覆岩采动裂隙自修复情况自动化监测装置及方法与流程

1.本发明涉及采矿与地质灾害监测技术领域，特别地涉及一种覆岩采动裂隙自修复情况自动化监测装置及方法。


背景技术：

2.在我国西部的鄂尔多斯、榆林等煤矿普遍具有浅埋深、大采高、薄基岩、大规模高强度开采等特征，煤层开采会引起上覆基岩拉剪破坏，促进裂隙场发育形成垮落带和裂隙带。与此同时，裂隙场发育诱发的地表裂缝，严重威胁着地表脆弱的生态环境，并可能对人们的人身和财产安全造成损害。覆岩采动裂隙一般难以通过人工手段进行修复，但会随时间缓慢完成自修复过程。
3.当前国内外缺乏对上覆岩层运移及裂隙发育规律动态过程的深入研究，但对覆岩采动裂隙的静态监测方法有很多，主要是工程探测方面的，包括使用钻孔、探地雷达、超声成像、高密度电阻率法等，这些方法都有一定的缺陷，难以真实反映高强度开采条件下覆岩采动裂隙的变化规律，主要在于：
4.1、钻孔等直接测量法会破坏原有覆岩，且不能进行连续观测；
5.2、探地雷达、超声成像、高密度电阻率法等方法虽然可以通过非接触测量进行连续观测，但是操作复杂且数据处理困难；
6.3、上述方法都存在人工、设备成本高昂的问题，且只适用于局部观测。
7.另外，也有使用氡气探测覆岩裂隙动态变化的方法，但是该方法需要人工操作，过程比较复杂，人工成本高昂，且会使结果中加入人为误差。


