一种监测充填柱体稳定性的系统和方法与流程

本发明涉及一种监测充填柱体稳定性的系统和方法，属于采矿充填领域。

背景技术：

在地下资源开采过程中，为控制地表沉陷，保护生态环境，选择用充填开采的方式进行地下矿产资源开采。随着充填开采的发展，可利用的充填材料日益减少，导致充填成本日益增大，全部充填的压力日益增加，在这种情况下，部分充填被提出和应用，其中包括柱式充填。但是，与全部充填的相比，柱式充填虽节约了充填材料，降低了充填成本，但充填柱体的长期稳定性还有待考证。充填柱体的长期稳定性监测包括变形量、塑性区范围和核心区强度。由于地下采矿环境的复杂性，监测时干扰因素多，目前仍没有长期有效的方法用来监测充填柱体的长期稳定性。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种监测充填柱体稳定性的系统和方法，适用于充填开采领域。

本发明提供的一种监测充填柱体稳定性的系统，在充填柱体内预埋一排埋入式应变计和一排压力盒，在地面配备应变信号实时采集系统，数据通过长电缆传输，对充填柱体稳定性进行长期监测。埋入式应变计用于实时监测充填柱体的内部变形，压力盒用于实时监测充填柱体内部塑性区（破坏区）的范围及充填柱体残余强度，两者结合对充填柱体的稳定性进行监测；地面应变信号实时采集系统对监测数据进行实时采集与分析。

所述充填柱体是指在采空区设置的墩柱状充填体，用于控制上覆岩层破坏和地表沉陷；所述墩柱状充填体为高宽比为1-4的棱柱体或高径比为1-4的圆柱体；使用的材料为混凝土材料、膏体充填材料、矸石胶结充填材料、（超）高水充填材料的一种或多种。

本发明提供了一种监测充填柱体稳定性的系统，包括埋入式应变计和压力盒；在充填柱体内预埋一排应变计和一排压力盒，应变计和压力盒在充填柱体内垂直交叉设置，埋入式应变计和压力盒分别通过支架钢丝固定；在地面配备地面应变信号实时采集系统，埋入式应变计和压力盒的端部连接电缆，数据通过电缆传输到地面的应变信号实时采集系统；所述埋入式应变计内置温度传感器，对外界温度影响产生的变化进行温度修正；每个传感器内部有计算芯片，自动对测量数据进行换算而直接输出物理量，减少人工换算的失误和误差；所述压力盒采用振弦理论设计制造，采用全数字检测，利用脉冲激振方式激振；所述地面应变信号实时采集系统由多通道振弦信号采集仪和计算机组成；振弦信号采集仪有多个信号通道用来接收应变信号；计算机用来保存和分析振弦信号采集仪采集的数据，采用计算机上安装的应变测试分析系统配套软件对多通道信号采集仪进行控制，并对监测数据进行采集与保存，将保存的数据导入Excel表格，绘出应变-压力曲线图，即可分析判断充填柱体的稳定性。

上述的系统中，所述压力盒根据不同要求选用相应的型号，配备多通道振弦信号采集仪测量结构体的静态和动力参数，如：应变值、压力值、自振频率、阻力系数、动力系数、振型等；可直接测出测点温度，并能进行温度补偿（温度型）。

进一步地，所述埋入式应变计，尺寸长150mm，中部直径为20mm，量程为3000με，测量精度为1με，使用环境温度：-20℃～﹢80℃，温度范围-20℃～+125℃，测温灵敏度为0.25℃。所述埋入式应变计根据张力弦原理制造，使用频率作为输出信号，抗干扰能力强，远距离输送产生的误差极小；全部元器件进行严格测试和老化筛选，尤其是高低温应力消除试验，增强弦的稳定性和可靠性；另有三防处理，保证在长期恶劣环境中高成活率的问题。

