CN116464513A - 注浆浆液扩散范围实时检测系统及实时检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注浆浆液扩散范围实时检测系统，包括第一供电电极、第二供电电极以及布设在第一供电电极和第二供电电极之间的测量电极，所述第一供电电极采用导电线缆，该导电线缆在其长度方向上电位相同。该检测系统可以在不影响施工进度的前提下，对注浆过程中浆液的扩散范围进行高精度、高分辨率实时检测。

Description

注浆浆液扩散范围实时检测系统及实时检测方法

技术领域

本发明涉及注浆工程领域，特别是关于一种注浆浆液扩散范围实时检测系统及实时检测方法。

背景技术

在采空区处治工程、煤矿防治水、采矿离层带注浆充填等注浆工程中，由于地质条件的复杂性和隐秘性，在实际的注浆工程中主要通过注浆压力和注浆量来控制浆液的充填效果，但是对单注浆孔的浆液流动范围难以预测和检测，当单孔注浆范围比设计指标大时，会造成注浆孔工作量和注浆材料的浪费；小于设计指标时，出现漏注区域，影响充填效果。而且，大部分注浆工程都需要设置帷幕孔以防止浆液扩散到注浆区域外部，在不能做到对浆液扩散范围的实时检测时，就只能增大单孔的扩散范围并减小帷幕孔孔间距以使各帷幕孔注浆浆液能够形成完整的帷幕墙，极大地增加了经济和时间成本。当帷幕孔外围出现较大裂隙或通道时，会导致浆液外溢，进而出现注浆不起压、注浆量大增的现象，造成极大的浆液浪费并失去封堵效果。

对于注浆浆液扩散范围的检测方法主要有钻探、物探、开挖等方法。其中，钻探法一般需要在注浆完成后3个月才能进行取芯验证，在注浆刚完成时往往无法进行取芯作业，对于注浆施工而言无论是时间成本还是经济成本都难以承受；物探手段由于地层数据反演具有很多不确定性，注浆检测效果不直观，且地面物探手段对于深部区域注浆的分辨率较低，不能满足单孔注浆检测的要求；而孔内物探手段无法做到实时检测和持续检测，额外的钻孔还会造成浆液的泄露，在工程上不具有可行性。

在申请公布号为CN111997687A，名称为“一种采空区满管注浆及效果实时检测方法”的专利中，提供了一种注浆效果实时检测方法，该方法主要是通过注浆孔联合观测方式，利用特制的液面检测装置，实时检测注浆孔周围钻孔液位变化，根据3个定量检查评判注浆效果的系数指标，进而对采空区注浆效果进行实时检测。该方法需要多个检测孔，且仅为单点检测，无法准确掌握浆液的扩散范围，工程应用面较窄。

在申请公布号为CN114137036A，名称为“一种基于邻源电位电阻率的注浆范围快速检测方法”的专利中，提供了一种注浆范围快速检测方法，但是该方法实际上只是高密度电法的AMN装置和MNB装置，分辨率较低且无法做到实时检测，难以满足实际工程要求。

在申请公布号为CN115220109A，名称为“一种跨孔电阻率CT的数据采集方法”的专利中，提供了一种新的电阻率CT跑极方式，该方法主要是将传统的单点对多点跨孔CT测量改进为多点对多点的装置，更接近高密度电法的孔内应用，但无法很好的满足注浆浆液范围实时检测的要求。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种注浆浆液扩散范围实时检测系统及方法，其能够在不影响施工进度的前提下，对注浆过程中浆液的扩散范围进行高精度、高分辨率实时检测。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种注浆浆液扩散范围实时检测系统，其特征在于，包括第一供电电极、第二供电电极以及布设在第一供电电极和第二供电电极之间的测量电极，所述第一供电电极采用导电线缆，该导电线缆在其长度方向上电位相同。

在本发明的一个或多个实施方式中，

所述导电线缆包括内芯和包覆在所述内芯外的金属网状外层，所述内芯为单根导电金属体或由多股金属线捻制而成。

在本发明的一个或多个实施方式中，包括间隔设置的且可独立进行供电的多个供电电极，相邻两个所述供电电极之间的间距为0.5m-2m。

在本发明的一个或多个实施方式中，每个所述供电电极分别包括电极主芯、电极支架和逐层套设于所述电极主芯外侧的多层金属网，所述电极支架连接于所述电极主芯和多层金属网之间，所述金属网的网格间隙为0.5mm-2mm，相邻的所述金属网之间的层隙为1mm-3mm。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二供电电极为无穷远供电电极，或所述第二供电电极采用导电线缆，该导电线缆在其长度方向上电位相同。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述测量电极采用串状电极，包括间隔设置的且可独立进行测量的多个测量电极，相邻两个所述测量电极之间的间距为0.2m-1m。

