CN112709602B - 基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，涉及围岩松动圈监测技术领域。该方法包括以下步骤：首先，于实验室内测量试件加载破坏时的氡气析出浓度，并计算氡气浓度阈值；然后，现场测量巷道内多个测点的氡气析出浓度值；最后，将测点的氡气析出浓度值与氡气浓度阈值相比较，确定围岩松动圈。本发明公开的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，通过实验获取试件在破坏过程中的氡气析出浓度值，确定试件破坏时的氡气浓度阈值，并将现场实测的氡气析出浓度值与阈值相比较，确定巷道围岩松动圈发育深度，测量方法简单，实用性强，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及围岩松动圈监测技术领域，具体涉及一种基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法。
背景技术
氡是一种化学元素，其常见的单质形态是氡气，是人类所接触到的放射性最重的惰性气体。氡在常态下无色、无味、无臭，易溶于水和有机质，化学性质较为稳定。氡的活动性很强，具有较好的迁移能力，其在地质环境中除以气态方式迁移外，还能以溶解态伴随地下水迁移。氡气具有惰性气体的地球物理化学性质，在微孔隙或微裂隙中可传输和积聚，一般可通过扩散作用、对流作用或两者组合的方式在覆岩层中运移。目前，氡气探测多用于寻找地下矿产资源、探测地下隐伏构造以及预测、预报地质灾害等，在煤矿井下的应用较少。
巷道围岩松动圈是指巷道掘出后，煤岩体受到扰动，巷道周围应力重新分布，巷道围岩应力由三向受力状态变为二向受力状态，从而导致巷道围岩强度降低，直至巷道周围形成一定范围的破碎区。围岩松动圈内煤岩体应力和承载能力会下降，裂隙较发育，围岩稳定性较差，围岩松动圈范围的确定是巷道支护设计重要依据。因此，如何准确有效地掌握巷道围岩松动圈的范围，是保证巷道支护参数合理性的重要前提。
现有的巷道围岩松动圈测量方法主要有钻孔窥视法、超声波成像法、电磁辐射法、地质雷达探测法等，但已有测量方法大多存在工程量大、操作繁琐、使用成本高、数据处理复杂等缺点。因此，迫切需要一种能够不依赖于巷道围岩性质、灵活适应现场情况且简单易行的围岩松动圈测量方法。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，将实验数据与现场实测相结合，对比分析巷道围岩氡气析出浓度和试件氡气析出浓度曲线，确定巷道围岩松动圈发育深度，可靠性高、适应性强、实用性好，极大提高了数据可靠性。
根据本发明的目的提出的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，包括以下步骤：
步骤一：在待测巷道内，选取代表性煤岩体钻取岩芯，制成煤岩试件，送至实验室。
步骤二：使用试件氡气析出测量装置对试件进行加载，获得试件应力-应变曲线；并于试件加载过程中，实时记录试件氡气析出浓度，获得氡气浓度-加载时间曲线。
步骤三：根据试件应力-应变曲线和氡气浓度-加载时间曲线，得出试件破坏时氡气析出浓度值，记为v；并根据该浓度值计算出现场松动圈氡气浓度阈值V。
步骤四：沿待测巷道布置多个测站，并根据待测巷道所属地质条件确定测站间距。
步骤五：在测站向两侧煤岩体施工探测钻孔，并于每一钻孔内由里向外布置多个测点，分别编号为D1～Dn。
步骤六：使用巷道围岩氡气析出测量装置测量钻孔内所设测点的氡气析出浓度值，记为S1、S2、S3...Sn。
步骤七：重复步骤六，完成全部探测钻孔内氡气析出浓度测量。
