CN106524959B - 一种监测充填柱体稳定性的***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测充填柱体稳定性的***和方法,该监测***包括埋入式应变计和压力盒;在充填柱体内预埋一排应变计和一排压力盒,应变计和压力盒在充填柱体内垂直交叉设置,埋入式应变计和压力盒分别通过支架钢丝固定;在地面配备地面应变信号实时采集***,埋入式应变计和压力盒的端部连接电缆,数据通过电缆传输到地面的应变信号实时采集***。本发明采用介入式测量手段,能真实反映充填柱体内部应力应变、塑性区发展情况及残余应力的大小;采用振弦式应变计和振弦式压力盒,安装方便、绝缘防爆性能好、抗干扰能力强、远距离传输不失真,适宜在井下恶劣环境中长期监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测充填柱体稳定性的***和方法,属于采矿充填领域。
背景技术
在地下资源开采过程中,为控制地表沉陷,保护生态环境,选择用充填开采的方式进行地下矿产资源开采。随着充填开采的发展,可利用的充填材料日益减少,导致充填成本日益增大,全部充填的压力日益增加,在这种情况下,部分充填被提出和应用,其中包括柱式充填。但是,与全部充填的相比,柱式充填虽节约了充填材料,降低了充填成本,但充填柱体的长期稳定性还有待考证。充填柱体的长期稳定性监测包括变形量、塑性区范围和核心区强度。由于地下采矿环境的复杂性,监测时干扰因素多,目前仍没有长期有效的方法用来监测充填柱体的长期稳定性。
发明内容
本发明旨在提供一种监测充填柱体稳定性的***和方法,适用于充填开采领域。
本发明提供的一种监测充填柱体稳定性的***,在充填柱体内预埋一排埋入式应变计和一排压力盒,在地面配备应变信号实时采集***,数据通过长电缆传输,对充填柱体稳定性进行长期监测。埋入式应变计用于实时监测充填柱体的内部变形,压力盒用于实时监测充填柱体内部塑性区(破坏区)的范围及充填柱体残余强度,两者结合对充填柱体的稳定性进行监测;地面应变信号实时采集***对监测数据进行实时采集与分析。
所述充填柱体是指在采空区设置的墩柱状充填体,用于控制上覆岩层破坏和地表沉陷;所述墩柱状充填体为高宽比为1-4的棱柱体或高径比为1-4的圆柱体;使用的材料为混凝土材料、膏体充填材料、矸石胶结充填材料、(超)高水充填材料的一种或多种。
本发明提供了一种监测充填柱体稳定性的***,包括埋入式应变计和压力盒;在充填柱体内预埋一排应变计和一排压力盒,应变计和压力盒在充填柱体内垂直交叉设置,埋入式应变计和压力盒分别通过支架钢丝固定;在地面配备地面应变信号实时采集***,埋入式应变计和压力盒的端部连接电缆,数据通过电缆传输到地面的应变信号实时采集***;所述埋入式应变计内置温度传感器,对外界温度影响产生的变化进行温度修正;每个传感器内部有计算芯片,自动对测量数据进行换算而直接输出物理量,减少人工换算的失误和误差;所述压力盒采用振弦理论设计制造,采用全数字检测,利用脉冲激振方式激振;所述地面应变信号实时采集***由多通道振弦信号采集仪和计算机组成;振弦信号采集仪有多个信号通道用来接收应变信号;计算机用来保存和分析振弦信号采集仪采集的数据,采用计算机上安装的应变测试分析***配套软件对多通道信号采集仪进行控制,并对监测数据进行采集与保存,将保存的数据导入Excel表格,绘出应变-压力曲线图,即可分析判断充填柱体的稳定性。
上述的***中,所述压力盒根据不同要求选用相应的型号,配备多通道振弦信号采集仪测量结构体的静态和动力参数,如:应变值、压力值、自振频率、阻力系数、动力系数、振型等;可直接测出测点温度,并能进行温度补偿(温度型)。
进一步地,所述埋入式应变计,尺寸长150mm,中部直径为20mm,量程为3000με,测量精度为1με,使用环境温度:-20℃~﹢80℃,温度范围-20℃~+125℃,测温灵敏度为0.25℃。所述埋入式应变计根据张力弦原理制造,使用频率作为输出信号,抗干扰能力强,远距离输送产生的误差极小;全部元器件进行严格测试和老化筛选,尤其是高低温应力消除试验,增强弦的稳定性和可靠性;另有三防处理,保证在长期恶劣环境中高成活率的问题。