在本发明的一个或多个实施方式中，每个所述测量电极分别包括电极主芯、电极支架和逐层套设于所述电极主芯外侧的多层金属网，所述电极支架连接于所述电极主芯和多层金属网之间，所述金属网的网格间隙为0.5mm-2mm，相邻的所述金属网之间的层隙为1mm-3mm。

本发明还提供一种采用上述系统的注浆浆液扩散范围的实时检测方法，具体包括如下步骤：

在目标注浆孔内布设所述的第一供电电极，第一供电电极的末端延伸至待充填区域；

获取测量电极和第一供电电极之间的电性号，或获取测量电极和第二供电电极之间的电性号。

在本发明的一个或多个实施方式中，分别在检测孔和供电孔内布设所述的测量电极和第二供电电极，目标注浆孔、检测孔和供电孔位于同一直线上，所述供电孔的深度大于或等于所述目标注浆孔深度的15％。

在本发明的一个或多个实施方式中，获取电信号的方法包括：

S1、在第一供电电极和第二供电电极不通电情况下测量所有检测电极上串状电极与第一供电电极之间的电流和电压；

S2、对第一供电电极和第二供电电极上的单个或多个串状电极依次执行通电和断电操作，测量检测电极上所有串状电极与第一供电电极之间的电流和电压，直至第二供电电极上所有串状电极均执行过通电操作；

S3、注浆，并重复步骤S2。

与现有技术相比，本发明中的注浆浆液扩散范围实时检测系统及方法具有如下有益效果：不影响注浆工程的施工，不会出现注浆浆液泄露、检测过程影响现有工程设备施工情况，且不要求使用特制浆液、不需要额外的钻孔，节省大量的人力、物力；对于单个注浆孔，从注浆前到注浆完成后仅需铺设一次检测设备，布设方便，数据测试均为自动化进行，并且可以计算、显示浆液扩散范围的实时检测数据；提供浆液扩散范围的高精度检测，且检测精度受待注浆区域埋深影响极小；检测系统布置方法较多，可适用于不同的施工场景，适用范围广；需要置入钻孔中的装置成本低，在发生塌孔等现象无法回收时损失较小。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式注浆浆液扩散范围实时检测系统的示意图；

图2是根据本发明一实施方式的串状电极的示意图；

图3是根据本发明一实施方式的电缆的示意图；

图4是根据本发明一实施方式的两种供电波形图。

主要附图标记说明：

100-注浆浆液扩散范围实时检测系统，10-处理系统，20-测量系统，21-第一检测电缆，22-第二检测电缆，221-检测电极，30-供电系统，31-第一供电电缆，32-第二供电电缆，321-供电电极，33-裸露电缆，33-40-注浆孔，50-供电孔，60-检测孔，71-电极主芯，72-金属网，73-电极支架，74-电极引线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1至图3所示，根据本发明优选实施方式中的注浆浆液扩散范围实时检测系统100，包括处理系统10、供电系统20和测量系统30。

供电系统30连接有两条供电电缆，其中第一供电电缆31作为电极A(第一供电电极)连通至注浆孔40，第二供电电缆32连通至供电孔50作为电极B(第二供电电极)，并在第二供电电缆32上设置有供电电极321。应当注意的是，相邻的供电电极B的电极距应根据测量精度需要来调整，在本实施例中为0.5m-2m之间。

在其他实施例中，如果检测条件比较复杂，无法布设供电电极321时，可以选择直接在供电孔50内布设如图3所示的裸露电缆(所有电缆内芯之间不绝缘)，并且在外围缠绕多层设置于串状电极上的金属网72，提高接触效果。

需要注意的是，当施工条件不允许以上述形式布设电极B时，第二供电电缆32可选择直接接触于地面作为无穷远供电电极，此时其与地面接触点和电极A之间的距离为注浆孔40深度的5-10倍，且此时电极B、注浆孔40和检测孔60位于同一直线，以提高测量精度。

而当选择供电孔50时，第二供电电缆32上串联有多个供电电极321，在此将其命名为电极B₁、B₂、B₃等。需要注意的是，选择的供电孔50深度应不小于目标注浆孔40深度的15％，以避免深度过浅影响测量精度，同时与目标注浆孔40和检测孔60基本处于同一直线，并且误差应当控制在15％以内。

优选的，可以在供电孔50内加注食盐水或其他高导电液体，保证电缆与孔壁的接触和导电效果。需要注意的是，加注液体时浸没所有供电电极321。

测量系统20延伸出两条检测电缆，其中第一检测电缆21连通至第一供电电缆31作为电极M，第二检测电缆22布设在检测孔60内和周围的地面上作为电极N(测量电极)，当地面布设困难时可以选择只布设在检测孔60内。电极N上排布有多个检测电极221，在此将其命名为电极N₁、N₂、N₃等。应当注意的是，相邻检测电极N的电极距应根据测量精度需要来调整，在本实施例中为0.2m-1m之间。

