CN117073918A - 矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法，该系统包括充填模拟承压系统、电位采集系统、充气排气系统。本发明在实验室条件下模拟实际二氧化碳封存阶段、维护阶段，在填充体的表面以及岩石内腔的壁面布置电极，实时监测电位信号，提取不同电位测点处的电位波动振幅的时间序列，采用反距离权重插值法对岩壁及充填体空间进行插值，对每个空间位置的电位波动振幅时间序列添加时窗，并采用模糊C均值聚类方法进行处理，实现对二氧化碳充填以及维护期间隐藏泄露源的电位异常感应及准确判识。本发明操作简便，监测效果好，可在不影响二氧化碳封存效果的情况下实现岩体应力损伤的有效监测和气体泄漏源位置的精准定位。
Description
技术领域
本发明涉及巷道围岩稳定技术领域，具体涉及一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法。
背景技术
随着碳排放的增加，全球气候变暖、海平面升高等一系列问题对人类的生存产生了严重而深远的影响，因此，多国采取二氧化碳封存措施以实现“碳达峰、碳中和”的发展目标，如何将二氧化碳持久稳定的封存以及实现封存维护期间安全高效的监测和预警成为目前研究的热点问题。近年来，采矿活动产生了很多废弃矿井，这些废弃矿井一般位于数百米甚至上千米的地下，其垮塌的采空区具有大量的孔裂隙，含有的碱性盐溶液可以对二氧化碳进行吸附和溶解，为二氧化碳的赋存提供了良好的密闭空间。矿山二氧化碳封存技术被认为具有巨大潜力且已经成功应用在煤矿现场，然而封存效果和监测稳定状态在封存维护阶段至关重要。以往常采用温度、pH值、声发射等指标方法作为监测二氧化碳封存状态的有效手段，这些监测方法虽然可以实现对封存状态出现异常时做出响应，但是容易受环境的影响，且常常无法及时做出有效的预测信息，因此急需研究新的监测手段以补充现有方法的缺陷。
自然电位是一种可靠的监测手段，可以接收到岩石损伤断裂和含水状态等重要信息。在二氧化碳泄漏源处，由于气流的流动导致二氧化碳置换周围煤岩体内的水分而改变煤岩体孔裂隙中的液气含量比，而自然电位可以对之做出明显的反应，因此可用于二氧化碳封存监测中。目前在室内实验研究方面，用于模拟煤矿二氧化碳封存过程中泄漏状况相应的试验系统鲜少耳闻，且无法真实模拟实际矿山环境。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于自然电信号的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，包括充填模拟承压系统、电位采集系统、充气排气系统：
充填模拟承压系统包括右端开口的承压缸，承压缸右端设有密封盖，承压缸内部设有带空腔的岩石，空腔内设有碎石，岩石一端开口，岩石开口端设有填充体，填充体上设有一个用于模拟泄漏通道的缺口，承压缸上部设有能够对岩石施加应力的压盘；
电位采集系统包括电位采集仪、正电极、负电极、屏蔽双绞线，正电极以阵列方式布置在填充体的内表面、外表面以及岩石内腔的壁面上，负电极设置在填充体的外表面上，正电极、负电极均与屏蔽双绞线连接，屏蔽双绞线贯穿密封盖上设置的通线孔并与电位采集仪连接，
充气排气系统包括二氧化碳气瓶、废气回收气瓶、主管路、第一支管路、第二支管路、第三支管路、第四支管路，二氧化碳气瓶上设有压力表，主管路一端与废气回收气瓶连接、另一端与第一支管路连接，第一支管路贯穿密封盖上设置的通管孔并与缺口连接，第二支管路一端与主管路连接、另一端贯穿承压缸左侧侧壁，第三支管路一端与主管路连接、另一端贯穿承压缸、岩石左侧侧壁，第四支管路一端与二氧化碳气瓶连接、另一端与第三支管路连接，第二支管路上设有第一抽气泵、第三阀门，主管路靠近废气回收气瓶的一端设有第二阀门，第四支管路上设有第一阀门，第三支管路上设有第二抽气泵、压力传感器，第一支管路上设有微量调节阀。
优选地，承压缸和密封盖螺栓连接，以保持承压缸内部气密性。
优选地，压盘底部设有绝缘板。
优选地，屏蔽双绞线与通线孔之间的空隙、第一支管路与通管孔之间的空隙均用胶水进行封堵，以保持承压缸内部气密性。
