本發(fā)明涉及一種監(jiān)測沿空留巷充填體回采期間穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法，屬于采礦領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

沿空留巷，即通過構(gòu)筑一條人工充填帶將上區(qū)段運(yùn)輸平巷保留下來，作為上區(qū)段回風(fēng)尾巷和下區(qū)段回風(fēng)平巷予以復(fù)用。沿空留巷具有資源回收率高、采掘銜接合理、巷道掘進(jìn)率低等優(yōu)點(diǎn)，并且有利于巷道布置改革，多年來一直是國內(nèi)外地下資源開采的重要技術(shù)發(fā)展方向。由于要經(jīng)受上下2區(qū)段工作面2次強(qiáng)烈的采動影響，因而沿空留巷圍巖活動劇烈，維護(hù)難度較大，充填體的承載能力和穩(wěn)定性是保持巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。沿空留巷巷旁充填帶的主要作用：一是控制直接頂?shù)碾x層和及時切斷采空側(cè)的直接頂和下位基本頂，以減少巷內(nèi)支護(hù)所受的載荷和巷道圍巖的變形；二是及時封閉采空區(qū)，防止漏風(fēng)和浮煤自然發(fā)火。

沿空留巷充填體在2次回采期間的穩(wěn)定性監(jiān)測包括充填體變形量、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)測時干擾因素多，目前仍沒有有效的方法用來監(jiān)測沿空留巷充填體2次回采期間的穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種監(jiān)測沿空留巷充填體回采期間穩(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)測沿空留巷充填體回采期間穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法，在沿空留巷充填體內(nèi)預(yù)埋一排埋入式應(yīng)變計和一排壓力盒，數(shù)據(jù)通過長電纜傳輸?shù)奖銛y式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)，對沿空留巷充填體穩(wěn)定性進(jìn)行長期監(jiān)測。埋入式應(yīng)變計用于實(shí)時監(jiān)測沿空留巷充填體的內(nèi)部變形，壓力盒用于實(shí)時監(jiān)測沿空留巷充填體內(nèi)部塑性區(qū)（破壞區(qū)）的范圍及沿空留巷充填體殘余強(qiáng)度，兩者結(jié)合對沿空留巷充填體的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測；便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定期采集與記錄，而后通過計算機(jī)對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與分析。

所述沿空留巷充填體為長方體結(jié)構(gòu)，長度為工作面長度，寬度根據(jù)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(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)測沿空留巷充填體回采期間穩(wěn)定性的系統(tǒng)，包括埋入式應(yīng)變計、壓力盒和便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)；在沿空留巷充填體內(nèi)預(yù)埋一排埋入式應(yīng)變計和一排壓力盒，埋入式應(yīng)變計和壓力盒平行設(shè)置；埋入式應(yīng)變計和壓力盒分別通過支架鋼絲固定；埋入式應(yīng)變計和壓力盒的端部連接電纜，通過電纜連接便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)；

所述埋入式應(yīng)變計內(nèi)置溫度傳感器，對外界溫度影響產(chǎn)生的變化進(jìn)行溫度修正；每個傳感器內(nèi)部有計算芯片，自動對測量數(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)計制造，采用全數(shù)字檢測，利用脈沖激振方式激振；

所述便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)為防爆型智能讀數(shù)儀；能直接顯示壓力值和振弦頻率，數(shù)據(jù)通過電纜線端插頭連接防爆型智能讀數(shù)儀“INP”插口；防爆型智能讀數(shù)儀設(shè)有“RS232”計算機(jī)連接端口，與計算機(jī)連接導(dǎo)出數(shù)據(jù)并保存，將保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格，繪出應(yīng)變-壓力曲線圖，即可進(jìn)行分析，判斷沿空留巷充填體的穩(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，配備便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)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(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，尺寸長150mm，中部直徑為22mm，量程為3000με，測量精度為1με，使用環(huán)境溫度：-20℃～﹢80℃，溫度范圍-20℃～+125℃，測溫靈敏度為0.25℃。

進(jìn)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(huán)境溫度：-20℃～﹢80℃，溫度范圍-20℃～+80℃，測溫靈敏度為0.5℃。

