CN111964620B - 一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置与方法。其中，装置包括外壳以及位于外壳内的位移动态监测单元。该位移动态监测单元包括加速度传感器、存储单元、电源、电源控制和数据接口以及控制板等部件；位移动态监测单元封装于外壳内；在外壳的侧壁上设有供电源控制和数据接口伸入的通孔。本发明利用特定体积突出模拟实验箱和煤岩组合结构，在特定三向应力组合和高压模拟气体吸附状态下，通过诱突手段完成动力现象发生，期间通过本发明装置完成箱内质点的加速度、速度和位移的动态测试和反演计算，实现煤岩变形和位移的多靶点连续监测和动态跟踪，为煤与瓦斯突出机理研究提供参考。

Description

一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置与方法

技术领域

本发明涉及一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置、以及基于所述近场煤岩位移动态监测装置的煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测方法。

背景技术

煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)是一个复杂的气-固耦合作用过程，集中反映了超压煤层在特定应力条件下，受外加荷载扰动而诱发的局部动力失稳现象。根据事故调查统计，突出煤体形成的洞穴形体差异较大，呈现出多样的口小腔大的洞穴形体，如梨状、舌状、葫芦状和枝状等，多样的洞穴结构引发了学者们对突出动力成穴机理的研究。

目前，对于突出过程中洞穴的发育以及围岩煤体在应力控制下的变形和位移规律仍是技术难题。并且国内外的物理实验模拟手段和实验平台尚不能实现突出过程中围岩(煤)的位移变化过程研究，严重制约了突出机理的研究进展。究其原因，主要包括以下几方面：

(1)测试对象的封闭性。突出的物理模拟，需要考虑煤体应力和瓦斯压力的共存特点，这就要求突出模拟装备满足一定的气密性；同时考虑应力的非均匀性，这对突出模拟的实验箱体结构提出了苛刻要求，这对于实验过程的数据监测提出了挑战：既不能干扰数据信号采集，又不影响内部结构观测，然而封闭结构决定了上述要求在功能实现的矛盾性。

(2)应力加/卸载的复杂性。突出模拟过程是一个应力和气体压力同时改变的过程。为实现突出模拟，必须进行预应力加载和定压气体吸附实验，其中，应力加载路径和气体压力梯度改变，都对特定结构下煤体的稳定性有影响。尤其需要指出，加载过程中可能对内置的监测设备(传感器)产生破坏作用，影响监测效果，甚至颠覆实验方案。

(3)测试装置的特殊性。突出模拟实现内部煤岩结构破坏及位移动态监测，最直接的方法是高速摄像，然而测试对象的封闭性和应力加载/卸载的复杂性决定了视窗开口的局限性，同时决定了试件箱体材质不能选择脆性材料，另外，煤体自身属性(颜色为黑色)等因素制约了图像采集。突出模拟的试件箱体结构设计本身就有其显著的特殊性。

(4)实验测试的连续性。煤岩损伤的动态连续监测，是研究特定应力条件和特殊煤岩结构下突出发育机理的基础，然而连续性监测的难点主要集中在两点，第一点是相对位移的识别，第二点是采集数据的连续存储并导出。

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置，以实现突出模拟过程中的全程连续跟踪测试。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置，包括：

外壳以及位移动态监测单元；位移动态监测单元包括加速度传感器、存储单元、电源、电源控制和数据接口以及控制板；

其中，加速度传感器、存储单元、电源以及电源控制和数据接口分别与控制板相连；

位移动态监测单元封装于外壳内；在外壳的侧壁上设有与电源控制和数据接口位置对应的通孔，该电源控制和数据接口伸入至通孔内。

优选地，外壳采用铝合金外壳。

优选地，加速度传感器采用9轴姿态传感器。

优选地，存储单元采用flash存储芯片。

优选地，电源采用可充电电池。

优选地，电源控制和数据接口采用USB接口。

优选地，控制板采用单片机控制板。

优选地，通孔处还安装有大小、形状与通孔适配的通孔盖。

优选地，位移动态监测单元通过环氧树脂封装于外壳内。

此外，本发明还提出了一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测方法，以实现相同应力环境下不同空间煤岩移动变化规律的测试。

