一种地裂缝漏风监测模拟实验方法及实验装置与流程

1.本发明涉及采矿工程实验技术领域，特别涉及一种地裂缝漏风监测模拟实验方法及实验装置。


背景技术：

2.煤炭在我国能源结构中将长期占有主导地位。随着煤炭资源开发向西部转移，浅埋煤层高强度开采造成的地表沉陷和地裂缝严重，导致水土流失，造成生态环境加剧破坏。同时，西部矿区浅埋煤层采动地裂缝存在与采空区贯通的风险，导致采空区遗煤自然发火，威胁矿井生产安全。
3.近年来，地裂缝漏风监测主要为现场人工监测。由于采空区范围广阔、地形条件复杂，监测工作存在任务量大、周期长、监测效果滞后等问题，导致地裂缝隐患不能及时排除。相似模拟试验是采矿工程领域常用的、科学的、可靠的研究方法。相似模拟是在实验室内按相似原理制作模型，利用在模型上研究的结果，以推断原型中可能发生的现象和规律。相似模型是按照相似比将原型等比例缩放至实验室内，能够真实地模拟实际情况，结果可靠；相似模拟具有可重复性，可进行多次试验；此外，根据矿井地质资料进行实验室模拟，能够预测实际中可能发生的现象。
4.然而，现阶段国内外学者对用相似模拟来模拟地裂缝导致采空区漏风方面监测的研究非常少。国内专利文件cn108333291a中公开了一种模拟采空区自然发火的实验装置及试验方法，其仅描述了由于矿井通风系统漏风引起采空区自然发火的过程，而关于监测地裂缝造成大气和采空区漏风的实验方法和实验台还未出现。基于上述情况，亟需一种可靠的地裂缝监测模拟实验方法或实验装置，对煤矿高强度开采地裂缝漏风进行模拟监测，为现场工程实践提供参考依据。


技术实现要素：

5.本发明提供一种地裂缝漏风监测模拟实验方法及实验装置，用至少解决一个上述问题。
6.本发明的一方面提供一种地裂缝漏风监测模拟实验方法，包括以下步骤：
7.s1：根据目标地区的煤层结构建立实验模型；
8.s2：对所述实验模型的底部进行加热，以模拟地下环境；
9.s3：使所述实验模型的高度下降以模拟煤层开采的过程；
10.s4：获取高度下降所引起的所述实验模型上表面产生的裂缝的温度数据，并根据所述温度数据判断所述裂缝是否漏风。
11.在一个实施方式中，步骤s4包括以下子步骤：
12.通过红外拍摄装置获取实验模型上表面的红外图像，并根据预设的提取阈值从所述红外图像中的提取所述裂缝的温度数据，
13.根据所述温度数据判断所述裂缝是否贯通所述实验模型的内部而导致漏风。
14.在一个实施方式中，步骤s4包括以下子步骤：
15.通过红外拍摄装置获取实验模型上表面的红外图像，并确定初始红外裂隙提取阈值；
16.通过可见光拍摄装置获取实验模型上表面的可见光图像，从所述可见光图像中提取裂缝的位置数据；
17.根据获得的裂缝的位置数据校准初始红外裂隙提取阈值，并获得校准后的红外裂隙提取阈值；
18.根据校准后的红外裂隙提取阈值从所述红外图像中提取地表裂缝的温度数据；
19.根据所述温度数据判断所述裂缝是否贯通所述实验模型的内部而导致漏风。
20.在一个实施方式中，步骤s1包括以下步骤：
21.s10：在模型框架中设置加热层；
22.s11：在加热层上铺设底层模拟材料以模拟煤柱；
23.s12：在模拟煤柱的内部设置至少一组顶升装置以模拟煤层；
24.s13：使顶升装置的顶板升高至与底层模拟材料的顶部齐平；
25.s14：在所述顶升装置的顶板上和所述底层模拟材料的上表面上层层铺设第一模拟材料以模拟上覆岩层，直至达到预定的层数，以形成实验模型。
26.在一个实施方式中，步骤s14中，每铺设一层第一模拟材料，均在模型框架的四周增加一层挡板。
27.在一个实施方式中，步骤s10包括以下子步骤：
28.在模型框架的底座上铺设隔热材料作为隔热层；
29.在隔热层上铺设加热元件；
30.在加热元件上铺设第二模拟材料作为传热层；
31.在所述隔热层与所述传热层之间设置温度传感器，以测量所述传热层的温度；