进一步地,所述压力盒的直径为20mm,厚度为8mm,量程为10MPa,精度为1kPa,可过载150%,使用环境温度:-20℃~﹢80℃,温度范围-20℃~+80℃,测温灵敏度为0.5℃。所述压力盒采用振弦理论设计制造,具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点,适于长期观测;并且其采用全数字检测,信号长距离传输不失真,抗干扰能力强;绝缘性能良好,防水耐用;可以方便的实现长电缆远距离的传输;采用脉冲激振方式激振,测试速度快;具有智能电子编号防止断线或人工标签损坏无法识别等优点。
进一步地,所述多通道振弦信号采集仪每个有20个信号通道,能同时采集20个振弦式应变信号,当监测信号大于20个时,设置多个采集仪串联。
进一步地,所述电缆为四芯屏蔽电缆线,电缆布线经过充填材料输送通道,将应变计和压力盒的数据传输至地面应变信号实时采集***,其传输距离最长可达3000m。
本发明提供了一种监测充填柱体稳定性的方法,采用上述监测充填柱体稳定性的***,包括以下步骤:
(1)安装:在充填模板搭设完毕后,在充填空间中部两条中心线上分别搭设上-下和左-右两组支架钢丝,支架钢丝固定在充填模板骨架上,需用力扯紧拉直,并将两端绑扎牢固;用尼龙绳将埋入式应变计由中心向外间隔20-50cm(即两个应变计的间距为20-50cm)均匀固定在上-下各两根支架钢丝上,要求应变计轴线处于竖直方向;用尼龙绳将压力盒由中心向外间隔10-50cm均匀固定在左-右两根支架钢丝上,要求压力盒表面处于水平方向;压力盒轴线和应变计轴线垂直相交于充填柱体的中心点上,相互错开10cm;电缆线沿支架钢丝引出;压力盒固定后在表面涂抹凡士林,防止材料凝结在压力盒表面,影响数据监测;
所述应变计和压力盒用尼龙绳固定在支架钢丝上,防止应变计和压力盒在充填材料浇注时发生移动和偏转;
(2)电缆线沿支架钢丝引出,是将电缆线绑扎在支架钢丝上,在充填模板上打孔引出,电缆线绑扎不宜过紧,要略微松弛;
(3)待充填体浇注24小时后,将支架钢丝从充填模板上拆下,充填模板可在充填材料凝固3天后拆除;
(4)将电缆线端插头***多通道信号采集仪“INP”插口,并将采集仪与电脑连接,打开电脑上安装的应变测试分析***软件,对原始数据调零后开始采集信号,并实时进行数据保存;
(5)将保存的数据导入Excel软件,并绘制应变-压力曲线,将应变-压力曲线与前期试验获得应力-应变-压力曲线对比,分析每个压力盒对应位置的充填体所处的阶段:当所有压力盒数据处于弹塑性阶段时,充填柱体稳定性良好;当部分压力盒数据进入破坏后阶段时,充填柱体局部破坏但整体保持稳定;当所有压力盒数据均处于破坏后阶段时,充填柱体整体失稳;
所述前期试验获得应力-应变-压力曲线的方法为:将压力盒埋入150mm*150mm*150mm充填体试件中,常温浇水养护28天,在电液伺服压力机上标定,得到充填体应力-应变-压力曲线,并对曲线进行分区,得到充填体弹性阶段、塑性阶段、破坏点、破坏后阶段对应的应变-压力特征。
上述监测方法中,根据压力盒的读数和位置判定,压力盒读数明显上升时,表明此处充填体进入塑性阶段,塑性区内的充填体保持稳定,充填柱体稳定性良好;压力盒读数为残余强度时,表明此处充填体进入破坏阶段,充填体外侧部分开始失去稳定;部分充填体进入破坏后阶段时,充填柱体整体仍然保持稳定,当破坏区范围扩展到整个充填柱体时,充填柱体整体破坏失稳;所述残余强度为充填柱体压力盒全程读数的最大值,残余强度表明充填柱体破坏失稳后仍具有一定的承载能力。
上述监测方法中,压力盒轴线和应变计轴线垂直相交于充填柱体的中心点上,相互错开10cm,是为了防止中心应变计和中心压力盒相互影响。