本发明为了实现上述第二个目的，采用如下技术方案：

一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测方法，包括如下步骤：

I.将已知体积的煤岩组合分层铺设于突出模拟实验箱内；在煤岩组合分层铺设过程中，将多个位移动态测试仪分别内置于测试的目标区域内；

其中，每个位移动态测试仪均采用如上述权利要求1至9任一项的煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置，各个位移动态测试仪的编号唯一且不同；

II.待煤岩组合铺设完成后，封闭突出模拟实验箱；

首先进行突出模拟实验箱的气密性检查，然后实施预定高压气体注入吸附平衡；

III.根据实验模拟需要，向突出模拟实验箱进行三向应力的同步加载，达到预定的应力状态后，开展突出前应力应变、气压、温度参数的测试，并维持稳定；

IV.当各个位移动态测试仪中的电源定时开启后，诱发突出启动，与此同时，各个位移动态测试仪中的加速度传感器开启突出过程的数据采集；

V.突出持续进行，各个位移动态测试仪进行加速度、速度和位移的连续监测；

VI.突出完成后，逐一找出各个位移动态测试仪，然后将各个位移动态测试仪采集的数据通过相应的电源控制和数据接口分别上传至计算机，完成数据读取；

VII.基于步骤VI中各个位移动态测试仪采集的数据，建立同一时间坐标系下的加速度、速度和位移对比，完成相同应力环境下不同空间煤岩移动变化规律的测试。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明提供了一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置与方法。其中，通过本发明提供的监测装置，能够实现突出模拟过程中的全程连续跟踪测试；通过本发明提供的监测方法，则能够完成相同应力环境下不同空间煤岩移动变化规律的测定。

附图说明

图1为本发明实施例1中近场煤岩位移动态监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中近场煤岩位移动态监测装置的电气连接框图；

图3为本发明实施例2中近场煤岩位移动态监测方法的流程示意图；

图4为本发明实施例2中突出模拟实验箱的结构示意图；

图5为本发明实施例2中突出模拟实验箱的内部结构示意图；

图6为本发明实施例2中位移动态测试仪在煤岩组合中的布置示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	外壳	10	底板
2	加速度传感器	11	垂向压头
				3	存储单元	12	侧向压头
4	电源	13	突出窗口
				5	电源控制和数据接口	14	加载板
6	控制板	15	弱电线槽
				7	通孔	16	煤岩组合
8	上压板	17	位移动态测试仪
				9	箱体

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

本实施例1述及了一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置。如图1所示，该装置包括外壳1以及位于外壳1内的位移动态监测单元(未示出)。

