一种监测沿空留巷充填体回采期间稳定性的系统和方法与流程

文档序号:11100206阅读:268来源:国知局
一种监测沿空留巷充填体回采期间稳定性的系统和方法与制造工艺

本发明涉及一种监测沿空留巷充填体回采期间稳定性的系统和方法,属于采矿领域。



背景技术:

沿空留巷,即通过构筑一条人工充填带将上区段运输平巷保留下来,作为上区段回风尾巷和下区段回风平巷予以复用。沿空留巷具有资源回收率高、采掘衔接合理、巷道掘进率低等优点,并且有利于巷道布置改革,多年来一直是国内外地下资源开采的重要技术发展方向。由于要经受上下2区段工作面2次强烈的采动影响,因而沿空留巷围岩活动剧烈,维护难度较大,充填体的承载能力和稳定性是保持巷道围岩稳定的关键。沿空留巷巷旁充填带的主要作用:一是控制直接顶的离层和及时切断采空侧的直接顶和下位基本顶,以减少巷内支护所受的载荷和巷道围岩的变形;二是及时封闭采空区,防止漏风和浮煤自然发火。

沿空留巷充填体在2次回采期间的稳定性监测包括充填体变形量、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,目前仍没有有效的方法用来监测沿空留巷充填体2次回采期间的稳定性。



技术实现要素:

本发明旨在提供一种监测沿空留巷充填体回采期间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沿空留巷充填体回采期间稳定性的系统和方法,在沿空留巷充填体内预埋一排埋入式应变计和一排压力盒,数据通过长电缆传输到便携式应变信号采集系统,对沿空留巷充填体稳定性进行长期监测。埋入式应变计用于实时监测沿空留巷充填体的内部变形,压力盒用于实时监测沿空留巷充填体内部塑性区(破坏区)的范围及沿空留巷充填体残余强度,两者结合对沿空留巷充填体的稳定性进行监测;便携式应变信号采集系统对监测数据进行定期采集与记录,而后通过计算机对记录的数据进行保存与分析。

所述沿空留巷充填体为长方体结构,长度为工作面长度,宽度根据上覆岩层压力和充填材料承载力确定,高度为工作面采高;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沿空留巷充填体回采期间稳定性的系统,包括埋入式应变计、压力盒和便携式应变信号采集系统;在沿空留巷充填体内预埋一排埋入式应变计和一排压力盒,埋入式应变计和压力盒平行设置;埋入式应变计和压力盒分别通过支架钢丝固定;埋入式应变计和压力盒的端部连接电缆,通过电缆连接便携式应变信号采集系统;

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;

所述便携式应变信号采集系统为防爆型智能读数仪;能直接显示压力值和振弦频率,数据通过电缆线端插头连接防爆型智能读数仪“INP”插口;防爆型智能读数仪设有“RS232”计算机连接端口,与计算机连接导出数据并保存,将保存的数据导入Excel表格,绘出应变-压力曲线图,即可进行分析,判断沿空留巷充填体的稳定性。

上述的系统中,所述压力盒根据不同要求选用相应的型号,配备便携式应变信号采集系统即可直接显示压力值,又可显示振弦频率,测量直观、简便、快捷;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22mm,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℃。

进一步地,所述压力盒,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℃。

进一步地,所述防爆型智能读数仪上有防护盖,具有防尘防爆防水的功能,有计算机接口,可以计算机连接并导出数据;并有操作按键和数据显示屏,可直接操作并读取数据。

进一步地,所述防爆型智能读数仪有6个信号通道,可以同时对6个钢弦传感器进行测量,存储8000个应变数据。防爆型智能读数仪具有检测速度快、测量精度高、操作简单、体积小、重量轻、功率低、使用时间长、携带方便等优点。

进一步地,所述电缆为四芯屏蔽电缆线,应变计和压力盒通过电缆线直接连接便携式应变信号采集系统,将应变计和压力盒的数据传输至便携式应变信号采集系统,进行读数和后处理;所述后处理是将便携式应变信号采集系统的读数进行分析,判断沿空留巷充填体的稳定性。

本发明提供了一种监测沿空留巷充填体回采期间稳定性的方法,采用上述监测沿空留巷充填体回采期间稳定性的系统和方法,包括以下步骤:

(1)安装:在沿空留巷充填体浇筑前预埋一排埋入式应变计和一排压力盒,其具体方法:间隔40-60m选定监测点,在充填模板搭设完毕后,在充填空间中部分别搭设上-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20-50cm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平行分布于沿空留巷充填体的中部,相互错开20-30cm;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防爆型智能读数仪“INP”插口,通过读数仪面板上的按钮和数据显示屏,直接操作智能读数仪并读取数据,首次测量需对原始数据调零后开始采集信号,并实时进行数据保存;

在沿空留巷充填体结构形成后,派专人对应变数据定期进行测量和记录,要求为每天3次,直到回采结束;

(5)通过便携式防爆型读数仪上的“RS232”插口连入计算机,将数据进行导出并保存,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,沿空留巷充填体稳定性良好;当部分压力盒数据进入破坏后阶段时,沿空留巷充填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,沿空留巷充填体整体失稳;