在本实施例中，第一检测电缆21(电极M)优选和第一供电电缆31(电极A)共用一条电缆，因此第一供电电缆31同时作为供电端和检测端，这样可以简化系统以及操作流程。当然在其他实施例中，两者也可以不共用电缆，但需要保证两者无接触，防止检测失真。

可以想到的是，检测孔60可选择目标注浆孔40相邻的其余注浆孔(或另行挖设)，其深度不浅于待检测区域，且与目标注浆孔40之间的距离为浆液预估最大扩散距离的1-3倍。

在本实施例中，检测电极221和供电电极321结构相同，为如图2所示的串状电极，包括电极主芯71、逐层套设在该电极主芯71外的多层金属网72以及提供支撑作用的电极支架73，该串状电极通过电极引线74与电缆连通。

在本实施例中，金属网72的网格间隙控制在0.5mm-2mm之间，每层金属网72之间的层隙控制在1mm-3mm之间。

在其他实施例中，为控制成本，可以采用纯铜或不锈钢等导体制成的柱状或块状电极代替上述的串状电极。

由于第二供电电缆32和第二测量电缆22上会连接多个上述串状电极，同时可能会在同一时间为第二供电电缆32上的其中一个供电，因此采用的电缆如图3所示，其由多根金属线捻制成螺旋状，用以增强线缆的强度和柔韧性，并且每根金属线之间互相绝缘。

应当注意的是，单根电缆中金属线数量至少应等于连接于该条电缆中的串状电极的数量，每个串状电极连接其中一根金属线，并且彼此绝缘，通过供电系统20的内部程序可随时切换供电电极321的通断。

可以想到的是，考虑到运输和施工情况，单条电缆中的金属线数量以及可串联的串状电极数量受限，因此当布设的串状电极超过单根电缆串联数量上限时，需要在孔中增设电缆，并将超过上限的串状电极串设在不同的电缆上，以满足施工和检测需求。

而对于第一供电电缆31，由于其不连接串状电极，同时为提高测量效果，需要进一步减小其与周围介质的接触电阻并保持电缆上各点等电位。因此第一供电电缆31直接裸露，电缆内芯彼此之间不绝缘，并且在外围缠绕有单层或数层金属网72，提高接触效果。

同时，为避免极化效应，所有连接电缆(包括供电电缆和检测电缆)均采用纯铜、不锈钢等不极化导体制作。其中，为降低成本，第一供电电缆31可以直接采用钢丝绳。

易于想到的是，上述串状电极同样采用铜、不锈钢等不极化导体制作。

供电系统30采用直流恒流源或恒压源，并且具备供电电极自动切换装置(图未示)，可根据测量需求在电极A(第一供电电缆31)和电极B(第二供电电缆32)之间切换极性。

测量系统20可同时测量测量电极M(电极A)和电极N之间的电压和电流，其内部包含多通道测量系统可切换不同测量电极N，用于多测量电极的并行测量，必要时可只包含单通道并轮询测量。同时该测量系统20具备协调供电系统30进行定时或不间断测量的功能。

处理系统10根据不同时刻供电系统30的电压电流、测量系统测得的不同电极间电压电流、电极距、检测孔检测信息实时计算浆液的扩散范围，并进行信息的储存和显示。

在此详述对应于上述检测系统100的注浆浆液范围实时检测方法，主要步骤包括：在目标注浆孔内布设所述的第一供电电极，第一供电电极的末端延伸至待充填区域；获取测量电极和第一供电电极之间的电性号，或获取测量电极和第二供电电极之间的电性号。

在测量前先布置系统100，选择目标注浆孔40，将裸露的第一供电电缆31(电极A和电极M)置入目标注浆孔40内并连通至底部，根据现场情况选择供电孔50和检测孔60，在供电孔50布设相应的第二供电电缆32和供电电极321(电极B)，在检测孔60布设第二检测电缆22和检测电极221(电极N)。

之后进行检测步骤，具体包括：

S1、在不通电情况下分别测量电极M和各个电极N之间的电流和电压。

S2、对第一供电电极(电极A)和第二供电电极(电极B)上的单个或多个串状电极依次执行通电和断电操作，测量检测电极(电极N)上所有串状电极与第一供电电极(电极M)之间的电流和电压，直至第二供电电极上所有串状电极均执行过通电操作；

