CN112309088A - 一种利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置及工作方法，装置包括气体定时释放组件、气体采集组件、土洞坍塌预警组件；工作方法包括以下步骤：S1、气体注入设备进行供气操作，气体输入到定时释放开关位置；S2、定时释放开关进行释放气体操作；S3、气体被设置在土洞极限平衡拱界线位置的气体传感器检测到并传输到气体采集仪中；S4、气体采集仪对从导气管进来的气体进行分析，得到气体数据并传输给预警值转换模块；S5、预警值转换模块将气体数据转换为土洞坍塌预警数值，并通过无线传输模块传输到预警信息发布模块；S6、预警信息发布模块收到土洞坍塌预警数值后，把预警信息发送至电子设备终端，实现预警信息的发布。

Description

一种利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置及工作方法

技术领域

本发明涉及岩溶塌陷地质灾害防治领域，尤其涉及一种利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置及工作方法。

背景技术

自然条件下，覆盖型岩溶区的地下水在基岩面附近往复波动，上覆土层在地下水的潜蚀、侵蚀作用下会发生变形破坏并逐渐形成土洞，随着时间推移，土洞逐渐向上扩展，一旦失去力学平衡，就会在地表形成塌陷，这种类型的塌陷称之为自然条件下的土洞型岩溶塌陷。

目前对于这种类型岩溶塌陷的预警，目前国内外比较普遍的做法是进行定期地球物理探测、地下水监测、岩土体变形监测等，但是由于受地质环境、设备精度和人为扰动等因素影响，预警效果并不理想。例如地球物理探测，对场地条件要求比较苛刻，设备昂贵，解译也存在多解性，往往需要借助钻探等其他手段验证；地下水监测方法主要是通过建立水位波动与土层破坏之间的关系进行岩溶塌陷预警，由于土体结构、性质的不均一性和地下水波动的复杂性，使得该方法预警精度不足，比较适用于区域宏观尺度岩溶塌陷危险趋势判断。岩土体变形监测方法通过直接对土体的应力、应变测量实现岩溶塌陷预警，是最为直接的岩溶塌陷预警方法，但是由于岩溶塌陷发育于地下，如果进行监测设备布设，必然会对自然条件下的土体进行扰动，使得预警效果往往不能放映实际情况，布设的点越多，扰动越大，但是布设数量少，又不能满足监测预警精度。

在对土洞发育特征和现象分析的基础上，发现自然条件下的土洞在形成和发展过程中，土洞内会聚集大量气体，它们主要来源于地下水以及地下水与岩石、土壤的相互作用。尤其重要的是，在土洞发育直到岩溶塌陷形成的过程中，这些气体会沿着土壤裂隙、孔隙向地表扩散，且扩散浓度与土壤裂隙、孔隙的发育程度存在着一定关系，这为利用土洞气体进行岩溶塌陷监测预警提供了条件和基础。因此，有必要研究一种根据土洞气体来进行岩溶塌陷监测预警的装置来解决上述问题。

发明内容

本发明目的是针对上述问题，提供一种操作简单、使用便利的利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置及工作方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置，包括气体定时释放组件、气体采集组件、土洞坍塌预警组件；所述气体定时释放组件包括气体注入设备、输气管、定时释放开关；气体注入设备设置在地表外侧，气体注入设备与输气管的一端相连通，输气管的另一端与设置在土洞内部的定时释放开关相连通；所述气体采集组件有若干组且若干组气体采集组件均匀设置在土洞上方；所述气体采集组件包括气体传感器、导气管、气体采集仪；所述气体传感器设置在土洞的极限平衡拱界线位置，气体传感器与导气管的一端相连通，导气管的另一端与设置在地表外侧的气体采集仪相连通；所述土洞坍塌预警组件设置在地表外侧，土洞坍塌预警组件包括用于将气体数据转换为土洞坍塌预警数值的预警值转换模块、用于进行信号传输的无线传输模块、用于将预警信息发送至电子设备终端的预警信息发布模块，预警值转换模块的信号输入端与气体采集仪的信号输出端线路连接，预警值转换模块的信号输出端通过无线传输模块与预警信息发布模块的信号输入端相连接，预警信息发布模块的信号输出端与电子设备终端无线连接。

进一步的，所述输气管伸入土洞中的路径以及导气管伸出土洞中的路径均进行注浆封堵以避免出现气体外漏。

进一步的，所述土洞的极限平衡拱界线采用普氏自然平衡拱理论进行计算。

进一步的，所述气体采集组件有五组，五组中的气体传感器分别设置在土洞的极限平衡拱界线位置，其中一个设置在极限平衡拱界线的顶端位置，其余四个分别等间距设置在极限平衡拱界线的两侧位置。