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,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,所述沿空留巷充填体内部变形量由沿空留巷充填体内应变计读数确定;所述塑性区范围根据压力盒的读数和位置判定,压力盒读数明显上升,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,沿空留巷充填体稳定性良好;所述破坏区范围根据压力盒的读数和位置判定,压力盒读数为残余强度时,表明此处充填体进入破坏阶段失去稳定,部分充填体进入破坏后阶段时,沿空留巷充填体整体仍然保持稳定,当破坏区范围扩展到整个沿空留巷充填体时,沿空留巷充填体整体破坏失稳;所述沿空留巷充填体的残余强度为为沿空留巷充填体失稳后压力盒读数,表现为压力盒全程读数的最大值,残余强度表明沿空留巷充填体破坏失稳后仍具有一定的承载能力。

上述监测方法中,所述压力盒轴线和应变计轴线平行分布于沿空留巷充填体的中部,相互间隔20-30cm,是为了防止应变计和压力盒相互影响。

本发明提供的监测方法的原理为:①当沿空留巷充填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,充填体处于弹性压缩阶段,表明沿空留巷充填体稳定性良好;②当沿空留巷充填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,表明此处沿空留巷充填体保持稳定;③当沿空留巷充填体发生破坏时,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;沿空留巷充填体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,但沿空留巷充填体整体保持稳定;④若顶板继续下沉,沿空留巷充填体完全破坏,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,沿空留巷充填体整体失稳。

本发明的有益效果:

本发明采用介入式测量手段,能真实反映沿空留巷充填体内部应力应变、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;采用便携式应变采集系统,携带方便、操作简单、数据准确;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 为沿空留巷充填体应变计和压力盒分布图。

图2为图1中沿A-A线的剖视图。

图3为图1中沿B-B线的剖视图。

图4 便携式应变信号采集系统的结构示意图。

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应力-应变-压力数据分析曲线图(单位为MPa)。

其中:1.埋入式应变计 2.压力盒 3.支架钢丝 4.模板 5.电缆线 6.便携式应变信号采集系统 7.沿空留巷 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 14.防护盖 15.计算机接口 16.操作按键 17.数据显示屏 18.充电插口 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1:

一种监测沿空留巷充填体回采期间稳定性的系统和方法,包括埋入式应变计1、压力盒2和便携式应变信号采集系统6;在沿空留巷充填体内预埋一排埋入式应变计1和一排压力盒2,埋入式应变计1和压力盒2平行设置,埋入式应变计1和压力盒2分别通过支架钢丝3固定;埋入式应变计1和压力盒2的端部连接电缆,数据通过电缆线5连接便携式应变信号采集系统6;

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;

所述便携式应变信号采集系统6为防爆型智能读数仪;能直接显示压力值和振弦频率,数据通过电缆线端插头连接防爆型智能读数仪“INP”插口;防爆型智能读数仪设有“RS232”计算机接口15,与计算机7连接并导出数据,计算机7用来保存和分析便携式应变信号采集系统6采集的数据,将保存的数据导入Excel表格,绘出应变-压力曲线图,即可分析判断沿空留巷充填体的稳定性。

本发明中,所述压力盒2根据不同要求选用相应的型号,配备便携式应变信号采集系统即可直接显示压力值,又可显示振弦频率,测量直观、简便、快捷;可直接测出测点温度,并能进行温度补偿(温度型)。

所述埋入式应变计1的尺寸长150mm,中部直径为22mm;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℃。

所述防爆型智能读数仪上有防护盖14,具有防尘防爆防水的功能,有“RS232”计算机接口15,可以计算机连接导出数据并保存;并有操作按键16和数据显示屏17,可直接操作并读取数据。防爆型智能读数仪上还设有充电插口18。

所述防爆型智能读数仪有6个信号通道,可以同时对6个钢弦传感器进行测量,存储8000个应变数据。防爆型智能读数仪具有检测速度快、测量精度高、操作简单、体积小、重量轻、功率低、使用时间长、携带方便等优点。

所述电缆5为四芯屏蔽电缆线,应变计和压力盒通过电缆线直接连接便携式应变信号采集系统,将应变计和压力盒的数据传输至便携式应变信号采集系统,进行读数和后处理;所述后处理是将便携式应变信号采集系统的读数进行分析,判断沿空留巷充填体的稳定性。

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7);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、随着工作面的推进,搭设充填模板4;

3、选定监测点,在充填空间中部分别搭设上-下和左-右两组支架钢丝3,两组支架钢丝3平行间隔30cm,支架钢丝3固定在充填模板4骨架上,需用力扯紧拉直,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,电缆线5绑扎不宜过紧,要略微松弛,对应变计1进行编号;

5、用尼龙绳8将压力盒2由中心向外间隔20-50cm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,电缆线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,待充填体浇注24小时后,将支架钢丝3从充填模板4上拆下,充填模板4可在充填材料凝固3天后拆除;

7、定期进行数据采集,一天三次,将电缆线5接头与便携式应变信号采集系统6连接好,读数并记录;对原始数据调零后开始采集信号;返回地面后将采集仪与计算机连接,进行数据导出与保存;

8、根据采集的数据分析判断沿空留巷充填体的稳定性: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:处于阶段①,即压力小于0.2MPa时,说明此处充填体处于弹性阶段,沿空留巷充填体稳定性良好;处于阶段②,即压力大于0.2MPa小于0.9MPa时,说明此处充填体进入塑性阶段,沿空留巷充填体基本稳定;当处于阶段③,即压力大于0.9MPa时,说明此处充填体已经破坏;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,当所有压力盒都处于阶段③位置时,沿空留巷充填体整体破坏失稳;沿空留巷充填体失稳后沿空留巷充填体中心位置仍有3.1MPa的残余强度。

当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1