一种裂隙岩体注浆扩散范围监测系统及方法

1.本发明涉及岩体注浆浆液扩散范围监测技术领域，尤其涉及一种裂隙岩体注浆扩散范围监测系统及方法。


背景技术：

2.在岩体注浆过程中，把握浆液的扩散范围是极为重要的，而扩散半径是作为评价注浆效果的主控因素。尽管国内外学者推导出一些渗透注浆浆液扩散半径的计算方法，但这些方法往往是在假设注浆孔与被注岩层层面呈垂直状态下获得的，且往往需要一些工程上很难获得的参数，这样也就严重影响了公式的应用性。根据现有资料的记载，目前在岩体注浆浆液扩散范围监测技术领域的研究中，主要采用的方法有基于微震监测浆液扩散范围、利用预先布设温度传感器监测浆液的扩散范围及利用打孔放入窥视仪进行监测等，这些方法都存在一些问题：
3.(1)成本较高，且携带不便。例如：利用窥视仪监测浆液的扩散范围，需要预先在注浆孔附近按一定距离螺旋式打一些窥视钻孔，把探测导线放入窥视钻孔后，用探测仪检测注浆扩散范围。利用这种方法需要预先打孔，放置探测导线及窥视仪，成本预算较高，且浪费时间；
4.(2)利用温度传感器监测浆液的扩散效果，就需要预先假设浆液的扩散范围，埋置温度传感器，然后根据浆液扩散范围内的温度变化描述其流动路径，这种方法只能针对某一局部范围，不能进行全局性系统监测。
5.(3)无法直观显示浆液扩散形状大小及影响范围。
6.因此，本领域人员亟需寻找一种新的技术方案来解决上述的问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种裂隙岩体注浆扩散范围监测系统及方法。
8.一种裂隙岩体注浆扩散范围监测系统，包括计算机、主控机、发射机、电源以及第一发射电极、第二发射电极和若干个测量电极，其中：
9.第一发射电极、第二发射电极和若干个测量电极依次排布在电极布置参考线上，且若干个测量电极等间距布置；
10.第一发射电极和第二发射电极与发射机电连接，发射机向第一发射电极和第二发射电极施加交流电压以产生测量电场；
11.电源与发射机电连接，为发射机供电；
12.若干个测量电极与主控机电连接，在测量电场下产生电位数据，并传输至主控机；
13.主控机与发射机、计算机电连接，主控机用于根据计算机发送的控制指令控制发射机产生相应交流电压，以及获取发射机的电流数据，以及获取电位数据并将电位数据转化为相邻电极电位差数据，将电流数据和相邻电极电位差数据向计算机发送；
14.计算机与主控机电连接，用于向主控机发送控制指令，以及通过电流数据、相邻电极电位差数据结合测量电极、第一发射电极、第二发射电极的位置计算不同深度下的视电阻率及视频散率，输出裂隙岩体注浆扩散的监测结果。
15.进一步地，交流电压与电位数据为伪随机多频波交流信号。
16.进一步地，第一发射电极与第二发射电极之间距离500mm～1000mm；相邻两个测量电极之间间距为100mm～800mm。
17.一种裂隙岩体注浆扩散范围监测方法，包括步骤：
18.s101：在岩体表面选定监测范围，并在监测范围中设定若干条相平行的电极布置参考线；
19.s102：选取其中一个电极布置参考线，并在该电极布置参考线上依次布置第一发射电极、第二发射电极以及若干个测量电极，若干个测量电极等间距布置；
20.s103：将测量电极与主控机电连接，将第一发射电极、第二发射电极与发射机电连接，将主控机与发射机电连接，将电源与发射机电连接，将计算机与主控机电连接；
21.s104：通过发射机向第一发射电极和第二发射电极施加交流电压，产生测量电场；
22.s105：测量电极在测量电场下产生电位数据，并传输至主控机；
23.s106：主控机将电位数据转化为相邻电极电位差数据，并将电流数据和相邻电极电位差数据向计算机发送；
24.s107：选取另一电极布置参考线并重复步骤s102至s106，直至计算机获取所有电极布置参考线上的电流数据和相邻电极电位差数据；
25.s108：计算机根据每个电极布置参考线上测量电极、第一发射电极、第二发射电极的位置以及对应的电流数据和相邻电极电位差数据计算不同深度下的视电阻率及视频散率，输出裂隙岩体注浆扩散的监测结果。
26.进一步地，步骤s101包括：
27.在岩体表面选定x*y大小的方形监测范围，将监测范围划分成x1*y大小的测量区以及x2*y大小的边界区，其中x＝x1+x2；
28.在测量区长度为y的两个边长各自选取一个参考点，分别为第一参考点和第二参考点；
29.连接第一参考点和第二参考点，形成的线段为第一电极布置参考线；
30.在测量区中选取与第一电极布置参考线相平行的其他电极布置参考线，且所有电极布置参考线的两端点均分别位于测量区长度为y的两个边长上。
31.进一步地，第一电极布置参考线为测量区的对角线。
32.进一步地，第一电极布置参考线与测量区长度为y的边长相垂直。
