一种冻结壁融化和壁间注浆监测系统和监测预警方法与流程

1.本发明涉及矿井工程技术领域，具体为一种冻结壁融化和壁间注浆监测系统和监测预警方法。


背景技术：

2.立井井筒是整个煤矿安全生产的咽喉，在穿越深厚表土层时冻结法凿井技术得到了广泛应用。传统的表土段井壁通常采用双层井壁结构，双层井壁结构包括内层井壁和外层井壁，在冻结壁的保护下先由上向下分段浇筑外层井壁，然后再由下向上施工内层井壁，内、外层井壁之间为壁间夹层，通常敷设泡沫板。同时，为使内、外层井壁形成联合承载的整体，并隔绝表土含水层中的渗流水直接作用在内层井壁上，在实际工程中常需要进行壁间注浆作业。
3.对于冻结井筒而言，在冻结壁开始解冻后，井筒冻结所形成的隔水帷幕将逐渐消失，各含水层之间通过导水通道形成统一的含水体。由于外层井壁为分段掘进施工，故导致外层井壁各段间的施工接茬缝较多，极易形成完整的渗水通道，因此，壁间注浆时间节点的选取便显得尤为重要。但目前，对于冻结壁的工程监测研究还不够深入，容易出现在冻结壁还未完全解冻的情况下进行注浆，通常浆液注入量有限，注浆效果往往不理想，难以确保在冻结壁完全融化后井筒不再出水；但若壁间注浆时间选在冻结壁已完全解冻一段时间后进行，则此时外层井壁和近井壁地层间的渗水通道已形成贯通，注浆时需承受较大的高静水压力，堵水效果差；且在涌水量较高的含水层段，势必会造成内层井壁完全承受近乎与地层地下水压相同等的压力，进而破坏井筒结构，容易导致淹井事故的发生，对煤矿安全生产造成威胁。
4.公布号为cn102748005a的发明专利申请公开了一种实时监测井筒冻结壁温度、受力及变形的系统。该申请通过在冻结壁内设置用于监测冻结壁的温度、受力及变形分布式光纤和传感器来监测。但设置在冻结壁内的传感器虽然能够监测该区域的温度、受力及变形，但该传感器的作用范围有限，无法更加精准地反应出冻结壁融化前后的变化趋势，监测预报的时间节点并不精确。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于：提供一种能够监测冻结壁以及壁间的温度、水压力和水流量的冻结壁融化和壁间注浆监测系统。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
7.一种冻结壁融化和壁间注浆监测系统，包括数据采集模块、处理模块、通信模块、移动终端、温度监测单元、水压力监测单元和水流量监测单元；
8.所述数据采集模块的输入端与温度监测单元、水压力监测单元和水流量监测单元连接，输出端与处理模块的输入端连接，处理模块的输出端通过通信模块与移动终端连接；
9.多组所述温度监测单元从内至外依次安装在井壁内，所述水压力监测单元和水流
量监测单元均安装在井壁内；
10.所述温度监测单元监测井壁的多个部位的温度，水压力监测单元监测井壁的水压力，水流量监测单元监测井壁的水流量，数据采集模块采集温度、水压力和水流量的数据并经过处理模块处理，通过通信模块发送到位于施工现场的移动终端上。
11.优点：本发明通过设置在井筒不同部位的温度监测单元来监测冻结壁融化前的温度变化以及壁间温度值的改变，通过水压力监测单元和水流量监测单元分别测量井筒的水压力和水流量，并通过通信模块来将相关监测数据发送到移动终端，施工人员能够通过移动终端来进行监测。从而实现了对地下工程冻结井筒结构中冻结壁融化前温度变化的测定、壁间最优注浆时间点的选取和井筒运营期间的壁间的监测，确保井筒安全运营。
12.优选地，所述数据采集模块包括温度采集仪、水压力采集仪和水流量采集仪；所述温度采集仪与多组温度监测单元连接，所述水压力采集仪与水压力监测单元连接，所述水流量采集仪与水流量监测单元连接。
13.优选地，所述温度监测单元设置有三组，分别为第一温度传感器组、第二温度传感器组和第三温度传感器组；
14.所述第一温度传感器组安装在内层井壁和外层井壁之间的壁间夹层内；所述第二温度传感器组安装在距离所述外层井壁外0.5m的冻结壁区域内；所述第三温度传感器组安装在测温孔内。
15.优选地，所述第一温度传感器组、第二温度传感器组和第三温度传感器组在井筒的多个方向上布设；每个方向上共埋设有个测点，且各相邻测点之间均为同层位错距布设。
16.优选地，所述第一温度传感器组、第二温度传感器组和第三温度传感器组的外层均采用碳纤维-环氧树脂复合材料包覆。
17.优选地，所述第一温度传感器组、第二温度传感器组和第三温度传感器组均以无线电波的形式与温度采集仪连接。
18.优选地，所述水压力监测单元包括水压力传感器，所述水流量监测单元包括水流量计；
