围岩测试方法及测试系统与流程

本发明属于煤层开采技术领域，尤其涉及一种围岩测试方法及测试系统。

背景技术：

围岩是煤层回采巷道工作面的周围岩体。煤层回采过程中以及回采之后，回采面的围岩的应力状态往往会发生改变，使得回采面的围岩发生变形或破坏产生裂缝，进而使得地层水涌入回采巷道，造成突水，直接威胁到作业人员的安全。因此回采面的围岩变形与破坏情况是矿井安全生产中十分关注的问题。

现有技术可通过栓塞将围岩中的钻孔隔离出一定长度的孔段，并向该孔段压水，根据压力与流量的关系确定围岩的变形与破坏情况。但其只能对围岩中的钻孔的变形与破坏情况进行定性测试，无法准确测试围岩变的形变量和变形范围。

上述方法仅能测得围岩是否产生形变或产生裂缝，无法准确反映岩石的形变量和变形范围，使得煤层开采存在较大安全隐患。

技术实现要素：

本发明提供一种围岩测试方法及测试系统，通过数据采集装置和数据处理装置的配合使用，可准确测得围岩的形变参数，提高了围岩变形情况的测试精度，消除了煤层开采的安全隐患。

本发明提供一种围岩测试方法，包括：

获取数据采集装置所采集的待测围岩在至少一个时段的应变数据和电场数据；其中，所述数据采集装置置于所述待测围岩中的钻孔中；

根据每个时段的应变数据，得到所述每个时段的位移场数据；

根据所述每个时段的电场数据，得到所述每个时段的电阻率数据；

根据所述每个时段的位移场数据和所述每个时段的电阻率数据，确定所述围岩在所述每个时段内的形变参数。

所述根据每个时段的应变数据，得到所述每个时段的位移场数据之前，所述方法还包括：

获取所述数据采集装置所采集的所述待测围岩在所述每个时段的温度；

根据所述每个时段的温度，确定所述每个时段的应变数据中温度产生的异常数据，并去除所述异常数据。

进一步的，所述根据每个时段的应变数据，得到所述每个时段的位移场数据，包括：

根据去除所述异常数据后的所述每个时段的应变数据，得到所述每个时段的位移场数据。

进一步的，所述根据每个时段的所述应变数据，得到所述每个时段的位移场数据，包括：

对所述每个时段的应变数据进行积分处理，得到所述每个时段的位移场的分布曲线图；其中，所述位移场的分布曲线图包括用于表征所述每个时段的位移场数据的曲线。

进一步的，所述根据所述每个时段的电场数据，得到所述每个时段的电阻率数据，包括：

对所述每个时段的电场数据进行电阻率反演操作，得到所述每个时段的电阻率反演图；其中，所述电阻率反演图包括用于表征所述每个时段的电阻率数据的分布范围。

本发明提供一种围岩测试系统，包括：

数据采集装置和数据处理装置，所述数据采集装置与所述数据处理装置连接；

所述数据采集装置用于采集待测围岩在至少一个时段的应变数据和电场数据，并将采集到的每个时段的应变数据和所述每个时段的电场数据发送至所述数据处理装置；其中，所述数据采集装置置于所述待测围岩中的钻孔中；

