本發(fā)明涉及一種監(jiān)測(cè)充填柱體穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法,屬于采礦充填領(lǐng)域。
背景技術(shù):
在地下資源開采過(guò)程中,為控制地表沉陷,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,選擇用充填開采的方式進(jìn)行地下礦產(chǎn)資源開采。隨著充填開采的發(fā)展,可利用的充填材料日益減少,導(dǎo)致充填成本日益增大,全部充填的壓力日益增加,在這種情況下,部分充填被提出和應(yīng)用,其中包括柱式充填。但是,與全部充填的相比,柱式充填雖節(jié)約了充填材料,降低了充填成本,但充填柱體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性還有待考證。充填柱體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)包括變形量、塑性區(qū)范圍和核心區(qū)強(qiáng)度。由于地下采礦環(huán)境的復(fù)雜性,監(jiān)測(cè)時(shí)干擾因素多,目前仍沒有長(zhǎng)期有效的方法用來(lái)監(jiān)測(cè)充填柱體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明旨在提供一種監(jiān)測(cè)充填柱體穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法,適用于充填開采領(lǐng)域。
本發(fā)明提供的一種監(jiān)測(cè)充填柱體穩(wěn)定性的系統(tǒng),在充填柱體內(nèi)預(yù)埋一排埋入式應(yīng)變計(jì)和一排壓力盒,在地面配備應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng),數(shù)據(jù)通過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸,對(duì)充填柱體穩(wěn)定性進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。埋入式應(yīng)變計(jì)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充填柱體的內(nèi)部變形,壓力盒用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充填柱體內(nèi)部塑性區(qū)(破壞區(qū))的范圍及充填柱體殘余強(qiáng)度,兩者結(jié)合對(duì)充填柱體的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè);地面應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析。
所述充填柱體是指在采空區(qū)設(shè)置的墩柱狀充填體,用于控制上覆巖層破壞和地表沉陷;所述墩柱狀充填體為高寬比為1-4的棱柱體或高徑比為1-4的圓柱體;使用的材料為混凝土材料、膏體充填材料、矸石膠結(jié)充填材料、(超)高水充填材料的一種或多種。
本發(fā)明提供了一種監(jiān)測(cè)充填柱體穩(wěn)定性的系統(tǒng),包括埋入式應(yīng)變計(jì)和壓力盒;在充填柱體內(nèi)預(yù)埋一排應(yīng)變計(jì)和一排壓力盒,應(yīng)變計(jì)和壓力盒在充填柱體內(nèi)垂直交叉設(shè)置,埋入式應(yīng)變計(jì)和壓力盒分別通過(guò)支架鋼絲固定;在地面配備地面應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng),埋入式應(yīng)變計(jì)和壓力盒的端部連接電纜,數(shù)據(jù)通過(guò)電纜傳輸?shù)降孛娴膽?yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng);所述埋入式應(yīng)變計(jì)內(nèi)置溫度傳感器,對(duì)外界溫度影響產(chǎn)生的變化進(jìn)行溫度修正;每個(gè)傳感器內(nèi)部有計(jì)算芯片,自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算而直接輸出物理量,減少人工換算的失誤和誤差;所述壓力盒采用振弦理論設(shè)計(jì)制造,采用全數(shù)字檢測(cè),利用脈沖激振方式激振;所述地面應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)由多通道振弦信號(hào)采集儀和計(jì)算機(jī)組成;振弦信號(hào)采集儀有多個(gè)信號(hào)通道用來(lái)接收應(yīng)變信號(hào);計(jì)算機(jī)用來(lái)保存和分析振弦信號(hào)采集儀采集的數(shù)據(jù),采用計(jì)算機(jī)上安裝的應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)配套軟件對(duì)多通道信號(hào)采集儀進(jìn)行控制,并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與保存,將保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格,繪出應(yīng)變-壓力曲線圖,即可分析判斷充填柱體的穩(wěn)定性。
