CN203822381U - 钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其结构为：保护罩内设置有安装腔，时域反射传感器、声传感器和导流管均设置于安装腔内；导流管沿保护罩轴向分布，其上端形成溢流口、下端形成泄流口；保护罩表面设置有采水口和采样口，采水口与导流管连通，采样口处设置有声传感器；时域反射传感器邻近保护罩上端设置；时域反射传感器、声传感器和电控阀均与控制器电气连接。本实用新型的有益技术效果是：将被动监测和主动监测相结合，利用被动监测装置低能耗的特性来实现系统的长时低能耗运作，主动监测装置受被动监测装置触发，能够在出现问题后进行具有针对性的预警检测，避免了单一采用主动监测装置时运营成本高、存在安全隐患的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种地下水害监测技术，尤其涉及一种钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置。
背景技术
地下工程身处复杂的岩土介质全方位包围中，水文地质情况错综复杂，尤其是近年来，随着对地下矿业资源的深入开发，因水害引发的透水、塌陷事故层出不穷。
地下工程水害的形成及发生需要特定的环境和条件，其中，水源和导水通道是目前公认的重要影响因素；水源通常包括大气降水、地表水、地下水和老窑水等，导水通道包括构造断裂、顶板垮落、底板破坏、不良钻孔、陷落柱与喀斯特塌洞等。前述因素在实际工程中往往交织耦合，既隐蔽难以直观测量，又具有随时演变特点，其危害可能凸显在地下围压空间的任何位置，因此只有对地下水文进行具有覆盖性的广域实时监测才能透彻了解水源、通道的现场信息，为实施地下水害预警防治奠定技术基础。
对地下空间水文状态进行在线监测可以实现对水害的监控防治，但地下水文在复杂环境下的围压态以及隐蔽性、时变性引出监测区域广域化难题，对目前的地下水文监测技术提出严峻挑战，国内外相关技术异常匮乏。
目前对地下水害的监测预警技术按探测方式可分为主动探测和被动探测两大类：
主动探测的特点是：由监测仪器向被测对象施加激励信号，通过分析携带了被测对象特性的反馈信号实现对被测对象状态的观测。主动探测包括网络并行电法仪、TSP（隧道地震预测）方法、瞬变电磁法、电磁波时域反射技术等。其中，时域反射（Time-Domain Reflectometry，简称TDR）测量基于电磁波时域反射原理，通过观测传感器上时域反射波的起始、终止时间和反射幅度，能够快速反演推算介质的介电常数和电导率等参数。
被动探测的特点是：被测对象与环境相互作用，向外界发射携带了被测对象特性的物理或化学信号，监测仪器通过捕捉并分析这些信号实现对被测对象状态的观测。被动探测包括高精度微震监测技术、地下磁流体探测、热红外光谱和微波遥感技术、声发射技术等。其中,声发射(Acoustic Emission）技术是利用了岩石结构在受力变形过程中会以弹性波形式释放出应力应变能的现象。
上述主动探测方法和被动探测方法各有其优缺点。尽管主动探测可以根据监测需要选择监测时间、监测地点，获取相对清楚的地下水文地质性状，但从仪器科学的研究视角看，主动探测要实现在线实时监测需要持续的激发能量注入，监测设备耗能大，在矿井等富含瓦斯的场合应用具有一定安全隐患。被动探测优点是能捕捉随机发生的瞬态信号，不需向监测对象注入激发能量，仪器系统功耗相对较低，但被测对象发射信号通常比较微弱，容易混杂复杂地质环境噪声信号，对测量仪器的精准度和信号处理能力有较高要求。此外，现有监测系统成本昂贵，难以推广用于地下工程施工运营期间的全方位实时在线安全监测，在以低能耗、低存储、低成本代价满足监测区域的广域化需求方面还有待新的技术思路。
实用新型内容
针对背景技术中的问题，本实用新型提出了一种钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其结构为：所述监测装置由时域反射传感器、多个声传感器、导流管、控制器和保护罩组成；所述保护罩外形为柱状，保护罩内设置有安装腔，时域反射传感器、声传感器和导流管均设置于安装腔内；所述导流管沿保护罩轴向分布，导流管上端形成溢流口，溢流口延伸至保护罩上端面以上，导流管下端形成泄流口，泄流口延伸至保护罩下端面以下，泄流口位置处设置有电控阀；保护罩表面沿保护罩轴向每间隔一定高度就设置有一采水口，每个采水口均通过一径向连通管与导流管连通；保护罩表面沿保护罩轴向每间隔一定高度就设置有一采样口，每个采样口处均设置有一声传感器；采样口和采水口互不干涉；时域反射传感器邻近保护罩上端设置，时域反射传感器的探针延伸至保护罩上端面以上；时域反射传感器、多个声传感器和电控阀均与控制器电气连接。