所述数据处理装置，用于根据所述每个时段的应变数据和所述每个时段的电场数据，确定所述待测围岩的形变参数；所述数据处理装置置于所述待测围岩的钻孔外。

进一步的，所述数据采集装置包括：应变传感光缆、电极和套管，所述应变传感光缆和所述电极固定在所述套管外侧，所述套管置于所述待测围岩的钻孔中；

所述应变传感光缆用于采集所述待测围岩在所述每个时段的应变数据，并将采集到的所述每个时段的应变数据发送至所述数据处理装置；

所述电极用于采集所述待测围岩在所述每个时段的电场数据，并将采集到的所述每个时段的电场数据发送至所述数据处理装置。

可选的，所述数据采集装置还包括：温度补偿光缆，所述温度补偿光缆固定在所述套管的外侧；

所述温度补偿光缆用于采集所述待测围岩在所述每个时段的温度，并将采集到的所述每个时段的温度发送至所述数据处理装置。

可选的，所述数据处理装置用于根据所述每个时段的温度，确定所述每个时段的应变数据中温度产生的异常数据，并去除所述异常数据。

本发明提供一种围岩测试方法及测试系统，其中，该围岩测试方法包括：获取数据采集装置所采集的待测围岩在至少一个时段的应变数据和电场数据；其中，该数据采集装置置于该待测围岩中的钻孔中；根据每个时段的应变数据，得到该每个时段的位移场数据；根据该每个时段的电场数据，得到该每个时段的电阻率数据；根据该每个时段的位移场数据和该每个时段的电阻率数据，确定该围岩在该每个时段内的形变参数。该围岩测试方法，通过数据采集装置和数据处理装置的配合使用，可准确测得围岩的形变参数，提高了围岩变形情况的测试精度，为消除煤层开采的安全隐患提供了理论指导。

附图说明

图1为本发明提供的围岩测试系统的结构示意图；

图2为本发明提供的围岩钻孔结构示意图；

图3为本发明提供的围岩测试方法的流程图；

图4为本发明提供的另一种围岩测试方法的流程图；

图5为本发明提供的位移场的分布曲线图；

图6为本发明提供的电阻率反演图。

附图标记说明：

1-数据采集装置；

2-数据处理装置；

3-温度传感光缆；

4-电极；

5-电极通讯线；

6-套管；

7-顶板钻孔；

8-底板钻孔。

具体实施方式

本发明提供一种围岩测试系统，图1为本发明提供的围岩测试系统的结构示意图。如图1所示的围岩测试系统，包括：数据采集装置1和数据处理装置2，数据采集装置1与数据处理装置2连接。

数据采集装置1用于采集待测围岩在至少一个时段的应变数据和电场数据，并将采集到的每个时段的应变数据和每个时段的电场数据发送至数据处理装置2；其中，数据采集装置1置于该待测围岩中的钻孔中。

数据处理装置2，用于根据该每个时段的应变数据和该每个时段的电场数据，确定该待测围岩的形变参数；该数据处理装置置于该待测围岩的钻孔外。

具体的，该待测围岩可包括：位于回采面顶部的围岩和位于回采面底部的围岩。其中，位于回采面顶部的围岩可称为顶板围岩，位于回采面底部的围岩可称为底板围岩。该待测围岩中的钻孔为该待测围岩中朝向回采面的钻孔。

该每个时段的电场数据可以是地电场数据。

图2为本发明提供的围岩钻孔结构示意图。如图2所示，该待测围岩的钻孔可包括：顶板钻孔7和底板钻孔8。其中，顶板钻孔7可以是位于顶板围岩中的钻孔，底板钻孔8可以是位于底板围岩中的钻孔。

其中，顶板钻孔7与回采面之间垂直距离的最大值为第一预设值。该第一预设值可以大于或等于导水裂缝带的高度。该导水裂缝带可以是该顶板围岩内部能积聚地下水或能使得地下水流通过的通道。该顶板钻孔穿过该导水裂缝带，可使得测得的数据能更加精确的反映待测围岩内部的变形和破坏情况。

底板钻孔8与回采面之间垂直距离的最大值为第二预设值。该第二预设值可大于或等于底板破坏带的深度。该底板破坏带可以是该底板围岩连续性遭到破坏，导水性发生明显改变的岩层带。该底板钻孔穿过该底板破坏带，可使得测得的数据能更加精确的反映待测围岩内部的变形和破坏情况。

该数据采集装置置入该待测围岩的钻孔内后可采用水泥注浆封孔，该注浆封孔操作可使得该数据采集装置与周围岩体更好的耦合，使得该数据采集装置与该待测围岩协同变形，进而使得测量结果更加准确。

