CN111551624A - 一种氢键破裂预测煤岩冲击地压装置及其预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢键破裂预测煤岩冲击地压装置及其预测方法，包括伸入到煤岩钻孔内的结构体和预测分析模块，该结构体内设有：电压信号采集模块，用于采集不同深度下煤岩钻孔内壁的瞬态电压值；温度采集模块，用于采集不同深度下煤岩钻孔内部的温度变化；信号发射模块，用于将采集到的信息发送到预测分析模块；预测分析模块与信号发射模块连接，将接收到的信号与煤岩破裂实验采集的数据进行比对分析。本发明通过采集不同深度下煤岩钻孔破裂时内壁产生的瞬态电压值，与不同深度下煤岩钻孔内壁的温度变化，将采集的数据实时传递给计算机，计算机把采集到的数据与实验室模拟破裂实验数据进行比对分析，从而对煤岩冲击地压危险等级及强度进行预测。

Description

一种氢键破裂预测煤岩冲击地压装置及其预测方法
技术领域
本发明属于煤岩冲击预测装置的技术领域，尤其涉及一种氢键破裂预测煤岩冲击地压装置及其预测方法。
背景技术
我国煤矿是世界上冲击地压最严重的国家之一，随着煤矿开采工作逐渐向深部发展，冲击地压发生频次越来越多，对煤矿生产造成严重威胁。目前，利用电磁辐射法预测冲击地压成为新趋势，煤岩体在受载变形破裂过程中，其内部微结构的破裂行为会破坏裂纹前缘原子间化学键以及分子间氢键，这些化学键都是由于电的相互作用结合在一起，受到破坏的键就会导致电荷分离从而产生电磁辐射，监测煤岩破裂过程中产生的电磁信号，根据电磁信号进一步判断煤岩破碎程度，但是电磁信号受材料、破裂速度以及环境状态存在较大差异，煤岩破裂过程产生的电磁信号微弱，外部干扰产生噪声会与原有电磁信号叠加，要处理噪声获得准确电磁信号存在困难，同时氢键破裂将从外界吸收一部分能量，而煤岩变形破裂过程中氢键的变化规律尚未发现。
因此，有必要设计一种氢键破裂预测煤岩冲击地压装置及其预测方法，以解决上述问题。
发明内容
基于上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种氢键破裂预测煤岩冲击地压装置及其预测方法，通过采集不同深度下煤岩钻孔破裂时内壁产生的瞬态电压值，与不同深度下煤岩钻孔内壁的温度变化，将采集的数据实时传递给计算机，计算机把采集到的数据与实验室模拟破裂实验数据进行比对分析，从而对煤岩冲击地压危险等级及强度进行预测。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种氢键破裂预测煤岩冲击地压装置，包括伸入到煤岩钻孔内的结构体和预测分析模块，该结构体内设有：电压信号采集模块，用于采集不同深度下煤岩钻孔内壁的瞬态电压值；温度采集模块，用于采集不同深度下煤岩钻孔内部的温度变化；信号发射模块，与所述电压信号采集模块和温度采集模块连接，用于将采集到的信息实时发送到预测分析模块；所述预测分析模块与所述信号发射模块连接，用于将接收到的信号与煤岩破裂实验采集的数据进行比对分析，得到煤岩钻孔内不同深度下煤岩破裂程度与应力集中区域，通过煤岩破裂程度及煤岩破裂位置对煤岩冲击地压危险等级及强度进行有效预测。
由上，从钻孔内采集煤岩样品，在实验室进行煤岩破裂实验，记录不同应力下煤岩破裂程度及破裂瞬间产生的微弱电压值与温度变化状况，预测装置实时采集钻孔内不同位置电压状况与温度变化，并将采集数据实时传递给计算机，计算机通过数据分析钻孔内不同位置电压与温度状况，结合实验室不同位置样品的破裂实验，判断钻孔内不同位置煤岩破裂状况与应力分布，从而预测煤岩冲击地压危险程度。
可选的，所述结构体为多个，并且各结构体相互之间通过螺纹连接；每个结构体包括前端盖、后端盖、以及位于所述前端盖和后端盖之间的多个结构体中段；所述后端盖与结构体中段上都带有所述电压信号采集模块和温度采集模块；所述结构体中段内设置有隔热密闭壳体，所述隔热密闭壳体内设有信号发射模块和用于给各个模块供电的电源模块。
进一步的，所述电压信号采集模块为电压传感器，放置在所述后端盖与结构体中段上的电压传感器放置槽中，用于采集煤岩破裂产生的微弱电压；
所述温度采集模块为温度传感器，放置在所述后端盖与结构体中段上的温度传感器放置槽中，并呈环形均匀分布，用于采集煤岩钻孔内壁的温度。