本实用新型的原理是：声传感器用于检测周围土体中因地质或水文原因而产生的声信号，其工作模式类似于背景技术中的被动探测；时域反射传感器能基于时域反射原理获取到周围土体的含水量信息，其工作模式类似于背景技术中的主动探测；导流管的作用有二，其一，当地下工程存在透水隐患时，周围土体的渗水会明显增多，水可以通过导流管逐渐向上浸漫，当水漫过溢流口后，就会渗入探针周围的土体内，从而改变探针周围土体的含水量，并使之被时域反射传感器检测到，由于存在多个采水口，因此无论渗透水是来自于保护罩高程范围内的哪个土层，都能被时域反射传感器检测到，即一套时域反射传感器就能对保护罩全长范围的土体进行监测，其二，当渗水情况较为严重时，可以通过控制电控阀使泄流口打开，将水向外排出，能够在局部上缓解透水程度，放缓透水灾害的演进速度；
本实用新型的核心创新点在于：声传感器最显著的优势就是能耗低，即使长时运作其运行成本也十分低廉，本实用新型利用其前述特点将其作为“触发装置”，用于长期低能耗监测，待声传感器检测到异响后，再启动能耗较高的时域反射传感器进行有针对性的检测，这就避免了单一采用时域反射传感器的弊端（由于时域反射传感器能耗较高，如果长期频繁运行，则系统运营成本将十分巨大，并且在富含瓦斯的场合，时域反射传感器长期频繁运行存在一定安全隐患），使系统运营成本得到大幅缩减。
优选地，所述多个采水口等间距分布。
优选地，所述多个采样口等间距分布。
为了避免探针和溢流口因土体挤压而损坏，优选地，保护罩上端面设置有敞口的支撑筒，时域反射传感器的探针和溢流口均位于支撑筒内，支撑筒的高度高于探针和溢流口。
优选地，所述声传感器采用压电谐振传感器。
优选地，所述采水口处设置有第一单向阀。单向阀能使渗透水只能从外部向导流管内单向流动。
优选地，所述保护罩的上端的内壁上设置有温度传感器，所述温度传感器与控制器电气连接。
为了保证声传感器与土体表面的良好接触，本实用新型还作了如下改进：所述保护罩内设置有施力螺杆，施力螺杆的轴向与保护罩轴向平行；声传感器通过齿轮换向器与施力螺杆传动连接，所述齿轮换向器能在施力螺杆的传动作用下传动声传感器作径向移动。当装置安装好后，可通过旋动施力螺杆来传动齿轮换向器，使声传感器沿径向向外移动，这就可以使声传感器紧贴在土体表面，保证声传感器的监测效果。
优选地，所述溢流口处设置有第二单向阀。溢流口处的单向阀只能让水从导流管内向外单向流动。
本实用新型的有益技术效果是：将被动监测和主动监测相结合，利用被动监测装置低能耗的特性来实现系统的长时低能耗运作，主动监测装置受被动监测装置触发，能够在出现问题后进行具有针对性的预警检测，避免了单一采用主动监测装置时运营成本高、存在安全隐患的问题。
附图说明
图1、本本实用新型的结构示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：时域反射传感器1、声传感器2、导流管3、溢流口3-1、泄流口3-2、控制器4、保护罩5、采水口5-1、连通管5-2、采样口5-3、支撑筒5-4、温度传感器6、施力螺杆7、齿轮换向器8。
具体实施方式
一种钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其结构为：所述监测装置由时域反射传感器1、多个声传感器2、导流管3、控制器4和保护罩5组成；所述保护罩5外形为柱状，保护罩5内设置有安装腔，时域反射传感器1、声传感器2和导流管3均设置于安装腔内；所述导流管3沿保护罩5轴向分布，导流管3上端形成溢流口3-1，溢流口3-1延伸至保护罩5上端面以上，导流管3下端形成泄流口3-2，泄流口3-2延伸至保护罩5下端面以下，泄流口3-2位置处设置有电控阀；保护罩5表面沿保护罩5轴向每间隔一定高度就设置有一采水口5-1，每个采水口5-1均通过一径向连通管5-2与导流管3连通；保护罩5表面沿保护罩5轴向每间隔一定高度就设置有一采样口5-3，每个采样口5-3处均设置有一声传感器2；采样口5-3和采水口5-1互不干涉；时域反射传感器1邻近保护罩5上端设置，时域反射传感器1的探针延伸至保护罩5上端面以上；时域反射传感器1、多个声传感器2和电控阀均与控制器4电气连接。
进一步地，所述多个采水口5-1等间距分布。
进一步地，所述多个采样口5-3等间距分布。
进一步地，保护罩5上端面设置有敞口的支撑筒5-4，时域反射传感器1的探针和溢流口3-1均位于支撑筒5-4内，支撑筒5-4的高度高于探针和溢流口3-1。
进一步地，所述声传感器2采用压电谐振传感器。
进一步地，所述采水口5-1处设置有第一单向阀。
进一步地，所述保护罩5的上端的内壁上设置有温度传感器6，所述温度传感器6与控制器4电气连接。
进一步地，所述保护罩5内设置有施力螺杆7，施力螺杆7的轴向与保护罩5轴向平行；声传感器2通过齿轮换向器8与施力螺杆7传动连接，所述齿轮换向器8能在施力螺杆7的传动作用下传动声传感器2作径向移动。