步骤八：将步骤六、七中所获得的测点氡气析出浓度值S与步骤三中所获得的现场松动圈氡气浓度阈值V相比较，当S<V时，围岩未发生破环；当S≥V时，测点位于围岩松动圈范围内，从而确定围岩松动圈。
优选的，步骤二中，所述试件氡气析出测量装置包括试件、刚性实验机、密封盒、第一测氡仪、贴于试件上的应变片以及与应变片和刚性实验机电连接计算机；所述刚性实验机内设置有上压头和下压头，密封盒设置于上压头和下压头之间；所述密封盒朝向上压头一侧开口，并于开口处设置有带孔的弹性橡胶膜，试件放置于密封盒内，上压头通过弹性橡胶膜作用于试件上；所述密封盒一侧开连接孔，第一测氡仪通过第一橡胶软管与连接孔连接；测试时，首先，将试件放入密封盒内，并将密封盒通过盒顶带孔的弹性橡胶膜与刚性实验机压头连接，检查密封盒密闭性；然后，将第一测氡仪与密封盒通过第一橡胶软管连接，打开第一测氡仪，使其内部气泵循环工作5min，进行仪器校准；仪器校准完成后，读取第一测氡仪所测量的密封盒内氡气浓度，作为试件加载前氡气析出浓度值，记为x；最后，通过刚性实验机的上压头加载试件，获得试件应力-应变曲线；加载时间为2～3h，第一测氡仪每5min记录一个浓度值，得出氡气浓度-加载时间曲线。
优选的，氡气浓度阈值V计算方法为：V＝λ·v，λ＝Xp/x；其中，v为试件破坏时的氡气析出浓度值，λ为氡气修正系数，Xp为现场实测全部钻孔孔底氡气析出浓度值的平均值，x为试件加载前密封盒内氡气浓度。
优选的，步骤四中，相邻两测站之间间距为30～100m。
优选的，步骤五中，探测钻孔的深度计算方法为：L＝k(1.5+B/10)+1，其中，L为探测钻孔的深度，B为巷道的宽度，k为围岩影响系数，取值0.9～1.2。
优选的，步骤六中，所述巷道围岩氡气析出测量装置包括第二测氡仪、充气筒、封隔器、用于连接第二测氡仪与封隔器的塑料管以及用于连接充气筒与封隔器的第二橡胶软管；所述塑料管上标识有刻度线；所述封隔器包括封隔气囊、进气管以及塑料支管；所述封隔气囊为前后设置的两个，通过进气管连通，其中一个封隔气囊上设置有充气口和封隔器接口，充气口用于与第二橡胶软管连接，封隔器接口用于与塑料管连接；所述塑料支管连接两封隔气囊，并通过封隔器接口与塑料管连接，两封隔气囊之间的管壁上均布多个进气口；测量时，首先，打开第二测氡仪工作3h，校准测定系数，校准完成后关闭仪器；然后，将封隔器放入探测钻孔，并通过塑料管上刻度线使封隔器端头与测点D1对齐，使用充气筒对封隔气囊加压直至封隔气囊紧贴探测钻孔孔壁；接着，打开第二测氡仪，设置测量间隔为5min，连续测量30min，记录测定数据S1-1、S1-2...S1-6，取平均值作为测点D1的氡气析出浓度值，记为S1；再接着，打开充气筒，使两个封隔气囊卸压，气囊脱离探测钻孔孔壁，移动封隔器位置；最后，重复上述步骤，依次测量测点D2、D3...Dn，测量结果记为S2、S3...Sn。
优选的，每一进气口上均设置有塑料滤网。
与现有技术相比，本发明公开的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法的优点是：
(1)本发明通过实验获取试件在破坏过程中的氡气析出浓度值，确定试件破坏时的氡气浓度阈值，并将现场实测的氡气析出浓度值与阈值相比较，确定巷道围岩松动圈发育深度，测量方法简单，实用性强，成本低。
(2)本发明将实验数据与现场测量数据相结合，极大提高了数据可靠性。
(3)本发明采用封隔气囊作为封隔密闭装置，可适应井下各种孔径钻孔，适用范围更广。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为巷道围岩氡气析出测量装置结构图。
