一种膏体充填效果的评价方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种膏体充填开采过程中，对充填效果实时监测评价的方法。
【背景技术】
[0002]膏体充填开采技术是控制地表沉陷的有效方法，为了使充填体达到预定的效果，在开采过程中和开采后对充填体的监测尤为重要。
[0003]膏体充填效果评价体系主要分为现场实测、理论分析和数值模拟3种手段。现场实测主要分为地表沉陷监测系统和井下监测系统。地表沉陷监测主要是对地表下沉量进行观测的手段，常用的仪器和方法有全站仪、地理信息系统、GPS等，地表沉陷观测是最直接对膏体开采效果评价的方法。通过测量计算最大沉陷量和下沉速度，并预测地表沉陷的范围，从而判断是否产生由于顶板冒落或弯曲下沉而出现的地表变形。井下监测系统主要对充填体的状态(充填率、压缩量、凝固状态)、覆岩的移动变形及工作面矿压显现规律进行监测，主要的监测仪器为压力传感器、顶底板移近量检测记录仪等。对充填效果评价进行现场监测时，无论是地表下沉量观测、顶板移动变形和矿压监测，只是对单一水平面的某一参数进行测试，三者之间缺乏系统的联系。需要建立充填体、顶板覆岩和地表变形的综合全方位实时监测体系，了解充填体的变化，揭示充填体、顶板覆岩和地表变形的相互关系。
[0004]中国专利CN201510290717提供一种采场膏体充填料热-水-力-化多场性能监测装置，属于膏体充填监测技术领域。将传感器固定于支架上方，多场性能监测装置固定于挡墙朝向采场一侧，并连接数据收集器和电脑。但这种装置需在井下安装，安装困难且易磨损，无法对充填体进行长期有效的监测。
【发明内容】
[0005]本发明旨在提供一种对充填体长期、实时、全方位的多场性能监测的充填效果评价的方法，很好地解决了膏体充填效果评价的问题。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种膏体充填效果的评价方法，其特征在于:通过膏体随龄期增长的电阻率变化特征，以及充填体和围岩的电阻率差异，在井下膏体充填开采的同时，在地表布设电极，利用电流的发射和接收装置，完成数据的采集，实现膏体充填开采的实时、同步的效果评价。具体按下列步骤进行:
[0008](I)通过实验室电阻率测试的偶极装置确定膏体充填材料随龄期变化的电阻率；
[0009](2)现场钻孔，获取开采矿产资源、上覆岩层和底板岩层的岩芯，并利用步骤(I)的电阻率测试装置确定每个岩层的电阻率;或者在已知地质地层结构的前提下，通过岩层的电阻率资料确定每个岩层的电阻率;然后对比步骤(I)测试的材料的电阻率，判定采用电阻率法对充填效果评价的可行性:如果测试的膏体充填材料在规定龄期内的电阻率数值与围岩电阻率数值之比小于1/5，则可以利用电阻率充填效果评价法对充填效果进行评价;如果两者之比大于1/5，则由于差异不明显，无法实现对对充填效果的评价；
[0010](3)利用应力-电阻率测试装置，研究单轴加载过程中，不同养护龄期内充填材料试件应力和电阻率的相互关系，确定不同龄期应力-电阻率的拟合方程，根据所测矿区的充填开采方式和岩层结构，得出充填体受的应力，计算充填体在井下真实的电阻率；
[0011](4)建立充填开采过程中的电阻率模型，运用正反演数值模拟软件进行数值模拟运算，并得出视电阻率剖面图；
[0012](5)确定充填效果评价测线位置和长度，完成电极的现场布置；
[0013](6)现场设置测试电阻率的仪器，对充填开采过程中充填效果进行实时监测评价，并完成数据的采集；
[0014](7)对监测收集到的数据进行处理，与数值模拟的视电阻率剖面图进行对比分析，完成对充填效果的评价。
[0015]进一步地，所述步骤(I)和(2)中，将不同养护龄期的膏体充填材料和开采煤层的上覆各岩层制成Φ50Χ 10mm的标准试件，采用偶极装置对试件的电阻率进行测试。
[0016]进一步地，所述步骤(3)中，采用自行设计的应力-电阻率测试装置，对不同龄期的膏体充填材料试件的应力-电阻率进行测试，建立不同龄期内充填材料的应力与电阻率的数学拟合方程。所述装置的结构为:在圆柱形试件的上下两端设置铜片电极，电极与加载平台之间放置绝缘垫，导线将电极、LCR测试仪和电阻率数据采集系统连接，将应力控制系统、电阻率数据采集系统和应力-应变采集系统安装在同一计算机内，以实现在充填材料试件单轴加载的过程中，应力-应变-电阻率数据的同步采集。
[0017]进一步地，所述步骤(5)中，电极的排列方向与充填工作面的回采方向一致，并且每个电极的间距相等;所述电极为直径为30mm，高度为10mm的铜质电极。