本发明提供的监测方法的原理为:当充填柱体处于弹性压缩阶段时,随着顶板下沉,充填体整体压缩,应变计读数不断增加,而压力盒读数基本为零,充填体处于弹性阶段表明充填柱体稳定性良好;当充填柱体进入塑性变形阶段时,随着顶板下沉,应变计读数继续增大,压力盒读数开始明显上升,充填体处于塑性阶段表明此处充填柱体保持稳定;当充填条带发生破坏时,应变计读数增大到峰值,压力盒读数也开始急剧增大,表明此处充填体发生破坏失去稳定;若顶板继续下沉,破坏部分顶板由破碎体支撑,应变计泄压失效,读数有所降低;充填条带整体压缩量继续增大,破坏处压力盒读数迅速增大到峰值;部分充填体处于破坏后阶段,但充填条带整体保持稳定;若顶板继续下沉,充填条带完全破坏,应变计全部泄压失效读数降低,位于条带外侧的压力盒读数减小,位于条带中部的压力盒读数达到峰值并保持,此时压力盒读数为充填体破碎后形成的松散体对顶板的支撑力,充填条带整体失稳。
本发明的有益效果:
本发明采用介入式测量手段,能真实反映充填柱体内部应力应变、塑性区发展情况及残余应力的大小;采用振弦式应变计和振弦式压力盒,安装方便、绝缘防爆性能好、抗干扰能力强、远距离传输不失真,适宜在井下恶劣环境中长期监测;配备地面应变信号采集***,可遥控监测和分析充填柱体稳定性;监测原理准确可靠、简单明了,便于工程人员自行判定。
附图说明
图1 墩柱状充填体内部应变计和压力盒分布图。
图2 图1中沿A-A线的剖视图。
图3 图1中沿B-B线的剖视图。
图4 地面应变信息采集***的示意图。
图5应变计固定状态示意图。
图6压力盒固定状态示意图。
图7 圆柱形充填体应变计和压力盒分布图。
图8 应力-应变-压力数据分析曲线图(单位为MPa)。
其中:1.应变计 2.压力盒 3.支架钢丝 4.模板 5.电缆 6.多通道振弦信号采集仪 7.计算机 8.尼龙绳 9.充填体抗压强度曲线 10.压力盒数据曲线 11.抗压强度峰值(破坏点) 12.残余强度 13. 信号通道“INP”插口 ①弹性阶段 ②塑性阶段 ③破坏后阶段。
具体实施方式
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。
实施例:
如图1~7所示,一种监测充填柱体稳定性的***,包括埋入式应变计1和压力盒2;在充填柱体内预埋一排应变计1和一排压力盒2,应变计1和压力盒2在充填柱体内垂直交叉设置,埋入式应变计1和压力盒2分别通过支架钢丝3固定;在地面配备地面应变信号实时采集***,埋入式应变计1和压力盒2的端部连接电缆5,数据通过电缆5传输到地面的应变信号实时采集***;所述埋入式应变计1内置温度传感器,对外界温度影响产生的变化进行温度修正;每个传感器内部有计算芯片,自动对测量数据进行换算而直接输出物理量,减少人工换算的失误和误差;所述压力盒2采用振弦理论设计制造,采用全数字检测,利用脉冲激振方式激振;所述地面应变信号实时采集***由多通道振弦信号采集仪6和计算机7组成;多通道振弦信号采集仪6有多个信号通道用来接收应变信号;计算机7用来保存和分析振弦信号采集仪采集的数据,采用计算机7上安装的应变测试分析***配套软件对多通道信号采集仪进行控制,并对监测数据进行采集与保存,将保存的数据导入Excel表格,绘出应变-压力曲线图,即可分析判断充填柱体的稳定性。
上述的***中,所述压力盒5根据不同要求选用相应的型号,配备多通道振弦信号采集仪测量结构体的静态和动力参数,如:应变值、压力值、自振频率、阻力系数、动力系数、振型等;可直接测出测点温度,并能进行温度补偿(温度型)。
进一步地,所述埋入式应变计1,尺寸长150mm,中部直径为20mm,量程为3000με,测量精度为1με,使用环境温度:-20℃~﹢80℃,温度范围-20℃~+125℃,测温灵敏度为0.25℃。所述埋入式应变计根据张力弦原理制造,使用频率作为输出信号,抗干扰能力强,远距离输送产生的误差极小;全部元器件进行严格测试和老化筛选,尤其是高低温应力消除试验,增强弦的稳定性和可靠性;另有三防处理,保证在长期恶劣环境中高成活率的问题。