可选的，所述前端盖、后端盖与结构体中段采用导电性与导热性良好的材料制成。
可选的，所述前端盖、后端盖与结构体中段相互之间都放置有绝缘密封垫圈，用于避免对应破裂区域产生的自由电荷转移到相邻的结构体上。
进一步的，所述前端盖、后端盖与结构体中段靠近其外表面的轴向方向上形成有螺纹孔，使用长螺栓依次通过前端盖、后端盖与结构体中段的螺纹孔将前端盖、后端盖与结构体中段连接在一起。
本发明还提供一种上述的氢键破裂预测煤岩冲击地压装置的预测方法，包括以下步骤：
S10：在巷道壁钻孔采集钻孔内不同深度下煤岩样品，将煤岩样品送往实验室进行煤岩破裂实验并采集数据；
S20：将数据整理后传递给计算机，该数据作为预测装置判断煤岩冲击地压的标准；
S30：将结构体放入到预测钻孔内；
S40：通过结构体上的电压信号采集模块和温度采集模块采集钻孔不同位置处的电压和温度数据；
S50：将采集到的数据通过信号发射模块传递给计算机；
S60：计算机结合破裂实验数据分析钻孔内不同位置煤岩破裂及应力状况；
S70：根据煤岩破裂状况及应力分布预测煤岩冲击地压。
在步骤S10中，对煤岩样品逐次增加压力，记录不同压力下样品破裂程度及产生的瞬态电压与温度变化，根据样品破裂程度划分等级，将不同破裂等级下产生的瞬态电压温度变化划分区间。
由上，本发明首先在巷道壁钻孔采集钻孔内不同深度下煤岩样品，将煤岩样品送往实验室进行煤岩破裂实验并采集数据，采集数据包括不同应力下样品破裂程度，以及对应破裂时产生的瞬态电压值与温度变化，随着煤岩内部应力增加，煤岩会逐渐发生破裂，该电压随煤岩破裂程度增大而增大，裂纹前缘分子间氢键破裂将从外界吸收能量，导致周围温度产生瞬态降低，破裂的氢键数量越多，从外界吸收的能量越多，从而温度变化越大，将数据整理后传递给计算机，该数据作为预测装置判断煤岩冲击地压的标准。
煤岩破裂过程中原子间化学键与分子间氢键遭到破坏，预测装置监测化学键破裂时产生的瞬态微弱电压，监测分子间氢键破裂时温度的微弱变化，结合实验室煤岩破裂数据，从而分析预测煤岩冲击地压危险等级。
本发明以煤岩破碎定性研究为基础，进一步将煤岩破碎程度通过微电压与温度微变化进行定量化研究，可以从数据中直观的判断煤岩破碎状况，根据煤岩破碎情况作为煤岩冲击地压预测标准更加准确与直观，大量电压传感器与温度传感器配合使用，保障测量数据包含不同深度下煤岩钻孔内壁电压与温度信号，提高测量数据的精确性，使计算机处理信号时能够准确识别钻孔内不同深度下煤岩破裂程度，结合地层结构保证煤岩冲击地压的预测更加准确可靠，预测装置能够对煤岩电压与温度变化实时监测，缩短冲击地压预警时间，保障井下作业安全。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明的氢键破裂预测煤岩冲击地压装置的结构体展开示意图；
图2为本发明的前端盖的结构示意图；
图3为本发明的隔热密闭壳体的结构示意图；
图4为本发明的后端盖的结构示意图；
图5为本发明的预测分析模块预测分析煤岩冲击地压的程序框图；
图6为本发明的流程图。
其中，10-前端盖，11-内螺纹，20-绝缘密封垫圈，30-隔热密闭壳体，31-隔热端盖，32-隔热壳体，40-结构体中段，50-后端盖，51-外螺纹，61-电压传感器放置槽，62-温度传感器放置槽，70-螺纹孔，80-信号发射模块，81-导线，90-电源模块。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1至图4所示，本发明的氢键破裂预测煤岩冲击地压装置包括电压信号采集模块、温度采集模块、信号发射模块80、电源模块、预测分析模块以及用于放置电压信号采集模块、温度采集模块、信号发射模块80、电源模块90的结构体，电压信号采集模块采用的是灵敏度高、精确度高的电压传感器，能够测量瞬态微电压值，温度采集模块采用的是精度高的温度传感器，能够测量温度的微弱变化，预测分析模块采用的是计算机。其中，电压信号采集模块用于监测煤岩钻孔内壁瞬态电压，电压信号采集模块不止一个，由多个电压传感器相互排列，用于采集不同深度下煤岩钻孔内壁瞬态电压值，温度采集模块用于采集煤岩钻孔内部温度变化，温度传感器在结构体上均匀分布，用于采集不同深度下煤岩钻孔内壁温度分布，信号发射模块80将采集到的信息实时发送到计算机，计算机实时得到钻孔内不同深度下温度分布状态，产生瞬态电压区域与电压值，计算机结合煤岩破裂实验采集的数据，可分析得到钻孔内不同深度下煤岩破裂程度与应力集中区域，通过煤岩破裂程度及煤岩破裂位置对煤岩冲击地压危险等级及强度进行有效预测。