进一步地，所述压力盒的直径为20mm，厚度为8mm，量程为10MPa，精度为1kPa，可过载150%，使用环境温度：-20℃～﹢80℃，温度范围-20℃～+80℃，测温灵敏度为0.5℃。所述压力盒采用振弦理论设计制造，具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点，适于长期观测；并且其采用全数字检测，信号长距离传输不失真，抗干扰能力强；绝缘性能良好，防水耐用；可以方便的实现长电缆远距离的传输；采用脉冲激振方式激振，测试速度快；具有智能电子编号防止断线或人工标签损坏无法识别等优点。

进一步地，所述多通道振弦信号采集仪每个有20个信号通道，能同时采集20个振弦式应变信号，当监测信号大于20个时，设置多个采集仪串联。

进一步地，所述电缆为四芯屏蔽电缆线，电缆布线经过充填材料输送通道，将应变计和压力盒的数据传输至地面应变信号实时采集系统，其传输距离最长可达3000m。

本发明提供了一种监测充填柱体稳定性的方法，采用上述监测充填柱体稳定性的系统，包括以下步骤：

（1）安装：在充填模板搭设完毕后，在充填空间中部两条中心线上分别搭设上-下和左-右两组支架钢丝，支架钢丝固定在充填模板骨架上，需用力扯紧拉直，并将两端绑扎牢固；用尼龙绳将埋入式应变计由中心向外间隔20-50cm（即两个应变计的间距为20-50cm）均匀固定在上-下各两根支架钢丝上，要求应变计轴线处于竖直方向；用尼龙绳将压力盒由中心向外间隔10-50cm均匀固定在左-右两根支架钢丝上，要求压力盒表面处于水平方向；压力盒轴线和应变计轴线垂直相交于充填柱体的中心点上，相互错开10cm；电缆线沿支架钢丝引出；压力盒固定后在表面涂抹凡士林，防止材料凝结在压力盒表面，影响数据监测；

所述应变计和压力盒用尼龙绳固定在支架钢丝上，防止应变计和压力盒在充填材料浇注时发生移动和偏转；

（2）电缆线沿支架钢丝引出，是将电缆线绑扎在支架钢丝上，在充填模板上打孔引出，电缆线绑扎不宜过紧，要略微松弛；

（3）待充填体浇注24小时后，将支架钢丝从充填模板上拆下，充填模板可在充填材料凝固3天后拆除；

（4）将电缆线端插头插入多通道信号采集仪“INP”插口，并将采集仪与电脑连接，打开电脑上安装的应变测试分析系统软件，对原始数据调零后开始采集信号，并实时进行数据保存；

（5）将保存的数据导入Excel软件，并绘制应变-压力曲线，将应变-压力曲线与前期试验获得应力-应变-压力曲线对比，分析每个压力盒对应位置的充填体所处的阶段：当所有压力盒数据处于弹塑性阶段时，充填柱体稳定性良好；当部分压力盒数据进入破坏后阶段时，充填柱体局部破坏但整体保持稳定；当所有压力盒数据均处于破坏后阶段时，充填柱体整体失稳；

所述前期试验获得应力-应变-压力曲线的方法为：将压力盒埋入150mm*150mm*150mm充填体试件中，常温浇水养护28天，在电液伺服压力机上标定，得到充填体应力-应变-压力曲线，并对曲线进行分区，得到充填体弹性阶段、塑性阶段、破坏点、破坏后阶段对应的应变-压力特征。

上述监测方法中，根据压力盒的读数和位置判定，压力盒读数明显上升时，表明此处充填体进入塑性阶段，塑性区内的充填体保持稳定，充填柱体稳定性良好；压力盒读数为残余强度时，表明此处充填体进入破坏阶段，充填体外侧部分开始失去稳定；部分充填体进入破坏后阶段时，充填柱体整体仍然保持稳定，当破坏区范围扩展到整个充填柱体时，充填柱体整体破坏失稳；所述残余强度为充填柱体压力盒全程读数的最大值，残余强度表明充填柱体破坏失稳后仍具有一定的承载能力。

