本发明涉及采空区回填，具体涉及一种用于充水采空区灌注充填的防离析装置及评估方法。
背景技术：
1、煤矿开采为能源供应和经济发展提供了重要支撑，但大规模开采形成的采空区易引发地表塌陷、地下水污染及次生地质灾害，其中充水采空区因积水与地层结构相互作用，存在突水事故和充填体失效风险。目前采空区治理主要采用注浆充填技术，可通过灌注混凝土浆液加固采空区，但混凝土通过注浆管在输送至采空区过程中因重力原因浆液与骨料易发生分离，加上采空区积水的因素，混凝土在采空区内易发生离析反应(骨料下沉、浆液分层)，导致充填体强度不均甚至胶结失效，而现有防治手段如优化水灰比、添加外加剂或控制搅拌时间等均局限于地面预控，无法实时监测地下环境动态变化对混凝土性能的影响，更缺乏对离析的主动干预措施。此外，注浆效果检测主要依赖事后钻探、物探或长期地表沉降监测，存在时效性差、破坏性大及深部采空区难以实施等问题，导致治理效率低下且安全隐患难以根除。
2、申请号为2020107869916的中国专利公开了一种采空区满管注浆及效果实时检测方法，通过在注浆孔逐级设置缓冲装置确保浆液满管流动，结合周围钻孔液面监测装置及三个定量指标(高度系数、衰减系数、下行系数)实时评估注浆效果，其不足在于依赖专用设备和复杂参数计算，实施成本较高，无法实时监测离析情况，且对地质条件适应性未充分验证。因此，亟需开发一套能够混凝土灌注缓存、实时监控混凝土离析状态、动态调控注浆参数并实现充填质量闭环管理的智能化系统，以突破传统技术的地面局限性与滞后性，全面提升采空区治理的可靠性与时效性。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提出一种用于充水采空区灌注充填的防离析装置，解决煤矿充水采空区回填过程中混凝土在注浆管内出现未满管的状况，易导致在注浆管内离析，以及难以实时监控混凝土在采空区水体中是否发生离析的问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
3、一种用于充水采空区灌注充填的防离析装置，包括物料储存单元、计量单元、搅拌单元、制浆控制台、浆液输送单元、防离析注浆管和电控系统，所述物料储存单元包括水泥仓、骨料仓、外加剂罐和水箱，计量单元包括水泥秤、骨料秤和外加剂秤，所述水泥仓的出口通过螺旋输送机和水泥秤与搅拌单元的入口相连。
4、骨料仓出口通过皮带输送机和骨料秤与搅拌单元的入口相连，外加剂罐的出口通过外加剂秤与搅拌单元的入口管路连接，水箱通过计量泵与搅拌单元的入口管路连接。
5、浆液输送单元包括注浆泵和浆液运输管，注浆泵设置在搅拌单元的出口端，注浆泵的出口通过所述浆液运输管与防离析注浆管的入口端固定密封相连。
6、防离析注浆管包括注浆管体、螺旋导流叶片和蝶形重力阀门，注浆管体竖向布置在矿井内部，其下端伸至采空区的水体内，螺旋导流叶片有多个，沿着注浆管体的轴线方向依次等间隔固定于注浆管体的内部，每个螺旋导流叶片的下侧均相邻布置有一个所述蝶形重力阀门。
7、电控系统包括plc控制器、超声波传感器、压力传感器、流量传感器和温度传感器，超声波传感器有多个，呈螺旋方式依次布置在注浆管体的圆周外壁上。
8、所述压力传感器和流量传感器均有多个，其中一个压力传感器82和一个流量传感器设置在注浆泵的出口端，其余的压力传感器和流量传感器均沿着竖直方向依次间隔布置在注浆管体的内侧壁上。
9、温度传感器有多个，沿着竖向等间隔固定于注浆管体的外侧，且与超声波传感器错位布置，所有超声波传感器、压力传感器、流量传感器和温度传感器的信号端均与plc控制器通讯相连。
10、进一步地，所述水泥仓通过钢架竖向固定于地面上方，水泥仓的出口位于其底部，与螺旋输送机的一端相连相通，螺旋输送机的另一端与水泥秤的入口相连相通，水泥秤位于搅拌单元的上方，其底部出口与搅拌单元管路相连。