S3、注浆，并重复步骤S2。

由于地表具有微弱的电信号，因此通过步骤S1测量地表信号进行校准。

将所有数据传输至处理系统10，分别计算测线剖面的自然电位、电阻率和极化率并进行记录。

优选的，为避免极化，在步骤S2和S3中单次通电和断电时间不小于300ms。

通过重复通电和断电，在所有电极B均执行过通电操作(地表信号校准)后进行注浆，在注浆过程中根据施工要求以一定间隔重复执行通电和断电操作，并且对电极M和电极N之间的信号进行检测。在精度要求较高时，可以进行持续或全程检测。

应当理解的是，极化效应需要液体作为电解质，当地下水分较少，环境比较干燥时，极化效应较弱，此时在检测过程中供电系统20可以保持电极A和电极B在其中一极性不切换，即为图4中上图所示的供电断电方式，其中电极A或电极B只存在正(负)电位以及零电位；当地下环境水分较高或刚下过雨后，极化效应比较严重，为抵消天然场和电极本身存在的极化效应，此时需要在每次通电和断电过程中对电极A和电极B进行极性切换，即为图4中下图所示的供电断电方式，图中电极A和电极B在正电位、零电位和负电位之间循环切换。

为应对复杂的施工场地，当选择采用无穷远电极B或者在供电孔60中布设裸露电缆作为电极B时，由于不需要在多个供电电极321之间切换，只需在第一供电电缆32和第二供电电缆32之间进行执行供电断电操作，因而简化了操作步骤，缩短了总循环时间。

处理系统10对每次测量得到的自然电位、电阻率、极化率和注浆前测量结果进行差值对比，变化率远大于整体变化率的部分即为浆液扩散范围，此阈值与待注浆区域充水条件有关，充水量越低阈值越小，但是一般在2倍以上。当注浆量持续上升、注浆压力和测量成果基本不变时，可判断出现较大裂隙或通道，其位置略小于测量成果中最远扩散距离。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种注浆浆液扩散范围实时检测系统，其特征在于，包括第一供电电极、第二供电电极以及布设在第一供电电极和第二供电电极之间的测量电极，所述第一供电电极采用导电线缆，该导电线缆在其长度方向上电位相同。

2.如权利要求1所述的注浆浆液扩散范围实时检测系统，其特征在于，

所述导电线缆包括内芯和包覆在所述内芯外的金属网状外层，所述内芯为单根导电金属体或由多股金属线捻制而成。

3.如权利要求1所述的注浆浆液扩散范围实时检测系统，其特征在于，所述第二供电电极采用串状电极，包括间隔设置的且可独立进行供电的多个供电电极，相邻两个所述供电电极之间的间距为0.5m-2m。

4.如权利要求3所述的注浆浆液扩散范围实时检测系统，其特征在于，每个所述供电电极分别包括电极主芯、电极支架和逐层套设于所述电极主芯外侧的多层金属网，所述电极支架连接于所述电极主芯和多层金属网之间，所述金属网的网格间隙为0.5mm-2mm，相邻的所述金属网之间的层隙为1mm-3mm。

5.如权利要求1所述的注浆浆液扩散范围实时检测系统，其特征在于，所述第二供电电极为无穷远供电电极，或所述第二供电电极采用导电线缆，该导电线缆在其长度方向上电位相同。

6.如权利要求1所述的注浆浆液扩散范围实时检测系统，其特征在于，所述测量电极采用串状电极，包括间隔设置的且可独立进行测量的多个测量电极，相邻两个所述测量电极之间的间距为0.2m-1m。

7.如权利要求6所述的注浆浆液扩散范围实时检测系统，其特征在于，每个所述测量电极分别包括电极主芯、电极支架和逐层套设于所述电极主芯外侧的多层金属网，所述电极支架连接于所述电极主芯和多层金属网之间，所述金属网的网格间隙为0.5mm-2mm，相邻的所述金属网之间的层隙为1mm-3mm。

8.一种采用权利要求1至7任一所述系统的实时检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

在目标注浆孔内布设所述的第一供电电极，第一供电电极的末端延伸至待充填区域；

获取测量电极和第一供电电极之间的电性号，或获取测量电极和第二供电电极之间的电性号。

9.如权利要求8所述的实时检测方法，其特征在于，分别在检测孔和供电孔内布设所述的测量电极和第二供电电极，目标注浆孔、检测孔和供电孔位于同一直线上，所述供电孔的深度大于或等于所述目标注浆孔深度的15％。

10.如权利要求8所述的实时检测方法，其特征在于，电信号获取方法包括以下步骤：

S1、在第一供电电极和第二供电电极不通电情况下测量所有检测电极上串状电极与第一供电电极之间的电流和电压；

S2、对第一供电电极和第二供电电极上的单个或多个串状电极依次执行通电和断电操作，测量检测电极上所有串状电极与第一供电电极之间的电流和电压，直至第二供电电极上所有串状电极均执行过通电操作；

S3、注浆，并重复步骤S2。