進(jìn)一步地，所述防爆型智能讀數(shù)儀上有防護(hù)蓋，具有防塵防爆防水的功能，有計算機(jī)接口，可以計算機(jī)連接并導(dǎo)出數(shù)據(jù)；并有操作按鍵和數(shù)據(jù)顯示屏，可直接操作并讀取數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述防爆型智能讀數(shù)儀有6個信號通道，可以同時對6個鋼弦傳感器進(jìn)行測量，存儲8000個應(yīng)變數(shù)據(jù)。防爆型智能讀數(shù)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(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述電纜為四芯屏蔽電纜線，應(yīng)變計和壓力盒通過電纜線直接連接便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)，將應(yīng)變計和壓力盒的數(shù)據(jù)傳輸至便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)，進(jìn)行讀數(shù)和后處理；所述后處理是將便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)的讀數(shù)進(jìn)行分析，判斷沿空留巷充填體的穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供了一種監(jiān)測沿空留巷充填體回采期間穩(wěn)定性的方法，采用上述監(jiān)測沿空留巷充填體回采期間穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法，包括以下步驟：

（1）安裝：在沿空留巷充填體澆筑前預(yù)埋一排埋入式應(yīng)變計和一排壓力盒，其具體方法：間隔40-60m選定監(jiān)測點(diǎn)，在充填模板搭設(shè)完畢后，在充填空間中部分別搭設(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(yīng)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(yīng)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(jié)在壓力盒表面，影響數(shù)據(jù)監(jiān)測；

所述應(yīng)變計和壓力盒用尼龍繩固定在支架鋼絲上，防止應(yīng)變計和壓力盒在充填材料澆注時發(fā)生移動和偏轉(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(shù)儀“INP”插口，通過讀數(shù)儀面板上的按鈕和數(shù)據(jù)顯示屏，直接操作智能讀數(shù)儀并讀取數(shù)據(jù)，首次測量需對原始數(shù)據(jù)調(diào)零后開始采集信號，并實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)保存；

在沿空留巷充填體結(jié)構(gòu)形成后，派專人對應(yīng)變數(shù)據(jù)定期進(jìn)行測量和記錄，要求為每天3次，直到回采結(jié)束；

（5）通過便攜式防爆型讀數(shù)儀上的“RS232”插口連入計算機(jī)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出并保存，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-壓力曲線對比，分析每個壓力盒對應(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，沿空留巷充填體穩(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，沿空留巷充填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，沿空留巷充填體整體失穩(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，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)、破壞后階段對應(yīng)的應(yīng)變-壓力特征。

上述監(jiān)測方法中，所述沿空留巷充填體內(nèi)部變形量由沿空留巷充填體內(nèi)應(yīng)變計讀數(shù)確定；所述塑性區(qū)范圍根據(jù)壓力盒的讀數(shù)和位置判定，壓力盒讀數(shù)明顯上升，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，沿空留巷充填體穩(wěn)定性良好；所述破壞區(qū)范圍根據(jù)壓力盒的讀數(shù)和位置判定，壓力盒讀數(shù)為殘余強(qiáng)度時，表明此處充填體進(jìn)入破壞階段失去穩(wěn)定，部分充填體進(jìn)入破壞后階段時，沿空留巷充填體整體仍然保持穩(wěn)定，當(dāng)破壞區(qū)范圍擴(kuò)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(wěn)；所述沿空留巷充填體的殘余強(qiáng)度為為沿空留巷充填體失穩(wěn)后壓力盒讀數(shù)，表現(xiàn)為壓力盒全程讀數(shù)的最大值，殘余強(qiáng)度表明沿空留巷充填體破壞失穩(wěn)后仍具有一定的承載能力。

上述監(jiān)測方法中，所述壓力盒軸線和應(yīng)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(yīng)變計和壓力盒相互影響。

本發(fā)明提供的監(jiān)測方法的原理為：①當(dāng)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(yīng)變計讀數(shù)不斷增加，而壓力盒讀數(shù)基本為零，充填體處于彈性壓縮階段，表明沿空留巷充填體穩(wěn)定性良好；②當(dāng)沿空留巷充填體進(jìn)入塑性變形階段時：隨著頂板下沉，應(yīng)變計讀數(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，表明此處沿空留巷充填體保持穩(wěn)定；③當(dāng)沿空留巷充填體發(fā)生破壞時，應(yīng)變計讀數(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)變計泄壓失效，讀數(shù)有所降低；沿空留巷充填體整體壓縮量繼續(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，但沿空留巷充填體整體保持穩(wěn)定；④若頂板繼續(xù)下沉，沿空留巷充填體完全破壞，應(yīng)變計全部泄壓失效讀數(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，此時壓力盒讀數(shù)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(wěn)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明采用介入式測量手段，能真實(shí)反映沿空留巷充填體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變、塑性區(qū)發(fā)展情況及殘余應(yīng)力的大小；采用振弦式應(yīng)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(qiáng)、遠(yuǎn)距離傳輸不失真，適宜在井下惡劣環(huán)境中長期監(jiān)測；采用便攜式應(yīng)變采集系統(tǒng)，攜帶方便、操作簡單、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；監(jiān)測原理準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)變信號采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5應(yīng)變計固定狀態(tài)示意圖。