11、皮带输送机的皮带一端位于骨料仓的底部出口下方，皮带的另一端位于骨料秤的入口上方，骨料秤的底部出口与搅拌单元管路相连，所述螺旋输送机和皮带输送机的信号端分别与制浆控制台通讯相连。
12、进一步地，外加剂罐的出口通过管路连接的方式与外加剂秤的入口相连相通，外加剂秤的出口与搅拌单元的入口管路相连。
13、计量泵固定安装在水箱的出口端，计量泵的出口端与搅拌单元的入口管路相连，计量泵和外加剂秤的信号端分别与制浆控制台通讯相连。
14、进一步地，所述搅拌单元包括一级搅拌池和二级搅拌池，水泥秤、骨料称、外加剂秤和计量泵的出口端均与一级搅拌池的顶部相连相通。
15、二级搅拌池位于一级搅拌池的下方，其顶部与一级搅拌池的底部通过带有闸阀的管路相连，二级搅拌池的底部出口与注浆泵入口相连相通，另外，所述一级搅拌池和二级搅拌池的内部均设有一个搅拌器。
16、进一步地，所述注浆管体的内部设有圆形截面的竖轴，竖轴与注浆管体同轴布置，所有螺旋导流叶片均套设于所述竖轴的外部，其内侧与竖轴的外侧壁固定焊接成一体。
17、进一步地，所述注浆管体是由多段钢管单体首尾依次相连构成的，蝶形重力阀门包括阀门壳体、横轴、阀片及扭力弹簧，所述阀门壳体与相邻两段钢管单体的对应端固定密封相连。
18、横轴的两端与阀门壳体的侧壁固定相连，竖轴穿过各横轴的中间位置并与其十字固定相连，阀片有两个且以对称布置的方式转动设置在横轴轴向的两侧，阀片为半圆形平板，扭力弹簧套设在横轴外部，其端部与阀片的底面固定相连。
19、本发明的另一个目的在于提出一种用于充水采空区灌注充填的防离析评估方法。
20、一种用于充水采空区灌注充填的防离析评估方法，基于上述的用于充水采空区灌注充填的防离析装置，该评估方法包括如下步骤：
21、步骤一、构建综合离析评价模型，该综合离析评价模型采用的综合离析指数公式为：
22、sci＝α·sa+β·δp+γqvar+δ·tdev
23、式中，sci为综合离析指数，sa为超声波离析度，δp为压力波动率，qvar为流量变异系数，tdev为温度偏离基准值的百分比，α为超声波传感器权重系数，β为压力传感器权重系数，γ为流量传感器权重系数，δ为温度传感器权重系数；
24、步骤二、各超声波传感器每间隔单位时间采集一次超声波在注入混凝土内的传播时间t，传播时间t经过控制器处理后得到sa；
25、单个压力传感器在单位时间内的时间点t1、t2、…tu采集注浆管道压力值，记作p1、p2、……pu，所有压力传感器将在单位时间内得到的注浆管道压力值经过控制器处理后得到δp；
26、单个流量传感器在单位时间内的时间点t1、t2、…tu采集注浆管道内的混凝土流量值，记作q1、q2、……、qu，并将所有流量传感器在单位时间内采集的混凝土流量值发送至控制器，经控制器处理后得到qvar；
27、单个温度传感器在单位时间内的时间点t1、t2、…tu采集注浆管体外部的温度值，记作t1、t2、…、tu，并将所有流量传感器在单位时间内采集的温度值发送至控制器，经控制器处理后得到tdev，u为单位时间内传感器采集数据的次数，任意相邻两个时间点之间的时长均相等；
28、步骤三、将步骤二中得到的sa、δp、qvar、tdev代入综合离析指数公式，计算得到当前综合离析指数；
29、之后，当前综合离析指数与设定的综合离析阈值进行比较，如果当前综合离析指数大于或等于综合离析阈值，则判定注入采空区水中的混凝土发生离析，控制器将结果反馈至制浆控制台，制浆控制台根据反馈结果调节混凝土原料比例后，继续进行混凝土灌注；
30、如果当前综合离析指数小于综合离析阈值，则判定注入采空区水中的混凝土未发生离析，按照原有混凝土原料比例继续进行混凝土灌注；
31、步骤四、混凝土灌注过程中，为适应采空区环境的动态变化，使用熵值法与时间推移法相结合的方式，对综合离析评价模型的中的权重系数进行动态更新；