本发明还提供一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统的检测方法，包括：
S1：将开有岩石、碎石和填充体浸入有0.1mol/L～2mol/L浓度的盐溶液中直至完全浸透，之后把岩石取出放入承压缸中，碎石放置在空腔内；在填充体的内表面、外表面以及岩石内腔的壁面上布置正电极阵列，正电极位置作为电位测点，在填充体的外表面上布置负电极，采用聚氨酯封孔剂对填充体与岩石之间的缝隙进行填充，将承压缸和密封盖连接，保持承压缸内部气密性；
S2：通过压盘对岩石施加背景应力，电位采集仪记录各个电位测点处的电位值作为自然状态下岩石承载变形的电位值；
S3：通过压盘对岩石施加预设的应力，打开第一阀门，关闭第二阀门、第三阀门、微量调节阀向空腔中充入二氧化碳，二氧化碳充入空腔过程为封存阶段；通过压力传感器观测空腔中的气体压力，在空腔中的二氧化碳气压达到5MPa时关闭第一阀门，停止充入二氧化碳，进入维护阶段；电位采集仪实时记录封存阶段、维护阶段电位信号的变化响应；
S4：电位采集仪实时分析在封存阶段、维护阶段中的电位信号的强度变化，绘制二维电位响应云图，若电位强度值降低至小于警报阈值，表示存在气体泄漏的危险；
S5：打开第二阀门、微量调节阀，空腔中的二氧化碳气体从缺口通过第一支管路进入废气回收气瓶，模拟自然泄漏状态；
S6：提取所有电位测点实时记录的电位信号特征参数，计算电位波动振幅AV，电位波动振幅AV计算公式如下：
AV＝|Vf+1-Vf|
式中，Vf+1为第f+1时刻的电位强度，Vf为第f时刻的电位强度；
S7：采用反距离权重插值法对岩石壁面二维空间和填充体三维空间的未知特征参数值进行预测得到二维或三维电位分布图，将每个空间位置处的电位波动振幅的时间序列通过时窗划分为多个子时间序列，结合空间分量得到子时空序列；采用模糊C均值聚类方法对不同时窗中的子时空序列进行分析，并得到每个时窗的聚类中心和隶属度矩阵；通过与前面的正常运行状态的数据进行比较得到每个子时空序列的异常度值，再依据隶属度矩阵对时窗中的每个聚类赋予相对异常度值，可依据不同空间位置处的待测时窗中从属聚类的相对异常度值的大小判断充填岩体是否处于正常状态；计算任一空间位置处时窗聚类的平均相对异常概率值，从而绘制出实时采集状态下的二维或三维电位空间异常概率分布图；
S8：更换岩石或者改变压盘对岩石施加的应力数值，重复执行步骤S1-S7；
S9：试验结束后打开第二阀门、第三阀门、第一抽气泵、第二抽气泵，关闭微量调节阀，将充填模拟承压系统中的气体全部抽入废气回收气瓶中以避免污染环境，之后将岩石和填充体取出，对比分析步骤S7中判识获得的异常区域与岩石和填充体上的损伤泄漏位置；依据电位波动振幅时空序列绘制的二维或三维电位空间异常概率分布图像实现对封存岩体质量评估的有效监测和预警。
优选地，步骤S5中，子时空序列计算的具体步骤为：
将电位波动振幅的时间序列TA作为模糊C均值聚类方法的时间分量，结合其空间分量组成时空序列QA＝{q1,q2,……,qN}，对于第i个电位信号时空数据qi，其表达式为：
qi＝[qi(s)|qi(t)]＝[qi1(s),…,qia(s)|qi1(t),…,qib(t)]T
其中，qi(s)和qi(t)分别为数据的空间分量和时间分量，qia(s)为第i个数据空间分量的第a个组成元素，a＝2代表二维空间，a＝3代表三维空间，qjb(s)为第i个数据时间分量的第b个组成元素；
对时空序列QA添加时窗可获得子时序列，设置时窗长度为L，取单位时长，则第m个时窗中的时间维数为[((m-1)*L+1),(m*L)]，第m个时窗中的第i个电位信号时空数据qi的子时空序列qim的表达式为：
qim＝[qi1(s),…,qia(s)|qi((m-1)*L+1)(t),…,qi(m*L)(t)]T
优选地，步骤S5中，模糊C均值聚类方法计算过程具体包括：
采用拉格朗日乘子法求解模糊C均值聚类的目标函数的最小值，得到聚类中心，通过引入拉格朗日乘子λ组成目标函数的表达式为：