32.其中，所述加热元件将热量传导至所述传热层，使传热层能够对实验模型的底部进行恒温加热。
33.在一个实施方式中，步骤s11包括以下子步骤：
34.在加热层上铺设内部中空的环形底层模拟材料；
35.在环形底层模拟材料的其中一侧设置开口以模拟煤柱；
36.其中，顶升装置的输出端和/或输入端从所述开口伸出。
37.在一个实施方式中，所述顶升装置包括千斤顶机构，所述千斤顶机构与液压机构相连，以实现提升和下降操作。
38.在一个实施方式中，步骤s3中通过控制系统控制顶升装置的顶板沿指定方向以指定速度下降，以模拟煤层开采的过程。
39.本发明的另一方面还提供一种地裂缝漏风监测模拟实验装置，包括：
40.根据目标地区的煤层结构建立的实验模型；
41.加热系统，其用于对所述实验模型的底部进行加热，以模拟地下环境；
42.控制系统，其用于使实验模型的高度下降以模拟煤层开采过程；以及
43.信息采集系统，其用于获取高度下降所引起的所述实验模型上产生的裂缝的温度数据。
44.在一个实施方式中，所述信息采集系统包括：安装支架和设置于所述安装支架上的红外拍摄装置；或者
45.所述信息采集系统包括：安装支架和设置于所述安装支架上的红外拍摄装置和可见光拍摄装置。
46.在一个实施方式中，所述控制系统控制所述实验模型中的顶升装置，以使实验模型的高度下降；
47.其中，所述顶升装置包括千斤顶机构，所述千斤顶机构与液压机构相连，所述控制系统与所述液压机构电连接，以控制所述千斤顶机构的提升和下降操作。
48.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的实验方法和装置能够还原矿山地下煤炭开采过程中上覆岩层至地表的运动过程，更加真实地模拟煤炭开采引起地表变形和地裂缝的产生、发育过程，并且可以模拟地下温暖的环境以及模拟不同采深下的地温条件。通过对实验模型的底部进行加热，使模型内部的温度明显高于模型表面(上表面)的温度，因此，在模型表面出现的裂缝的内部温度就会大幅度提升，并且不同深度的裂缝在温度上具有明显的区别，根据所获取的裂缝的温度数据可判断裂缝是否漏风，从而能更好地研究地裂缝演变的规律。
附图说明
49.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
50.图1是本发明的方法流程图；
51.图2是本发明的装置的整体结构示意图；
52.图3是本发明的模型框架的结构示意图；
53.图4是本发明的后侧挡板的矩形缺口的结构示意图；
54.图5是本发明的在模型框架中建立实验模型的示意图；
55.图6是本发明的模拟煤柱的结构示意图；
56.图7是本发明的顶升装置结构示意图；
57.图8是本发明的加热系统的结构示意图；
58.图9是本发明的控制系统的结构示意图；
59.图10是本发明的信息采集系统的结构示意图。
60.附图标记：
61.1-底座；2-立柱；3-挡板；4-第一缺口；5-第二缺口；
62.6-模拟煤层；7-模拟煤柱；8-空心矩形型钢；9-千斤顶机构；
63.10-底板；11-液压缸；12-液压活柱；13-顶板；
64.14-模拟上覆岩层；15-隔热层；16-传热层；17-加热电阻丝；
65.18-液压泵；19-液压油管；20-液压油箱；21-导线；
66.22-加热控制器；23-中央服务器；24-显示器；25-可见光拍摄装置；
67.26-红外拍摄装置；27-数据线；28-温度传感器；29-安装支架。
具体实施方式
68.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
69.本发明的一方面提供一种地裂缝漏风监测模拟实验方法，如图1中所示，包括以下步骤：
70.s1：根据目标地区的煤层结构建立实验模型。
