一种下向进路充填材料形变及水热演变监测方法与流程

本发明涉及矿山充填，具体地说，涉及一种下向进路充填体水热形变及时空演变监测方法。

背景技术：

1、在地下矿产资源开发过程，充填采矿法是控制深部采场地压和保障安全开采的迄今最有效方法。随着浅部资源消耗殆尽和开采深度加大，高地应力对开采方式提出更高要求。下向胶结充填开采方式通过构筑高强度充填体人工假顶保障作业安全，是应对深部采矿恶劣环境的有效方法，其应用比例将逐渐增加。

2、在矿山充填时，首先将尾砂、胶凝材料和拌和水经搅拌混合制成的充填料浆输送至地下采空区，伴随胶凝材料发生水化反应，充填体逐渐凝固并形成一定强度。而在充填料转变成高强度充填体过程中发生水分消耗、水化热释放及充填体沉缩，并与时间存在密切联系；同时进路施工过程周围充填体受爆破振动影响易受破坏，且破坏程度和破坏规律与空间距离有关。因此，基于保证作业点安全的目的，开展充填体硬化过程水热演变和充填体形变监测，是认清充填体强度增长规律和避免受损伤破坏导致强度降低的重要手段，对保障作业人员安全意义重大。

3、现有监测系统和方法大多是室内小型实验，与井下实际不符；监测大多是单点或少数位置监测，难以取得代表性数据并形成规律性结果；监测功能单一，监测过程干扰现场生产；所采用传感器稳定性差精度低、数据间断不完整等问题，如常规的热电阻温度传感器精度低、稳定性差，光纤温度传感器容易损坏影响数据接收，可监测形变的电阻式应变传感器和振弦埋入式应变计精度低稳定性差等。

4、公开号为cn103528731a的中国发明专利申请公开了“一种基于光纤光栅传感的煤矿膏体充填在线检测系统”，其采用光纤光栅传感技术，虽然能够实现密闭环境煤矿充填体长期实时在线监测形变的任务，但存在成本高的问题，且光纤局部受折或挤压极易损伤，其中一点受损即失去信号，而充填现场往往照明不足，安装过程易造成光纤受损且不易察觉。另外，充填现场顶板浮石掉落造成光纤局部受损，以及爆破诱发充填体内部连同光纤一同受损。

5、公开号为cn111044006a的中国发明专利申请公开了“一种充填体变形在线监测系统及其监测方法”，其主要借助拉绳位移传感器测量横向和竖向充填体形变，虽然能够实现实时远程监测，但存在安装复杂的问题；圆形管件多且缺乏保护，流态的充填料浆进入管件易造成拉绳移动受阻，影响测量结果；且充填体本身变形量小，因拉绳位移传感器测量精度低易造成测量数据难以得到真实形变结果和获得形变规律。

6、公开号为cn111622807a的中国发明专利申请公开了“一种矿山原位充填体力学评价系统及方法”，其采用将温度-湿度-电导集成传感器固定在立方体框架结构的原位力学测量装置底部，充填前将固定传感器的立方体测量装置置于待充采场的底板，数据通过电缆传输，虽然能够实现温度-含水量的连续监测，但存在安装复杂、劳动强度大的问题，只能监测底板位置单点的温湿度变化，而实际充填体内部温度和湿度在高度上存在差异，尤其是湿度，因水分沿孔隙渗透底部的含水量通常是最高的，高度越大湿度降低越快、湿度越小，温度具有类似规律。

7、基于上述问题，提供一种更有效的下向进路充填体水热形变及时空演变监测方法，成为矿山领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，提供了一种下向进路充填材料形变及水热演变监测方法，实现从充填料到充填体硬化全生命周期和空间不同位置的水、热、形变同步监测，并且实施过程不影响矿山正常生产。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种下向进路充填材料形变及水热演变监测方法，

4、1）将待采矿体自上至下划分为若干分层，并采用下向进路充填法充填；上一分层底板作为下一分层顶板；

5、2）养护期充填料温湿度监测：温湿度记录仪预先固定安装在顶板和充填挡墙内侧，沿进路走向和进路不同高度布置，待充填后被埋入充填料，通过无线信号控制温湿度记录仪开启以实时监测充填料从浆体到固体转变过程其内部不同位置的温度和湿度随时间变化规律；

6、进路回采作业对顶板充填体下沉变形量的检测：在上分层充填前将位移传感器预埋组件固定在底板，充填后埋入充填料，待本分层进路施工时被逐步揭露出来，将位移传感器与预埋组件联接，启动位移传感器，在本分层进路施工过程中顶板充填体的变形拉动传感器，实现变形数据采集。

