一種監測沿空留巷充填體回采期間穩定性的系統和方法與流程

本發明涉及一種監測沿空留巷充填體回采期間穩定性的系統和方法，屬于采礦領域。

背景技術：

沿空留巷，即通過構筑一條人工充填帶將上區段運輸平巷保留下來，作為上區段回風尾巷和下區段回風平巷予以復用。沿空留巷具有資源回收率高、采掘銜接合理、巷道掘進率低等優點，并且有利于巷道布置改革，多年來一直是國內外地下資源開采的重要技術發展方向。由于要經受上下2區段工作面2次強烈的采動影響，因而沿空留巷圍巖活動劇烈，維護難度較大，充填體的承載能力和穩定性是保持巷道圍巖穩定的關鍵。沿空留巷巷旁充填帶的主要作用：一是控制直接頂的離層和及時切斷采空側的直接頂和下位基本頂，以減少巷內支護所受的載荷和巷道圍巖的變形；二是及時封閉采空區，防止漏風和浮煤自然發火。

沿空留巷充填體在2次回采期間的穩定性監測包括充填體變形量、塑性區范圍和核心區強度。由于地下采礦環境的復雜性，監測時干擾因素多，目前仍沒有有效的方法用來監測沿空留巷充填體2次回采期間的穩定性。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種監測沿空留巷充填體回采期間穩定性的系統和方法，適用于充填開采領域。

本發明提供的一種監測沿空留巷充填體回采期間穩定性的系統和方法，在沿空留巷充填體內預埋一排埋入式應變計和一排壓力盒，數據通過長電纜傳輸到便攜式應變信號采集系統，對沿空留巷充填體穩定性進行長期監測。埋入式應變計用于實時監測沿空留巷充填體的內部變形，壓力盒用于實時監測沿空留巷充填體內部塑性區（破壞區）的范圍及沿空留巷充填體殘余強度，兩者結合對沿空留巷充填體的穩定性進行監測；便攜式應變信號采集系統對監測數據進行定期采集與記錄，而后通過計算機對記錄的數據進行保存與分析。

所述沿空留巷充填體為長方體結構，長度為工作面長度，寬度根據上覆巖層壓力和充填材料承載力確定，高度為工作面采高；使用的材料為混凝土材料、膏體充填材料、矸石膠結充填材料、（超）高水充填材料的一種或多種；

本發明提供了一種監測沿空留巷充填體回采期間穩定性的系統，包括埋入式應變計、壓力盒和便攜式應變信號采集系統；在沿空留巷充填體內預埋一排埋入式應變計和一排壓力盒，埋入式應變計和壓力盒平行設置；埋入式應變計和壓力盒分別通過支架鋼絲固定；埋入式應變計和壓力盒的端部連接電纜，通過電纜連接便攜式應變信號采集系統；

所述埋入式應變計內置溫度傳感器，對外界溫度影響產生的變化進行溫度修正；每個傳感器內部有計算芯片，自動對測量數據進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計制造，采用全數字檢測，利用脈沖激振方式激振；

所述便攜式應變信號采集系統為防爆型智能讀數儀；能直接顯示壓力值和振弦頻率，數據通過電纜線端插頭連接防爆型智能讀數儀“INP”插口；防爆型智能讀數儀設有“RS232”計算機連接端口，與計算機連接導出數據并保存，將保存的數據導入Excel表格，繪出應變-壓力曲線圖，即可進行分析，判斷沿空留巷充填體的穩定性。

上述的系統中，所述壓力盒根據不同要求選用相應的型號，配備便攜式應變信號采集系統即可直接顯示壓力值，又可顯示振弦頻率，測量直觀、簡便、快捷；可直接測出測點溫度，并能進行溫度補償（溫度型）。

進一步地，所述埋入式應變計，尺寸長150mm，中部直徑為22mm，量程為3000με，測量精度為1με，使用環境溫度：-20℃～﹢80℃，溫度范圍-20℃～+125℃，測溫靈敏度為0.25℃。

進一步地，所述壓力盒，直徑為20mm，厚度為8mm，量程為10MPa，精度為1kPa，可過載150%，使用環境溫度：-20℃～﹢80℃，溫度范圍-20℃～+80℃，測溫靈敏度為0.5℃。