具体来说，煤层回采过程中以及回采之后，回采面的围岩会发生变形与破坏，导致其内部结构发生改变，而待测围岩内部结构的变化则会改变围岩的导电条件，使得围岩电阻率发生改变，同时也使得围岩内部岩层产生形变和位移。而该每个时段的电场数据可反应出待测围岩的电阻率变化情况，同时该每个时段的应变数据可反应出待测围岩的形变量。因此，通过检测待测围岩的电场数据和应变数据，可准确确定出待测围岩的形变参数。

本发明提供的围岩测试系统，包括：数据采集装置和数据处理装置，该数据采集装置与该数据处理装置连接；该数据采集装置用于采集待测围岩在至少一个时段的应变数据和电场数据，并将采集到的每个时段的应变数据和该每个时段的电场数据发送至该数据处理装置；其中，该数据采集装置置于该待测围岩中的钻孔中；该数据处理装置，用于根据该每个时段的应变数据和该每个时段的电场数据，确定该待测围岩的形变参数；其中，该数据处理装置置于该待测围岩的钻孔外。本发明提供的围岩测试系统，通过数据采集装置和数据处理装置的配合使用，可准确测得围岩的形变参数，提高了围岩变形情况的测试精度，并能准确预测回采面的围岩变形或破坏情况，为消除煤层开采的安全隐患提供了理论指导。

进一步的，如图1所示的围岩测试系统，数据采集装置1包括：应变传感光缆3、电极4和套管6，应变传感光缆3和电极4固定在套管6外侧，套管6置于该待测围岩的钻孔中。

应变传感光缆3用于采集该待测围岩在该每个时段的应变数据，并将采集到的该每个时段的应变数据发送至数据处理装置2。

电极4用于采集该待测围岩在该每个时段的电场数据，并将采集到的该每个时段的电场数据发送至数据处理装置2。

具体的，套管6可以是pvc管，用于将应变传感光缆3和电极4植入该待测围岩的钻孔中。

应变传感光缆3可包括：多个应变传感器、通信光缆等，多个应变传感器依次通过通信光缆连接。该通信光缆还与数据处理装置2连接，该通信光缆可将应变传感器采集到的应变数据发送至数据处理装置2。

其中，应变传感光缆3可包括钢绞式应变传感光缆和定点式应变传感光缆，该钢绞式应变传感光缆中的应变传感器可采用全分布式的布置方式，该钢绞式应变传感光缆可准确测得该待测围岩内部较小的形变。而该定点式应变传感光缆中的应变传感器可采用间隔分布的布置方式，其间距可以为2米，该定点式应变传感光缆可准确测得该待测围岩内部较大的形变。该钢绞式应变传感光缆和该定点式应变传感光缆配合使用，可满足对该待测围岩不同程度变形的同时测量。

应变传感光缆3可采用布里渊散射光时域反射监测技术(brillouinopticaltime-domainreflectometer，简称botdr)采集该待测围岩的应变数据。其中，该每个时段的电场数据可以为该待测围岩中的采样点在该每个时段的应变数据。

例如，应变传感光缆3可将探测的脉冲光以预设的频率从光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子相互作用产生布里渊散射光，该布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，在该入射端经过一系列信号处理可以得到该光纤沿线的布里渊背散光功率。之后，应变传感光缆3还可按一定间隔不断变化入射脉冲光的频率，就可以获得光纤上采样点的布里渊频移，继而根据采样点的布里渊频移，以及布里渊频移的变化量与光纤应变之间的线性关系，确定该采样点的应变数据。

电极4可以是多个，多个电极4可分别与电极通讯线5连接。该电极通讯线5还与数据处理装置2连接，该电极通讯线5可将电极4采集到的电场数据发送至数据处理装置2。电极4可采用并行电法测试技术采集该待测围岩在该每个时段的电场数据。

例如，电极4通过电极通讯线5与数据处理装置2保持实时联系，并通过电极通讯线5实时地将测得的电场数据发送至数据处理装置2。

使用时，在将数据采集装置1置入钻孔之前先对每个应变传感器和电极4进行标点定位，便于后期确定该待测围岩内部发生变形破坏的具体位置，接着将该应变通信光缆和该电极通讯线5固定在套管6的外侧，并采用钻孔植入的方法将套管送进钻孔内部，以采集该每个时段的应变数据和该每个时段的电场数据，并通过数据处理装置2进行数据处理。