图2为封隔器结构图。
图3为试件氡气析出测量装置结构图。
图4为密封盒结构图。
图5为煤岩试件氡气析出浓度曲线示意图。
图中：1-钻孔；2-第二测氡仪；3-塑料管；4-第二橡胶软管；5-充气筒；6-封隔器；61-封隔气囊；62-进气管；63-塑料支管；64-进气口；65-充气口；66-封隔器接口；7-刚性实验机；71-上压头；72-下压头；8-密封盒；81-弹性橡胶膜；82-连接孔；9-试件；10-第一测氡仪；11-第一橡胶软管；12-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
图1-图5示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其进行了详细的剖析。
本发明公开的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，所用设备包括试件氡气析出测量装置和巷道围岩氡气析出测量装置。
试件氡气析出测量装置包括试件9、刚性实验机7、密封盒8、第一测氡仪10、贴于试件9上的应变片以及与应变片和刚性实验机7电连接计算机12。刚性实验机7内设置有上压头71和下压头72，密封盒8设置于上压头71和下压头72之间。密封盒8朝向上压头71一侧开口，并于开口处设置有带孔的弹性橡胶膜81，弹性橡胶膜81上开孔直径小于上压头71直径，孔的边缘处还涂有黄油。试件9放置于密封盒8内，上压头71通过弹性橡胶膜81作用于试件9上。密封盒8一侧开连接孔82，第一测氡仪10通过第一橡胶软管11与连接孔82连接，测量密封盒8内氡气浓度。
巷道围岩氡气析出测量装置包括第二测氡仪2、充气筒5、封隔器6、用于连接第二测氡仪2与封隔器6的塑料管3以及用于连接充气筒5与封隔器6的第二橡胶软管4。塑料管3上标识有刻度线。所述封隔器6包括封隔气囊61、进气管62以及塑料支管63。封隔气囊61为前后设置的两个，通过进气管62连通，其中一个封隔气囊61上设置有充气口65和封隔器接口66，充气口65用于与第二橡胶软管4连接，封隔器接口66用于与塑料管3连接。塑料支管63连接两封隔气囊61，并通过封隔器接口66与塑料管3连接，两封隔气囊61之间的管壁上均布多个进气口64，每一进气口64上均设置有塑料滤网。第一测氡仪10与第二测氡仪2均为HYB03-BH3212型测氡仪。
该方法包括以下步骤：
步骤一：在待测巷道内，选取代表性煤岩体钻取岩芯，制成煤岩试件9，送至实验室。
步骤二：使用试件氡气析出测量装置对试件9进行加载，获得试件9应力-应变曲线；并于试件9加载过程中，实时记录试件9氡气析出浓度，获得氡气浓度-加载时间曲线。具体的，首先，将试件9放入密封盒8内，并将密封盒8通过盒顶带孔的弹性橡胶膜81与刚性实验机7压头连接，检查密封盒8密闭性。然后，将第一测氡仪10与密封盒8通过第一橡胶软管11连接，打开第一测氡仪10，使其内部气泵循环工作5min，进行仪器校准；仪器校准完成后，读取第一测氡仪10所测量的密封盒8内氡气浓度，作为试件9加载前氡气析出浓度值，记为x。最后，开启刚性实验机7使上压头71加载试件9，记录加载力和试件9上应变片采集数据，通过计算机12生成试件9应力-应变曲线。设定加载时间为2～3h，第一测氡仪10每5min记录一个浓度值，得出氡气浓度-加载时间曲线。
步骤三：根据试件9应力-应变曲线和氡气浓度-加载时间曲线，得出试件9破坏时氡气析出浓度值，记为v，再根据该浓度值计算出现场松动圈氡气浓度阈值V。具体的，氡气浓度阈值V计算方法为：V＝λ·v，λ＝Xp/x；其中，v为试件9破坏时的氡气析出浓度值，λ为氡气修正系数，Xp为现场实测全部钻孔1孔底氡气析出浓度值的平均值，x为试件9加载前密封盒8内氡气浓度。
