一种煤矿采空区水运移存储模拟试验综合监测系统与方法与流程

本发明涉及煤矿安全监测，更具体的说是涉及一种煤矿采空区水运移存储模拟试验综合监测系统与方法。

背景技术：

1、近些年来，煤矿透水事故频繁发生，造成了严重的人员伤亡和经济损失，严重威胁着煤矿的安全生产，因此亟待研究煤层水的赋存特征及运移规律，进而实现地下水的有效治理和利用。在煤层中，水运移的主要通道是裂隙，当裂隙扩展到一定程度，水的流动会从层流变为紊流，若附近赋存含水层，就会发生涌流，造成透水事故发生。为了煤矿采空区工作人员的安全保障及地下水资源的保护利用，需要对水体运移路径以及存储状况进行实时监测。

2、目前，采用电法、分布式光纤和红外光用于含水率、渗漏和水体运移监测的相关专利如下：

3、中国专利201910864851.3发明了光纤分布式环境湿度传感器，实现了长距离、连续分布测量的问题。该发明主要用于实际工程中空间湿度监测，空间分辨率低，不能够用于模拟试验中煤层采空区的含水率湿度的监测。

4、中国专利201911007529.5发明了一种拖曳式的水底地质电法探测系统和方法。该发明的探测系统包括，水下电缆线、水下电极、水压测量传感单元、水下gps定位系统、电法数据采集存储模块和数据处理模块。在该方法中数据反演处理和数据结果成图，最终获得带地形的水底地质性结果图，对电性结果图中的不同区域位置的电阻率及分布规律特征进行解释，综合分析判断水底地质信息。该方法依然是适用于实际工程大尺寸目标体，不适用于模拟试验，且不能够对水底通道演化过程的实时监测，不能够以精细化探测方法定位和识别的水底地质隐患。

5、中国专利202010424696.6发明了用于矿区多层位水资源协同保护性开采方法，采用防爆红外热像仪、微震监测系统和地质雷达和网络并行电法，对采掘面围岩渗水、采动覆岩裂隙发育及浅表水位变化进行无损监测及动态评价预测。该方法主要用于矿区采掘面围岩渗水、采动覆岩裂隙发育及浅表水位变化的监测，不适用于模拟试验，且不能实时监测煤矿内部水体运移情况。

6、现有煤层裂缝和水运移监测系统各有特点，但其主要局限性如下：监测精度低，针对实际工程大目标体监测设计研发监测精度低；信号衰减快，难以在模型试验相似材料中精细化实时监测；实时性差，利用电法测量水底地质隐患区的时候，无法解决导水通道演化过程的实时监测；方法单一，大多采用一种方法进行裂隙演化规律监测或大目标体的探测，结果的可靠性较差。

7、因此，如何准确快捷地实现煤矿采空区模拟模型水运移路径和存储的实时监测是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种煤矿采空区水运移存储模拟试验综合监测系统与方法，采用分布式光纤监测、红外光监测和“高密度电法普查+跨孔电阻率ct详查”相结合的综合探测方法，相互监测和验证，准确快捷地实现煤矿采空区模拟模型水运移路径和存储的实时监测及综合分析。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种煤矿采空区水运移存储模拟试验综合监测系统，包括：

4、模型构建模块，建立煤矿采空区水运移存储模型；

5、光纤数据采集模块，设置于所述煤矿采空区水运移存储模型内部底层，通过分布式光纤获取所述煤矿采空区水运移存储模型的含水率与温度变化数据；

6、红外数据采集模块，设置于所述煤矿采空区水运移存储模型内部采空区表面，通过红外摄像装置实时监测所述煤矿采空区水运移存储模型的水体和模型材料的温度差异数据；

7、电法数据采集模块，设置于所述煤矿采空区水运移存储模型两侧，通过高密度电法根据施加电场作用下传导电流的分布规律，利用反演成像方法推断探测水体目标区域电阻率分布，根据所述电阻率分布，确定煤矿采空区水运移存储模型当前区域湿度情况，并圈定电阻率等值线，以所述电阻率等值线为界线划分煤矿采空区水运移重点区域，通过跨孔电阻率ct法对所述重点区域进行采空区水流估算，获取地下水水量数据；