其中，根据该标点定位的数据可实时确定该待测围岩变形破坏的发生位置，应变传感光缆3能够实时，长距离进行测试，可获得该待测围岩在该每个时段的应变数据。而电极4通过电法测试，可测得较大范围内待测围岩结构的变形情况。也就是说，应变传感光缆3可测得随着该待测围岩的变形和破坏，应变传感光缆3随之发生变形时的该每个时段的应变数据，而由于应变传感光缆3为线状分布，故测得的该每个时段的应变数据仅能反应该待测围岩在该应变传感光缆3所在的直线上的变形程度；而电极4测得的该待测围岩在该每个时段的电场数据则可以反映出该待测围岩内部变形破坏的范围。

由此，通过应变传感光缆3和电极4的配合使用，可测得该待测围岩在该每个时段的应变数据和该每个时段的电场数据，而根据该每个时段的应变数据和该每个时段的电场数据，可实现对该待测围岩的破坏程度和破坏范围的精确判断。

本实施例提供的数据采集装置，通过设置应变传感光缆3和电极4，可准确测得由回采引起的围岩应变和电场变化情况，从而实现对该待测围岩破坏程度、破坏范围的精确判断，为消除煤层开采的安全隐患提供了理论指导。

可选的，数据采集装置1还可包括：温度补偿光缆，温度补偿光缆固定在套管6的外侧。

温度补偿光缆用于采集该待测围岩在该每个时段的温度，并将采集到的该每个时段的温度发送至数据处理装置2。

具体的，温度补偿光缆可包括：多个温度传感器、通信光缆等，多个温度传感器依次通过通信光缆连接。该通信光缆还与数据处理装置2连接，该通信光缆可将温度传感器采集到的温度发送至数据处理装置2。

可选的，数据处理装置2用于根据该每个时段的温度，确定该每个时段的应变数据中温度产生的异常数据，并去除该异常数据。

由于围岩内部的变形破坏，和温度均可能引起应变传感光缆3采集到的该每个时段的应变数据的变化，而该每个时段的应变数据中温度所产生的数据实际为异常数据。通过数据处理装置将该每个时段的应变数据中温度产生的异常数据进行去除，继而根据去除该异常数据后的该每个时段的应变数据，得到该每个时段的位移场数据。

由于该测试系统中，可通过温度补偿光缆采集该每个时段的温度，继而使得数据处理装置确定该每个时段的应变数据中温度产生的异常数据，并将该每个时段的应变数据中温度产生的异常数据进行去除，实现对应变数据的配准，消除温度干扰影响，使得测试数据准确性提高。使得得到的位移场数据更准确，提高了围岩变形情况的测试精度。

可选的，本发明还提供一种围岩测试方法。其中，图3为本发明提供的围岩测试方法的流程图，如图3所示，该方法可包括：

s301、获取数据采集装置所采集的待测围岩在至少一个时段的应变数据和电场数据；其中，该数据采集装置置于该待测围岩中的钻孔中。

具体的，数据采集装置1耦合设置于该待测围岩的钻孔中，对该待测围岩内部的变形破坏情况进行实时监测，并获取该待测围岩的应变数据和电场数据。其中，可通过应变传感光缆3采集至少一个时段的应变数据，以及通过电极4采集至少一个时段的电场数据。

s302、根据每个时段的应变数据，得到该每个时段的位移场数据。

具体的，可通过数据处理装置2对采集到的该每个时段的应变数据进行处理，以确定该待测围岩的位移场数据。

s303、根据该每个时段的电场数据，得到该每个时段的电阻率数据；

具体的，可通过数据处理装置2对采集到的该每个时段的电场数据进行处理，以确定该待测围岩的电阻率数据。

s304、根据该每个时段的位移场数据和该每个时段的电阻率数据，确定该待测围岩在该每个时段内的形变参数。

具体的，该待测围岩在该每个时段内的形变参数可包括：该待测围岩在该每个时段内的形变量和变形范围，其中，根据该位移场数据，可准确确定该待测围岩的形变量；根据该电阻率数据，可准确确定该待测围岩的变形范围。