一种利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置的工作方法，包括以下步骤：

S1、气体注入设备对输气管进行供气操作，输气管将气体输入到定时释放开关位置；

S2、定时释放开关根据人们的控制进行释放气体操作；

S3、气体从土洞顶端的间隙内向上移动，从而被设置在土洞极限平衡拱界线位置的气体传感器检测到，然后通过导气管进入到气体采集仪中；

S4、气体采集仪对从导气管进来的气体进行分析，得到气体数据并传输给预警值转换模块；

S5、预警值转换模块将气体数据转换为土洞坍塌预警数值，并通过无线传输模块传输到预警信息发布模块；

S6、预警信息发布模块收到土洞坍塌预警数值后，把预警信息发送至电子设备终端，实现预警信息的发布。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明通过在土洞内埋设一个具有定时释放某种气体的装置，然后在土体的不同深度和地表设置气体传感器进行气体接收，接着使用气体采集仪对气体浓度进行分析，通过气体浓度指标和土洞发育程度的关系将气体浓度转换为土洞发育程度，从而实现预警土洞坍塌的目的；本发明可广泛用于土洞型岩溶塌陷的监测预警，同时对于矿山采空型塌陷、考古等也有一定的参考借鉴意义，具有很好的市场推广前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

覆盖型岩溶区土洞形成后，为了避免和减少土洞坍塌造成的灾害损失，实现人员和财产提前转移，本发明设计了一种具有气体定时释放功能、气体实时接收功能、土洞坍塌预警功能的岩溶塌陷地质灾害监测预警装置。

本发明由三部分构成(如图1所示)：(1)设置在土洞内部的气体定时释放组件；(2)设置在土洞极限平衡拱界线位置的气体采集组件；(3)设置在地表的土洞坍塌预警装置。

1、本发明的基本组成

(1)气体定时释放组件；

气体定时释放组件包括气体注入设备1、输气管2和定时释放开关3三部分。气体注入设备1一般为带有一定压力的罐装气体，或者通过外界加压，可以保证气体经过输气管2到达定时释放开关3后仍留有一定压力。输气管2主要起到连接气体注入设备1和定时释放开关3的作用，输气管外侧为注浆花管11，主要作用是为防止气体沿非开挖钻孔泄露而进行注浆封堵。气体定时释放组件可以看作为一个带有定时释放开关3的微型储气瓶，定时释放开关3的出口罩有一个开有均匀小孔的圆形外壳，可以保障气体释放均匀。

(2)气体采集组件；

气体采集组件包括气体传感器4、导气管5和气体采集仪6三部分。气体传感器4需放置在土洞极限平衡拱界线10的位置，一般均匀间隔布置5个，顶部1个，左右两侧各2个。导气管5起到连接气体传感器4和气体采集仪6的作用，导气管5为了易于和土体粘合，一般采用表面粗糙的PVC材质；气体采集仪器6能实时采集并存储数据。

(3)土洞坍塌预警组件；

土洞坍塌预警组件包括预警值转换模块7、无线传输模块8和预警信息发布模块9三部分。预警值转换模块7与气体采集仪6相连，可以把气体数据转换成对应的土洞坍塌预警数值，然后通过无线传输模块8发送至预警信息发布模块9。预警信息发布模块9可以把预警信息发送至电脑、手机等网络终端，实现预警信息发布。

2、发明实施技术要点

(1)土洞调查；

在利用气体监测进行土洞坍塌预警前，需首先查明土洞的发育规模、深度和形状等基本特征。一般常用的方法为地球物理勘探方法，如地质雷达。

(2)土洞极限平衡拱界线的确定；

在确定了土洞的基本特征后，需计算土洞的极限平衡拱界线10的位置，极限平衡拱界线10的确定方法一般可采用普氏自然平衡拱理论进行计算。

(3)气体传感器安装；

确定好土洞的极限平衡拱界线10后，从地表进行气体传感器4安装，气体传感器4一般均匀间隔布置5个，顶部1个，左右两侧各2个。气体传感器4安装完成后，需对导气管5外侧进行封堵，一般采用一定浓度的粘土泥浆进行密封，以保证气体只能从导气管5进入到地表的气体采集仪6中。

