一种解决风流影响的巷道应力红外监测方法及装置与流程

1.本发明属于矿山安全、岩石力学技术领域，尤其涉及一种解决风流影响的巷道应力红外监测方法及装置。


背景技术：

2.我国是一个采矿的大国，具有许多重大的采矿工程,随着我国采矿事业的发展，发现越来越多的矿山岩爆灾害多发频发，而这些问题发生的主要原因是因为在开采的过程中，硬脆性岩体因为开挖卸荷，改变了原来的受力结构，以至于原本稳定安全的受力结构发生了改变，产生了爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的动力失稳地质灾害，危及劳动人民利益、安全。因此对矿山发生灾变的过程进行有效的预测识别,变成了矿山灾变预警与防灾减灾的主要方向。因此开发一种应力检测系统是非常有意义的。
3.目前对岩爆风险的预防技术研究，主要在于声学领域。具体地，在声学领域，分为三个方向：微震技术、声发射技术和声频检测技术，这三种方法在一定程度上能预测岩爆风险。但是，在实际巷道中的环境因素影响问题下，经常发生误报，目前的系统还没有达到能智能判断的水平，而且这三种技术最终所呈现出的结果非常的不直观，需要专业人员进行分析来确定岩爆可能发生的位置，有一定的人为主观因素影响。
4.由于岩爆的孕育是岩体在开挖扰动的环境下岩体受力吸收能量的过程，岩体在不同阶段，会因所吸收的能力而释放出相应的红外光谱，现有的研究发现：岩石红外辐射温度随岩石应力而变化，这主要是因为应力大的巷道围岩的位置的岩石变形的应变能转变成辐射能，直接导致红外增温。因此引入了更稳定直观红外热成像技术来检测巷道围岩的温度场，以此来对岩爆进行预防。市场上也出现了根据红外辐射温度的大小检测岩爆可能发生位置的红外检测系统，但是目前的红外检测系统仍有不足，其一：巷道围岩的红外辐射温度易受巷道中风流的影响，没有一种可以去除风流对巷道围岩的红外辐射温度影响的方法；其二：目前没有一种可以直接观测巷道围岩应力大小的设备。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种解决风流影响的巷道应力红外监测方法及装置，旨在解决上述技术问题。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一方面，所述解决风流影响的巷道应力红外监测方法，包括下述步骤：
8.步骤s1、获取巷道围岩岩石的热物理系数以及巷道尺寸参数；
9.步骤s2、通过计算调热圈半径，并结合原始岩温和巷道围岩体内一测温点的温度测量值，计算得到最终巷道围岩壁面的热流密度，进而得到风流与巷道围岩热交换的热量；
10.步骤s3、根据热量与温度的对应关系，计算风流对巷道围岩温度场的温度变化值；
11.步骤s4、通过测得巷道围岩壁面受风流和应力影响的红外温度场的各像素温度值，结合所述温度变化值，最后得到无风流只受应力影响的巷道围岩壁面红外温度场图像；
12.步骤s5、获取无风流不受应力影响的试块平均温度值，计算巷道围岩壁面红外温度场图像各像素与试块平均温度值的差值，再通过计算得到各像素点的应力张量变化，最后换算为各像素点的应力值。
13.另一方面，所述解决风流影响的巷道应力红外监测装置，包括红外热像仪、激光测距装置和超声波风速风温测量仪，所述巷道应力红外监测装置还内置有工控板，所述工控板用于执行所述巷道应力红外监测方法。
14.本发明的有益效果是：本发明利用超声波风速风温测量仪测量出巷道内风速和风温，然后以风速为变量，结合围岩与巷道内风流温度的差值，拟合出的对流换热系数计算式，解决了用红外热像法测量巷道围岩红外温度场受到风流影响的问题。本发明利用热红外辐射研究探索巷道围岩应力分布以及相互作用，基于热力学理论、传热学理论，和实验室中的观测结果对比,温度和应力的演化趋势和幅值大小具有很好一致性，具有很好的应用前景。
附图说明
15.图1是本发明实施例提供的解决风流影响的巷道应力红外监测方法的流程图；
16.图2是本发明实施例提供的调热圈半径示意图；
17.图3是本发明实施例提供的解决风流影响的巷道应力红外监测装置的立体图；
18.图4是是本发明实施例提供的解决风流影响的巷道应力红外监测装置的后视图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
21.实施例一：
22.如图1所示，本实施例提供的解决风流影响的巷道应力红外监测方法包括下述步骤：
