信息发送至上位机，所述第一升降电缆用于升降声波发射器，第二升降电缆用于升降声波接收器，所述上位机用于根据声波信息计算声速，确定声速中的最小声速对应的测线，并根据测线确定其垂线，根据垂线确定主裂隙构造面。
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