(4)气体定时释放组件安放；

为了避免土洞扰动，一般采用非开挖技术进行钻探施工，钻孔距离土洞的距离为洞径的3-5倍，气体定时释放组件安放到土洞底部后，需通过向注浆花管11注浆，对钻孔进行封堵，防止气体沿钻孔泄露。

(5)预警值转换研究；

在连接地表预警值转换模块之前，须先进行室内模拟试验，建立气体特征指标(如浓度等)与土体变形(如孔隙度、裂缝宽度)特征的关系。确定好转换关系后，将气体采集仪6与预警值转换模块7连接，然后连接无线传输模块8和预警信息发布模块9，最终实现利用气体监测对土洞型岩溶塌陷进行预警。

本发明的操作步骤如下：

S1、气体注入设备1对输气管2进行特殊气体的供气操作，输气管2将气体输入到定时释放开关3位置；

S2、定时释放开关3根据人们的控制进行释放气体操作；

S3、气体从土洞顶端的间隙内向上移动，从而被设置在土洞极限平衡拱界线10位置的气体传感器4检测到，然后通过导气管5进入到气体采集仪6中；

S4、气体采集仪6对从导气管5进来的气体进行分析，得到气体数据并传输给预警值转换模块7；

S5、预警值转换模块7将气体数据转换为土洞坍塌预警数值，并通过无线传输模块8传输到预警信息发布模块9；

S6、预警信息发布模块9收到土洞坍塌预警数值后，把预警信息发送至手机、电脑等电子设备终端，实现预警信息的发布。

本发明通过在土洞内埋设一个具有定时释放某种气体的装置，然后在土体的不同深度和地表设置气体传感器进行气体接收，接着使用气体采集仪对气体浓度进行分析，通过气体浓度指标和土洞发育程度的关系将气体浓度转换为土洞发育程度，从而实现预警土洞坍塌的目的；本发明可广泛用于土洞型岩溶塌陷的监测预警，同时对于矿山采空型塌陷、考古等也有一定的参考借鉴意义，具有很好的市场推广前景。

Claims (5)

1.一种利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置，其特征在于：包括气体定时释放组件、气体采集组件、土洞坍塌预警组件；所述气体定时释放组件包括气体注入设备、输气管、定时释放开关；气体注入设备设置在地表外侧，气体注入设备与输气管的一端相连通，输气管的另一端与设置在土洞内部的定时释放开关相连通；所述气体采集组件有若干组且若干组气体采集组件均匀设置在土洞上方；所述气体采集组件包括气体传感器、导气管、气体采集仪；所述气体传感器设置在土洞的极限平衡拱界线位置，气体传感器与导气管的一端相连通，导气管的另一端与设置在地表外侧的气体采集仪相连通；所述土洞坍塌预警组件设置在地表外侧，土洞坍塌预警组件包括用于将气体数据转换为土洞坍塌预警数值的预警值转换模块、用于进行信号传输的无线传输模块、用于将预警信息发送至电子设备终端的预警信息发布模块，预警值转换模块的信号输入端与气体采集仪的信号输出端线路连接，预警值转换模块的信号输出端通过无线传输模块与预警信息发布模块的信号输入端相连接，预警信息发布模块的信号输出端与电子设备终端无线连接。

2.如权利要求1所述的利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置，其特征在于：所述输气管伸入土洞中的路径以及导气管伸出土洞中的路径均进行注浆封堵以避免出现气体外漏。

3.如权利要求2所述的利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置，其特征在于：所述土洞的极限平衡拱界线采用普氏自然平衡拱理论进行计算。

4.如权利要求3所述的利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置，其特征在于：所述气体采集组件有五组，五组中的气体传感器分别设置在土洞的极限平衡拱界线位置，其中一个设置在极限平衡拱界线的顶端位置，其余四个分别等间距设置在极限平衡拱界线的两侧位置。

5.一种如权利要求4所述的利用土洞气体监测预警岩溶塌陷的装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、气体注入设备对输气管进行供气操作，输气管将气体输入到定时释放开关位置；

S2、定时释放开关根据人们的控制进行释放气体操作；

S3、气体从土洞顶端的间隙内向上移动，从而被设置在土洞极限平衡拱界线位置的气体传感器检测到，然后通过导气管进入到气体采集仪中；

S4、气体采集仪对从导气管进来的气体进行分析，得到气体数据并传输给预警值转换模块；

S5、预警值转换模块将气体数据转换为土洞坍塌预警数值，并通过无线传输模块传输到预警信息发布模块；

S6、预警信息发布模块收到土洞坍塌预警数值后，把预警信息发送至电子设备终端，实现预警信息的发布。

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