技术实现要素：

8.本发明提供一种覆岩采动裂隙自修复情况自动化监测装置，用于至少解决上述一个技术问题。
9.根据本发明的第一个方面，本发明提供一种覆岩采动裂隙自修复情况自动化监测方法，包括以下步骤：
10.s1：确定探测区域，在探测区域上选取至少两个氡气测点，将至少两个取气器分别埋设于对应的氡气测点处；
11.s2：将所有取气器分别与电动气泵上相应的进气口密封连接，将电动气泵的出气口与测氡仪的采气口密封连接；
12.s3：在测氡仪上设置每个氡气测点处的测量时间，并设置电动气泵的启动时间，使电动气泵与测氡仪同时开始运行并且使相应的一个进气口打开；
13.s4：根据设定的测量时间按照顺序依次对每个氡气测点处的氡气浓度进行测量，以完成对每个氡气测点的一个测量周期的测量；
14.s5：重复步骤s4，按照相同的顺序依次对每个氡气测点处进行下一个测量周期的测量，直至达到设定时间，以得到所有氡气测点处的氡气浓度的动态变化过程。
15.优选地，在探测区域的开切眼位置和/或沉陷区中部选取氡气测试点。
16.优选地，测氡仪每次对一个氡气测点处的氡气浓度进行测量，每次测量完成后间隔预定时间后再对下一个氡气测点处的氡气浓度进行测量。
17.进一步优选地，所述预定时间等于或大于1h。
18.优选地，步骤s5中，当氡气浓度上升超过10％时，则覆岩已经产生裂隙；当氡气浓度回落至初始浓度时，则覆岩裂隙已经闭合。
19.优选地，步骤s1中，在开切眼前方，垂直于开采方向每排设置至少两个取气器，且至少设置两排取气器；在开切眼后方，垂直于开采方向每排设置至少两个取气器，至少设置两排取气器。
20.进一步优选地，在平行于开采方向和垂直于开采方向上，所述取气器之间的间距均至少为30m。
21.根据本发明的第二个方面，本发明提供一种覆岩采动裂隙自修复情况自动化监测装置，用于实现上述监测方法，包括测氡仪、电动气泵和多个取气器，所述电动气泵上设有一个出气口和多个可启闭的进气口，所述出气口与所述测氡仪的采气口密封连通，每个所述进气口分别与相应的取气器密封相连，所述取气器分别埋设在探测区域上布置有的多个氡气测点处。
22.优选地，还包括无线数据传输装置，所述无线数据传输装置分别与所述测氡仪和所述电动气泵连接，所述测氡仪和所述电动气泵分别通过所述无线数据传输装置与处理终端通讯连接。
23.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的监测装置与方法可对采动工程中的覆岩采动裂隙的动态发育及其自修复过程进行自动监测和数据采集，一台测氡仪可通过多个取气器分别对不同的氡气测点处的氡气浓度进行测量，监测面积大，并减少了设备投入，操作简单，降低了人工成本。同时，可灵活地对测量周期、测量时间等进行设置，通过设置不同的测量周期和测量时间，可实现对不同周期的覆岩采动裂隙的动态变化监测，以帮助实现对覆岩采动裂隙发育客观规律的认识，以及揭示采动覆岩裂隙自修复机理。
附图说明
24.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
25.图1是本发明的监测装置的结构示意图；
26.图2是本发明的监测装置的布设示意图；
27.图3是本发明的监测方法的流程示意图。
28.附图标记：
29.1-测氡仪；2-第一连接气管；3-电动气泵；4-取气器；5-无线数据传输装置；6-蓄电池；7-第二连接气管；8-开切眼；
30.图2中箭头指示开采方向。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
32.如图1所示，本发明提供一种覆岩采动裂隙自修复情况自动化监测装置。本发明的
监测装置包括测氡仪1、电动气泵3和多个取气器4，所述电动气泵3上设有一个出气口和多个可启闭的进气口，所述出气口与所述测氡仪1的采气口密封连通，每个所述进气口分别与相应的取气器4密封相连，所述取气器4分别埋设在探测区域上布置有的多个氡气测点处。
33.其中，测氡仪1内部设有微型泵和半导体探测器，测氡仪1利用其自带的微型泵进行采样，其半导体探测器结合静电收集氡衰变子体raa作为测量对象，直接测得氡气浓度。
34.具体地，电动气泵3为密封的旋涡气泵，其仅有出气口和进气口与外部连通，电动气泵3具有多个进气口，每个进气口处可设置一个控制阀，通过遥控或预先设置来控制控制阀的开闭，可实现对每个进气口的开闭状态的控制，电动气泵3的出气口可通过第一连接气管2与测氡仪1的微型泵的采气口密封连接。
35.进一步地，第一连接气管2采用高强度的pu管，其管径与电动气泵3的出气口和微型泵的采气口的管径一致，以保证连接的密封性。
36.优选地，取气器4为底部开口容器，其顶部开设有预留孔，用于与电动气泵3的进气口密封连通，该预留孔与可通过第二连接气管7与电动气泵3的进气口密封连通。
37.具体的，取气器4可采用无底圆柱形不锈钢容器，方便氡气的累积，便于埋设，耐腐蚀，并且也能减少氡气吸附在容器的器体上。