进一步地,所述压力盒的直径为20mm,厚度为8mm,量程为10MPa,精度为1kPa,可过载150%,使用环境温度:-20℃~﹢80℃,温度范围-20℃~+80℃,测温灵敏度为0.5℃。所述压力盒采用振弦理论设计制造,具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点,适于长期观测;并且其采用全数字检测,信号长距离传输不失真,抗干扰能力强;绝缘性能良好,防水耐用;可以方便的实现长电缆远距离的传输;采用脉冲激振方式激振,测试速度快;具有智能电子编号防止断线或人工标签损坏无法识别等优点。
进一步地,每个多通道振弦信号采集仪6有20个信号通道,能同时采集20个振弦式应变信号,当监测信号大于20个时,设置多个采集仪串联。
进一步地,所述电缆5为四芯屏蔽电缆线,电缆布线经过充填材料输送通道,将应变计和压力盒的数据传输至地面应变信号实时采集***,其传输距离最长可达3000m。
下面通过具体的实施过程说明采用上述装置的监测方法,包括以下步骤:
1、对压力盒2进行试验室标定,得到充填体应力-应变-压力曲线(图8);所述前期试验获得应力-应变-压力曲线的方法为:将压力盒埋入150mm*150mm*150mm充填体试件中,浇水养护28天,在电液伺服压力机上标定,得到充填体应力-应变-压力曲线,并对曲线进行分区,得到充填体弹性阶段、塑性阶段、破坏点、破坏后阶段对应的应变-压力特征。
2、工作面推进后,搭设充填模板4;
3、在模板4中部两条中心线上固定上下和左右两组支架钢丝3,支架钢丝3固定在充填模板4骨架上,用力将钢丝3扯紧拉直,并将两端绑扎牢固;
4、用尼龙绳8将埋入式应变计1由中心向外间隔20-50cm均匀固定在上下两根支架钢丝3上,要求应变计1轴线处于竖直方向,电缆5固定在支架钢丝3上并延伸到模板4外,电缆5绑扎不宜过紧,要略微松弛,对应变计进行编号;
5、用尼龙绳8将压力盒2由中心向外间隔10-50cm均匀固定在左右两根支架钢丝3上,要求压力盒2表面处于水平方向,电缆5固定在支架钢丝3上并延伸到模板4外,电缆5绑扎不宜过紧,要略微松弛,对压力盒2进行编号;
6、向模板4内浇注充填材料,待充填材料凝固后拆除充填模板4;
7、将光缆5与地面数据采集***连接好,实时进行数据采集;
8、根据采集的数据分析判断充填柱体的稳定性:处于阶段①,说明材料处于弹性阶段,充填条带稳定性良好;处于阶段②,说明充填体进入塑性阶段,条带基本稳定;当处于阶段③,说明充填体已经破坏;根据处于阶段②的压力盒的位置,判断充填体的塑性区范围;根据处于阶段③的压力盒的位置,判断充填体的破坏区的范围。见图8所示。
Claims (9)
1.一种监测充填柱体稳定性的***,其特征在于:包括埋入式应变计和压力盒;在充填柱体内预埋一排应变计和一排压力盒,应变计和压力盒在充填柱体内垂直交叉设置,埋入式应变计和压力盒分别通过支架钢丝固定;在地面配备地面应变信号实时采集***,埋入式应变计和压力盒的端部连接电缆,数据通过电缆传输到地面的应变信号实时采集***;
所述埋入式应变计内置温度传感器,对外界温度影响产生的变化进行温度修正;每个传感器内部有计算芯片,自动对测量数据进行换算而直接输出物理量,减少人工换算的失误和误差;
所述压力盒采用振弦理论设计制造,采用全数字检测,利用脉冲激振方式激振;
所述地面应变信号实时采集***由多通道振弦信号采集仪和计算机组成;振弦信号采集仪有多个信号通道用来接收应变信号;计算机用来保存和分析振弦信号采集仪采集的数据,采用计算机上安装的应变测试分析***配套软件对多通道信号采集仪进行控制,并对监测数据进行采集与保存,将保存的数据导入Excel表格,绘出应变-压力曲线图,即可分析判断充填柱体的稳定性。
2.根据权利要求1所述的监测充填柱体稳定性的***,其特征在于:所述压力盒根据不同要求选用相应的型号,配备多通道振弦信号采集仪测量结构体的静态和动力参数。
3.根据权利要求1所述的监测充填柱体稳定性的***,其特征在于:所述埋入式应变计的尺寸长150mm,中部直径为22mm;量程为3000με,测量精度为1με,使用环境温度:-20℃~﹢80℃,温度范围-20℃~+125℃,测温灵敏度为0.25℃。