8、监控模块，根据所述含水率与温度变化数据、所述水体和模型材料的温度差异数据、所述地下水水量数据，对所述煤矿采空区水运移存储模型中水体运移存储情况进行监控。

9、优选的，所述光纤数据采集模块具体包括：电源加热模块、传感器、温度解耦设备、数据处理系统，所述传感器设置于所述煤矿采空区水运移存储模型底端；所述电源加热模块与光纤的外包层连接，在测量所述含水率变化数据时，所述电源加热模块对所述光纤的外包层进行通电加热固定时间；所述温度解耦设备对所述光纤的外包层加热时、关闭所述电源加热模块所述光纤的外包层降温时的温度变化参数进行采集，信号传输至所述数据处理系统。

10、优选的，所述光纤的外包层为碳纤维。

11、优选的，所述传感器呈网格状设置于所述煤矿采空区水运移存储模型底端。

12、优选的，所述红外数据采集模块在所述煤矿采空区水运移存储模型内部安装微型中红外摄像头，通过中红外波段测量水体和模型材料的温度差异数据。

13、优选的，所述电法数据采集模块具体包括：高密度电法模块、跨孔电阻率ct法模块，所述高密度电法模块通过在所述煤矿采空区水运移存储模型两侧边以相同间距各选取相同数量的测量孔位，每次测量需要在两侧各选取一个测量孔位放入电极，每对测量孔位测量两次，对采集的电阻率数据进行反演处理，并对每对测量孔位之间的结果进行拼接处理，所述地下水监测数据中对含水构造表现为低阻，对所述煤矿采空区水运移存储模型的模型试验材料表现为高阻；所述跨孔电阻率ct法模块的探测电极布置在采空区钻孔中，利用跨孔孔对的供电和测量电极进行各种组合的测量。

14、优选的，所述高密度电法模块采用棒状微型电极，将所述棒状微型电极布置在所述煤矿采空区水运移存储模型底部。

15、优选的，所述跨孔电阻率ct法模块在所述煤矿采空区水运移存储模型中采空区周围竖直预制多个放置电极的孔，两两成对进行对穿探测。

16、优选的，所述监控模块建立煤矿采空区含水率三维计算模型，将所述含水率与温度变化数据、所述水体和模型材料的温度差异数据、所述地下水水量数据输入所述煤矿采空区含水率三维计算模型，利用所述煤矿采空区含水率三维计算模型对所述煤矿采空区水运移存储模型中水体运移存储情况进行分析。

17、一种煤矿采空区水运移存储模拟试验综合监测方法，包括：

18、建立煤矿采空区水运移存储模型；

19、通过分布式光纤获取所述煤矿采空区水运移存储模型的含水率与温度变化数据；

20、通过红外摄像装置实时监测所述煤矿采空区水运移存储模型的水体和模型材料的温度差异数据；

21、通过高密度电法根据施加电场作用下传导电流的分布规律，利用反演成像方法推断探测水体目标区域电阻率分布，根据所述电阻率分布，确定煤矿采空区水运移存储模型当前区域湿度情况，并圈定电阻率等值线，以所述电阻率等值线为界线划分煤矿采空区水运移重点区域，通过跨孔电阻率ct法对所述重点区域进行采空区水流估算，获取地下水水量数据；

22、根据所述含水率与温度变化数据、所述水体和模型材料的温度差异数据、所述地下水水量数据，对所述煤矿采空区水运移存储模型中水体运移存储情况进行监控。

23、有益效果

24、(1)本发明创新性的提出了基于分布式光纤的湿度场监测方法，在光缆的外包层采用可电加热的碳纤维材料，通电时可使光缆周围的温度升高，对于同一材料，温度升高的过程与断电后温度下降的过程与含水率有关，通过对已知材料升温和降温过程进行率定，即可得出温度变化时间与含水率的关系，进而实现水体运移的监测。

25、(2)采用中红外摄像技术对模型内部采空区可视范围内水体监测，煤矿采空区空气中含有较多粉尘等颗粒物，采用较近红外波段摄像技术会因颗粒物对光的散射作用导致穿透能力较差，中红外波段(3～5μm)包含重要的大气传输窗口，相较于近红外波段而言，对大气中的颗粒物散射损失较少，对大气中的粉尘具有较强的穿透力，更为适用于煤炭采空区模型的表观水体监测，具有测量速度快、成像精度高、无需接触模型等优点。另外，中红外波段对目标温度识别更加敏感，更有利于本发明通过中红外摄像技术测量水体和模型材料的温度差异，以实现水体精确监测。

26、(3)本发明通过提出“高密度电法普查+跨孔电阻率ct详查”的综合探测方法，创新可实现透视对穿、对地质目标多次覆盖观测的跨孔电阻率ct方法，提出基于不等式约束和距离加权约束的高分辨率反演成像方法以及多元信息约束联合反演方法，可实现对裂隙水体的较精准定位与精细化成像。