上述监测方法中，压力盒轴线和应变计轴线垂直相交于充填柱体的中心点上，相互错开10cm，是为了防止中心应变计和中心压力盒相互影响。

本发明提供的监测方法的原理为：当充填柱体处于弹性压缩阶段时，随着顶板下沉，充填体整体压缩，应变计读数不断增加，而压力盒读数基本为零，充填体处于弹性阶段表明充填柱体稳定性良好；当充填柱体进入塑性变形阶段时，随着顶板下沉，应变计读数继续增大，压力盒读数开始明显上升，充填体处于塑性阶段表明此处充填柱体保持稳定；当充填条带发生破坏时，应变计读数增大到峰值，压力盒读数也开始急剧增大，表明此处充填体发生破坏失去稳定；若顶板继续下沉，破坏部分顶板由破碎体支撑，应变计泄压失效，读数有所降低；充填条带整体压缩量继续增大，破坏处压力盒读数迅速增大到峰值；部分充填体处于破坏后阶段，但充填条带整体保持稳定；若顶板继续下沉，充填条带完全破坏，应变计全部泄压失效读数降低，位于条带外侧的压力盒读数减小，位于条带中部的压力盒读数达到峰值并保持，此时压力盒读数为充填体破碎后形成的松散体对顶板的支撑力，充填条带整体失稳。

本发明的有益效果：

本发明采用介入式测量手段，能真实反映充填柱体内部应力应变、塑性区发展情况及残余应力的大小；采用振弦式应变计和振弦式压力盒，安装方便、绝缘防爆性能好、抗干扰能力强、远距离传输不失真，适宜在井下恶劣环境中长期监测；配备地面应变信号采集系统，可遥控监测和分析充填柱体稳定性；监测原理准确可靠、简单明了，便于工程人员自行判定。

附图说明

图1 墩柱状充填体内部应变计和压力盒分布图。

图2 图1中沿A-A线的剖视图。

图3 图1中沿B-B线的剖视图。

图4 地面应变信息采集系统的示意图。

图5应变计固定状态示意图。

图6压力盒固定状态示意图。

图7 圆柱形充填体应变计和压力盒分布图。

图8 应力-应变-压力数据分析曲线图（单位为MPa）。

其中：1.应变计 2.压力盒 3.支架钢丝 4.模板 5.电缆 6.多通道振弦信号采集仪 7.计算机 8.尼龙绳 9.充填体抗压强度曲线 10.压力盒数据曲线 11.抗压强度峰值（破坏点） 12.残余强度 13. 信号通道“INP”插口 ①弹性阶段 ②塑性阶段 ③破坏后阶段。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1~7所示，一种监测充填柱体稳定性的系统，包括埋入式应变计1和压力盒2；在充填柱体内预埋一排应变计1和一排压力盒2，应变计1和压力盒2在充填柱体内垂直交叉设置，埋入式应变计1和压力盒2分别通过支架钢丝3固定；在地面配备地面应变信号实时采集系统，埋入式应变计1和压力盒2的端部连接电缆5，数据通过电缆5传输到地面的应变信号实时采集系统；所述埋入式应变计1内置温度传感器，对外界温度影响产生的变化进行温度修正；每个传感器内部有计算芯片，自动对测量数据进行换算而直接输出物理量，减少人工换算的失误和误差；所述压力盒2采用振弦理论设计制造，采用全数字检测，利用脉冲激振方式激振；所述地面应变信号实时采集系统由多通道振弦信号采集仪6和计算机7组成；多通道振弦信号采集仪6有多个信号通道用来接收应变信号；计算机7用来保存和分析振弦信号采集仪采集的数据，采用计算机7上安装的应变测试分析系统配套软件对多通道信号采集仪进行控制，并对监测数据进行采集与保存，将保存的数据导入Excel表格，绘出应变-压力曲线图，即可分析判断充填柱体的稳定性。