式中，e为聚类的簇数，C为聚类中心数，N为样本数，ci为第i个聚类中心，隶属度矩阵uij为时空数据qj对第i个聚类中心ci的隶属度，||qj-ci||2为采用欧式距离表征的数据相似度，||qj-ci||2＝||qj(s)-ci(s)||2+ξ||qj(t)-ci(t)|2，ξ为时间分量占比，ci(s)为第i个聚类中心对应的空间分量，ci(t)为第i个聚类中心对应的时间分量；
依据目标函数求偏导得到第i个聚类中心ci和隶属度矩阵uij，计算公式为：
式中，cr为第r个聚类中心，且满足1≤r≤C；
设置误差阈值ε，对目标函数进行迭代，直至满足终止条件后停止迭代：
式中，为第t+1次迭代中得到的第i个聚类中心，/>为第t次迭代中得到的第i个聚类中心；
利用得到的聚类中心和隶属度矩阵对电位信号的时空数据qi进行重新赋值，得到重组时空数据
采用重组误差E(ξ)对聚类效果进行评估，找到使其达到最小时的ξ值：
定义第i个电位信号的时空数据qi在时窗Wm中的子时空序列qim为待检测数据，用下式计算子时空序列qim的相对异常度值：
ηim＝||qim-qiκ||2
式中，ηim为第m个时窗中第i个电位信号子时空序列的相对异常度值，1≤k≤m-1，Wk表示在时窗Wm之前的某一时窗，即将时窗Wm中待检测的子时空序列qim与其之前处于正常状态或者工作状态期间的子时空序列qik进行比较，通过相对异常度值ηim判断封存及维护期间某段时间的岩石壁面及充填体是否处于正常状态；
进一步对时窗Wm中的每个聚类中心对应的相对异常度值进行计算和标准化处理，即对时窗Wm中的每个子序列对应的相对异常度值进行加权平均，计算公式为：
当越大时，表示时窗Wm中的从属第r类的子序列出现较高的相对异常值，代表岩石壁面和充填体存在危险隐患的可能性越大，反之亦然；设置警报阈值Φ＝0.8，当/>时进行报警，表明充填体极有可能出现泄漏异常。
优选地，步骤S5中，在岩壁的二维空间分量(xp,yp)或填充体的三维空间分量(xk,yk,zk)处采集到的电位信号时序序列的时窗Wm中所有聚类中心的平均相对异常概率值θm的计算公式为：
空间中任意位置处的相对异常概率值赋值向量可用下式表示，从而绘制出实时二维或三维电位空间异常概率分布图：
时窗Wm中待检测的子时空序列数据qim为电位波动振幅时间序列中实时采集到的最新时空数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法，通过在实验室中采用泄漏源实时检测系统，可对岩体施加压力以及向其内部加入气压，真实模拟矿山采空区封存二氧化碳的环境状态，克服以往无法在实验室中实现岩石腔体加压的限制；利用二氧化碳封存过程及维护阶段泄漏状态时的自然电位特征，进行接触式的自然电位监测，可实时监测煤岩体和充填体的封存效果，可抵抗矿山复杂环境的干扰，在不影响二氧化碳封存效果的情况下对矿山采空区进行封存效果评估和泄漏判识。
2、本发明既可在实验室内模拟不同单轴加载方案以及预制泄漏缺口条件下的封存稳定性监测，也可直接应用于现场矿山采空区封存工程，实时监测封存区域的稳定性并判识泄漏通道。
3、本发明采用自然电位信号对二氧化碳封存过程以及维护阶段泄漏事故进行实时监测，实现对矿山二氧化碳封存全周期的监测及预警，实时记录的自然电位信号可精准定位二氧化碳泄漏位置及泄漏路径，为二氧化碳封存的质量评估及泄漏危险的预警提供有力支撑。
4、本发明对电位波动振幅的时间序列添加时窗，并采用模糊C均值聚类方法进行处理，实现对二氧化碳充填及维护期间隐蔽泄露源进行准确判识和及时预警。通过将异常状态的演化过程通过基于隶属度矩阵绘制的实时二维或三维电位空间异常概率分布图进行表征和判断，实现灾变状态数据的可视化，提高危险区域的判识精度。
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为基于自然电信号的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统结构示意图。
图2为岩石结构示意图。
图中：1-岩石，2-填充体，3-空腔，4-缺口，5-正电极，6-负电极，7-二氧化碳气瓶，8-压力表，9-碎石，10-废气回收气瓶，11-微量调节阀，12-承压缸，13-密封盖，14-压力传感器，15-压盘，16-主管路，17-第一支管路，18-第二支管路，19-第三支管路，20-第四支管路，21-电位采集仪，23-第一抽气泵，24-第二抽气泵，25-屏蔽双绞线，26-通线孔，27-通管孔，28-第一阀门，29-第二阀门，30-第三阀门。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