32、混凝土灌注前，设定初始权重系数，并设定统计时长为a天，推移时长为b天，从每次的统计时长内提取四种传感器的统计数据带入到综合离析指数公式中，计算出推移时长内所采用的权重系数并更新；
33、到达下一个推移时长时，采用相同的方式更新权重系数，依次类推，直至混凝土灌注完成。
34、进一步地，步骤二中，定义混凝土离析临界状态下的传播时间为t0，由离析度公式计算得到|s|，离析度公式为：
35、
36、将各超声波传感同一次采集的数据经过处理后，选择|s|的最大值作为sa；
37、计算各压力传感器在单位时间内的平均压力式中，pi为压力传感器在单位时间内的任一时间点的压力值，利用样本标准差计算公式计算出所有压力传感器的在各时间点的压力标准差σp，并进行升序排列：σpi＜σp2＜σp3＜…＜σpn，之后，对所有压力传感器在单位时间内的压力标准差σp的样本数据进行95％分位数处理，将压力标准差σp的95％分位数作为δp，压力标准差计算公式为：
38、
39、计算各流量传感器在单位时间内的平均流量的计算公式为：
40、
41、式中，qi为流量传感器测得混凝土在单位时间内的任一采集时间点的流量值；
42、利用流量标准差公式计算出所有流量传感器的在各时间点的流量标准差σq，流量标准差计算公式为：
43、
44、将流量标准差σq代入流量变异系数公式，计算出各流量传感器在单位时间内的流量变异系数cvq，流量变异系数公式为：
45、
46、对所有流量传感器在单位时间内的流量变异系数cvq进行升序排列，之后，对流量变异系数cvq的样本数据进行95％分位数处理，将流量变异系数cvq的95％分位数作为qvar；
47、预设参考温度tref为基准值，实际测量温度为ti，计算温度传感器在单位时间内测得的实测温度偏离基准值的差值δti，差值δti的计算公式：
48、δti＝ti-tref
49、计算温度传感器在单位时间内的各实测温度的相对偏差百分比at，相对偏差百分比计算公式为：
50、
51、对温度传感器在单位时间内的相对偏差百分比at进行升序排列，之后，对相对偏差百分比at的样本数据进行95％分位数处理，将相对偏差百分比at的95％分位数作为tdev。
52、进一步地，步骤一中，构建综合离析评价模型的原始数据矩阵x，原始数据矩阵x由m种传感器、每种传感器由n个传感器组成，记作x＝(xij)m*n，对x进行标准化处理后得到新的数据矩阵
53、
54、计算第i种传感器的第j个传感器的数据比重pij：
55、
56、式中，(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)，将pij代入到下式中计算出第j个传感器的熵值ej：
57、式中，
58、第j个传感器的变异指数为：dj＝1-ej；
59、第j个传感器的权重为：
60、计算第i种传感器的综合评价值zi，
61、将z1作为超声波传感器的权重系数α，z2作为压力传感器的权重系数β，z3作为流量传感器的权重系数γ，z4作为温度传感器的权重系数δ。
62、通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明通过在注浆管内部设置螺旋导流叶片与重力阀门，达到减缓混凝土的流速以使注浆管内始终处于满管状态，避免混凝土沿注浆管体向下长距离输送过程中发生离析，以确保混凝土下落到达采空区后，仍保持骨料与浆液较好状态。通过构建综合离析评价模型，将多种传感器采集的数据融合各参数权重，实时动态监控浆液离析程度，以熵值法结合时间推移法通过多传感器监控系统监测浆液离析情况并通过反馈系统调节，形成物料储存、配比、搅拌、输送、注浆到监控反馈的全自动化链路，从而达到抵御和监控混凝土离析的效果。