如图2所示，本实施例中的位移动态监测单元为监测装置的核心部件，其包括加速度传感器2、存储单元3、电源4、电源控制和数据接口5以及控制板6。

加速度传感器2、存储单元3、电源4以及电源控制和数据接口5分别与控制板6相连。

加速度传感器2用于实现模拟过程中近场煤岩位移动态的全称连续跟踪监测。

该加速度传感器2优选采用9轴姿态传感器，以实现对数据的精确监测。

存储单元3的作用在于存储加速度传感器2采集的数据。

该存储单元3优选采用flash存储芯片，当然也可以采用其他容易想到的存储芯片。

电源4的作用在于为位移动态监测单元的各个组成部件供电。此外，还可以通过程序设定的方式，使得电源4能够实现定时开启功能。

关于电源4定时开启的技术为已经非常成熟的技术，本实施例不再详细论述。

设置电源4定时开启的目的在于，节约电源4的电量，避免在位移动态监测单元封装完成至开启突出模拟实验这段过程中，电源4由于长时间开启造成电量浪费。

本实施例中的电源4优选采用可充电电池。

电源控制和数据接口5的作用在于实现近场煤岩位移动态监测装置与上位机的数据通信，包括上位机向监测装置写入程序，或者监测装置向上位机传输采集数据。

电源控制和数据接口5优选采用USB接口。该USB接口一方面可以传输数据，另一方面可以通过该USB接口向监测装置的电源4充电，实现装置的重复使用。

控制板6优选采用单片机控制板，用于控制位移动态监测单元的其他部件。当然，控制板6并不局限于采用单片机控制板，还可以采用其他类型的控制板。

在位移动态监测单元装配完成后，需要将其封装于外壳1内。本实施例1通过向外壳1内灌装环氧树脂，以实现位移动态监测单元的封装。

此外，在外壳1的侧壁上设有与电源控制和数据接口5位置对应的通孔7，如图1所示，通孔7与USB接口的形状相同，该电源控制和数据接口5伸入至通孔7内。

通过将电源控制和数据接口5伸入至通孔7内，利于实现位移动态监测单元与上位机之间的数据通信，同时避免了从外壳1内向外引线的弊端。

另外，通孔7处还安装有大小、形状与通孔7适配的通孔盖(未示出)。通孔盖的作用在于保护电源控制和数据接口5，避免有粉尘颗粒进入电源控制和数据接口5。

在近场煤岩位移动态监测装置使用时，将通孔盖封堵在通孔7处。

本实施例1对于通孔盖的结构并不做限制，该通孔盖只要能够扣合在通孔7处即可。至于通孔盖的材质，例如可以采用塑料材质，当然也可以采用与外壳1相同的材质。

外壳1优选采用铝合金外壳，使得外壳1的抗压程度明显提高。

本实施例1中煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置，能够满足测试对象的封闭性、应力加/卸载的复杂性、测试装置的特殊性以及实验测试的连续性等要求。

实施例2

本实施例2述及了一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测方法。其中，该近场煤岩位移动态监测方法的大致思路为：

利用特定体积的突出模拟实验箱和煤岩组合结构，在特定三向应力组合和高压模拟气体吸附状态下，通过外力或其他方式诱突手段完成动力现象发生。

在突出发生过程中，利用上述实施例1中的监测装置完成箱内质点的加速度、速度和位移的动态测试和反演计算，实现了煤岩的变形和位移的多靶点连续监测和动态跟踪。

通过本发明实施例2中的监测方法，能够为煤与瓦斯突出机理研究提供参考。

具体的，如图3所示，近场煤岩位移动态监测方法，包括如下步骤：

I.将已知体积的煤岩组合分层铺设于突出模拟实验箱内，如图4和图5所示。由图4和图5可知，突出模拟实验箱包括上压板8、箱体9以及底板10等。

其中，上压板8安装于箱体9的上部开口处，底板10安装于箱体9的底部。

在上压板8上设有垂向压头11，在箱体9的侧壁上设有侧向压头12。

此外，在箱体9的侧壁上设有突出窗口13。

如图5所示，突出模拟实验箱内设有加载板14、弱电线槽15、煤岩组合16以及应力应变、气压、温度传感器等，用于实现实验箱内应力应变、气压和温度参数的测试。

弱电线槽15可用于应力应变、气压、温度传感器的信号线引出。

在煤岩组合16分层铺设过程中，将多个位移动态测试仪17分别内置于测试的目标区域内，实现多靶点预设，布设后的示意图如图6所示。

为方便观察，本实施例2中假定图6中的煤岩组合16呈透视状态。

其中，每个位移动态测试仪17均采用如上述实施例1中的煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置，各个位移动态测试仪17的编号唯一且不同。