如图1-2所示，一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，包括充填模拟承压系统、电位采集系统、充气排气系统，充填模拟承压系统包括右端开口的承压缸12，承压缸12右端设有密封盖13，承压缸12和密封盖13螺栓连接，以保持承压缸12内部气密性，承压缸12内部设有带空腔3的岩石1，空腔3内设有碎石9，岩石1一端开口，岩石1开口端设有填充体2，填充体2上设有一个用于模拟泄漏通道的缺口4，承压缸12上部设有能够对岩石1施加应力模拟地应力环境的压盘15；压盘15底部设有绝缘板；电位采集系统包括电位采集仪21、正电极5、负电极6、屏蔽双绞线25，正电极5以阵列方式布置在填充体2的内表面、外表面以及岩石1内腔的壁面上，负电极6设置在填充体2的外表面上，正电极5、负电极6均与屏蔽双绞线25连接，屏蔽双绞线25贯穿密封盖13上设置的通线孔26并与电位采集仪21连接，充气排气系统包括二氧化碳气瓶7、废气回收气瓶10、主管路16、第一支管路17、第二支管路18、第三支管路19、第四支管路20，二氧化碳气瓶7上设有压力表8，主管路16一端与废气回收气瓶10连接、另一端与第一支管路17连接，第一支管路17贯穿密封盖13上设置的通管孔27并与缺口4连接，第二支管路18一端与主管路16连接、另一端贯穿承压缸12左侧侧壁，第三支管路19一端与主管路16连接、另一端贯穿承压缸12、岩石1左侧侧壁，第四支管路20一端与二氧化碳气瓶7连接、另一端与第三支管路19连接，第二支管路18上设有第一抽气泵23、第三阀门30，主管路16靠近废气回收气瓶10的一端设有第二阀门29，第四支管路20上设有第一阀门28，第三支管路19上设有第二抽气泵24、压力传感器14，第一支管路17上设有微量调节阀11。屏蔽双绞线25与通线孔26之间的空隙、第一支管路17与通管孔27之间的空隙均用胶水进行封堵，以保持承压缸12内部气密性。
本发明还提供一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统的检测方法，包括：
S1：将开有岩石1、碎石9和填充体2浸入有0.1mol/L～2mol/L浓度的盐溶液中直至完全浸透，之后把岩石1取出放入承压缸12中，碎石9放置在空腔3内，碎石9模拟真实采空区的环境；在填充体2的内表面、外表面以及岩石1内腔的壁面上布置正电极5阵列，正电极5位置作为电位测点，在填充体2的外表面上布置负电极6，采用聚氨酯封孔剂对填充体2与岩石1之间的缝隙进行填充，将承压缸12和密封盖13连接，保持承压缸12内部气密性；
S2：通过压盘15对岩石1施加背景应力，电位采集仪21记录各个电位测点处的电位值作为自然状态下岩石1承载变形的电位值；
S3：通过压盘15对岩石1施加预设的应力，打开第一阀门28，关闭第二阀门29、第三阀门30、微量调节阀11向空腔3中充入二氧化碳，二氧化碳充入空腔3过程为封存阶段；通过压力传感器14观测空腔3中的气体压力，在空腔3中的二氧化碳气压达到5MPa时关闭第一阀门28，停止充入二氧化碳，进入维护阶段；电位采集仪21实时记录封存阶段、维护阶段电位信号的变化响应；
S4：电位采集仪21实时分析在封存阶段、维护阶段中的电位信号的强度变化，绘制二维电位响应云图，气流的流动会置换周围岩体中的水分而引发电位信号的变化，若电位强度值降低至小于警报阈值，表示存在气体泄漏的危险；
S5：打开第二阀门29、微量调节阀11，空腔3中的二氧化碳气体从缺口4通过第一支管路17进入废气回收气瓶10，模拟自然泄漏状态；
S6：提取所有电位测点实时记录的电位信号特征参数，计算电位波动振幅AV，电位波动振幅AV计算公式如下：
AV＝|Vi+1-Vi|
式中，Vi+1为第i+1时刻的电位强度，Vi为第i时刻的电位强度；