上述的系統(tǒng)中,所述壓力盒根據(jù)不同要求選用相應(yīng)的型號(hào),配備多通道振弦信號(hào)采集儀測(cè)量結(jié)構(gòu)體的靜態(tài)和動(dòng)力參數(shù),如:應(yīng)變值、壓力值、自振頻率、阻力系數(shù)、動(dòng)力系數(shù)、振型等;可直接測(cè)出測(cè)點(diǎn)溫度,并能進(jìn)行溫度補(bǔ)償(溫度型)。
進(jìn)一步地,所述埋入式應(yīng)變計(jì),尺寸長(zhǎng)150mm,中部直徑為20mm,量程為3000με,測(cè)量精度為1με,使用環(huán)境溫度:-20℃~﹢80℃,溫度范圍-20℃~+125℃,測(cè)溫靈敏度為0.25℃。所述埋入式應(yīng)變計(jì)根據(jù)張力弦原理制造,使用頻率作為輸出信號(hào),抗干擾能力強(qiáng),遠(yuǎn)距離輸送產(chǎn)生的誤差極??;全部元器件進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試和老化篩選,尤其是高低溫應(yīng)力消除試驗(yàn),增強(qiáng)弦的穩(wěn)定性和可靠性;另有三防處理,保證在長(zhǎng)期惡劣環(huán)境中高成活率的問(wèn)題。
進(jìn)一步地,所述壓力盒的直徑為20mm,厚度為8mm,量程為10MPa,精度為1kPa,可過(guò)載150%,使用環(huán)境溫度:-20℃~﹢80℃,溫度范圍-20℃~+80℃,測(cè)溫靈敏度為0.5℃。所述壓力盒采用振弦理論設(shè)計(jì)制造,具有高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn),適于長(zhǎng)期觀測(cè);并且其采用全數(shù)字檢測(cè),信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸不失真,抗干擾能力強(qiáng);絕緣性能良好,防水耐用;可以方便的實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)電纜遠(yuǎn)距離的傳輸;采用脈沖激振方式激振,測(cè)試速度快;具有智能電子編號(hào)防止斷線或人工標(biāo)簽損壞無(wú)法識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)。
進(jìn)一步地,所述多通道振弦信號(hào)采集儀每個(gè)有20個(gè)信號(hào)通道,能同時(shí)采集20個(gè)振弦式應(yīng)變信號(hào),當(dāng)監(jiān)測(cè)信號(hào)大于20個(gè)時(shí),設(shè)置多個(gè)采集儀串聯(lián)。
進(jìn)一步地,所述電纜為四芯屏蔽電纜線,電纜布線經(jīng)過(guò)充填材料輸送通道,將應(yīng)變計(jì)和壓力盒的數(shù)據(jù)傳輸至地面應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng),其傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)3000m。
本發(fā)明提供了一種監(jiān)測(cè)充填柱體穩(wěn)定性的方法,采用上述監(jiān)測(cè)充填柱體穩(wěn)定性的系統(tǒng),包括以下步驟:
(1)安裝:在充填模板搭設(shè)完畢后,在充填空間中部?jī)蓷l中心線上分別搭設(shè)上-下和左-右兩組支架鋼絲,支架鋼絲固定在充填模板骨架上,需用力扯緊拉直,并將兩端綁扎牢固;用尼龍繩將埋入式應(yīng)變計(jì)由中心向外間隔20-50cm(即兩個(gè)應(yīng)變計(jì)的間距為20-50cm)均勻固定在上-下各兩根支架鋼絲上,要求應(yīng)變計(jì)軸線處于豎直方向;用尼龍繩將壓力盒由中心向外間隔10-50cm均勻固定在左-右兩根支架鋼絲上,要求壓力盒表面處于水平方向;壓力盒軸線和應(yīng)變計(jì)軸線垂直相交于充填柱體的中心點(diǎn)上,相互錯(cuò)開10cm;電纜線沿支架鋼絲引出;壓力盒固定后在表面涂抹凡士林,防止材料凝結(jié)在壓力盒表面,影響數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè);