本实施例提供的围岩测试方法，通过对该待测围岩的变形破坏情况的综合测试，获得了钻孔全长在工作面回采过程中的全空间变形的应变数据和电场数据，两种数据相互补充验证，更加准确的反映了该待测围岩变形、破坏的机制。

本发明提供的围岩测试方法，包括：获取数据采集装置所采集的待测围岩在至少一个时段的应变数据和电场数据；其中，该数据采集装置置于该待测围岩中的钻孔中；根据每个时段的应变数据，得到该每个时段的位移场数据；根据该每个时段的电场数据，得到该每个时段的电阻率数据；根据该每个时段的位移场数据和该每个时段的电阻率数据，确定该围岩在该每个时段内的形变参数。本发明提供的围岩测试方法，通过数据采集装置和数据处理装置的配合使用，可准确测得围岩的形变参数，提高了围岩变形情况的测试精度，为消除煤层开采的安全隐患提供了理论指导。

可选的，在如上所述的方法的基础上，本发明还提供一种围岩测试方法。图4为本发明提供的另一种围岩测试方法的流程图。可选的，如图4所示，在如上所述的s302中根据每个时段的应变数据，得到该每个时段的位移场数据之前，该方法还可包括：

s401、获取该数据采集装置所采集的该待测围岩在该每个时段的温度；

s402、根据该每个时段的温度，确定该每个时段的应变数据中温度产生的异常数据，并去除该异常数据。

具体的，由于围岩内部的变形或破坏，和温度均可能引起应变传感光缆3采集到的该每个时段的应变数据的变化，通过温度补偿光缆采集该每个时段的温度，继而使得数据处理装置确定该每个时段的应变数据中温度产生的异常数据，并将该每个时段的应变数据中温度产生的异常数据进行去除，实现对应变传感光缆3对应变的测试数据进行的配准，消除温度干扰影响，使得得到的该每个时段的位移场数据更准确，提高了围岩变形情况的测试精度。

进一步的，在如上所述的s302中根据每个时段的应变数据，得到该每个时段的位移场数据，可包括：

根据去除该异常数据后的该每个时段的应变数据，得到该每个时段的位移场数据。

本实施例提供的去除异常数据的方法可用于去除由于环境影响引起的异常数据，提高了围岩变形情况的测试精度，消除了煤层开采的安全隐患。

进一步的，如上所述的步骤s302中根据每个时段的应变数据，得到该每个时段的位移场数据可包括：对该每个时段的应变数据进行积分处理，得到该每个时段的位移场的分布曲线图；其中，该位移场的分布曲线图包括用于表征该每个时段的位移场数据的曲线。

具体的，假定钻孔注浆后形成类似桩式结构，桩身随围岩破坏发生弯曲变形，其中，假设桩身在远离回采面的钻孔孔口位置处不发生位移，在靠近回采面的钻孔孔底位置处先发生形变，对上述该每个时段的应变数据进行积分计算可以获得相应二维空间内的位移场变化情况。将该每个时段的应变数据带入式(1)可得到钻孔内每一点的位移值大小。

式(1)中ν(z)为钻孔内每个采样点在该每个时段的位移场数据，εm(z)为钻孔内每个采样点在该每个时段的应变数据，y(z)为应变传感光缆3与桩中性面之间的距离，z为钻孔孔口至钻孔孔底间任一点的距离。其中，该中性面可以是该假定桩中既没有拉力也没有压力的面。