S7：采用反距离权重插值法对岩石壁面二维空间和填充体三维空间的未知特征参数值进行预测得到二维或三维电位分布图，将每个空间位置处的电位波动振幅的时间序列通过时窗划分为多个子时间序列，结合空间分量得到子时空序列；采用模糊C均值聚类方法对不同时窗中的子时空序列进行分析，并得到每个时窗的聚类中心和隶属度矩阵；通过与前面的正常运行状态的数据进行比较得到每个子时空序列的异常度值，再依据隶属度矩阵对时窗中的每个聚类赋予相对异常度值，可依据不同空间位置处的待测时窗中从属聚类的相对异常度值的大小判断充填岩体是否处于正常状态；计算任一空间位置处时窗聚类的平均相对异常概率值，从而绘制出实时采集状态下的二维或三维电位空间异常概率分布图；
S8：更换岩石1或者改变压盘15对岩石1施加的应力数值，重复执行步骤S1-S7；
S9：试验结束后打开第二阀门29、第三阀门30、第一抽气泵23、第二抽气泵24，关闭微量调节阀11，将充填模拟承压系统中的气体全部抽入废气回收气瓶10中以避免污染环境，之后将岩石1和填充体2取出，对比分析步骤S7中判识获得的异常区域与岩石1和填充体2上的损伤泄漏位置；依据电位波动振幅时空序列绘制的二维或三维电位空间异常概率分布图像实现对封存岩体质量评估的有效监测和预警。
子时空序列计算的具体步骤为：
将电位波动振幅的时间序列TA作为模糊C均值聚类方法的时间分量，结合其空间分量组成时空序列QA＝{q1,q2,……,qN}，对于第i个电位信号时空数据qi，其表达式为：
qi＝[qi(s)|qi(t)]＝[qi1(s),…,qia(s)|qi1(t),…,qib(t)]T
其中，qi(s)和qi(t)分别为数据的空间分量和时间分量，qia(s)为第i个数据空间分量的第a个组成元素，a＝2代表二维空间，a＝3代表三维空间，qjb(s)为第i个数据时间分量的第b个组成元素；
对时空序列QA添加时窗可获得子时序列，设置时窗长度为L，取单位时长，则第m个时窗中的时间维数为[((m-1)*L+1),(m*L)]，第m个时窗中的第i个电位信号时空数据qi的子时空序列qim的表达式为：
qim＝[qi1(s),…,qia(s)|qi((m-1)*L+1)(t),…,qi(m*L)(t)]T。
模糊C均值聚类方法计算过程具体包括：
采用拉格朗日乘子法求解模糊C均值聚类的目标函数的最小值，得到聚类中心，通过引入拉格朗日乘子λ组成目标函数的表达式为：
式中，e为聚类的簇数，C为聚类中心数，N为样本数，ci为第i个聚类中心，隶属度矩阵uij为时空数据qj对第i个聚类中心ci的隶属度，||qj-ci||2为采用欧式距离表征的数据相似度，||qj-ci||2＝||qj(s)-ci(s)||2+ξ||qj(t)-ci(t)|2，ξ为时间分量占比，ci(s)为第i个聚类中心对应的空间分量，ci(t)为第i个聚类中心对应的时间分量；
依据目标函数求偏导得到第i个聚类中心ci和隶属度矩阵uij，计算公式为：
式中，cr为第r个聚类中心，且满足1≤r≤C；
设置误差阈值ε，对目标函数进行迭代，直至满足终止条件后停止迭代：
式中，为第t+1次迭代中得到的第i个聚类中心，/>为第t次迭代中得到的第i个聚类中心；
利用得到的聚类中心和隶属度矩阵对电位信号的时空数据qi进行重新赋值，得到重组时空数据
采用重组误差E(ξ)对聚类效果进行评估，找到使其达到最小时的ξ值：
定义第i个电位信号的时空数据qi在时窗Wm中的子时空序列qim为待检测数据，用下式计算子时空序列qim的相对异常度值：
ηim＝||qim-qiκ||2
式中，ηim为第m个时窗中第i个电位信号子时空序列的相对异常度值，1≤k≤m-1，Wk表示在时窗Wm之前的某一时窗，即将时窗Wm中待检测的子时空序列qim与其之前处于正常状态或者工作状态期间的子时空序列qik进行比较，通过相对异常度值ηim判断封存及维护期间某段时间的岩石壁面及充填体是否处于正常状态；
进一步对时窗Wm中的每个聚类中心对应的相对异常度值进行计算和标准化处理，即对时窗Wm中的每个子序列对应的相对异常度值进行加权平均，计算公式为：
当越大时，表示时窗Wm中的从属第r类的子序列出现较高的相对异常值，代表岩石壁面和充填体存在危险隐患的可能性越大，反之亦然；设置警报阈值Φ＝0.8，当/>时进行报警，表明充填体极有可能出现泄漏异常。