各个位移动态测试仪17的编号，例如可以采用物理编号或通过程序设定的方式编号。

II.待煤岩组合铺设16完成后，封闭突出模拟实验箱。

首先进行突出模拟实验箱的气密性检查，然后实施预定高压气体注入吸附平衡。

III.根据实验模拟需要，向突出模拟实验箱进行三向应力的同步加载，达到预定的应力状态后，开展突出前应力应变、气压、温度参数的测试，并维持稳定。

IV.当各个位移动态测试仪17中的电源定时开启后，采用外力或其他方式诱发突出启动，与此同时，各个位移动态测试仪中的加速度传感器2开启突出过程的数据采集。

V.突出持续进行，各个位移动态测试仪17进行加速度、速度和位移的连续监测。

VI.突出完成后，逐一找出各个位移动态测试仪17，然后将各个位移动态测试仪17采集的数据通过相应的电源控制和数据接口分别上传至计算机，完成数据读取。

VII.基于步骤VI中各个位移动态测试仪17采集的数据，建立同一时间坐标系下的加速度、速度和位移对比，反演突出发展过程。

由于加速度传感器2采用已知的加速度传感器，因而都会有配套的分析软件，因此，利用已有的分析软件很容易完成多个靶点同步数据(加速度、速度和位移)的动态变化分析。

通过上述实验步骤，完成了数据统计分析，并且能够测定相同应力环境下不同空间煤岩移动变化规律，为研究突出过程的煤岩损伤机制和突出发育机理提供数据支持。

本发明克服了现有方法在煤与瓦斯突出模拟、冲击地压模拟以及其他中大型三维密闭空间中可视化技术不能触及的技术边缘，完成三维空间重塑，时间变量自由选择的追踪功能。能够在目标区域实现测试靶点“切片式”观察，完成突出启动、发生发展阶段的连续追踪。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (9)

1.一种煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测方法，其特征在于，

包括如下步骤：

I.将已知体积的煤岩组合分层铺设于突出模拟实验箱内；在煤岩组合分层铺设过程中，将多个位移动态测试仪分别内置于测试的目标区域内；

每个位移动态测试仪均采用煤与瓦斯突出过程中近场煤岩位移动态监测装置；

该装置包括外壳以及位于外壳内的位移动态监测单元；其中，位移动态监测单元包括加速度传感器、存储单元、电源、电源控制和数据接口以及控制板；

加速度传感器、存储单元、电源以及电源控制和数据接口分别与控制板相连；

位移动态监测单元封装于外壳内；在外壳的侧壁上设有与电源控制和数据接口位置对应的通孔，该电源控制和数据接口伸入至所述通孔内；

各个位移动态测试仪的编号唯一且不同；

II.待煤岩组合铺设完成后，封闭所述突出模拟实验箱；

首先进行突出模拟实验箱的气密性检查，然后实施预定高压气体注入吸附平衡；

III.根据实验模拟需要，向所述突出模拟实验箱进行三向应力的同步加载，达到预定的应力状态后，开展突出前应力应变、气压、温度参数的测试，并维持稳定；

IV.当各个所述位移动态测试仪中的电源定时开启后，诱发突出启动，与此同时，各个所述位移动态测试仪中的加速度传感器开启突出过程的数据采集；

V.突出持续进行，各个所述位移动态测试仪进行加速度、速度和位移的连续监测；

VI.突出完成后，逐一找出各个所述位移动态测试仪，然后将各个位移动态测试仪采集的数据通过相应的电源控制和数据接口分别上传至计算机，完成数据读取；

VII.基于步骤VI中各个位移动态测试仪采集的数据，建立同一时间坐标系下的加速度、速度和位移对比，完成相同应力环境下不同空间煤岩移动变化规律的测试。

2.根据权利要求1所述的近场煤岩位移动态监测方法，其特征在于，

所述外壳采用铝合金外壳。

3.根据权利要求1所述的近场煤岩位移动态监测方法，其特征在于，

所述加速度传感器采用9轴姿态传感器。

4.根据权利要求1所述的近场煤岩位移动态监测方法，其特征在于，

所述存储单元采用flash存储芯片。

5.根据权利要求1所述的近场煤岩位移动态监测方法，其特征在于，

所述电源采用可充电电池。

6.根据权利要求1所述的近场煤岩位移动态监测方法，其特征在于，

所述电源控制和数据接口采用USB接口。

7.根据权利要求1所述的近场煤岩位移动态监测方法，其特征在于，

所述控制板采用单片机控制板。

8.根据权利要求1所述的近场煤岩位移动态监测方法，其特征在于，

所述通孔处还安装有大小、形状与所述通孔适配的通孔盖。

9.根据权利要求1所述的近场煤岩位移动态监测方法，其特征在于，

所述位移动态监测单元通过环氧树脂封装于所述外壳内。

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