进一步地，所述溢流口3-1处设置有第二单向阀。
具体应用时，按如下方式设置装置：在监测区域钻取监测孔，将钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置设置于监测孔内，然后将监测孔封闭，仅使泄流口裸露在外（外部还设置有用于安装控制器4的壳体）；其中，声传感器2、溢流口3-1、探针和采水口5-1均与土体接触；
装置运行后，控制器4驱动声传感器2对周围土体内的异响进行连续监测；若监测过程中未发现异响，则控制器4每间隔一定时间就驱动时域反射传感器1对土体含水量进行检测；若监测过程中某一声传感器2监测到异响，则控制器4立即控制时域反射传感器1对土体含水量进行连续检测；控制器4内预存有含水量安全阈值和含水量警戒阈值；控制器4通过时域反射传感器1获取到土体含水量的信息后，控制器4将土体含水量与含水量安全阈值和含水量警戒阈值进行比较：若土体含水量大于含水量安全阈值小于含水量警戒阈值，则控制器4向外发出告警信号；若土体含水量大于含水量警戒阈值，则控制器4除了发出告警信号外，还同时控制电控阀打开，泄流口3-2向外泄水。
Claims (9)
1.一种钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其特征在于：所述监测装置由时域反射传感器（1）、多个声传感器（2）、导流管（3）、控制器（4）和保护罩（5）组成；所述保护罩（5）外形为柱状，保护罩（5）内设置有安装腔，时域反射传感器（1）、声传感器（2）和导流管（3）均设置于安装腔内；所述导流管（3）沿保护罩（5）轴向分布，导流管（3）上端形成溢流口（3-1），溢流口（3-1）延伸至保护罩（5）上端面以上，导流管（3）下端形成泄流口（3-2），泄流口（3-2）延伸至保护罩（5）下端面以下，泄流口（3-2）位置处设置有电控阀；保护罩（5）表面沿保护罩（5）轴向每间隔一定高度就设置有一采水口（5-1），每个采水口（5-1）均通过一径向连通管（5-2）与导流管（3）连通；保护罩（5）表面沿保护罩（5）轴向每间隔一定高度就设置有一采样口（5-3），每个采样口（5-3）处均设置有一声传感器（2）；采样口（5-3）和采水口（5-1）互不干涉；时域反射传感器（1）邻近保护罩（5）上端设置，时域反射传感器（1）的探针延伸至保护罩（5）上端面以上；时域反射传感器（1）、多个声传感器（2）和电控阀均与控制器（4）电气连接。
2.根据权利要求1所述的钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其特征在于：所述多个采水口（5-1）等间距分布。
3.根据权利要求1所述的钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其特征在于：所述多个采样口（5-3）等间距分布。
4.根据权利要求1所述的钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其特征在于：保护罩（5）上端面设置有敞口的支撑筒（5-4），时域反射传感器（1）的探针和溢流口（3-1）均位于支撑筒（5-4）内，支撑筒（5-4）的高度高于探针和溢流口（3-1）。
5.根据权利要求1所述的钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其特征在于：所述声传感器（2）采用压电谐振传感器。
6.根据权利要求1所述的钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其特征在于：所述采水口（5-1）处设置有第一单向阀。
7.根据权利要求1所述的钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其特征在于：所述保护罩（5）的上端的内壁上设置有温度传感器（6），所述温度传感器（6）与控制器（4）电气连接。
8.根据权利要求1所述的钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其特征在于：所述保护罩（5）内设置有施力螺杆（7），施力螺杆（7）的轴向与保护罩（5）轴向平行；声传感器（2）通过齿轮换向器（8）与施力螺杆（7）传动连接，所述齿轮换向器（8）能在施力螺杆（7）的传动作用下传动声传感器（2）作径向移动。
9.根据权利要求1所述的钻埋分层式电磁-声地下水害监测装置，其特征在于：所述溢流口（3-1）处设置有第二单向阀。
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