在岩壁的二维空间分量(xp,yp)或填充体的三维空间分量(xk,yk,zk)处采集到的电位信号时序序列的时窗Wm中所有聚类中心的平均相对异常概率值θm的计算公式为：
空间中任意位置处的相对异常概率值赋值向量可用下式表示，从而绘制出实时二维或三维电位空间异常概率分布图：
时窗Wm中待检测的子时空序列数据qim为电位波动振幅时间序列中实时采集到的最新时空数据。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，包括充填模拟承压系统、电位采集系统、充气排气系统，其特征在于：
充填模拟承压系统包括右端开口的承压缸(12)，承压缸(12)右端设有密封盖(13)，承压缸(12)内部设有带空腔(3)的岩石(1)，空腔(3)内设有碎石(9)，岩石(1)一端开口，岩石(1)开口端设有填充体(2)，填充体(2)上设有一个用于模拟泄漏通道的缺口(4)，承压缸(12)上部设有能够对岩石(1)施加应力的压盘(15)；
电位采集系统包括电位采集仪(21)、正电极(5)、负电极(6)、屏蔽双绞线(25)，正电极(5)以阵列方式布置在填充体(2)的内表面、外表面以及岩石(1)内腔的壁面上，负电极(6)设置在填充体(2)的外表面上，正电极(5)、负电极(6)均与屏蔽双绞线(25)连接，屏蔽双绞线(25)贯穿密封盖(13)上设置的通线孔(26)并与电位采集仪(21)连接，
充气排气系统包括二氧化碳气瓶(7)、废气回收气瓶(10)、主管路(16)、第一支管路(17)、第二支管路(18)、第三支管路(19)、第四支管路(20)，二氧化碳气瓶(7)上设有压力表(8)，主管路(16)一端与废气回收气瓶(10)连接、另一端与第一支管路(17)连接，第一支管路(17)贯穿密封盖(13)上设置的通管孔(27)并与缺口(4)连接，第二支管路(18)一端与主管路(16)连接、另一端贯穿承压缸(12)左侧侧壁，第三支管路(19)一端与主管路(16)连接、另一端贯穿承压缸(12)、岩石(1)左侧侧壁，第四支管路(20)一端与二氧化碳气瓶(7)连接、另一端与第三支管路(19)连接，第二支管路(18)上设有第一抽气泵(23)、第三阀门(30)，主管路(16)靠近废气回收气瓶(10)的一端设有第二阀门(29)，第四支管路(20)上设有第一阀门(28)，第三支管路(19)上设有第二抽气泵(24)、压力传感器(14)，第一支管路(17)上设有微量调节阀(11)。
2.根据权利要求1所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，其特征在于，承压缸(12)和密封盖(13)螺栓连接，以保持承压缸(12)内部气密性。
3.根据权利要求1所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，其特征在于，压盘(15)底部设有绝缘板。
4.根据权利要求1所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，其特征在于，屏蔽双绞线(25)与通线孔(26)之间的空隙、第一支管路(17)与通管孔(27)之间的空隙均用胶水进行封堵，以保持承压缸(12)内部气密性。
5.权利要求1-4任一所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统的检测方法，其特征在于，包括：
S1：将开有空腔的岩石(1)、碎石(9)和填充体(2)浸入有0.1mol/L～2mol/L浓度的盐溶液中直至完全浸透，之后把岩石(1)取出放入承压缸(12)中，碎石(9)放置在空腔(3)内；在填充体(2)的内表面、外表面以及岩石(1)内腔的壁面上布置正电极(5)阵列，正电极(5)位置作为电位测点，在填充体(2)的外表面上布置负电极(6)，采用聚氨酯封孔剂对填充体(2)与岩石(1)之间的缝隙进行填充，将承压缸(12)和密封盖(13)连接，保持承压缸(12)内部气密性；
S2：通过压盘(15)对岩石(1)施加背景应力，电位采集仪(21)记录各个电位测点处的电位值作为自然状态下岩石(1)承载变形的电位值；