38.进一步地，第二连接气管7采用高强度的pu管，其管径与取气器4的预留孔的管径一致，以保证连接的密封性。
39.此外，第一连接气管2和第二连接气管7与其它装置的接口部分可使用气密胶进行防漏气处理。
40.优选地，本发明的监测装置还包括无线数据传输装置5，所述无线数据传输装置5分别与所述测氡仪1和所述电动气泵3相连，即可将测量数据发送至处理终端，同时也可通过处理终端对测氡仪1和电动气泵3进行遥控。其中，处理终端可以是pc端或移动端。
41.优选地，本发明的监测装还包括蓄电池6，蓄电池6与测氡仪1、电动气泵3和无线数据传输装置5相连，给上述三个装置供电。另外，如果探测区域有电源，也可将上述三个装置直接与电源相连。
42.本发明还提供一种覆岩采动裂隙自修复情况自动化监测方法，如图3中所示，使用上述的监测装置，包括以下步骤：
43.s1：确定探测区域，在探测区域上选取至少两个氡气测点，将至少两个取气器4分别埋设于对应的氡气测点处；
44.s2：将所有取气器4分别与电动气泵3上相应的进气口密封连接，将电动气泵3的出气口与测氡仪1的采气口密封连接；
45.s3：在测氡仪1上设置每个氡气测点处的测量时间，并设置电动气泵3的启动时间，使电动气泵3与测氡仪1同时开始运行并且使相应的一个进气口打开；
46.s4：根据设定的测量时间按照顺序依次对每个氡气测点处的氡气浓度进行测量，以完成对每个氡气测点处的一个测量周期的测量；
47.s5：重复步骤s4，按照相同的顺序依次对每个氡气测点处进行下一个测量周期的测量，直至达到设定时间，以得到所有氡气测点处的氡气浓度的动态变化过程。
48.优选地，步骤s4中，测氡仪1每次对一个氡气测点处的氡气浓度进行测量，每次测量完成后间隔预定时间后再对下一个氡气测点处的氡气浓度进行测量。
49.其中，取气器4的埋设深度为30cm至40cm；每个氡气测点处的测量时间大于等于10min；测量周期大于或等于4h，以具备足够的时间积累氡气；测量间隔时间(即预定时间)为大于或等于1h，以消除重复测量的影响。
50.需要说明的是，步骤s4中的测量周期为：(测量时间 测量间隔时间)
×
一台测氡仪对应的氡气测点的数量。步骤s5中的设定时间为：测量周期
×
测量周期数。
51.此外，探测区域的确定可依据开采沉陷学中对采动范围的经验判断。为能针对性监测开采沉陷区的覆岩裂隙自修复情况，在选择探测区域时，重点应在开切眼8位置和沉陷部中区。
52.如图2中所示的一个实施例中，具体步骤如下：
53.第一步：工作面宽度为150m，探测区域选取在开切眼8位置处和沉陷区中部。则在该工作面上，从开切眼8前方30m处开始，垂直于开采方向每排布设8个取气器4，布设4排，每排每列的间隔均为30m；在另一探测区域，从开切眼8后方200m处开始，垂直于开采方向每排布设8个取气器4，布设4排，每排每列的间隔均为30m；
54.第二步：将上述所有取气器4分为四个部分，每部分的16个取气器4与一个电动气泵3和一台测氡仪1相连，连接后均做气密处理，同时将测氡仪1、电动气泵3、无线传输数据装置和蓄电池6相互连接；
55.第三步：在测氡仪1上设置测量时间为0.5h，设置电动气泵3的启动时间与测氡仪1开始测量的时间一致，并且电动气泵3上对应的一个进气口打开；
56.第四步，每个部分中，测氡仪1根据设定的测量时间对第一个氡气测点处的氡气浓度进行测量，每次测量一个氡气测点处的氡气浓度，之后隔1h再测下一个氡气测点处的氡气浓度，以消除重复测量的影响，测量周期设置为24h，每天将该部分的所有取气器4处的氡气浓度测量一遍，以完成一个测量周期的测量；
57.第五步：重复第四步，以继续下一个测量周期的测量，直至到达设定时间，其中氡气测点的顺序不变，以确保每个氡气测点的测量周期均为24h，从而得到所有氡气测点处的氡气浓度的动态变化过程。
58.这样，根据得到的氡气浓度的动态变化过程，就能得出采空区的开切眼8位置即中部覆岩采动裂隙的动态发育及其自修复过程。当氡气浓度上升的幅度超过10％时，则认为覆岩已经产生裂隙，当氡气浓度回落至初始浓度时则认为覆岩裂隙已经闭合。
59.需要说明的是，也可以在氡气浓度上升的幅度为11％、12％、13％、14％或者15％时，认为覆岩已经产生裂隙。
60.综上所述，本发明的监测装置与方法可对采动工程中的覆岩采动裂隙的动态发育及其自修复过程进行自动监测和数据采集，一台测氡仪1可通过多个取气器4分别对不同的氡气测点处的氡气浓度进行测量，监测面积大，并减少了设备投入，操作简单，降低了人工成本。同时，可灵活地对测量周期、测量时间等进行设置，通过设置不同的测量周期和测量时间，可实现对不同周期的覆岩采动裂隙的动态变化监测，以帮助实现对覆岩采动裂隙发育客观规律的认识，以及揭示采动覆岩裂隙自修复机理。
61.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。