進一步地，所述防爆型智能讀數儀上有防護蓋，具有防塵防爆防水的功能，有計算機接口，可以計算機連接并導出數據；并有操作按鍵和數據顯示屏，可直接操作并讀取數據。

進一步地，所述防爆型智能讀數儀有6個信號通道，可以同時對6個鋼弦傳感器進行測量，存儲8000個應變數據。防爆型智能讀數儀具有檢測速度快、測量精度高、操作簡單、體積小、重量輕、功率低、使用時間長、攜帶方便等優點。

進一步地，所述電纜為四芯屏蔽電纜線，應變計和壓力盒通過電纜線直接連接便攜式應變信號采集系統，將應變計和壓力盒的數據傳輸至便攜式應變信號采集系統，進行讀數和后處理；所述后處理是將便攜式應變信號采集系統的讀數進行分析，判斷沿空留巷充填體的穩定性。

本發明提供了一種監測沿空留巷充填體回采期間穩定性的方法，采用上述監測沿空留巷充填體回采期間穩定性的系統和方法，包括以下步驟：

（1）安裝：在沿空留巷充填體澆筑前預埋一排埋入式應變計和一排壓力盒，其具體方法：間隔40-60m選定監測點，在充填模板搭設完畢后，在充填空間中部分別搭設上-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變計由中心向外間隔20-50cm均勻固定在上-下各兩根支架鋼絲上，要求應變計軸線處于豎直方向；用尼龍繩將壓力盒由中心向外間隔20-50cm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；壓力盒軸線和應變計軸線平行分布于沿空留巷充填體的中部，相互錯開20-30cm；壓力盒固定后在表面涂抹凡士林，防止材料凝結在壓力盒表面，影響數據監測；

所述應變計和壓力盒用尼龍繩固定在支架鋼絲上，防止應變計和壓力盒在充填材料澆注時發生移動和偏轉；

（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，電纜線綁扎不宜過緊，要略微松弛；

（3）待充填體澆注24小時后，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防爆型智能讀數儀“INP”插口，通過讀數儀面板上的按鈕和數據顯示屏，直接操作智能讀數儀并讀取數據，首次測量需對原始數據調零后開始采集信號，并實時進行數據保存；

在沿空留巷充填體結構形成后，派專人對應變數據定期進行測量和記錄，要求為每天3次，直到回采結束；

（5）通過便攜式防爆型讀數儀上的“RS232”插口連入計算機，將數據進行導出并保存，將保存的數據導入Excel軟件，并繪制應變-壓力曲線，將應變-壓力曲線與前期試驗獲得應力-應變-壓力曲線對比，分析每個壓力盒對應位置的充填體所處的階段：當所有壓力盒數據處于彈塑性階段時，沿空留巷充填體穩定性良好；當部分壓力盒數據進入破壞后階段時，沿空留巷充填體局部破壞但整體保持穩定；當所有壓力盒數據均處于破壞后階段時，沿空留巷充填體整體失穩；

所述前期試驗獲得應力-應變-壓力曲線的方法為：將壓力盒埋入150mm*150mm*150mm充填體試件中，澆水養護28天，在電液伺服壓力機上標定，得到充填體應力-應變-壓力曲線，并對曲線進行分區，得到充填體彈性階段、塑性階段、破壞點、破壞后階段對應的應變-壓力特征。

上述監測方法中，所述沿空留巷充填體內部變形量由沿空留巷充填體內應變計讀數確定；所述塑性區范圍根據壓力盒的讀數和位置判定，壓力盒讀數明顯上升，表明此處充填體進入塑性階段，塑性區內的充填體保持穩定，沿空留巷充填體穩定性良好；所述破壞區范圍根據壓力盒的讀數和位置判定，壓力盒讀數為殘余強度時，表明此處充填體進入破壞階段失去穩定，部分充填體進入破壞后階段時，沿空留巷充填體整體仍然保持穩定，當破壞區范圍擴展到整個沿空留巷充填體時，沿空留巷充填體整體破壞失穩；所述沿空留巷充填體的殘余強度為為沿空留巷充填體失穩后壓力盒讀數，表現為壓力盒全程讀數的最大值，殘余強度表明沿空留巷充填體破壞失穩后仍具有一定的承載能力。