S3：通过压盘(15)对岩石(1)施加预设的应力，打开第一阀门(28)，关闭第二阀门(29)、第三阀门(30)、微量调节阀(11)向空腔(3)中充入二氧化碳，二氧化碳充入空腔(3)过程为封存阶段；通过压力传感器(14)观测空腔(3)中的气体压力，在空腔(3)中的二氧化碳气压达到5MPa时关闭第一阀门(28)，停止充入二氧化碳，进入维护阶段；电位采集仪(21)实时记录封存阶段、维护阶段电位信号的变化响应；
S4：电位采集仪(21)实时分析在封存阶段、维护阶段中的电位信号的强度变化，绘制二维电位响应云图，若电位强度值降低至小于警报阈值，表示存在气体泄漏的危险；
S5：打开第二阀门(29)、微量调节阀(11)，空腔(3)中的二氧化碳气体从缺口(4)通过第一支管路(17)进入废气回收气瓶(10)，模拟自然泄漏状态；
S6：提取所有电位测点实时记录的电位信号特征参数，计算电位波动振幅AV，电位波动振幅AV计算公式如下：
AV＝|Vf+1-Vf|
式中，Vf+1为第f+1时刻的电位强度，Vf为第f时刻的电位强度；
S7：采用反距离权重插值法对岩石壁面二维空间和填充体三维空间的未知特征参数值进行预测得到二维或三维电位分布图，将每个空间位置处的电位波动振幅的时间序列通过时窗划分为多个子时间序列，结合空间分量得到子时空序列；采用模糊C均值聚类方法对不同时窗中的子时空序列进行分析，并得到每个时窗的聚类中心和隶属度矩阵；通过与前面的正常运行状态的数据进行比较得到每个子时空序列的异常度值，再依据隶属度矩阵对时窗中的每个聚类赋予相对异常度值，可依据不同空间位置处的待测时窗中从属聚类的相对异常度值的大小判断充填岩体是否处于正常状态；计算任一空间位置处时窗聚类的平均相对异常概率值，从而绘制出实时采集状态下的二维或三维电位空间异常概率分布图；
S8：更换岩石(1)或者改变压盘(15)对岩石(1)施加的应力数值，重复执行步骤S1-S7；
S9：试验结束后打开第二阀门(29)、第三阀门(30)、第一抽气泵(23)、第二抽气泵(24)，关闭微量调节阀(11)，将充填模拟承压系统中的气体全部抽入废气回收气瓶(10)中以避免污染环境，之后将岩石(1)和填充体(2)取出，对比分析步骤S7中判识获得的异常区域与岩石(1)和填充体(2)上的损伤泄漏位置；依据电位波动振幅时空序列绘制的二维或三维电位空间异常概率分布图像实现对封存岩体质量评估的有效监测和预警。
6.权利要求5所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统的检测方法，其特征在于，步骤S5中，子时空序列计算的具体步骤为：
将电位波动振幅的时间序列TA作为模糊C均值聚类方法的时间分量，结合其空间分量组成时空序列QA＝{q1,q2,……,qN}，对于第i个电位信号时空数据qi，其表达式为：
qi＝[qi(s)|qi(t)]＝[qi1(s),…,qia(s)|qi1(t),…,qib(t)]T
其中，qi(s)和qi(t)分别为数据的空间分量和时间分量，qia(s)为第i个数据空间分量的第a个组成元素，a＝2代表二维空间，a＝3代表三维空间，qjb(s)为第i个数据时间分量的第b个组成元素；
对时空序列QA添加时窗可获得子时序列，设置时窗长度为L，取单位时长，则第m个时窗中的时间维数为[((m-1)*L+1),···,(m*L)]，第m个时窗中的第i个电位信号时空数据qi的子时空序列qim的表达式为：
qim＝[qi1(s),…,qia(s)|qi((m-1)*L+1)(t),…,qi(m*L)(t)]T
7.权利要求5所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统的检测方法，其特征在于，步骤S5中，模糊C均值聚类方法计算过程具体包括：
采用拉格朗日乘子法求解模糊C均值聚类的目标函数的最小值，得到聚类中心，通过引入拉格朗日乘子λ组成目标函数的表达式为：
式中，e为聚类的簇数，C为聚类中心数，N为样本数，ci为第i个聚类中心，隶属度矩阵uij为时空数据qj对第i个聚类中心ci的隶属度，||qj-ci||2为采用欧式距离表征的数据相似度，||qj-ci||2＝||qj(s)-ci(s)||2+ξ||qj(t)-ci(t)||2，ξ为时间分量占比，ci(s)为第i个聚类中心对应的空间分量，ci(t)为第i个聚类中心对应的时间分量；