多个结构体通过螺纹连接组装而成，根据实际需要调整结构体连接的数量，整个装置密封性良好，其中每个结构体都能单独工作，每个结构体包括前端盖10、后端盖50、以及位于所述前端盖10和后端盖50之间的多个结构体中段40，前端盖10、后端盖50与结构体中段40靠近其外表面的轴向方向上形成有螺纹孔70，每个前端盖10与后端盖50都是密闭的，使用长螺栓从螺纹孔70将前端盖10、后端盖50与结构体中段40连接在一起，保证组装后的结构体密封性良好。
另外，前端盖10内设有内螺纹11，后端盖50外设有外螺纹51，相邻的两个结构体通过内螺纹11和外螺纹51螺纹旋紧在一起。前端盖10、后端盖50与结构体中段40都带有电压传感器放置槽61与温度传感器放置槽62，用于放置电压传感器与温度传感器，前端盖10、后端盖50与结构体中段40采用导电性良好与导热性良好材料，煤岩破裂过程会破坏化学键导致电荷分离从而产生瞬态微弱电压，煤岩应力越大导致煤岩破裂程度越严重，产生的自由电荷量越多，结构体与煤岩钻孔内壁紧密贴合，电荷分离后与之紧密接触处的结构体可将自由电荷迅速转移，导致结构体瞬间带电，电压传感器通过检测结构体电压作为煤岩破裂产生的微弱电压，煤岩破裂过程氢键的破裂会从外界吸收能量，该过程会导致周围温度降低，氢键破裂的越多温度变化的越明显，导电性良好材料可提高电压检测精度，导热性良好材料可提高温度检测精度，为保证温度测量的准确性采用多个温度传感器环形均匀分布，与温度传感器接触的金属导热性良好，温度传感器环形分布的数量根据需要自由调整。前端盖10、后端盖50与结构体中段40之间都放置绝缘密封垫圈20，避免对应破裂区域产生的自由电荷转移到相邻结构体上，保证对应区域的电压传感器测量对应区域内产生的瞬态电压。隔热密闭壳体30放置于结构体内部密闭空间，如图3所示，隔热密闭壳体30由隔热端盖31与隔热壳体32通过螺纹连接，隔热端盖31可进行拆卸，在隔热壳体32内部放置有信号发射模块80和电源模块90，用于给用电模块提供电量，用电模块包括电压信号采集模块与温度采集模块以及信号发射模块80，电压传感器与温度传感器通过导线81将从结构体上采集到的数据传给信号发射模块80，计算机接收信号发射模块80发射出的信号，将接收到的信号与实验室破碎实验所得数据进行比对分析，其中实验室破碎实验需采集不同应力下样品破裂程度，煤岩破裂产生的微电量与温度变化与样品材质有密切联系，不同材质的样品在相同应力下产生的瞬态电压与温度变化幅度是不相同的，样品在钻孔时采集，保证样品与钻孔深度严格对应，计算机根据接收信号确定在钻孔内不同位置下测量的数据值，结合不同位置下样品的破碎实验，分析判断钻孔内不同位置所受应力值从而预测煤岩冲击地压危险程度。
如图5和图6所示，本发明的利用氢键破裂预测煤岩冲击地压装置的预测方法，包括如下步骤：
步骤1，在巷道壁钻孔采集钻孔内不同深度下煤岩样品，将煤岩样品送往实验室进行煤岩破裂实验并采集数据。
步骤2，将数据整理后传递给计算机，该数据作为预测装置判断煤岩冲击地压的标准。
步骤3，将结构体放入到预测钻孔内。
步骤4，通过结构体上的电压信号采集模块和温度采集模块采集钻孔不同位置处的电压和温度数据。
步骤5，将采集到的数据通过信号发射模块80传递给计算机。
步骤6，计算机结合破裂实验数据分析钻孔内不同位置煤岩破裂及应力状况。
步骤7，根据煤岩破裂状况及应力分布预测煤岩冲击地压。
在步骤1中，对煤岩样品逐次增加压力，记录不同压力下样品破裂程度及产生的瞬态电压与温度变化，根据样品破裂程度划分等级，将不同破裂等级下产生的瞬态电压温度变化划分区间。
煤岩破裂实验中煤岩样品与钻孔深度严格对应，该实验为相似实验，保证实验测量数据的准确性。