上述監測方法中，所述壓力盒軸線和應變計軸線平行分布于沿空留巷充填體的中部，相互間隔20-30cm，是為了防止應變計和壓力盒相互影響。

本發明提供的監測方法的原理為：①當沿空留巷充填體處于彈性壓縮階段時：隨著頂板下沉，充填體整體壓縮，應變計讀數不斷增加，而壓力盒讀數基本為零，充填體處于彈性壓縮階段，表明沿空留巷充填體穩定性良好；②當沿空留巷充填體進入塑性變形階段時：隨著頂板下沉，應變計讀數繼續增大，壓力盒讀數開始明顯上升，充填體處于塑性階段，表明此處沿空留巷充填體保持穩定；③當沿空留巷充填體發生破壞時，應變計讀數增大到峰值，壓力盒讀數也開始急劇增大，表明此處充填體發生破壞失去穩定；若頂板繼續下沉，破壞部分頂板由破碎體支撐，應變計泄壓失效，讀數有所降低；沿空留巷充填體整體壓縮量繼續增大，破壞處壓力盒讀數迅速增大到峰值；部分充填體處于破壞后階段，但沿空留巷充填體整體保持穩定；④若頂板繼續下沉，沿空留巷充填體完全破壞，應變計全部泄壓失效讀數降低，位于條帶外側的壓力盒讀數減小，位于條帶中部的壓力盒讀數達到峰值并保持，此時壓力盒讀數為充填體破碎后形成的松散體對頂板的支撐力，沿空留巷充填體整體失穩。

本發明的有益效果：

本發明采用介入式測量手段，能真實反映沿空留巷充填體內部應力應變、塑性區發展情況及殘余應力的大小；采用振弦式應變計和振弦式壓力盒，安裝方便、絕緣防爆性能好、抗干擾能力強、遠距離傳輸不失真，適宜在井下惡劣環境中長期監測；采用便攜式應變采集系統，攜帶方便、操作簡單、數據準確；監測原理準確可靠、簡單明了，便于工程人員自行判定。

附圖說明

圖1 為沿空留巷充填體應變計和壓力盒分布圖。

圖2為圖1中沿A-A線的剖視圖。

圖3為圖1中沿B-B線的剖視圖。

圖4 便攜式應變信號采集系統的結構示意圖。

圖5應變計固定狀態示意圖。

圖6壓力盒固定狀態示意圖。

圖7應力-應變-壓力數據分析曲線圖（單位為MPa）。

其中：1.埋入式應變計 2.壓力盒 3.支架鋼絲 4.模板 5.電纜線 6.便攜式應變信號采集系統 7.沿空留巷 8.尼龍繩 9.充填體抗壓強度曲線 10.壓力盒數據曲線 11.抗壓強度峰值（破壞點） 12.殘余強度 13.信號通道 14.防護蓋 15.計算機接口 16.操作按鍵 17.數據顯示屏 18.充電插口 ①彈性階段 ②塑性階段 ③破壞后階段。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限于以下實施例。

實施例1：

一種監測沿空留巷充填體回采期間穩定性的系統和方法，包括埋入式應變計1、壓力盒2和便攜式應變信號采集系統6；在沿空留巷充填體內預埋一排埋入式應變計1和一排壓力盒2，埋入式應變計1和壓力盒2平行設置，埋入式應變計1和壓力盒2分別通過支架鋼絲3固定；埋入式應變計1和壓力盒2的端部連接電纜，數據通過電纜線5連接便攜式應變信號采集系統6；

所述埋入式應變計1內置溫度傳感器，對外界溫度影響產生的變化進行溫度修正；每個傳感器內部有計算芯片，自動對測量數據進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采用振弦理論設計制造，采用全數字檢測，利用脈沖激振方式激振；

所述便攜式應變信號采集系統6為防爆型智能讀數儀；能直接顯示壓力值和振弦頻率，數據通過電纜線端插頭連接防爆型智能讀數儀“INP”插口；防爆型智能讀數儀設有“RS232”計算機接口15，與計算機7連接并導出數據，計算機7用來保存和分析便攜式應變信號采集系統6采集的數據，將保存的數據導入Excel表格，繪出應變-壓力曲線圖，即可分析判斷沿空留巷充填體的穩定性。

