一种岩体注浆扩散范围监测的方法及装置

1.本发明涉及裂隙岩体注浆试验的技术领域，具体涉及一种岩体注浆扩散范围监测的方法及装置。


背景技术：

2.在煤炭开采过程中会形成采空区，导致上覆岩层垮落以及地表沉陷，为了防止地质工程中由于裂隙的存在，改变了原有岩体各类性质包括渗透性、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度，而増强裂隙岩体强度、降低岩体渗透性能，采用的基本方法就是利用具有定粘度、流动性、固化性能的浆液注入至裂隙岩体中的注浆技术，且由于岩体中裂隙网络的非贯通性，低压条件下浆液入渗效果较差，注浆的封堵、加固作用不能满足生产需求需要，利用高注浆压力实现浆液在非贯通裂隙间的劈裂贯通流动，从而扩大浆液影响范围。
3.扩散半径作为评价注浆效果的主控因素，及时把握浆液的扩散范围是极为重要的。但裂隙岩体深埋于地层中，且裂隙网络是复杂的，注浆浆液在岩体裂隙内的流动扩散是极其隐蔽的，浆液的扩散流动可直观观测难度极大。当前在实际现场工程中，缺乏监测识别浆液在裂隙岩体中的扩散流动方法，缺乏对浆液扩散形状大小及影响范围的直观显示方法。
4.冲击回波法是一种无损检测岩体裂隙的方法，不用预先埋置加速度传感器，因此提高了检测裂隙的准确性。冲击弹性波是通过对被测结构表面实施瞬时机械激振(一般采用冲击锤)产生弹性波信号，通过加速度传感器接收信号；由普通冲击锤激发的冲击弹性波的卓越频率一般在几百赫兹到几千赫兹之间，能够不破坏岩体结构从而检测岩体中的裂隙。冲击弹性波具有能量大、测试距离远且适用于频谱分析等优点，因此已得到广泛的应用。近年来，借助于电子技术的进步，冲击弹性波激振时刻的确定问题得到了很好的解决。同时，通过改变冲击锤的大小、导入自动激振装置，使得其激振信号的频率范围也得到了扩展。
5.裂隙岩体注浆试验时，在注浆前，岩体中含有裂隙或孔洞，导致弹性波在岩体中传播速度及方向发生改变，通过冲击回波法可以识别裂隙或孔洞的大小及位置，波形特征明显；注浆后，浆液随注浆压力加载在岩体裂隙内流动扩散，浆液充填岩体中的裂隙或孔洞，波形特征显著变化，利用冲击回波检测系统捕捉、识别弹性波并分析，实现对浆液扩散与影响范围的实时监测，有利于研究浆液扩散的黑箱问题。现有技术中还不能够实现对相似模型实验中浆液扩散及其影响范围的确定，不能够实现注浆技术及理论在广泛领域的安全、高效、低成本化应用。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种岩体注浆扩散范围监测的方法及装置。本发明的目的可以通过如下所述技术方案来实现。
7.本发明提供一种岩体注浆扩散范围监测的方法，包括：
8.沿岩体中心的横向与垂向对称轴布置测线，分别对测点进行编号，确定激振点与拾振点位置；
9.在所述拾振点处布置加速度传感器；
10.将数据连接线一端与所述加速度传感器连接，另一端连接至数据采集仪，数据采集仪与终端连接，获得的实时数据传输至所述终端；
11.设置锤头的力传感器，用以测量激振力的大小；
12.每个所述激振点位置处各进行预设次数的锤击测试，所得选取预定组数的数据计算加速度响应的分形盒维数；
13.比较不同测点间加速度响应分形盒维数的差别，实现锤击法对岩体裂隙的大小及范围的监测，以根据岩体裂隙大小及范围确定所述岩体的注浆扩散范围。
14.可选的，加速度响应是锤头在物体表面施加瞬时冲击荷载，产生的应力波在物体上下表面间来回反射，引起物体产生局部瞬时共振，通过加速度传感器所测得的响应信号。
15.可选的，加速度响应曲线的分形盒维数定义为：
16.δ1为矩形盒子的横向基本尺度，δ2为矩形盒子的纵向基本尺度，n
δ
为矩形盒子的数量。