所述應(yīng)變計(jì)和壓力盒用尼龍繩固定在支架鋼絲上,防止應(yīng)變計(jì)和壓力盒在充填材料澆注時(shí)發(fā)生移動(dòng)和偏轉(zhuǎn);
(2)電纜線沿支架鋼絲引出,是將電纜線綁扎在支架鋼絲上,在充填模板上打孔引出,電纜線綁扎不宜過(guò)緊,要略微松弛;
(3)待充填體澆注24小時(shí)后,將支架鋼絲從充填模板上拆下,充填模板可在充填材料凝固3天后拆除;
(4)將電纜線端插頭插入多通道信號(hào)采集儀“INP”插口,并將采集儀與電腦連接,打開電腦上安裝的應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)軟件,對(duì)原始數(shù)據(jù)調(diào)零后開始采集信號(hào),并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存;
(5)將保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel軟件,并繪制應(yīng)變-壓力曲線,將應(yīng)變-壓力曲線與前期試驗(yàn)獲得應(yīng)力-應(yīng)變-壓力曲線對(duì)比,分析每個(gè)壓力盒對(duì)應(yīng)位置的充填體所處的階段:當(dāng)所有壓力盒數(shù)據(jù)處于彈塑性階段時(shí),充填柱體穩(wěn)定性良好;當(dāng)部分壓力盒數(shù)據(jù)進(jìn)入破壞后階段時(shí),充填柱體局部破壞但整體保持穩(wěn)定;當(dāng)所有壓力盒數(shù)據(jù)均處于破壞后階段時(shí),充填柱體整體失穩(wěn);
所述前期試驗(yàn)獲得應(yīng)力-應(yīng)變-壓力曲線的方法為:將壓力盒埋入150mm*150mm*150mm充填體試件中,常溫澆水養(yǎng)護(hù)28天,在電液伺服壓力機(jī)上標(biāo)定,得到充填體應(yīng)力-應(yīng)變-壓力曲線,并對(duì)曲線進(jìn)行分區(qū),得到充填體彈性階段、塑性階段、破壞點(diǎn)、破壞后階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變-壓力特征。
上述監(jiān)測(cè)方法中,根據(jù)壓力盒的讀數(shù)和位置判定,壓力盒讀數(shù)明顯上升時(shí),表明此處充填體進(jìn)入塑性階段,塑性區(qū)內(nèi)的充填體保持穩(wěn)定,充填柱體穩(wěn)定性良好;壓力盒讀數(shù)為殘余強(qiáng)度時(shí),表明此處充填體進(jìn)入破壞階段,充填體外側(cè)部分開始失去穩(wěn)定;部分充填體進(jìn)入破壞后階段時(shí),充填柱體整體仍然保持穩(wěn)定,當(dāng)破壞區(qū)范圍擴(kuò)展到整個(gè)充填柱體時(shí),充填柱體整體破壞失穩(wěn);所述殘余強(qiáng)度為充填柱體壓力盒全程讀數(shù)的最大值,殘余強(qiáng)度表明充填柱體破壞失穩(wěn)后仍具有一定的承載能力。
上述監(jiān)測(cè)方法中,壓力盒軸線和應(yīng)變計(jì)軸線垂直相交于充填柱體的中心點(diǎn)上,相互錯(cuò)開10cm,是為了防止中心應(yīng)變計(jì)和中心壓力盒相互影響。
本發(fā)明提供的監(jiān)測(cè)方法的原理為:當(dāng)充填柱體處于彈性壓縮階段時(shí),隨著頂板下沉,充填體整體壓縮,應(yīng)變計(jì)讀數(shù)不斷增加,而壓力盒讀數(shù)基本為零,充填體處于彈性階段表明充填柱體穩(wěn)定性良好;當(dāng)充填柱體進(jìn)入塑性變形階段時(shí),隨著頂板下沉,應(yīng)變計(jì)讀數(shù)繼續(xù)增大,壓力盒讀數(shù)開始明顯上升,充填體處于塑性階段表明此處充填柱體保持穩(wěn)定;當(dāng)充填條帶發(fā)生破壞時(shí),應(yīng)變計(jì)讀數(shù)增大到峰值,壓力盒讀數(shù)也開始急劇增大,表明此處充填體發(fā)生破壞失去穩(wěn)定;若頂板繼續(xù)下沉,破壞部分頂板由破碎體支撐,應(yīng)變計(jì)泄壓失效,讀數(shù)有所降低;充填條帶整體壓縮量繼續(xù)增大,破壞處壓力盒讀數(shù)迅速增大到峰值;部分充填體處于破壞后階段,但充填條帶整體保持穩(wěn)定;若頂板繼續(xù)下沉,充填條帶完全破壞,應(yīng)變計(jì)全部泄壓失效讀數(shù)降低,位于條帶外側(cè)的壓力盒讀數(shù)減小,位于條帶中部的壓力盒讀數(shù)達(dá)到峰值并保持,此時(shí)壓力盒讀數(shù)為充填體破碎后形成的松散體對(duì)頂板的支撐力,充填條帶整體失穩(wěn)。