煤岩破碎导致原子间化学键断裂造成电荷分离，瞬间产生微弱电压，外界应力越大煤岩破碎产生的瞬态电压越大，煤岩破碎时分子间氢键破裂从周围吸收能量，造成周围温度降低，氢键破裂的越多温度变化的越明显，采集钻孔内不同深度处煤岩样品，实验室进行煤岩破裂实验，记录不同应力下煤岩样品破裂程度及样品破裂时产生的瞬态微弱电压与微弱温度变化，预测装置实时采集钻孔内不同位置的电压值与温度状态，通过信号发射模块将采集数据传递给计算机，计算机结合不同位置处煤岩样品破裂实验数据与接收数据进行比对分析，判断钻孔内不同位置下应力状况与煤岩破裂状况，从而预测煤岩冲击地压危险程度。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种氢键破裂预测煤岩冲击地压装置，其特征在于：包括伸入到煤岩钻孔内的结构体和预测分析模块，该结构体内设有：
电压信号采集模块，用于采集不同深度下煤岩钻孔内壁的瞬态电压值；
温度采集模块，用于采集不同深度下煤岩钻孔内部的温度变化；
信号发射模块(80)，与所述电压信号采集模块和温度采集模块连接，用于将采集到的信息实时发送到预测分析模块；
所述预测分析模块与所述信号发射模块(80)连接，用于将接收到的信号与煤岩破裂实验采集的数据进行比对分析，得到煤岩钻孔内不同深度下煤岩破裂程度与应力集中区域，通过煤岩破裂程度及煤岩破裂位置对煤岩冲击地压危险等级及强度进行有效预测。
2.如权利要求1所述的氢键破裂预测煤岩冲击地压装置，其特征在于，所述结构体为多个，并且各结构体相互之间通过螺纹连接；
每个结构体包括前端盖(10)、后端盖(50)、以及位于所述前端盖(10)和后端盖(50)之间的多个结构体中段(40)；
所述后端盖(50)与结构体中段(40)上都带有所述电压信号采集模块和温度采集模块；
所述结构体中段(40)内设置有隔热密闭壳体(30)，所述隔热密闭壳体(30)内设有信号发射模块(80)和用于给各个模块供电的电源模块(90)。
3.如权利要求2所述的氢键破裂预测煤岩冲击地压装置，其特征在于，所述电压信号采集模块为电压传感器，放置在所述后端盖(50)与结构体中段(40)上的电压传感器放置槽(61)中，用于采集煤岩破裂产生的微弱电压；
所述温度采集模块为温度传感器，放置在所述后端盖(50)与结构体中段(40)上的温度传感器放置槽(62)中，并呈环形均匀分布，用于采集煤岩钻孔内壁的温度。
4.如权利要求2所述的氢键破裂预测煤岩冲击地压装置，其特征在于，所述前端盖(10)、后端盖(50)与结构体中段(40)采用导电性与导热性良好的材料制成。
5.如权利要求2所述的氢键破裂预测煤岩冲击地压装置，其特征在于，所述前端盖(10)、后端盖(50)与结构体中段(40)相互之间都放置有绝缘密封垫圈(20)，用于避免对应破裂区域产生的自由电荷转移到相邻的结构体上。
6.如权利要求2所述的氢键破裂预测煤岩冲击地压装置，其特征在于，所述前端盖(10)、后端盖(50)与结构体中段(40)靠近其外表面的轴向方向上形成有螺纹孔(70)，使用长螺栓依次通过前端盖(10)、后端盖(50)与结构体中段(40)的螺纹孔(70)将前端盖(10)、后端盖(50)与结构体中段(40)连接在一起。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的氢键破裂预测煤岩冲击地压装置的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：在巷道壁钻孔采集钻孔内不同深度下煤岩样品，将煤岩样品送往实验室进行煤岩破裂实验并采集数据；
S20：将数据整理后传递给计算机，该数据作为预测装置判断煤岩冲击地压的标准；
S30：将结构体放入到预测钻孔内；
S40：通过结构体上的电压信号采集模块和温度采集模块采集钻孔不同位置处的电压和温度数据；
S50：将采集到的数据通过信号发射模块(80)传递给计算机；
S60：计算机结合破裂实验数据分析钻孔内不同位置煤岩破裂及应力状况；
S70：根据煤岩破裂状况及应力分布预测煤岩冲击地压。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤S10中，对煤岩样品逐次增加压力，记录不同压力下样品破裂程度及产生的瞬态电压与温度变化，根据样品破裂程度划分等级，将不同破裂等级下产生的瞬态电压温度变化划分区间。
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