圖6壓力盒固定狀態(tài)示意圖。

圖7應(yīng)力-應(yīng)變-壓力數(shù)據(jù)分析曲線圖（單位為MPa）。

其中：1.埋入式應(yīng)變計 2.壓力盒 3.支架鋼絲 4.模板 5.電纜線 6.便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng) 7.沿空留巷 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.信號通道 14.防護(hù)蓋 15.計算機(jī)接口 16.操作按鍵 17.數(shù)據(jù)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(shí)施方式

下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1：

一種監(jiān)測沿空留巷充填體回采期間穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法，包括埋入式應(yīng)變計1、壓力盒2和便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)6；在沿空留巷充填體內(nèi)預(yù)埋一排埋入式應(yīng)變計1和一排壓力盒2，埋入式應(yīng)變計1和壓力盒2平行設(shè)置，埋入式應(yīng)變計1和壓力盒2分別通過支架鋼絲3固定；埋入式應(yīng)變計1和壓力盒2的端部連接電纜，數(shù)據(jù)通過電纜線5連接便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)6；

所述埋入式應(yīng)變計1內(nèi)置溫度傳感器，對外界溫度影響產(chǎn)生的變化進(jìn)行溫度修正；每個傳感器內(nèi)部有計算芯片，自動對測量數(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)計制造，采用全數(shù)字檢測，利用脈沖激振方式激振；

所述便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)6為防爆型智能讀數(shù)儀；能直接顯示壓力值和振弦頻率，數(shù)據(jù)通過電纜線端插頭連接防爆型智能讀數(shù)儀“INP”插口；防爆型智能讀數(shù)儀設(shè)有“RS232”計算機(jī)接口15，與計算機(jī)7連接并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，計算機(jī)7用來保存和分析便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)6采集的數(shù)據(jù)，將保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格，繪出應(yīng)變-壓力曲線圖，即可分析判斷沿空留巷充填體的穩(wěn)定性。

本發(fā)明中，所述壓力盒2根據(jù)不同要求選用相應(yīng)的型號，配備便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)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(diǎn)溫度，并能進(jìn)行溫度補(bǔ)償（溫度型）。

所述埋入式應(yīng)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(huán)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(shù)儀上有防護(hù)蓋14，具有防塵防爆防水的功能，有“RS232”計算機(jī)接口15，可以計算機(jī)連接導(dǎo)出數(shù)據(jù)并保存；并有操作按鍵16和數(shù)據(jù)顯示屏17，可直接操作并讀取數(shù)據(jù)。防爆型智能讀數(shù)儀上還設(shè)有充電插口18。

所述防爆型智能讀數(shù)儀有6個信號通道，可以同時對6個鋼弦傳感器進(jìn)行測量，存儲8000個應(yīng)變數(shù)據(jù)。防爆型智能讀數(shù)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(yōu)點(diǎn)。

所述電纜5為四芯屏蔽電纜線，應(yīng)變計和壓力盒通過電纜線直接連接便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)，將應(yīng)變計和壓力盒的數(shù)據(jù)傳輸至便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)，進(jìn)行讀數(shù)和后處理；所述后處理是將便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)的讀數(shù)進(jìn)行分析，判斷沿空留巷充填體的穩(wěn)定性。

下面通過具體的實(shí)施過程說明采用上述裝置的監(jiān)測方法，包括以下步驟：

1、對壓力盒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7）；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)、破壞后階段對應(yīng)的應(yīng)變-壓力特征。

2、隨著工作面的推進(jìn)，搭設(shè)充填模板4；

3、選定監(jiān)測點(diǎn)，在充填空間中部分別搭設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變計1進(jìn)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(jìn)行編號；

6、向模板4內(nèi)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一天三次，將電纜線5接頭與便攜式應(yīng)變信號采集系統(tǒng)6連接好，讀數(shù)并記錄；對原始數(shù)據(jù)調(diào)零后開始采集信號；返回地面后將采集儀與計算機(jī)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出與保存；

8、根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析判斷沿空留巷充填體的穩(wěn)定性：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-壓力曲線對比，分析每個壓力盒對應(yīng)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(wěn)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(jìn)入塑性階段，沿空留巷充填體基本穩(wěn)定；當(dāng)處于階段③，即壓力大于0.9MPa時，說明此處充填體已經(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，當(dāng)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(wěn)；沿空留巷充填體失穩(wěn)后沿空留巷充填體中心位置仍有3.1MPa的殘余強(qiáng)度。