本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明采用介入式測(cè)量手段,能真實(shí)反映充填柱體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變、塑性區(qū)發(fā)展情況及殘余應(yīng)力的大??;采用振弦式應(yīng)變計(jì)和振弦式壓力盒,安裝方便、絕緣防爆性能好、抗干擾能力強(qiáng)、遠(yuǎn)距離傳輸不失真,適宜在井下惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè);配備地面應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng),可遙控監(jiān)測(cè)和分析充填柱體穩(wěn)定性;監(jiān)測(cè)原理準(zhǔn)確可靠、簡(jiǎn)單明了,便于工程人員自行判定。
附圖說(shuō)明
圖1 墩柱狀充填體內(nèi)部應(yīng)變計(jì)和壓力盒分布圖。
圖2 圖1中沿A-A線的剖視圖。
圖3 圖1中沿B-B線的剖視圖。
圖4 地面應(yīng)變信息采集系統(tǒng)的示意圖。
圖5應(yīng)變計(jì)固定狀態(tài)示意圖。
圖6壓力盒固定狀態(tài)示意圖。
圖7 圓柱形充填體應(yīng)變計(jì)和壓力盒分布圖。
圖8 應(yīng)力-應(yīng)變-壓力數(shù)據(jù)分析曲線圖(單位為MPa)。
其中:1.應(yīng)變計(jì) 2.壓力盒 3.支架鋼絲 4.模板 5.電纜 6.多通道振弦信號(hào)采集儀 7.計(jì)算機(jī) 8.尼龍繩 9.充填體抗壓強(qiáng)度曲線 10.壓力盒數(shù)據(jù)曲線 11.抗壓強(qiáng)度峰值(破壞點(diǎn)) 12.殘余強(qiáng)度 13. 信號(hào)通道“INP”插口 ①?gòu)椥噪A段 ②塑性階段 ③破壞后階段。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明,但不局限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例:
如圖1~7所示,一種監(jiān)測(cè)充填柱體穩(wěn)定性的系統(tǒng),包括埋入式應(yīng)變計(jì)1和壓力盒2;在充填柱體內(nèi)預(yù)埋一排應(yīng)變計(jì)1和一排壓力盒2,應(yīng)變計(jì)1和壓力盒2在充填柱體內(nèi)垂直交叉設(shè)置,埋入式應(yīng)變計(jì)1和壓力盒2分別通過(guò)支架鋼絲3固定;在地面配備地面應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng),埋入式應(yīng)變計(jì)1和壓力盒2的端部連接電纜5,數(shù)據(jù)通過(guò)電纜5傳輸?shù)降孛娴膽?yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng);所述埋入式應(yīng)變計(jì)1內(nèi)置溫度傳感器,對(duì)外界溫度影響產(chǎn)生的變化進(jìn)行溫度修正;每個(gè)傳感器內(nèi)部有計(jì)算芯片,自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算而直接輸出物理量,減少人工換算的失誤和誤差;所述壓力盒2采用振弦理論設(shè)計(jì)制造,采用全數(shù)字檢測(cè),利用脈沖激振方式激振;所述地面應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)由多通道振弦信號(hào)采集儀6和計(jì)算機(jī)7組成;多通道振弦信號(hào)采集儀6有多個(gè)信號(hào)通道用來(lái)接收應(yīng)變信號(hào);計(jì)算機(jī)7用來(lái)保存和分析振弦信號(hào)采集儀采集的數(shù)據(jù),采用計(jì)算機(jī)7上安裝的應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)配套軟件對(duì)多通道信號(hào)采集儀進(jìn)行控制,并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與保存,將保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格,繪出應(yīng)變-壓力曲線圖,即可分析判斷充填柱體的穩(wěn)定性。
上述的系統(tǒng)中,所述壓力盒5根據(jù)不同要求選用相應(yīng)的型號(hào),配備多通道振弦信號(hào)采集儀測(cè)量結(jié)構(gòu)體的靜態(tài)和動(dòng)力參數(shù),如:應(yīng)變值、壓力值、自振頻率、阻力系數(shù)、動(dòng)力系數(shù)、振型等;可直接測(cè)出測(cè)點(diǎn)溫度,并能進(jìn)行溫度補(bǔ)償(溫度型)。