4.根据权利要求1所述的监测充填柱体稳定性的***,其特征在于:所述压力盒的直径为20mm,厚度为8mm,量程为10MPa,精度为1kPa,能过载150%,使用环境温度:-20℃~﹢80℃,温度范围-20℃~+80℃,测温灵敏度为0.5℃。
5.根据权利要求1所述的监测充填柱体稳定性的***,其特征在于:所述多通道振弦信号采集仪每个有20个信号通道,能同时采集20个振弦式应变信号,当监测信号大于20个时,设置多个采集仪串联。
6.根据权利要求1所述的监测充填柱体稳定性的***,其特征在于:所述电缆为四芯屏蔽电缆线,电缆布线经过充填材料输送通道,将应变计和压力盒的数据传输至地面应变信号实时采集***,其传输距离能达到3000m。
7.一种监测充填柱体稳定性的方法,采用权利要求1~6任一项所述的监测充填柱体稳定性的***,其特征在于:
(1)安装:在充填模板搭设完毕后,在充填空间中部两条中心线上分别搭设上-下和左-右两组支架钢丝,支架钢丝固定在充填模板骨架上,需用力扯紧拉直,并将两端绑扎牢固;用尼龙绳将埋入式应变计由中心向外间隔20-50cm均匀固定在上-下各两根支架钢丝上,要求应变计轴线处于竖直方向;用尼龙绳将压力盒由中心向外间隔10-50cm均匀固定在左-右两根支架钢丝上,要求压力盒表面处于水平方向;压力盒轴线和应变计轴线垂直相交于充填柱体的中心点上,相互错开10cm;电缆线沿支架钢丝引出;压力盒固定后在表面涂抹凡士林;
(2)将电缆线绑扎在支架钢丝上,在充填模板上打孔引出,电缆线绑扎不宜过紧;
(3)待充填柱体浇注24小时后,将支架钢丝从充填模板上拆下,充填模板在充填材料凝固3天后拆除;
(4)将电缆线端插头***应变信号实时采集***的多通道信号采集仪“INP”插口,并将信号采集仪与电脑连接,打开电脑上安装的应变测试分析***软件,对原始数据调零后开始采集信号,并实时进行数据保存;
(5)将保存的数据导入Excel软件,并绘制应变-压力曲线,将应变-压力曲线与前期试验获得的应力-应变-压力曲线对比,分析每个压力盒对应位置的充填体所处的阶段:当所有压力盒数据处于弹塑性阶段时,充填柱体稳定性良好;当部分压力盒数据进入破坏后阶段时,充填柱体局部破坏但整体保持稳定;当所有压力盒数据均处于破坏后阶段时,充填柱体整体失稳;
所述前期试验获得应力-应变-压力曲线的方法为:将压力盒浇注在150mm*150mm*150mm充填体试件中,常温湿养护28天,在电液伺服压力机上加压标定,得到充填体应力-应变-压力曲线,并对曲线进行分区,得到充填体弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段、破坏后阶段对应的应变-压力特征。
8.根据权利要求7所述的监测充填柱体稳定性的方法,其特征在于:根据压力盒的读数和位置判定,压力盒读数明显上升时,表明此处充填体进入塑性阶段,塑性区内的充填体保持稳定,充填柱体稳定性良好;压力盒读数为残余强度时,表明此处充填体进入破坏阶段,充填体外侧部分开始失去稳定;部分充填体进入破坏后阶段时,充填柱体整体仍然保持稳定,当破坏区范围扩展到整个充填柱体时,充填柱体整体破坏失稳;所述残余强度为充填柱体压力盒全程读数的最大值,残余强度表明充填柱体破坏失稳后仍具有一定的承载能力。
9.根据权利要求7所述的监测充填柱体稳定性的方法,其特征在于:所述压力盒轴线和应变计轴线垂直相交于充填柱体的中心点上,相互错开10cm。
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CN106524959A (zh) | 2017-03-22 |
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Legal Events
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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