步骤四：沿待测巷道布置多个测站，并根据待测巷道所属地质条件合理确定相邻两测站之间的间距，取值范围为30～100m。
步骤五：在测站向两侧煤岩体施工探测钻孔1，并于每一钻孔1内由里向外布置多个测点，分别编号为D1～Dn。具体的，探测钻孔1的深度计算方法为：L＝k(1.5+B/10)+1，其中，L为探测钻孔1的深度，B为巷道的宽度，k为围岩影响系数，取值0.9～1.2。
步骤六：使用巷道围岩氡气析出测量装置测量钻孔1孔底的氡气析出浓度值，记为X，以及钻孔1内所设测点的氡气析出浓度值，记为S1、S2、S3...Sn。具体的，首先，打开第二测氡仪2工作3h，校准测定系数，校准完成后关闭仪器；然后，将封隔器6放入探测钻孔1，并通过塑料管3上刻度线使封隔器6端头与测点D1对齐，使用充气筒5对封隔气囊61加压直至封隔气囊61紧贴探测钻孔1孔壁；接着，打开第二测氡仪2，设置测量间隔为5min，连续测量30min，记录测定数据S1-1、S1-2...S1-6，取平均值作为测点D1的氡气析出浓度，记为S1；再接着，打开充气筒5，使两个封隔气囊61卸压，封隔气囊61脱离探测钻孔1孔壁，移动封隔器6位置；最后，重复上述步骤，依次测量测点D2、D3...Dn，测量结果记为S2、S3...Sn。
步骤七：重复步骤六，完成全部探测钻孔1内测点的氡气析出浓度测量。
步骤八：将步骤六、七中所获得的测点氡气析出浓度值S与步骤三中所获得的现场松动圈氡气浓度阈值V相比较，当S<V时，围岩未发生破环；当S≥V时，测点位于围岩松动圈范围内，从而确定围岩松动圈。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在待测巷道内，选取代表性煤岩体钻取岩芯，制成煤岩试件(9)，送至实验室；
步骤二：使用试件氡气析出测量装置对试件(9)进行加载，获得试件(9)应力-应变曲线；并于试件(9)加载过程中，实时记录试件(9)氡气析出浓度，获得氡气浓度-加载时间曲线；
步骤三：根据试件(9)应力-应变曲线和氡气浓度-加载时间曲线，得出试件(9)破坏时氡气析出浓度值，记为v；并根据该浓度值计算出现场松动圈氡气浓度阈值V；
步骤四：沿待测巷道布置多个测站，并根据待测巷道所属地质条件确定测站间距；
步骤五：在测站向两侧煤岩体施工探测钻孔(1)，并于每一钻孔(1)内由里向外布置多个测点，分别编号为D1～Dn；
步骤六：使用巷道围岩氡气析出测量装置测量钻孔(1)内所设测点的氡气析出浓度值，记为S1、S2、S3...Sn；
步骤七：重复步骤六，完成全部探测钻孔(1)内氡气析出浓度测量；
步骤八：将步骤六、七中所获得的测点氡气析出浓度值S与步骤三中所获得的现场松动圈氡气浓度阈值V相比较，当S＜V时，围岩未发生破环；当S≥V时，测点位于围岩松动圈范围内，从而确定围岩松动圈。
2.根据权利要求1所述的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，其特征在于，步骤二中，所述试件氡气析出测量装置包括试件(9)、刚性实验机(7)、密封盒(8)、第一测氡仪(10)、贴于试件(9)上的应变片以及与应变片和刚性实验机电连接的计算机(12)；所述刚性实验机(7)内设置有上压头(71)和下压头(72)，密封盒(8)设置于上压头(71)和下压头(72)之间；所述密封盒(8)朝向上压头(71)一侧开口，并于开口处设置有带孔的弹性橡胶膜(81)，试件(9)放置于密封盒(8)内，上压头(71)通过弹性橡胶膜(81)作用于试件(9)上；所述密封盒(8)一侧开连接孔(82)，第一测氡仪(10)通过第一橡胶软