一种三维相似模拟可视示踪气体监测系统及监测方法与流程

1.本发明涉及地下工程相似模拟以及煤炭开采领域，特别涉及一种三维相似模拟可视示踪气体监测系统及监测方法。


背景技术：

2.水资源保护与利用已成为当下社会的热点话题，特别是西部干旱半干旱地区煤炭开采对水资源的破坏已成为国家发展的战略问题。因煤炭开采造成的水资源损失量相当于工业和民用缺水量(100亿t)的60％，这给煤炭行业提出了巨大挑战。
3.目前，针对煤炭地下开采的对水资源影响研究方法主要有理论分析、数值模拟、相似模拟等，其中相似模拟是将矿区实际地质条件按一定比例进行缩小，在一定程度上可研究煤炭开采过程中覆岩移动、裂隙发育等相关数据，经过多年发展已成为岩土工程、采矿工程等多学科的主要研究手段，相似模拟试验平台也逐渐由二维逐渐向三维过度，更能反映工程实际条件相关物理现象的变化规律。然而，现有的与采矿相关三维相似模拟台架监测方法多以预埋应变片、应力盒等，这些方法需要将相应的导线等引出模型以外，这造成了模型内部出现人为的“弱面”，引起部分监测数据失真。
4.近年来，随着能源战略西移，社会对煤炭开采造成的水资源的影响关注程度越来越高，学界将采动裂隙发育高度作为一项重要指标来衡量含水层或隔水层损伤程度，因此研发了多种监测手段用来监测裂隙发育程度，因三维模型尺寸较二维模型大等原因，内部裂隙发育等相关信息难以监测和反映，因此，需要一种能反映模型内部裂隙发育状态和高度的手段，且能最大程度的保证模型不受人为因素的干扰。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于一种三维相似模拟可视示踪气体监测系统及监测方法，其能够避免以往预埋检测设备对模型数据可靠的影响，监测结果更加精确。
6.为达上述目的，本发明提供一种三维相似模拟可视示踪气体监测系统，其包括：
7.三维相似模拟实验台架，其内用于容置铺设体，且所述三维相似模拟实验台架的底部设置有多个注气孔，所述三维相似模拟实验台架的顶部设置有多个出气口；所述铺设体，其包括由下至上依次铺设的煤层及上覆岩层，所述铺设体内沿竖直方向设置有多个导气管，每个导气管均分别与对应的一个出气口连接，所述导气管的长度不等；
8.软管，其一端与气瓶连接，另一端与所述多个注气孔连接；
9.染色囊，其设置于所述软管上。
10.在优选实施例中，所述多个出气口以矩阵式排列于所述三维相似模拟实验台架的顶部。
11.在优选实施例中，所述多个注气孔以矩阵式排列于所述三维相似模拟实验台架的底部。
12.在优选实施例中，所述软管与所述多个注气孔通过串联或并联进行连接。
13.在优选实施例中，所述染色囊内部具有蜂窝结构且含有染色试剂。
14.在优选实施例中，所述注气孔所占的范围小于所述铺设体的底部范围。
15.在优选实施例中，所述气瓶内的气体密度小于空气密度。
16.本发明还提供一种三维相似模拟可视示踪气体监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
17.(1)在三维相似模拟实验台架内对铺设体进行铺设的过程中，将导气管布置在铺设体中，并将各导气管的长度及位置进行记录；
18.(2)对铺设体中的煤层进行开挖时，引起上覆岩层移动，形成裂隙带；
19.(3)向铺设体内注入有色气体；
20.(4)当出气口排出有色气体时，确认出气口所对应的导气管的深度及范围，表明采动裂隙已发育至该导气管底端所在岩层中。。
21.在优选实施例中，在步骤(2)中，在出气口处标注所对应的导气管的布设深度。
22.在优选实施例中，在步骤(4)中，每开挖10米通过气瓶向铺设体注入气体，每次注入气体持续2～3分钟。
23.本发明的有益效果在于：本发明可根据不同位置出气口导出的有色气体判断裂隙发育高度，避免了以往预埋检测设备对模型数据可靠的影响。本发明实现了三维模型无损动态监测，操作简单，材料购买和装配成熟，无毒无害，适用性强。
附图说明
24.图1为根据本发明的三维相似模拟可视示踪气体监测系统的结构示意图；
25.图2为三维模型底部示意图。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
27.如图1和图2所示，本发明提供一种三维相似模拟可视示踪气体监测系统，其主要包括：铺设体1、注气孔2、导气管3、出气口4、压力表5、气瓶6、气瓶阀门7、染色囊8以及软管9等。
28.所述铺设体1的制作过程为：在三维相似模拟实验台架内模拟待监测地区的地层情况，由下至上依次铺设煤层及上覆岩层，形成铺设体1。
29.所述三维相似模拟实验台架的顶部设置有可按矩阵式排列的多个出气口4，且在铺设过程中，分别对应各自的出气口4的多个导气管3沿竖直方向布置在铺设体1内部，且各个导气管3的长度不等，因此各个导气管底部所对应地层的高度不同。需要说明的是，导气管3的尺寸不宜过大，以避免对铺设体1内模拟地层的效果产生影响。