23.步骤s1、获取巷道围岩岩石的热物理系数以及巷道尺寸参数。
24.首先在实验室中得到要开采的巷道围岩岩石的热物理系数，包括导热系数λ、比热c、密度ρ、热容量cρ、导温系数α，这些参数都为常数，测得后可直接将参数输入。
25.然后通过激光测距装置测量巷道尺寸参数，包括巷道水力半径r0，所测壁面面积s等，另外，还有巷道周长、巷道断面面积等，输出各尺寸参数。
26.步骤s2、通过计算调热圈半径，并结合原始岩温和巷道围岩体内一测温点的温度测量值，计算得到最终巷道围岩壁面的热流密度，进而得到风流与巷道围岩热交换的热量。
27.本步骤通过调热圈半径计算公式计算出调热圈半径，计算调热圈半径前需要利用钻孔进行原始岩温ty和巷道围岩体内一点深度re处的温度y变化的测定。具体的，钻孔后将测温传感器放入，用测温传感器测量在距巷道围岩壁面1.5m处的原始岩温ty，在测量岩石内部深度re这一点的温度y时，钻孔的深度不可以超过调热圈的半径rt。
28.本实施例采用钻孔方式，通过测温传感器测量原岩温度和围岩内温度的变化，用
以后续计算巷道围岩壁面的热流密度值。钻孔的深度，即测温点应能完全反映岩石温度的变化情况。本实施例使用风钻钻孔，在钻孔过程中，风钻使用循环水作为钻井液，不仅能够冷却钻具由于磨擦而产生的热，而且还对岩石温度的有一定降温的作用，在钻孔测出原始岩温。钻孔深度不应太浅，如果太靠近壁面，则岩石温度的变化受风流影响较大，干扰性太强，但也不能太深以致超过巷道调热圈的外半径，如果测温点超过巷道调热圈的外半径将会测量不出温度的变化。测温仪器的选择对测量温度的精度有较大的影响，精度越高,测量温度越能接近真值，数据误差也就越小，被估计的热流密度的值误差也就越小。用测温传感器测量岩石深部的温度，可以避免巷道内风流状态变化对测温精度的影响。
29.调热圈半径计算式为rt＝r0+(r
02
+12αt)
1/2
，其中巷道水力半径为r0，导温系数为α，钻孔测温需要的时间为t。在调热圈外边界保持着围岩初始温度为t0，t0＝ty。调热圈半径示意图如图2所示。测出后将原始岩温ty和岩石内部深度re一点的温度y当作参数输入。
30.由于巷道围岩与风流不断地进行热交换，其热流密度的值也可能为正值，也可能为负值。热流密度为负值时，围岩传热给风流，围岩壁面温度大于风流的温度；为正值时，围岩吸收风流中的热量，这时风流温度大于围岩壁面温度。通过在围岩内部深度re的温度测量值y，可得到巷道围岩体内的测温点的热流密度qe：
[0031][0032]
该式经过计算得到最终巷道围岩壁面的热流密度q：
[0033][0034]
将计算出的热流密度q乘以所测壁面面积s得到风流与巷道围岩热交换的热量q1。
[0035]
步骤s3、根据热量与温度的对应关系，计算风流对巷道围岩温度场的温度变化值。
[0036]
热量与温度的对应关系为q1＝a(t2-t1)*s，t1为无风情况下只受应力影响的温度值，t2为有风情况下受应力影响的温度值，a为对流换热系数，与风速风温有关，s为所测壁面面积，已由激光测距装置测量出。由热量与温度的对应关系可以得出得到风流对围岩壁面产生了多少温度影响，(t2-t1)即为风流对巷道围岩温度场的温度变化值。
[0037]
这里对流换热系数a计算方式是：用超声波风速风温测量仪测量的风速风温数值，以巷道风速为变量，结合围岩与巷道内风流温度的差值，拟合出的对流换热系数计算式，最后将对流换热系数a算出。由于q1、a、s已计算出，根据热量与温度的对应关系即可计算出无风影响下的巷道围岩壁面温度变化量(t2-t1)。
[0038]
步骤s4、通过测得巷道围岩壁面受风流和应力影响的红外温度场的各像素温度值，结合所述温度变化值，最后得到无风流只受应力影响的巷道围岩壁面红外温度场图像。
[0039]
用红外热像仪测得巷道围岩壁面受风流和应力影响红外温度场的各像素温度值，假设有n个像素，温度值分别为[t1,t2,t3...tn]，并将各像素温度值减去温度变化值(t2-t1)，得到无风流只受应力影响的巷道围岩壁面红外温度场图像，图像中每个像素的温度分别为[t01,t02,t03...t0n]，最终显示无风流只受应力影响红外温度场图像。
[0040]
步骤s5、获取无风流不受应力影响的试块平均温度值，计算巷道围岩壁面红外温
度场图像各像素与试块平均温度值的差值，再通过计算得到各像素点的应力张量变化，最后换算为各像素点的应力值。