進(jìn)一步地,所述埋入式應(yīng)變計(jì)1,尺寸長(zhǎng)150mm,中部直徑為20mm,量程為3000με,測(cè)量精度為1με,使用環(huán)境溫度:-20℃~﹢80℃,溫度范圍-20℃~+125℃,測(cè)溫靈敏度為0.25℃。所述埋入式應(yīng)變計(jì)根據(jù)張力弦原理制造,使用頻率作為輸出信號(hào),抗干擾能力強(qiáng),遠(yuǎn)距離輸送產(chǎn)生的誤差極??;全部元器件進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試和老化篩選,尤其是高低溫應(yīng)力消除試驗(yàn),增強(qiáng)弦的穩(wěn)定性和可靠性;另有三防處理,保證在長(zhǎng)期惡劣環(huán)境中高成活率的問(wèn)題。
進(jìn)一步地,所述壓力盒的直徑為20mm,厚度為8mm,量程為10MPa,精度為1kPa,可過(guò)載150%,使用環(huán)境溫度:-20℃~﹢80℃,溫度范圍-20℃~+80℃,測(cè)溫靈敏度為0.5℃。所述壓力盒采用振弦理論設(shè)計(jì)制造,具有高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn),適于長(zhǎng)期觀測(cè);并且其采用全數(shù)字檢測(cè),信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸不失真,抗干擾能力強(qiáng);絕緣性能良好,防水耐用;可以方便的實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)電纜遠(yuǎn)距離的傳輸;采用脈沖激振方式激振,測(cè)試速度快;具有智能電子編號(hào)防止斷線或人工標(biāo)簽損壞無(wú)法識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)。
進(jìn)一步地,每個(gè)多通道振弦信號(hào)采集儀6有20個(gè)信號(hào)通道,能同時(shí)采集20個(gè)振弦式應(yīng)變信號(hào),當(dāng)監(jiān)測(cè)信號(hào)大于20個(gè)時(shí),設(shè)置多個(gè)采集儀串聯(lián)。
進(jìn)一步地,所述電纜5為四芯屏蔽電纜線,電纜布線經(jīng)過(guò)充填材料輸送通道,將應(yīng)變計(jì)和壓力盒的數(shù)據(jù)傳輸至地面應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng),其傳輸距離最長(zhǎng)可達(dá)3000m。
下面通過(guò)具體的實(shí)施過(guò)程說(shuō)明采用上述裝置的監(jiān)測(cè)方法,包括以下步驟:
1、對(duì)壓力盒2進(jìn)行試驗(yàn)室標(biāo)定,得到充填體應(yīng)力-應(yīng)變-壓力曲線(圖8);所述前期試驗(yàn)獲得應(yīng)力-應(yīng)變-壓力曲線的方法為:將壓力盒埋入150mm*150mm*150mm充填體試件中,澆水養(yǎng)護(hù)28天,在電液伺服壓力機(jī)上標(biāo)定,得到充填體應(yīng)力-應(yīng)變-壓力曲線,并對(duì)曲線進(jìn)行分區(qū),得到充填體彈性階段、塑性階段、破壞點(diǎn)、破壞后階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變-壓力特征。
2、工作面推進(jìn)后,搭設(shè)充填模板4;
3、在模板4中部?jī)蓷l中心線上固定上下和左右兩組支架鋼絲3,支架鋼絲3固定在充填模板4骨架上,用力將鋼絲3扯緊拉直,并將兩端綁扎牢固;
4、用尼龍繩8將埋入式應(yīng)變計(jì)1由中心向外間隔20-50cm均勻固定在上下兩根支架鋼絲3上,要求應(yīng)變計(jì)1軸線處于豎直方向,電纜5固定在支架鋼絲3上并延伸到模板4外,電纜5綁扎不宜過(guò)緊,要略微松弛,對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行編號(hào);
5、用尼龍繩8將壓力盒2由中心向外間隔10-50cm均勻固定在左右兩根支架鋼絲3上,要求壓力盒2表面處于水平方向,電纜5固定在支架鋼絲3上并延伸到模板4外,電纜5綁扎不宜過(guò)緊,要略微松弛,對(duì)壓力盒2進(jìn)行編號(hào);
6、向模板4內(nèi)澆注充填材料,待充填材料凝固后拆除充填模板4;
7、將光纜5與地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接好,實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;
8、根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析判斷充填柱體的穩(wěn)定性:處于階段①,說(shuō)明材料處于彈性階段,充填條帶穩(wěn)定性良好;處于階段②,說(shuō)明充填體進(jìn)入塑性階段,條帶基本穩(wěn)定;當(dāng)處于階段③,說(shuō)明充填體已經(jīng)破壞;根據(jù)處于階段②的壓力盒的位置,判斷充填體的塑性區(qū)范圍;根據(jù)處于階段③的壓力盒的位置,判斷充填體的破壞區(qū)的范圍。見圖8所示。