30.所述三维相似模拟实验台架的底部设置有多个注气孔2，所述注气孔2可以按矩阵式排列。所述注气孔2通过软管9与气瓶6连接，所述气瓶6上安装有气瓶阀门7，用于控制气体的排出。此外，所述软管9上设置有压力表5，用于实时读取软管9内气体的。所述气瓶6内装有氮气或二氧化碳等高压气体，在气瓶阀门7的控制下经软管9导入铺设体1中。优选地，气瓶6内的气体密度小于空气的密度，可保证气体沿采动裂隙向上部运移。
31.所述软管9上设置有染色囊8，用于对气瓶6提供的气体进行染色，便于观察。所述
染色囊8内部具有蜂窝结构，内有染色(红色、蓝色等)试剂，能随气体进入软管9，且不会附着在软管9之内。
32.优选地，所述注气孔2所占的范围应小于铺设体1的底部范围，这可以确保通过注气孔2进入铺设体1的气体在铺设体1的内部移动，而不会从铺设体1的边界逸出。
33.再优选地，所述软管9可与多个注气孔2串联连接(如图2所示)，具体地，所述软管9上根据依次连接的相邻注气孔2之间的间距而设置多个接口，以便软管9通过接口分别与注气孔2进行串联，采用串联方式能够节约软管材料，并且便于连接。备选地，所述软管9还可以通过并联方式与多个注气孔2连接，例如软管9设置有多个分支(图中未示出)，其每个分支分别与一个注气孔2连接，软管9采用并联方式与注气孔2连接，可以确保各个注气孔2的进气压力相同，而不会像串联方式中最后一个与软管9连接的注气孔2所注入的空气压力可能有所衰减。在将软管9与注气孔2连接的过程中保证连接处密封性，在注气过程中不漏气。
34.本发明的工作原理是：首先，在对铺设体1进行铺设的过程中，将长度不等的导气管3以矩阵式布置在铺设体1中，并将各导气管3的长度(即深入铺设体的深度)进行记录；其次，当移除(开挖)铺设体1中的煤层时，引起上覆岩层移动，形成裂隙带，随着工作面的不断推进，裂隙带不断向上部岩层扩展，在开采过程中，通过气瓶6内气体周期性地向铺设体1的注气孔2注入有色气体；然后，气体随着采动裂隙向岩层上方扩散，当扩散至导气管3时，气体会沿着导气管和出气口4排出铺设体1，根据不同位置的出气口排出有色气体情况，反推与之相连接导管埋设深度来判断裂隙发育高度以及范围，表明该导气管底端处于裂隙发育的岩层中。考虑到岩层包括含水层，如果深入岩层的导气管3进入了有色气体，则代表对煤层的开挖可能已经影响到了含水层，对含水层造成了污染，则应避免开挖该地区的煤层或者对开挖的深度应予以调整。
35.在注气过程中气体压力不宜过大，防止气压对铺设体1破坏产生影响，通过压力表5实时观测排气压力，并通过气瓶阀门7进行控制，对于染色囊8的要求则是颜色要有明显的辨识度和随气体易流动等，并保证无毒无害，染色囊内部采用蜂窝状设计，保证气体与染色剂充分接触，进而保障排进铺设体内部的气体被充分染色。
36.本发明还提供了一种三维相似模拟可视示踪气体监测方法，其主要包括以下步骤：
37.(1)制作铺设体1
38.在三维相似模拟实验台架内模拟待监测地区的地层情况，由下至上依次铺设煤层以及上覆岩层，形成铺设体1；
39.(2)埋入导气管3
40.在对铺设体1进行铺设的过程中，将长度不等的导气管3以矩阵式布置在铺设体1中，且导气管3一一对应三维相似模拟实验台架顶部的出气口，并将各导气管3的长度(即深入铺设体的深度)及位置进行记录；优选地，可在出气口4处标注导气管3在铺设体1的布设深度；
41.(3)移除煤层
42.当移除(开挖)铺设体1中的煤层时，引起上覆岩层移动，形成裂隙带，随着工作面的不断推进，裂隙带不断向上部岩层扩展；
43.(4)向铺设体内注入有色气体
44.在开挖过程中，通过气瓶6内气体周期性地向铺设体1的注气孔2注入有色气体；顶板初次来压后，每开挖10米进行一次排气试验，具体为：打开气瓶阀门7，同时观测压力表5读数，将气体压力控制在一定范围(保证气体传输即可)，每次注入气体持续2～3分钟；
45.(5)判断裂隙发育高度和范围
46.气体随着采动裂隙向岩层上方扩散，当扩散至导气管3时，气体会沿着导气管和出气口4排出铺设体1，根据不同位置的出气口排出有色气体情况，反推与之相连接导管埋设深度来判断裂隙发育高度以及范围，表明该导气管底端处于裂隙发育的岩层中。考虑到岩层包括含水层，如果深入岩层的导气管3进入了有色气体，则代表对煤层的开挖可能已经影响到了含水层，对含水层造成了污染，则应避免开挖该地区的煤层或者对开挖的深度应予以调整。
47.综上所述，本发明的有益效果在于：本发明可根据不同位置出气口导出的有色气体判断裂隙发育高度，避免了以往预埋检测设备对模型数据可靠的影响。本发明实现了三维模型无损动态监测，操作简单，材料购买和装配成熟，无毒无害，适用性强。
48.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。