依据目标函数求偏导得到第i个聚类中心ci和隶属度矩阵uij，计算公式为：
式中，cr为第r个聚类中心，且满足1≤r≤C；
设置误差阈值ε，对目标函数进行迭代，直至满足终止条件后停止迭代：
式中，为第t+1次迭代中得到的第i个聚类中心，/>为第t次迭代中得到的第i个聚类中心；
利用得到的聚类中心和隶属度矩阵对电位信号的时空数据qi进行重新赋值，得到重组时空数据
采用重组误差E(ξ)对聚类效果进行评估，找到使其达到最小时的ξ值：
定义第i个电位信号的时空数据qi在时窗Wm中的子时空序列qim为待检测数据，用下式计算子时空序列qim的相对异常度值：
ηim＝||qim-qiκ||2
式中，ηim为第m个时窗中第i个电位信号子时空序列的相对异常度值，1≤k≤m-1，Wk表示在时窗Wm之前的某一时窗，即将时窗Wm中待检测的子时空序列qim与其之前处于正常状态或者工作状态期间的子时空序列qik进行比较，通过相对异常度值ηim判断封存及维护期间某段时间的岩石壁面及充填体是否处于正常状态；
进一步对时窗Wm中的每个聚类中心对应的相对异常度值进行计算和标准化处理，即对时窗Wm中的每个子序列对应的相对异常度值进行加权平均，计算公式为：
当越大时，表示时窗Wm中的从属第r类的子序列出现较高的相对异常值，代表岩石壁面和充填体存在危险隐患的可能性越大，反之亦然；设置警报阈值Φ＝0.8，当/>时进行报警，表明充填体极有可能出现泄漏异常。
8.权利要求5所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统的检测方法，其特征在于，步骤S5中，在岩壁的二维空间分量(xp,yp)或填充体的三维空间分量(xk,yk,zk)处采集到的电位信号时序序列的时窗Wm中所有聚类中心的平均相对异常概率值θm的计算公式为：
空间中任意位置处的相对异常概率值赋值向量可用下式表示，从而绘制出实时二维或三维电位空间异常概率分布图：
时窗Wm中待检测的子时空序列数据qim为电位波动振幅时间序列中实时采集到的最新时空数据。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310994020.4A CN117073918A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117073918A true CN117073918A (zh) | 2023-11-17 |
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ID=88712612
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| CN202310994020.4A Pending CN117073918A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117073918A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117455127B (zh) * | 2023-12-26 | 2024-03-15 | 临沂市园林环卫保障服务中心 | 一种基于智慧园林的植物碳汇动态数据监测系统 |
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2023
- 2023-08-09 CN CN202310994020.4A patent/CN117073918A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117455127B (zh) * | 2023-12-26 | 2024-03-15 | 临沂市园林环卫保障服务中心 | 一种基于智慧园林的植物碳汇动态数据监测系统 |
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