71.s2：对所述实验模型的底部进行加热，以模拟地下环境。
72.s3：使所述实验模型的高度下降以模拟煤层开采的过程。
73.s4：获取高度下降所引起的所述实验模型上表面产生的裂缝的温度数据，并根据所述温度数据判断所述裂缝是否漏风。
74.本发明的实验方法能够还原矿山地下煤炭开采过程中上覆岩层至地表的运动过程，更加真实地模拟煤炭开采引起地表变形和地裂缝的产生、发育过程，并且可以模拟地下温暖的环境以及模拟不同采深下的地温条件。通过对实验模型的底部进行加热，使模型内部的温度明显高于模型表面(上表面)的温度，因此，在模型表面出现的裂缝的内部温度就会大幅度提升，并且不同深度的裂缝在温度上具有明显的区别，根据所获取的裂缝的温度数据可判断裂缝是否漏风，从而能更好地研究地裂缝演变的规律。
75.其中，贯通至模型底部传热层的裂缝与不贯通至模型底部传热层的裂缝的在其温度上具有明显的区别，并且裂缝贯通至实验模型底部的传热层相当于实际开采过程中地表裂缝贯通至采空区，采空区是指由人为挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的“空洞”，若地表裂缝贯通至采空区，煤层具有坍塌危险。
76.下面对步骤s4：获取高度下降所引起的所述实验模型上表面产生的裂缝的温度数据，并根据所述温度数据判断所述裂缝是否漏风进行说明。
77.在一个实施例中，步骤s4包括以下子步骤：
78.通过红外拍摄装置26获取实验模型上表面的红外图像，并根据预设的提取阈值从所述红外图像中的提取所述裂缝的温度数据，根据所述温度数据判断所述裂缝是否贯通所述实验模型的内部而导致漏风。
79.在本实施例中，红外拍摄装置26能够根据裂隙温度直接提取所有的裂隙，无需人为进行一条条数，而且红外拍摄装置26可以模拟夜间地表裂隙的识别。
80.具体地，红外拍摄装置26为红外相机，红外相机对实验模型的上表面(模拟地表)进行实时、连续、全过程的监测，以便能更好地研究地裂缝演变的规律。
81.在另一实施例中，步骤s4包括以下子步骤：
82.通过红外拍摄装置26获取实验模型上表面的红外图像，并确定初始红外裂隙提取阈值；
83.通过可见光拍摄装置25获取实验模型上表面的可见光图像，从可见光图像中提取裂缝的位置数据；
84.根据获得的裂缝的位置数据校准初始红外裂隙提取阈值，并获得校准后的红外裂隙提取阈值；
85.根据校准后的红外裂隙提取阈值从红外图像中提取地表裂缝的温度数据；
86.根据所述温度数据判断所述裂缝是否贯通所述实验模型的内部而导致漏风。
87.在本实施例中，可见光拍摄装置25用于校准红外相机根据温度直接识别裂隙。由于实验模型上不同位置的裂缝具有不同的裂缝大小和裂缝深度，因此通过设置可见光拍摄装置25在可见光条件下拍摄实验模型表面的裂缝，从可见光图像中可获取裂缝的位置信
息，用于校准红外裂隙提取阈值，以提高所获取的裂缝的温度数据的准确性。
88.具体地，可见光拍摄装置25为高速相机，红外拍摄装置26为红外相机，红外相机和高速相机对实验模型的上表面(模拟地表)进行实时、连续、全过程的监测，以便能更好地研究地裂缝演变的规律。
89.下面对步骤s1:根据目标地区的煤层结构建立实验模型进行说明。
90.在一个实施例中，步骤s1包括以下步骤：
91.s10：在模型框架中设置加热层。
92.s11：在加热层上铺设底层模拟材料以模拟煤柱7。
93.s12：在模拟煤柱7的内部设置至少一组顶升装置以模拟煤层6。
94.s13：使顶升装置的顶板13升高至与底层模拟材料的顶部齐平。
95.s14：在顶升装置的顶板13上和底层模拟材料的上表面上层层铺设第一模拟材料以模拟上覆岩层14，直至达到预定的层数，以形成实验模型。