本發明中，所述壓力盒2根據不同要求選用相應的型號，配備便攜式應變信號采集系統即可直接顯示壓力值，又可顯示振弦頻率，測量直觀、簡便、快捷；可直接測出測點溫度，并能進行溫度補償（溫度型）。

所述埋入式應變計1的尺寸長150mm，中部直徑為22mm；量程為3000με，測量精度為1με，使用環境溫度：-20℃～﹢80℃，溫度范圍-20℃～+125℃，測溫靈敏度為0.25℃。

所述防爆型智能讀數儀上有防護蓋14，具有防塵防爆防水的功能，有“RS232”計算機接口15，可以計算機連接導出數據并保存；并有操作按鍵16和數據顯示屏17，可直接操作并讀取數據。防爆型智能讀數儀上還設有充電插口18。

所述防爆型智能讀數儀有6個信號通道，可以同時對6個鋼弦傳感器進行測量，存儲8000個應變數據。防爆型智能讀數儀具有檢測速度快、測量精度高、操作簡單、體積小、重量輕、功率低、使用時間長、攜帶方便等優點。

所述電纜5為四芯屏蔽電纜線，應變計和壓力盒通過電纜線直接連接便攜式應變信號采集系統，將應變計和壓力盒的數據傳輸至便攜式應變信號采集系統，進行讀數和后處理；所述后處理是將便攜式應變信號采集系統的讀數進行分析，判斷沿空留巷充填體的穩定性。

下面通過具體的實施過程說明采用上述裝置的監測方法，包括以下步驟：

1、對壓力盒2進行試驗室標定，得到充填體應力-應變-壓力曲線（圖7）；所述前期試驗獲得應力-應變-壓力曲線的方法為：將壓力盒埋入150mm*150mm*150mm充填體試件中，澆水養護28天，在電液伺服壓力機上標定，得到充填體應力-應變-壓力曲線，并對曲線進行分區，得到充填體彈性階段、塑性階段、破壞點、破壞后階段對應的應變-壓力特征。

2、隨著工作面的推進，搭設充填模板4；

3、選定監測點，在充填空間中部分別搭設上-下和左-右兩組支架鋼絲3，兩組支架鋼絲3平行間隔30cm，支架鋼絲3固定在充填模板4骨架上，需用力扯緊拉直，并將兩端綁扎牢固；

4、用尼龍繩8將埋入式應變計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，要求應變計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，電纜線5綁扎不宜過緊，要略微松弛，對應變計1進行編號；

5、用尼龍繩8將壓力盒2由中心向外間隔20-50cm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，電纜線5綁扎不宜過緊，要略微松弛，對壓力盒2進行編號；

6、向模板4內澆注充填材料，待充填體澆注24小時后，將支架鋼絲3從充填模板4上拆下，充填模板4可在充填材料凝固3天后拆除；

7、定期進行數據采集，一天三次，將電纜線5接頭與便攜式應變信號采集系統6連接好，讀數并記錄；對原始數據調零后開始采集信號；返回地面后將采集儀與計算機連接，進行數據導出與保存；

8、根據采集的數據分析判斷沿空留巷充填體的穩定性：將保存的數據導入Excel軟件，并繪制應變-壓力曲線，將應變-壓力曲線與前期試驗獲得應力-應變-壓力曲線對比，分析每個壓力盒對應位置的充填體所處的階段：處于階段①，即壓力小于0.2MPa時，說明此處充填體處于彈性階段，沿空留巷充填體穩定性良好；處于階段②，即壓力大于0.2MPa小于0.9MPa時，說明此處充填體進入塑性階段，沿空留巷充填體基本穩定；當處于階段③，即壓力大于0.9MPa時，說明此處充填體已經破壞；根據處于階段②的壓力盒的位置，判斷充填體的塑性區范圍；根據處于階段③的壓力盒的位置，判斷充填體的破壞區的范圍，當所有壓力盒都處于階段③位置時，沿空留巷充填體整體破壞失穩；沿空留巷充填體失穩后沿空留巷充填體中心位置仍有3.1MPa的殘余強度。