7、包括以下步骤：

8、1）将待采矿体自上至下划分为若干分层，并采用下向进路充填法充填；上一分层底板作为下一分层顶板；

9、2）第一分层的第一条施工进路回采结束后，充填前沿进路走向间隔距离l在顶板固定安装若干个温湿度记录仪组件；

10、所述温湿度记录仪组件包括温湿度传感器，所述温湿度传感器内部安装有温湿度无线信号发射器、温湿度记录仪内置电池组和温湿度传感器探头；所述温湿度传感器一端连接有伸缩式联接杆，所述伸缩式联接杆外端连接有插入式固定架并且外侧套有联接杆圆形防护罩；所述温湿度传感器通过所述插入式固定架安装到所述顶板上；

11、并在充填挡墙内侧不同高度处间隔（1/3~1/2）l安装若干个位移传感器组件；所述位移传感器组件包括位移传感器，所述位移传感器内安装有位移传感器内置电池组和无线位移信号发射器；所述位移传感器组件还包括位移传感器预埋件，所述位移传感器预埋件包括固定支架，所述固定支架一端连接有轻质铝塑板，另一端带有螺纹段；所述位移传感器一端固定连接有用于与所述螺纹段相配合的螺母；所述位移传感器预埋件还包括用于保护所述螺纹段的螺纹保护帽；

12、安装所述位移传感器组件时，首先在上一分层底板安装位移传感器预埋组件，并使位移传感器预埋组件与安装的温湿度记录仪间隔排布；安装位移传感器预埋组件时，将固定支架固定在上一分层底板凹处或人工铲出的凹坑，在下一分层回采时暴露出预埋组件的螺纹保护帽，取下螺纹保护帽并连接所述位移传感器；

13、3）温湿度记录仪和位移传感器预埋组件安装结束后，开始分层回采结束进路的充填作业，充填后温湿度记录仪和底板凹坑处位移传感器预埋组件被埋没在充填料浆中；进路充填结束，启动温湿度记录仪，开始监测分层充填进路内充填料内部水分和温度变化过程；同样方法进行分层其他进路的温湿度记录仪和位移传感器预埋组件的安装和充填，形成该分层所有进路不同位置的温湿度连续监测数据库；

14、4）对下分层第一条进路回采时，施工进路顶板逐渐揭露上一分层安装的位移传感器预埋组件的螺纹保护帽，取下螺纹保护帽，将位移传感器并连接所述位移传感器，启动位移传感器开始监测第二分层进路回采过程顶板充填体下沉变形；

15、在所有待采分层回采结束，最终形成整个采场空间范围内的温湿度数据库和所有进路回采过程充填体顶板下沉变形数据库；其中各分层进路施工过程中顶板充填体的变形将向下拉动位移传感器，变形数据被采集。

16、优选地，所述位移传感器为基于电磁耦合的lvdt位移传感器。

17、优选地，在充填挡墙内侧安装温湿度记录仪组件时，传感器探头距离充填挡墙不少于1.5m；在顶板安装温湿度记录仪组件时，传感器探头距离所述顶板不少于1.5m；在安装所述位移传感器预埋组件时，轻质铝塑板距离回采结束进路底板0.5~1m。

18、优选地，所述l的取值范围为8~12m。

19、本发明的积极效果在于：

20、本发明一种下向进路充填材料形变及水热演变监测方法，能够实现充填体全生命周期不同空间位置的温度、湿度和变形实时监测。将位移传感器和温湿度记录仪按设计布置在不同位置，通过分析实时监测数据变化规律，探索充填料不断凝固到强度增长过程的内部水化机制，揭示井下充填体内部真实变化过程。可实现三种基本功能：养护期充填料凝固过程温湿度和沉缩量监测、进路作业对充填体假顶变形破坏、相邻进路作业对充填体变形破坏。

21、本发明监测过程与矿山正常生产没有冲突，采用内置电池式，没有联接线，传感器安设简单方便，占用空间很少，不影响正常作业、铲装车辆和人员行走，能够避免中途数据丢失。检测系统稳定性好，传感器自身零部件和电气线路能够在井下恶劣环境下长期稳定工作，以保证数据监测的连续性和有效性。本发明可为充填体稳定性评价、预测充填体破坏提供支撑，对提供矿山安全作业环境大有裨益。

22、本发明相比于背景技术中提及的发明专利申请（cn103528731a、cn111044006a、cn111622807a）具有以下优势：第一、可实现不同空间位置的数据监测，而不是单点监测；第二、可实现充填体假顶变形的监测，假顶稳固性对是保障安全作业非常重要，而背景技术中提及的发明专利申请并不能实现充填体假顶变形的监测；第三、使用无线信号传输，而不是现场电缆联接，中间环节少，监测过程可避免监测数据丢失；第四、优选技术方案使用基于电磁耦合的lvdt位移传感器，纤芯和线圈之间无机械接触，可避免流态充填料浆渗入影响结果，且具有无限分辨率，测试精度高，温湿度记录仪体积小、精度高，适应充填料环境。