96.其中，实验模型包括从下至上依次设置的加热层、模拟煤层6和模拟上覆岩层14，加热层用于模拟地下环境，模拟煤层6包括模拟煤柱7以及模拟煤柱7中部的多组顶升装置，顶升装置的顶板13高度可以在一定范围内调节，以模拟不同厚度的煤层，并且通过分别控制相应顶升装置上升或下降动作，可以模拟煤层6的分别开挖。
97.进一步地，如图7中所示，多组顶升装置在模拟煤柱7的内部紧密排列，使所有顶升装置的顶板13组成一个完整的平面。
98.优选地，实验模型在模型框架中建立，步骤s14中，每铺设一层第一模拟材料，均在模型框架的四周增加一层挡板3，以防止实验模型坍塌。
99.在一个实施例中，步骤s10包括以下子步骤：在模型框架的底座1上铺设隔热材料作为隔热层15，在隔热层15上铺设加热元件，在加热元件上铺设第二模拟材料作为传热层16，在隔热层15与传热层16之间设置温度传感器28，以测量传热层16的温度。
100.其中，加热元件将热量传导至传热层16，使传热层16能够对实验模型的底部进行恒温加热。
101.具体地，上述加热元件为加热电阻丝17，加热电阻丝17均匀的铺设在隔热层15与传热层16之间。
102.优选地，温度传感器28和加热元件分别与加热控制器22相连，当加热控制器22通过温度传感器28检测到传热层16达到设定温度后，加热控制器22使加热元件保持恒温加热。并且，通过加热控制器22控制加热元件的加热温度，可实现多档加热，以模拟不同采深下的地下环境温度。
103.此外，在模型框架上，与温度传感器28的位置相对应的挡板3上开设一个第一缺口4，使温度传感器28的数据线27可以从第一缺口4伸出后与加热控制器22相连。
104.在一个实施例中，步骤s11包括以下子步骤：在加热层上铺设内部中空的环形底层模拟材料，在环形底层模拟材料的其中一侧设置开口。同时，在模型框架底层的挡板3上也相应地开设第二缺口5，使顶升装置的输出端和输入端可以从模拟煤柱7的开口和挡板3的第二缺口5中伸出。例如，顶升装置的输出端和输入端可以是液压油管19、电线等。
105.具体地，如图6中所示，在模拟煤柱7的后部放置空心矩形型钢8，使模拟煤柱7的后部形成开口，如图4中所示，底层的挡板3上开设有缺口。
106.下面对步骤s3:使实验模型的高度下降以模拟煤层开采的过程进行说明。
107.在一个实施例中，顶升装置包括千斤顶机构9，千斤顶机构9与液压机构相连，液压机构还与控制系统相连，控制系统控制顶升装置的顶板13沿指定方向以指定速度下降，以模拟煤层开采的过程。
108.其中，千斤顶机构9包括依次相连的底板10、液压缸11和顶板13，液压缸11设置有可伸缩的液压活柱12，液压机构与液压缸11相连并驱动所述液压活柱12上下伸缩，以控制顶板13的上升与下降。具体地，上述液压机构为液压泵18，液压泵18与液压油箱20相连，以获取液压油。通过控制液压泵18的开关次序实现对液压机构的分组控制，模拟煤层6的分步开挖。
109.需要说明的是，上述底层模拟材料、第一模拟材料和第二模拟材料，可以是相同的模拟材料，可以是不同的模拟材料。其中，相似模拟材料根据目标地区的地质资料和相似比配置相似模拟材料，具体地，例如表1中所示。
110.表1相似模拟材料配比
[0111][0112]
本发明的另一方面还提供一种地裂缝漏风监测模拟实验装置，如图2中所示，其包括：实验模型、加热系统、控制系统和信息采集系统。其中，加热系统用于对实验模型的底部进行加热，以模拟地下环境，控制系统用于使实验模型的高度下降以模拟煤层开采过过程，信息采集系统获取高度下降所引起的实验模型上产生的裂缝的温度数据。
[0113]
其中，如图5中所示，实验模型根据目标地区的煤层结构在模型框架中建立，如图3中所示，模型框架包括底座1和设置于底座1的四角上的立柱2，模型框架的四周设置有可拆卸的挡板3，挡板3可通过螺栓与立柱2连接并固定，安装和拆卸方便。
[0114]