19.所述水压力传感器安装在壁间夹层与内层井壁外缘的界面处，所述水流量计安装在所述壁间夹层与外层井壁内缘的界面处。
20.优选地，还包括预警模块，所述预警模块与处理模块的输出端连接。
21.优选地，所述通信模块能够通过5g基站与移动终端连接。
22.本发明还公开了一种采用上述的冻结壁融化和壁间注浆监测系统的监测预警方法，包括如下步骤：
23.s1、将第一温度传感器组布置在壁间夹层和外层井壁内缘的交界面处，第二温度传感器布置在外层井壁外0.5m的冻结壁区域内，第三温度传感器组布置在测温孔的中心区域；将水压力传感器布置在壁间夹层与内层井壁外缘的界面处，水流量计分布于所述壁间夹层与外层井壁内缘的界面处；
24.s2、首次预警，当第二温度传感器组的各个测点的数据均大于0℃时，数据采集模块采集数据并通过处理模块处理后，将触发预警模块的首次预警，提醒现场人员；
25.s3、二次预警，当第一温度传感器组的各个测点的数据均大于4℃时，数据采集模块采集数据并通过处理模块处理后，预警模块将进行二次扬声器预警，提醒现场人员准备
壁间注浆作业；
26.s4、注浆预警，当水压力传感器的测点的数据大于0.2mpa时，数据采集模块采集数据并通过处理模块处理后，预警将进行三次扬声器预警，提醒现场人员开始壁间注浆作业。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设置在井筒不同部位的温度传感器组、水压力传感器和水流量计来监测冻结壁融化前的温度变化以及壁间温度值、水压力和水流量的改变，并通过5g通信技术来将相关监测数据发送到移动终端，施工人员能够通过移动终端来进行监测，能够及时了解冻结壁融化前的温度变化以及壁间温度值的改变。当壁间内温度值达到预警值4℃、内层井壁外缘水压力值超过0.2mpa时，均会实时触发扬声器的多次预警，向施工人员反馈最优的注浆时间节点，并开始进行壁间注浆作业，快速实现外层井壁与内层井壁的壁间充填，达到最优的注浆堵水效果。本发明中各温度传感器组布测位置合理可行、安装便捷、环境可适性范围广，实现了对地下工程冻结井筒结构中冻结壁融化前温度变化的测定、壁间最优注浆时间点的选取和井筒运营期间的壁间的监测，确保井筒安全运营。
附图说明
28.图1为本发明的实施例的冻结壁融化和壁间注浆监测系统的连接示意图；
29.图2为本发明的实施例的冻结壁融化和壁间注浆监测系统的监测模块在井筒内的结构布置图；
30.图中：1、数据采集模块；101、温度采集仪；102、水压力采集仪；103、水流量采集仪；2、温度监测单元；21、第一温度传感器组；22、第二温度传感器组；23、第三温度传感器组；3、处理模块；4、预警模块；5、通信模块；6、移动终端；7、5g基站；8、水压力监测单元；9、水流量监测单元；10、内层井壁；11、外层井壁；12、冻结壁；13、测温孔；14、壁间注浆孔；15、壁间夹层。
具体实施方式
31.为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
32.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.参阅图1，本实施例公开了一种冻结壁融化和壁间注浆监测系统，包括数据采集模块1、处理模块3、通信模块5、移动终端6、温度监测单元2、水压力监测单元8和水流量监测单元9。
34.数据采集模块1、处理模块3、通信模块5和移动终端6可以设置在待测井筒旁的地面上，便于施工人员观察。
35.数据采集模块1的输入端与温度监测单元2、水压力监测单元8和水流量监测单元9连接，输出端与处理模块3的输入端连接，处理模块3的输出端通过通信模块5与移动终端6连接。具体的，通信模块5能够通过5g基站7与移动终端6连接。监测模块能够监测井筒的温
度数据，温度采集仪101采集温度数据并发送到处理模块3处理温度数据，并通过预警模块4和5g网络通信的方式传输给现场施工人员。
36.数据采集模块1包括温度采集仪101、水压力采集仪102和水流量采集仪103；温度采集仪101与多组温度监测单元2连接，水压力采集仪102与水压力监测单元8连接，水流量采集仪103与水流量监测单元9连接。
37.参阅图2，温度监测模块设置有三组，分别包括第一温度传感器组21、第二温度传感器组22和第三温度传感器组23；第一温度传感器组21安装在内层井壁10和外层井壁11之间的壁间夹层15内，具体分布在壁间夹层15与外层井壁11的交界面处；第一温度传感器组21用于监测壁间夹层15处的温度变化，同时保证各个测点的温度传感器与壁间注浆孔14保持一定距离，防止高注浆压力对其造成损坏。