[0041]
料变形过程中伴随的温度场变化，材料弹性变形与温度场变化之间的关系为弹性热效应，弹性热效应可用于解释巷道围岩变形也是应力发生变化过程中温度场的变化，通过前述的去风流影响巷道围岩温度算法，得到了无风影响的巷道围岩壁面的温度场，这表明处理过后的巷道围岩温度场只受应力场的影响，本步骤通过该温度场反推出此时巷道围岩应力场的状态。
[0042]
岩石温度变化与所受应力张量变化的关系式为：
[0043]
t0i-t00＝-t00
×
a/(ρ*cρ)
×
δδkk
[0044]
其中t0i为无风流只受应力影响的巷道围岩壁面红外温度场图像的像素温度值，即前述的无风情况下只受应力影响的围岩红外温度场图像各像素温度值[t01,t02,t03...t0n]，t00为无风流不受应力影响的试块平均温度值，a为对流换热系数，ρ为岩体的密度，cρ为岩体的热容量，δδkk为应力张量的变化。
[0045]
由于t0i、a、ρ、cρ已知，因此只需提前在矿洞中用一个小型试块将其放到一个无风处，这个试块的应力与巷道围岩的应力相比可以忽略不计，认为是0，因此就可用红外热像仪测出无风情况下的不受应力影响的试块平均温度值t00，最终根据公式就可以计算出应力张量的变化δδkk，将测的数据应力张量的变化δδkk换算成应力值，显示在屏幕上就可以直观地看到巷道围岩各个部位的应力值。
[0046]
在利用红外热成像仪器将多种不同形态的岩石试块进行单轴加载的实验中发现：(1)在单轴加载过程中,矿石的红外辐射温度随应力而变化:加载初期平静或略有下降，随后缓慢上升,临破裂前快速上升；2)当矿石由应力峰值阶段进入破坏过程中,热像显示出低温区扩大,低温条带即是随后主破裂的位置；(3)随着应力的增加,岩石的红外辐射光谱在保持其形态基本不变的情况下辐射强度明显增加,岩石破裂前其红外辐射强度达到最高值。因此可以使用稳定直观红外热成像技术来检测巷道围岩的温度场，以此来对岩爆进行预防。
[0047]
但是在岩石中开掘巷道后，当有比围岩的温度低的风流流过时，因为存在温差，故巷道壁以对流放热方式向风流放热，而围岩体以热传导的方式向被冷却的巷壁产生热流，与此同时，周围深部的围岩体也相应被冷却而形成冷却带。巷道中的风流获得热量后温度升高，围岩体的温度分布和巷道风温均随时间而变化，为一不稳定传热过程。这个过程包括了围岩体的内部的热传导、围岩与风流间的对流换热，是一个组合的不稳定传热过程。因此为了更好的使用红外热成像技术对巷道围岩温度场进行检测，就必须要将风流对巷道围岩温度场的影响消除掉。
[0048]
本实施例提供了一种解决此问题的方法，通过计算出矿井内巷道围岩与风流的热交换量，并通过热交换量与温度的关系式计算出风流对巷道围岩的温度影响大小将其去除，只留下巷道围岩因应力分布不同造成的温度差异，然后将通过去风流影响巷道围岩温度算法去除受风流影响的巷道围岩的温度场，结合岩石形变导致的温度场变化的耦合热力学，利用巷道围岩形变过程中的弹性热效应得到的温度场变化与应力场之间的关系式，形成一个整体的算法，得出巷道围岩不同位置的应力值。
[0049]
实施例二：
[0050]
应力值是观察巷道围岩是否发生岩爆最直观的方式，本实施例在实施例一所述方法的基础上，设计了一种能够实现上述方法的装置，如图3、4所示，将包括红外热像仪1、激光测距装置2、超声波风速风温测量仪3等，比如还有显示屏4，该装置内置有工控板，工控板可以执行实施例一的方法。通过本装置可以现场测量实时风流的风温风速和巷道围岩的温度，巷道尺寸等数据，并根据显示的应力大小来判断岩爆可能发生的部位，预测灾害的发生。
[0051]
本装置结构中，红外热像仪的作用是为了得到巷道围岩表面的温度分布数据，红外热像仪的工作原理是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图。本实施例将需要测量温度的地方直观的显示在显示屏上，并可从图像中读取每个像素的温度值，然后将测得的温度数据输入到工控板的芯片内进行计算。
[0052]
激光测距装置用于测量巷道周长、巷道断面面积、巷道水力半径、所测壁面面积等巷道尺寸参数。在测量完成后，工控板中实时接收检测的尺寸数据并进行计算。
[0053]