33.进一步地，若干个电极布置参考线的间距为20mm～80mm。
34.进一步地，测量电极位于靠近边界区一端的电极布置参考线上。
35.进一步地，第一发射电极位于远离边界区一端的电极布置参考线上，且第一发射电极与近端的测量区长度为y的边长之间相距50mm～150mm。
36.本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测系统及方法，针对目前岩体注浆工程所存在的问题，对识别岩体中裂隙(或孔洞)、监控岩体内浆液流动路径及扩散范围提出了解决办法，本方法无需预测浆液的扩散范围，可以通过调整电极布设位置完成全区域及不
同深度的监测，根据分析得到的视电阻率图，直观反映出浆液的扩散范围，解决了注浆范围难以测量的问题，便于进一步研究评价其注浆效果。
附图说明
37.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
38.图1为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测系统的结构组成图；
39.图2为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的电极布置参考线位置示意图；
40.图3为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的另一电极布置参考线位置示意图；
41.图4为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的又一电极布置参考线的位置示意图；
42.图5为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的电极排布示意图；
43.图6为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的另一电极排布示意图；
44.图7为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的又一电极排布示意图；
45.图8为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的再一电极排布示意图。
46.图9为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的测量深度示意图；
47.图10为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的另一测量深度示意图；
48.图11为本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测方法的电阻率图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
50.如图1所示，本发明实施例的一种裂隙岩体注浆扩散范围监测系统，包括计算机1、主控机2、发射机3、电源4以及第一发射电极a、第二发射电极b和若干个测量电极m，其中：第一发射电极a、第二发射电极b和若干个测量电极m依次排布在电极布置参考线上，且若干个测量电极m等间距布置；第一发射电极a和第二发射电极b与发射机3电连接，发射机3向第一发射电极a和第二发射电极b施加交流电压以产生测量电场；电源4与发射机3电连接，为发射机3供电；若干个测量电极m与主控机2电连接，在测量电场下产生电位数据，并传输至主控机2；主控机2与发射机3、计算机1电连接，主控机2用于根据计算机1发送的控制指令控制发射机3产生相应交流电压，以及获取发射机3的电流数据，以及获取电位数据并将电位数据转化为相邻电极电位差数据，将电流数据和相邻电极电位差数据向计算机1发送；计算机1与主控机2电连接，用于向主控机2发送控制指令，以及通过电流数据、相邻电极电位差数据结合测量电极m、第一发射电极a、第二发射电极b的位置计算不同深度下的视电阻率及视
频散率，输出裂隙岩体注浆扩散的监测结果。
51.本实施例中第一发射电极a、第二发射电极b通过电缆和发射机3连接,测量电极m通过电缆和主控机2连接。
52.具体的，本发明实施例中交流电压与电位数据为伪随机多频波交流信号，具有抗干扰强的特点，且测量信号更具有辨识性。第一发射电极a与第二发射电极b之间距离500mm～1000mm；相邻两个测量电极m之间间距为100mm～800mm。
53.本发明还提供一种裂隙岩体注浆扩散范围监测方法，包括步骤：
54.步骤s101：在岩体表面选定监测范围，并在监测范围中设定若干条相平行的电极布置参考线。