38.第二温度传感器组22安装在冻结壁12区域内，冻结壁12区域具体位于距离外层井壁11外0.5m处；因此第二温度传感器组22可监测该埋设位置直径1m圆周范围内冻结壁12融化前后的温度变化。
39.第三温度传感器组23安装在测温孔13的中心区域内，测温孔13位于冻结壁12区域外。第三温度传感器组23主要监测外缘冻结壁12的温度变化，以便掌握冻结温度场的发展情况。
40.当第二温度传感器组22中各测点的数据达到正温值(即大于0℃)时，会触发所述预警模块4中的首次预警，提醒现场施工人员；当第一温度传感器组21中各测点数据值大于4℃时，预警模块4会进行二次扬声器预警，提醒现场施工人员准备壁间注浆作业。
41.水压力监测单元8包括水压力传感器，水流量监测单元9包括水流量计；水压力传感器安装在壁间夹层15与内层井壁10外缘的界面处，水流量计安装在壁间夹层15与外层井壁11内缘的界面处。水压力传感器测点的数据大于0.2mpa时，会触发所述预警模块4中的三次扬声器预警，提醒现场施工人员开始壁间注浆作业。同时，所述水流量采集仪103也会自动记录下此时的水流量数据并反馈给处理模块3，将此时刻内的每小时渗水量值通过移动5g基站7传输到施工现场的移动终端6。
42.本实施例通过对冻结壁12和壁间的温度、水压力及水流量等进行实时监测，获取冻结壁12刚好完全融化后外层井壁11与内层井壁10间形成壁间间隙、渗流水初流入内层井壁10的临界时间点，然后在此时间段内完成壁间注浆，从而达到最优的注浆封闭效果。同时，还可在井壁较长的服役期内，对壁间温度、水压力及水流量进行定期监测，保障井筒安全运营。
43.在一些实施例中，第一温度传感器组21、第二温度传感器组22和第三温度传感器组23均在井筒的多个方向上布设；每个方向上共埋设有个测点，且各相邻测点之间均为同层位错距布设。具体的，可以在井筒的东南西北四个方向均布设有第一温度传感器组21、第二温度传感器组22和第三温度传感器组23，保证了对井筒各个方位的温度变化。且第一温度传感器组21、第二温度传感器组22和第三温度传感器组23均以无线电波的形式与温度采集仪101连接。无需线束的安设，布设简单。
44.在一些实施例中，第一温度传感器组21、第二温度传感器组22和第三温度传感器组23的温度传感器外层均采用碳纤维-环氧树脂复合材料包覆。碳纤维-环氧树脂复合材料具有防水性强、耐腐蚀性优异的优点，能够抵抗高矿化度地下水的长期侵蚀，大幅提高温度
传感器的使用寿命。
45.本实施例通过设置在井筒不同部位的温度传感器组、水压力传感器和水流量计来监测冻结壁12融化前的温度变化以及壁间温度值、水压力和水流量的改变，并通过5g通信技术来将相关监测数据发送到移动终端6，施工人员能够通过移动终端6来进行监测，能够及时了解冻结壁12融化前的温度变化以及壁间温度值的改变。当壁间内温度值达到预警值4℃、内层井壁10外缘水压力值超过0.2mpa时，均会实时触发扬声器的多次预警，向施工人员反馈最优的注浆时间节点，并开始进行壁间注浆作业，快速实现外层井壁11与内层井壁10的壁间充填，达到最优的注浆堵水效果。本实施例中各温度传感器组布测位置合理可行、安装便捷、环境可适性范围广，实现了对地下工程冻结井筒结构中冻结壁12融化前温度变化的测定、壁间最优注浆时间点的选取和井筒运营期间的壁间的监测，确保井筒安全运营。
46.本实施例还公开了一种冻结壁融化和壁间注浆监测预警方法，包括如下步骤：
47.s1、将第一温度传感器组21布置在壁间夹层15和外层井壁11内缘的交界面处，第二温度传感器布置在外层井壁11外0.5m的冻结壁12区域内，第三温度传感器组23布置在测温孔13的中心区域；将水压力传感器布置在壁间夹层15与内层井壁10外缘的界面处，水流量计分布于所述壁间夹层15与外层井壁11内缘的界面处；
48.s2、首次预警，当第二温度传感器组22的各个测点的数据均大于0℃时，数据采集模块1采集数据并通过处理模块3处理后，将触发预警模块4的首次预警，提醒现场人员；
49.s3、二次预警，当第一温度传感器组21的各个测点的数据均大于4℃时，数据采集模块1采集数据并通过处理模块3处理后，预警模块4将进行二次扬声器预警，提醒现场人员准备壁间注浆作业；
50.s4、注浆预警，当水压力传感器的测点的数据大于0.2mpa时，数据采集模块1采集数据并通过处理模块3处理后，预警将进行三次扬声器预警，提醒现场人员开始壁间注浆作业。
51.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
52.以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。