超声波风速风温测量仪由两部分传感器组成，包括超声波风速传感器和温度传感器。测量仪的内部装配温度传感器，可实时检测风流温度数据。超声波风速风温测量仪能同时输出风速、风温数据，工控板中实时接收检测的数据并进行计算。
[0054]
本装置配合钻孔温度测量器使用，钻孔温度测量器主要由热电偶、铂电阻和数字温度传感器组成，在使用风钻钻孔后，在钻孔测出原始岩温和巷道围岩体内一点的温度，并将测得的数据显示在温度测量器的显示屏上，并将数据输入工控板中进行计算。
[0055]
工控板将输入的数据经过去风流影响巷道围岩温度计算和由巷道围岩温度场计算应力差计算后，输出无风影响巷道围岩应力值，做岩爆风险分析，根据周围岩体的应力分布情况，进行综合分析，计算岩爆风险是否达到阈值，并给出评估结果。
[0056]
本装置的一种具体实际操作流程如下：
[0057]
(1)打开岩巷道应力红外监测装置，进入数据采集模式；
[0058]
(2)将提前已知的岩石参数(导热系数，比热容，密度，热容量)在显示屏输入；
[0059]
(3)点击激光测距模块的图标，将此装置的激光传感器正面对准需要测得物体尺寸，激光传感器静置一段时间(大约15秒)：测量出巷道周长，巷道断面面积，巷道水力半径，所测壁面面积巷道尺寸参数，计算出调热圈半径，自动输入，并在显示屏上显示调热圈半径大小；
[0060]
(4)根据调热圈的大小，用风钻打孔，在钻孔内装入温度测量器，静置两分钟，测出原始岩温和巷道围岩体内小于调热圈半径一点处的温度，并将测得的数据显示在温度测量器的显示屏上，并在装置的显示屏上手动输入；
[0061]
(5)点击超声波测风速风温模块的图标，手持超声波测风速风温装置，在顺着风流的方向静置30秒，测出所在地方的风速和风温，显示到显示屏上并自动输入；
[0062]
(6)点击进入计算模式自动进行计算，计算出对流换热系数，岩体内的热流密度，再计算出需要的巷道围岩壁面和风流交换的热量大小，并通过热量与温度转换公式，求出风流对巷道围岩温度改变大小；
[0063]
(7)点击红外测温模块的图标，打开装置里的红外热像仪，装置的红外热像摄像头正面对准巷道围岩壁面，装置静置一段时间(大约30秒)，装置显示屏会显示出当前巷道围
岩壁面的红外温度值，并自动处理减去风流对温度壁面的温度影响，显示无风影响的巷道围岩壁面温度场图像，并将巷道围岩壁面温度场图像每一个像素的温度值都自动输入；
[0064]
(8)再次点击红外测温模块的图标，提前在矿洞中用一个小型试块将其放到一个无风处，用红外热像仪测出无风情况下的不受应力影响的试块温度值，接着计算平均值并将该温度平均值输入；
[0065]
(9)点击应力场计算图标，将巷道围岩壁面受应力影响的温度场图像每一个像素的温度值都减去不受应力影响的试块红外平均温度值，由此求出每一个像素的应力张量大小，并通过红外温度图像的方式显示无风影响的巷道围岩壁面应力场图像；
[0066]
(10)最后进行岩爆评估，不同的应力值会得到不同告警信息，根据告警信息可以判断此处巷道围岩的安全状态。
[0067]
综上，计算巷道围岩与风流的热交换量是一个十分复杂的课题，这是因为热交换是随时间变化的，岩层是各向异性的。传统的经典计算方法，需要做大量的数值计算，而且是在许多简化和假定的条件下建立的数学模型，其计算的结果并不一定可靠。本发明通过测量巷道围岩内部温度的变化值来估计巷道壁面的热流密度的变化值，根据热流密度可以求得传热量的大小，再计算出的巷道围岩与风流的传热量与围岩一点或几点温度变化值的计算关系，就可以得到巷道内风流对巷道围岩的温度产生了多少影响，再将风流对巷道围岩温度的影响去除，只留下巷道围岩因应力造成巷道围岩发生形变而导致的温度变化。
[0068]
另外，本发明还设计了一种可直接观测巷道围岩应力情况的装置，目前模拟岩石形变导致的温度场变化的耦合热力学数值研究还较鲜见，目前还没有出现过由巷道围岩温度场来计算出应力场的设备，甚至没有可以直接观测到巷道围岩应力场的设备。本发明根据去除风流影响后的巷道围岩温度场，结合岩石形变导致的温度场变化的耦合热力学，利用巷道围岩形变过程中的弹性热效应得到的温度场变化与应力场之间的关系式，以此提供了一套更加新颖、可靠、实用的计算方法，并通过软件和硬件的设计集合成一种基于红外热成像技术且去除风流影响的对巷道围岩应力检测的装置，以此来预测岩爆的发生。
[0069]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。