如图8中所示，加热系统为实验模型底部的加热层，其中，加热层包括隔热层15、传热层16、加热电阻丝17，隔热层15为隔热材料铺设在底座1上的层状结构，传热层16为相似
模拟材料铺设在隔热层15上方的层状结构，加热电阻丝17均匀铺设在隔热层15和传热层16中间。
[0115]
如图9中所示，控制系统包括液压泵18、压油管、液压油箱20、加热控制器22、中央服务器23和显示器24等，液压泵18通过液压油管19分别与液压油箱20和千斤顶机构9连接，液压油管19通过空心矩形型钢8和矩形缺口引处挡板3外，液压泵18通过导线21与中央服务器23连接，加热控制器22与加热电阻丝17连接，显示器24与中央服务器23连接。
[0116]
如图10中所示，信息采集系统包括安装支架29、红外拍摄装置26、可见光拍摄装置25、以及温度传感器28，钢支架横跨模型框架放置，高速相机和红外相机并列固定于安装支架29的横梁中央，温度传感器28放置于隔热层15和传热层16中间，数据线27分别将可见光拍摄装置25、红外拍摄装置26、温度传感器28连接与中央服务器23连接。
[0117]
下面具体说明采用本发明的实验装置进行实验的步骤，具体如下：
[0118]
a、检查各系统部件工况状态，确认各系统部件正常后，将最下层的挡板3安装在立柱2上；
[0119]
b、在挡板3内铺设一层隔热材料作为隔热层15，将加热电阻丝17均匀铺设在隔热层15上，将温度传感器28放置在隔热层15上并连接数据线27，将加热电阻丝17两端和数据线27通过挡板3的缺口引出挡板3之外，在加热电阻丝17上铺设一层相似模拟材料作为传热层16；
[0120]
c、在传热层16上沿四周铺设相似模拟材料作为模拟煤柱7，并在模拟煤柱7的后部放置空心矩形型钢8，在模拟煤柱7内部将多组千斤顶机构9紧密摆放，将千斤顶机构9的液压油管19均通过模拟煤柱7的空心矩形型钢8和挡板3的缺口引出，连接液压泵18、液压油管19和液压油箱20并检查连接是否漏气，若漏气则检查漏气位置重新连接，若无漏气继续下一步；
[0121]
d、启动所有的液压泵18，使千斤顶机构9的顶板13升起至指定高度后，关闭所有液压泵18；
[0122]
e、依次将挡板3安装至立柱2上，根据地质资料和相似比配制相似模拟材料，层层铺设组成模拟上覆岩层14，直至模拟上覆岩层14敷设完成；
[0123]
f、将实验模型静置一段时间，使相似模拟材料充分固结，保留左右两侧挡板3，将前后两侧挡板3拆除；
[0124]
g、继续将实验模型静置，使相似模拟材料充分风干后，将已拆下的挡板3重新安装；
[0125]
h、将高速相机、红外相机安装至安装支架29的横梁上，使用数据线27将高速相机、红外相机与中央服务器23连接，将温度传感器28的数据线27与中央服务器23连接，将加热电阻丝17与加热控制器22连接，接通相关电源；
[0126]
i、当温度传感器28数据显示传热层16达到设定温度后，通过加热控制器22使加热电阻丝17保持恒温加热；
[0127]
j、打开高速相机和红外相机，开始对模拟上覆岩层14的上表面进行监测；
[0128]
k、通过中央服务器23控制相应的液压泵18使其从千斤顶机构9一侧抽液，实现千斤顶机构9的分组下降，模拟对煤层开采的过程；
[0129]
l、煤层开采完毕后，待模拟上覆岩层14运动稳定一段时间后关闭高速相机和红外
相机，导出数据，并关闭加热控制器22，停止加热；
[0130]
m、分析实验数据，对比高速相机和红外相机的拍摄图像的地裂缝位置信息，校准红外相机的拍摄信息；
[0131]
n、提取红外图像地裂缝的温度数据，判断裂缝是否漏风；
[0132]
o、清理模型框架中的相似模拟材料，将各系统部件拆除并安放在原位以备下次实验使用。
[0133]
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。