管(11)与连接孔(82)连接；测试时，首先，将试件(9)放入密封盒(8)内，并将密封盒(8)通过盒顶带孔的弹性橡胶膜(81)与刚性实验机(7)压头连接，检查密封盒(8)密闭性；然后，将第一测氡仪(10)与密封盒(8)通过第一橡胶软管(11)连接，打开第一测氡仪(10)，使其内部气泵循环工作5min，进行仪器校准；仪器校准完成后，读取第一测氡仪(10)所测量的密封盒(8)内氡气浓度，作为试件(9)加载前氡气析出浓度值，记为x；最后，通过刚性实验机(7)的上压头(71)加载试件(9)，获得试件(9)应力一应变曲线；加载时间为2～3h，第一测氡仪(10)每5min记录一个浓度值，得出氡气浓度-加载时间曲线。
3.根据权利要求2所述的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，其特征在于，氡气浓度阈值V计算方法为：V＝λ·v，λ＝Xp/x；其中，v为试件(9)破坏时的氡气析出浓度值，λ为氡气修正系数，Xp为现场实测全部钻孔(1)孔底氡气析出浓度值的平均值，x为试件(9)加载前密封盒(8)内氡气浓度。
4.根据权利要求1所述的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，其特征在于，步骤四中，相邻两测站之间间距为30～100m。
5.根据权利要求1所述的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，其特征在于，步骤五中，探测钻孔(1)的深度计算方法为：L＝k(1.5+B/10)+1，其中，L为探测钻孔(1)的深度，B为巷道的宽度，k为围岩影响系数，取值0.9～1.2。
6.根据权利要求1所述的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，其特征在于，步骤六中，所述巷道围岩氡气析出测量装置包括第二测氡仪(2)、充气筒(5)、封隔器(6)、用于连接第二测氡仪(2)与封隔器(6)的塑料管(3)以及用于连接充气筒(5)与封隔器(6)的第二橡胶软管(4)；所述塑料管(3)上标识有刻度线；所述封隔器(6)包括封隔气囊(61)、进气管(62)以及塑料支管(63)；所述封隔气囊(61)为前后设置的两个，通过进气管(62)连通，其中一个封隔气囊(61)上设置有充气口(65)和封隔器接口(66)，充气口(65)用于与第二橡胶软管(4)连接，封隔器接口(66)用于与塑料管(3)连接；所述塑料支管(63)连接两封隔气囊(61)，并通过封隔器接口(66)与塑料管(3)连接，两封隔气囊(61)之间的管壁上均布多个进气口(64)；测量时，首先，打开第二测氡仪(2)工作3h，校准测定系数，校准完成后关闭仪器；然后，将封隔器(6)放入探测钻孔(1)，并通过塑料管(3)上刻度线使封隔器(6)端头与测点D1对齐，使用充气筒(5)对封隔气囊(61)加压直至封隔气囊(61)紧贴探测钻孔(1)孔壁；接着，打开第二测氡仪(2)，设置测量间隔为5min，连续测量30min，记录测定数据S1-1、S1- 2...S1-6，取平均值作为测点D1的氡气析出浓度值，记为S1；再接着，打开充气筒(5)，使两个封隔气囊(61)卸压，封隔气囊(61)脱离探测钻孔(1)孔壁，移动封隔器(6)位置；最后，重复上述步骤，依次测量测点D2、D3...Dn，测量结果记为S2、S3...Sn。
7.根据权利要求6所述的基于氡气析出浓度的围岩松动圈测量方法，其特征在于，每一进气口(64)上均设置有塑料滤网。
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