55.在所要监测的岩体表面，首选选定一个监测范围，本实施例的监测范围优选用长方形，在该长方形内设定出若干条相平行的电极布置参考线。本实施例中的监测范围可为岩体表面的一个小区域，进行多个监测区域的分区域监测，也可以在所要监测的岩体表面选取一个最大面积的长方形区域作为监测范围，但需要说明的是，划分多个监测范围分别监测，能够达到更加精确的监测结果，故对于监测范围的选取视技术人员对监测精度的要求进行选择。
56.具体的，本步骤s101对于监测范围的选取以及电极布置参考线的设定包括：
57.步骤s1011：在岩体表面选定x*y大小的方形监测范围，将监测范围划分成x1*y大小的测量区以及x2*y大小的边界区，其中x＝x1+x2；
58.如图2所示，本实施例的监测范围选取为长方形，边长取值x>y，且x1>x2。测量区为实际的开采区域，而边界区则属于预留煤柱区域，不作为监测对象，本实施例不限定边界区的宽度，可选取为500mm左右，不作为监测对象。由于本发明方法中第一发射电极a、第二发射电极b安装的一侧留或不留边界区都不会对监测结果产生影响，所以本实施例仅划分一个监测区，靠近监测区的区域用于布置测量电极m。
59.步骤s1012：在测量区长度为y的两个边长各自选取一个参考点，分别为第一参考点和第二参考点。
60.如图2、图3与图4所示，位于测量区长度为y的两个边长上，选取了对应的两个参考点，左侧的为第一参考点，右侧为第二参考点。
61.步骤s1013：连接第一参考点和第二参考点，形成的线段为第一电极布置参考线q。
62.本实施例中由于选择的第一参考点和第二参考点的位置不同，所产生的第一电极布置参考线q的斜率也不同，如图2所示，第一电极布置参考线q与测量区长度为y的两个边长相垂直，如图3所示，第一电极布置参考线q为测量区的对角线，如图4所示，为图2、图3两种的中间情况，既不垂直测量区长度为y的两个边长，也不是测量区的对角线。以上三种情况均可满足本发明的测量。
63.步骤s1014：在测量区中选取与第一电极布置参考线q相平行的其他电极布置参考线，且所有电极布置参考线的两端点均分别位于测量区长度为y的两个边长上。
64.如图2和图4所示，选取若干个与第一电极布置参考线q相平行的其他电极布置参考线，优选的，所有电极布置参考线之间的距离相等，距离范围值为20mm～80mm。
65.电极布置参考线确定后，进行后续步骤的电极布置以及测量。
66.步骤s102：选取其中一个电极布置参考线，并在该电极布置参考线上依次布置第
一发射电极a、第二发射电极b以及若干个测量电极m，若干个测量电极等间距布置。
67.第一发射电极a、第二发射电极b以及若干个测量电极m的布置可参考本发明实施例的间距设定，即第一发射电极a与第二发射电极b之间距离500mm～1000mm；相邻两个测量电极m之间间距为100mm～800mm。测量电极m位于靠近边界区一端的电极布置参考线上，最后一个测量电极m位于测量区与边界区的交界线上，第一发射电极a位于远离边界区一端的电极布置参考线上，且第一发射电极a与近端的测量区长度为y的边长之间相距50mm～150mm。如图5所示，本实施例选取8个测量电极m，分别为m0、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8，第一发射电极a与近端的测量区长度为y的边长之间相距100mm，第一发射电极a与第二发射电极b之间距离为620mm，第二发射电极b与测量电极m0之间距离为310mm，测量电极m0到m8每相邻两个测量电极m之间的距离为310mm，边界区的宽度为400mm。如图8所示，本实施例选取8个测量电极m，分别为m0、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8，第一发射电极a与近端的测量区长度为y的边长之间相距100mm，第一发射电极a与第二发射电极b之间距离为780mm，第二发射电极b与测量电极m0之间距离为79mm，测量电极m0到m8每相邻两个测量电极m之间的距离为390mm，边界区的宽度为500mm。
68.步骤s103：将测量电极m与主控机2电连接，将第一发射电极a、第二发射电极b与发射机3电连接，将主控机2与发射机3电连接，将电源4与发射机3电连接，将计算机1与主控机2电连接。
69.步骤s104：通过发射机3向第一发射电极a和第二发射电极b施加交流电压，产生测量电场。
70.步骤s105：测量电极m在测量电场下产生电位数据，并传输至主控机2。