上述的系统中，所述压力盒5根据不同要求选用相应的型号，配备多通道振弦信号采集仪测量结构体的静态和动力参数，如：应变值、压力值、自振频率、阻力系数、动力系数、振型等；可直接测出测点温度，并能进行温度补偿（温度型）。

进一步地，所述埋入式应变计1，尺寸长150mm，中部直径为20mm，量程为3000με，测量精度为1με，使用环境温度：-20℃～﹢80℃，温度范围-20℃～+125℃，测温灵敏度为0.25℃。所述埋入式应变计根据张力弦原理制造，使用频率作为输出信号，抗干扰能力强，远距离输送产生的误差极小；全部元器件进行严格测试和老化筛选，尤其是高低温应力消除试验，增强弦的稳定性和可靠性；另有三防处理，保证在长期恶劣环境中高成活率的问题。

进一步地，所述压力盒的直径为20mm，厚度为8mm，量程为10MPa，精度为1kPa，可过载150%，使用环境温度：-20℃～﹢80℃，温度范围-20℃～+80℃，测温灵敏度为0.5℃。所述压力盒采用振弦理论设计制造，具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点，适于长期观测；并且其采用全数字检测，信号长距离传输不失真，抗干扰能力强；绝缘性能良好，防水耐用；可以方便的实现长电缆远距离的传输；采用脉冲激振方式激振，测试速度快；具有智能电子编号防止断线或人工标签损坏无法识别等优点。

进一步地，每个多通道振弦信号采集仪6有20个信号通道，能同时采集20个振弦式应变信号，当监测信号大于20个时，设置多个采集仪串联。

进一步地，所述电缆5为四芯屏蔽电缆线，电缆布线经过充填材料输送通道，将应变计和压力盒的数据传输至地面应变信号实时采集系统，其传输距离最长可达3000m。

下面通过具体的实施过程说明采用上述装置的监测方法，包括以下步骤：

1、对压力盒2进行试验室标定，得到充填体应力-应变-压力曲线（图8）；所述前期试验获得应力-应变-压力曲线的方法为：将压力盒埋入150mm*150mm*150mm充填体试件中，浇水养护28天，在电液伺服压力机上标定，得到充填体应力-应变-压力曲线，并对曲线进行分区，得到充填体弹性阶段、塑性阶段、破坏点、破坏后阶段对应的应变-压力特征。

2、工作面推进后，搭设充填模板4；

3、在模板4中部两条中心线上固定上下和左右两组支架钢丝3，支架钢丝3固定在充填模板4骨架上，用力将钢丝3扯紧拉直，并将两端绑扎牢固；

4、用尼龙绳8将埋入式应变计1由中心向外间隔20-50cm均匀固定在上下两根支架钢丝3上，要求应变计1轴线处于竖直方向，电缆5固定在支架钢丝3上并延伸到模板4外，电缆5绑扎不宜过紧，要略微松弛，对应变计进行编号；

5、用尼龙绳8将压力盒2由中心向外间隔10-50cm均匀固定在左右两根支架钢丝3上，要求压力盒2表面处于水平方向，电缆5固定在支架钢丝3上并延伸到模板4外，电缆5绑扎不宜过紧，要略微松弛，对压力盒2进行编号；

6、向模板4内浇注充填材料，待充填材料凝固后拆除充填模板4；

7、将光缆5与地面数据采集系统连接好，实时进行数据采集；

8、根据采集的数据分析判断充填柱体的稳定性：处于阶段①，说明材料处于弹性阶段，充填条带稳定性良好；处于阶段②，说明充填体进入塑性阶段，条带基本稳定；当处于阶段③，说明充填体已经破坏；根据处于阶段②的压力盒的位置，判断充填体的塑性区范围；根据处于阶段③的压力盒的位置，判断充填体的破坏区的范围。见图8所示。