[0018]进一步地，所述步骤(6)中，现场测试电阻率的仪器包括主机和从机，主机由计算机、测试仪器的通用电路以及与从机连接的接口电路组成，其作用是对从机发送控制命令、接收从机反馈信号;从机由单片机组成，通过电缆控制电极系统的供电和测量状态;供电电极和测量电极通过电线接入从机。
[0019]本发明的原理:膏体充填材料是由胶凝材料、水以及固体废弃物混合搅拌形成料浆，通过管道输送至采空区，凝固形成充填体，在充填材料内部对膏体充填材料的电阻率影响的主要因素是孔隙溶液和孔隙溶液的流通通道，孔隙溶液主要是含水量和离子浓度的影响，流通通道主要包括孔隙率和孔隙结构以及矸石表面的界面过渡区的含量，而含水率、离子浓度和孔隙率与充填材料内的随龄期变化的化学反应相关，因此，通过分析和测量充填体的电阻率能预测充填材料的凝固时间。同时，膏体充填材料在早期与周围围岩相比呈明显的低阻响应，通过测试充填体的电阻率能判断充填体的接顶效果和分布范围，实现运用电阻率法对充填效果的评价。
[0020]本发明的有益效果:
[0021](I)理论与实际的高度统一性。有可靠严密的理论基础和客观全面的实测数据。通过试验和理论计算得出充填体的电阻率，分析其与围岩之间的导电性差异，以此为基础并融合了对充填体深度的探测和沿测线水平上对覆岩、煤体、充填体电性分界的划分，针对膏体充填开采现场的客观条件进行实际的监测。
[0022](2)监测过程的实时性、监测范围的全方位性。由于充填开采具有长期性、连续性的特点，而在充填开采的过程中，顶板岩层的移动变形，上覆岩层结构变化、地表的下沉变形、充填体强度的变化与充填体受顶板应力后压缩变形情况，是一个动态的、相互关联的、连续发展的过程，因此，对充填效果的评价监测，需要采用实时、全方位的监测手段。而传统的监测手段只是对变化某一方面某一时刻进行监测，如矿压显现、地表沉陷规律。而电阻率充填效果评价方法是一种二维、甚至于三维的勘探技术，它能在时间上不间断、在空间上连续对充填开采过程中充填体和覆岩变化进行监测，并揭示充填体和覆岩、地表相互作用的规律。
[0023](3)电极布置的完整性、方便性。在充填开采之前，对确定充填开采的整个工作面进行一次性布置电极，直到开采结束后一段监测时间内，电极不需要移动位置，直接采集数据，可获取开采前到开采后，整个工作面的地表、地下的电阻率变化规律，保证了获取数据的完整性，并尽量减少误差。
[0024](4)数据采集和处理的快速、高质量。通过野外采集的数据，能快速在计算机上利用成熟的反演软件进行数据处理和视电阻率成像，在视电阻率反演拟断面图上直观反映地下的地电信息。
【附图说明】
[0025]图1为充填材料试件应力-电阻率测试装置示意图。
[0026]图2为电阻率法充填效果评价的结构示意图。
[0027]图3为养护龄期为7d的电阻率正演模型。
[0028]图4为反演得出的视电阻率剖面图。
[0029]图5为开采7d的实际视电阻率剖面图。
[0030]图中:1-绝缘垫;2-铜片电极;3-硫酸铜溶液棉布;4-试样;5-加载平台；6-LCR测试仪;7-数据采集系统;8-开采煤层;9-第一充填体；10-第二充填体；11-第三充填体；12-顶板;13-电极。
【具体实施方式】
[0031]下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0032]步骤I:按照矿区确定的膏体充填材料原料配比，混合搅拌均勾后，装模，制成φ 50X 10mm的标准试件，利用偶极装置测试试件ld、3d、7d和14d的电阻率数值，利用图1所示装置测试上述龄期内应力-应变-电阻率相互关系，并确定应力-电阻率的定量函数关系式。
[0033]以新阳煤矿膏体充填开采为例，在充填开采过程中利用电阻率充填效果评价法对充填效果进行评价。膏体充填材料的原料配比为:细矸石占总的矸石含量为30%，用量为285kg/m3，中、粗矸石含量占总的矸石含量均为35%，用量为332.5kg/m3，水泥和粉煤灰的用量分别为190kg/m3和380kg/m3，水用量为380kg/m3，质量浓度为80 %。经过测试，膏体充填材料ld、3d、7d和 14d的电阻率分别为5.56Ω.πι、9.87Ω.πι、37.25Ω.m和84.45 Ω.m，顶、底板围岩的电阻率为I XlO3 Ω.πι，膏体充填材料在规定龄期内的电阻率数值与围岩电阻率数值之比小于1/5，可以利用电阻率充填效果评价法对充填效果进行评价。
[0034]利用应力-应变-电阻率测试装置:如图1所示，试样4为圆柱体试件，试样4上下两端分别设有浸有硫酸铜溶液棉布3，棉布的作用是为了降低接触电阻的影