71.通过本发明的电极排布方式，能够测量不同深度下岩体注浆扩散的结果，如图5所示，测量电极m0所能够测得的深度为232.5mm，测量电极m2所能够测得的深度为387.5mm，测量电极m3所能够测得的深度为542.5mm，测量电极m4所能够测得的深度为697.5mm，测量电极m5所能够测得的深度为852.5mm，测量电极m6所能够测得的深度为1007.5mm，测量电极m7所能够测得的深度为1162.5mm，测量电极m8所能够测得的深度为1317.5mm。如图8所示，测量电极m0所能够测得的深度为139mm，测量电极m2所能够测得的深度为334mm，测量电极m3所能够测得的深度为529mm，测量电极m4所能够测得的深度为724mm，测量电极m5所能够测得的深度为919mm，测量电极m6所能够测得的深度为1114mm，测量电极m7所能够测得的深度为1309mm，测量电极m8所能够测得的深度为1504mm。
72.具体的深度计算方式如下：选取第一发射电极a和第二发射电极b的中点为o，选取相邻两个测量电极m之间的中点为o
′
，则测量深度值h为：
[0073][0074]
由此可见，距离第二发射电极b越远的测量电极m所得的深度越深。为了达到更好的测量精度，如图6所示，在选定的监测范围中，将边界区设定在另一方向，相对应的将电极也全部从另一方向开始排布，即相对于图5的排布反向调整，进行再一次的测量。
[0075]
对于测量深度的调整，图9与图10在测量电极间距、第一发射电极a与第二发射电极b间距均不变的情形下，改变第二发射电极b和测量电极m0之间的距离，分别测量到h与h
′
深度，可见，当第二发射电极b和测量电极m0之间距离越大时，所测得的深度越深。所以，本
领域技术人员根据所要测得的深度要求自行设定各电极之间的距离即可。
[0076]
步骤s106：主控机2将电位数据转化为相邻电极电位差数据，并将电流数据和相邻电极电位差数据向计算机1发送。
[0077]
步骤s107：选取另一电极布置参考线并重复步骤s102至s106，直至计算机获取所有电极布置参考线上的电流数据和相邻电极电位差数据。
[0078]
步骤s102至s106完成一条电极布置参考线位置的检测，所以执行步骤s107获取所有电极布置参考线上的电流数据和相邻电极电位差数据。由于岩体是三维结构，而上述步骤仅测量了电极布置参考线所在截面的扩散结果，所以进行多条电极布置参考线位置的测量，相结合才能够得出三维测量的结果。测量时可依次按照电极布置参考线的位置进行向左或向右逐步测量，如图7所示，为电极的一种排布实施方式。
[0079]
步骤s108：计算机1根据每个电极布置参考线上测量电极m、第一发射电极a、第二发射电极b的位置以及对应的电流数据和相邻电极电位差数据计算不同深度下的视电阻率及视频散率，输出裂隙岩体注浆扩散的监测结果。
[0080]
本发明实施例以地下介质的电性差异为基础，采用轴向多测道偶极
‑
偶极装置形式，通过观测和研究大地中的测量电场下产生的电位数据，利用视电阻率、视频散率的参数分布图及其解译，推断地下电性分布，它通过改变第二发射电极b和测量电极m的间距，实现对特定深度窗口的地下介质的导电性和频散特性进行测试。本发明实施例主要利用不同岩石中含水率不同对应于其电阻率不同而得出测试结果，一般含水量大的岩石电阻率较低，而含水量小或干燥岩石的电阻率较高。
[0081]
视电阻率及视频散率分别记为ρ
s
和p
s
，视电阻率ρ
s
的计算方式为
[0082][0083]
其中，δu表示相邻电极电位差数据，i表示电流数据，k表示装置系数。
[0084]
视频散率p
s
的计算方式为：
[0085][0086]
其中，u
df
表示与伪随机多频波交流信号中最高频对应的相邻测量电极的电位差，u
gf
表示与伪随机多频波交流信号中最低频对应的相邻测量电极的电位差。
[0087]
监测岩体注浆扩散范围时，对于含水率不同的岩体具备不同的电阻率，利用此差异可判断浆液的扩散范围，通过测量电极分别测得的深度不同，结合计算出裂隙或者孔洞的大小以及位置。注浆后，浆液随着注浆压力加载在岩体裂隙内流动扩散，浆液充填岩体中裂隙或孔洞，通过本发明的测量实现对浆液扩散与影响范围的实时监测，有利于研究浆液扩散的黑箱问题。所得的结果生成电阻率图如图11所示。
[0088]
本发明实施例的裂隙岩体注浆扩散范围监测系统及方法，针对目前岩体注浆工程所存在的问题，对识别岩体中裂隙(或孔洞)、监控岩体内浆液流动路径及扩散范围提出了解决办法，本方法无需预测浆液的扩散范围，可以通过调整电极布设位置完成全区域及不同深度的监测，根据分析得到的视电阻率图，直观反映出浆液的扩散范围，解决了注浆范围难以测量的问题，便于进一步研究评价其注浆效果。
[0089]
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的
描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。