提取上述积分数据并绘制位移场的分布曲线。本发明提供的顶板钻孔和底板钻孔的应变数据测量方法和积分处理方法相同，其中，以顶板钻孔为例，图5为本发明提供的位移场的分布曲线图。如图5所示的位移场分布曲线图，其横坐标和纵坐标可以是应变传感器的定位坐标，顶板钻孔的位移场的分布曲线图包括用于表征该每个时段的位移场数据的曲线。根据该位移场的分布曲线图，可确定出导水裂缝带的高度和垮落带高度。其中，该垮落带是该待测围岩内部破坏并向回采巷道垮落的岩层带。如图5所示，该位移场曲线突变较大的岩层带为该导水裂缝带；该位移场曲线突变最大且靠近该钻孔孔底的岩层带为垮落带。该位移场曲线突变较大的岩层带内的每个采样点在不同时段的应变数据的变化量大于或等于第一预设变化量。该位移场曲线突变最大的岩层带内的每个采样点在不同时段的应变数据的变化量大于或等于第二预设变化量。该第一预设变化量小于第二预设变化量。

该导水裂缝带的高度可以为图5中所示的hl垮落带高度可以为图5中所示的hk。

本实施例提供的积分处理方法，可将测得的应变数据分别对应至该待测围岩钻孔内每一点的位移，并可精确确定围岩内导水裂缝带和垮落带的高度值，有利于对围岩破坏情况的精细掌握，为消除煤层开采的安全隐患提供了理论指导。

进一步的，在如上所述的步骤s303中，根据该每个时段的电场数据，得到该每个时段的电阻率数据；还可包括：对该每个时段的电场数据进行电阻率反演操作，得到该每个时段的电阻率反演图；其中，该电阻率反演图包括用于表征该每个时段的电阻率数据的分布范围。

具体的，该方法中，可根据一个时段的电场数据，得到该一个时段的电阻率反演图，该一个时段的电阻率反演图包括在该一个时间段内至少一个采样点或位置处的电阻率数据。因而可根据至少一个时段的应变数据，得到至少一个时段的电阻率反演图。至少一个时段中不同时段的电阻率反演图中相同位置或采样点的电阻率数据的分布范围不同。

例如，该方法中可根据该每个时段的电场数据、各个电极点的坐标，采用高密度电法仪进行电阻率反演操作，继而采用电阻率层析成像技术，得到该一个时段的电阻率反演图。其中该高密度电法仪可以是由美国的agi公司生产的。通过该一个时段的电阻率反演图，用户可清楚获知该每个时段中不同位置或采样点的电阻率分布情况，以及根据多个时段的电阻率反演图，用户可清楚获知相同位置或者采样点在不同时段的电阻率分布情况。根据该多个时段的电阻率反演图，用户可清楚获知该待测围岩内部的变形与破坏情况。

本发明提供的顶板钻孔和底板钻孔的电场测量方法和电阻率反演方法相同，以顶板钻孔为例，图6位本发明提供的电阻率反演图。如图6所示的电阻率反演图，其横坐标和纵坐标可以是电极4的定位坐标，图6为一个时段的电阻率反演图。根据该顶板钻孔在该多个时段的电阻率反演图，可动态确定出该待测围岩内部的电阻率变化情况，进而可确定出导水裂缝带的高度和垮落带高度。其中，该待测围岩中裂缝越多，电阻率值越大。如图6所示，电阻率值较大的岩层带为该导水裂缝带，电阻率值最大且靠近该钻孔孔底的岩层带为垮落带。该电阻率值较大的岩层带内的每个采样点在不同时段的电阻率值大于或等于第一预设值。该电阻率值最大的岩层带内的每个采样点在不同时段的电阻率值大于或等于第二预设值。该第一预设值小于该第二预设值。

该导水裂缝带的高度可以为图6中所示的hl，垮落带高度可以为图6中所示的hk。

其中根据位移场的分布曲线图和电阻率反演图均可确定出该导水裂缝带的高度hl和垮落带高度hk，最终综合该两种方式确定出导水裂缝带的高度hl和垮落带高度hk，并以数值较大者为最终值。

本实施例提供的电阻率反演方法，可根据测得的电场数据连续动态获得该待测围岩内部的电阻率数据，同时能够实现对垮落带和导水裂缝带高度的准确判断，有利于对围岩破坏情况的精细掌握，为消除煤层开采的安全隐患提供了理论指导。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。