17.可选的，还包括：在煤层充分采动后，在注浆工程实施之前，在预估浆体扩散范围的岩体表面布置锤击点，布置监测系统：包括力锤、在锤击点左侧2厘米处安装加速度传感器并连接数据传输线路至数据采集仪，数据采集仪与终端连接；
18.在浆液预设扩散范围的监测区布置锤击点，锤击点应以注浆孔所在铅垂线在岩层表面的水平投影为中心线，沿中心线对称布置，每个锤击点间距10cm。
19.可选的，还包括：试验开始之前进行预设次数的试锤，根据采集的信号质量设定预期锤击荷载，每次敲击时的力度应与设定力度相差在预设误差范围内，力度相差超过所述预设误差范围视为无效数据，应重新敲击，每个锤击点敲击一次，并记录每次加速度传感器记录的数据。
20.可选的，还包括：计算分形盒维数时，取0～0.02s时段内的加速度响应进行计算分析，五次锤击数据的分形盒维数比较稳定。
21.可选的，还包括：将加速度传感器紧贴岩壁，使用粘结剂粘贴在岩壁上使两者耦合。
22.可选的，对于存在差异的锤击点，比较两组数据的差值，根据锤击点对应的物理坐标集合数据差值获得裂隙岩体注浆劈裂浆液的空间扩散范围。
23.可选的，根据注浆孔的布置位置及采空区，按照预设的注浆浆液扩散范围预估策略初步确定注浆浆液预设扩散范围。
24.本发明还提供一种岩体注浆扩散范围监测的装置，包括：布置测线设置模块、加速度传感器布置模块、数据连接布置模块、分形盒维数计算模块及岩体注浆扩散范围监测模块；其中，
25.所述布置测线设置模块，沿岩体中心的横向与垂向对称轴布置测线，分别对测点进行编号，确定激振点与拾振点位置；
26.所述加速度传感器布置模块，与所述布置测线设置模块相连接，在所述拾振点处布置加速度传感器；
27.所述数据连接布置模块，与所述加速度传感器布置模块相连接，将数据连接线一端与所述加速度传感器连接，另一端连接至数据采集仪，数据采集仪与终端连接，获得的实时数据传输至所述终端；
28.所述分形盒维数计算模块，与所述数据连接布置模块相连接，设置锤头的力传感器，用以测量激振力的大小；每个所述激振点位置处各进行预设次数的锤击测试，所得选取预定组数的数据计算加速度响应的分形盒维数；
29.所述岩体注浆扩散范围监测模块，与所述分形盒维数计算模块相连接，比较不同测点间加速度响应分形盒维数的差别，实现锤击法对岩体裂隙的大小及范围的监测，以根据岩体裂隙大小及范围确定所述岩体的注浆扩散范围。
30.与现有技术比，本发明的有益效果：
31.本发明研发了一种岩体注浆扩散范围监测的方法及装置，不用预先埋置加速度传感器，提高了检测结果的准确性，扩大了检测的范围。利用分形盒维数的方法能够准确得到裂隙的范围及大小。利用冲击回波检测系统捕捉、识别弹性波并分析，实现对浆液扩散与影响范围的实时监测，有利于研究浆液扩散的黑箱问题。本发明能够实现对相似模型实验中浆液扩散及其影响范围的确定，实现注浆技术及理论在广泛领域的安全、高效、低成本化应用。
附图说明
32.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
33.图1是本公开实施例示出的一种监测岩体注浆扩散范围监测的方法流程示意图；
34.图2是根据图1示出的一种激振点与岩体中心位置的示意图；
35.图3是一种监测岩体注浆扩散范围的系统示意图；
36.图4是根据图1示出的另一种岩体注浆扩散范围监测的方法流程示意图；
37.图5是本公开实施例示出的一种监测岩土体注浆扩散范围监测的装置框图。
具体实施方式
38.下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
39.图1是本公开实施例示出的一种岩体注浆扩散范围监测的方法流程示意图，如图1所示，该方法包括：
40.在步骤101中，沿岩体中心的横向与垂向对称轴布置测线，分别对测点进行编号，确定激振点与拾振点位置。
41.示例地，图2是根据图1示出的一种激振点与岩体中心位置的示意图，激振点与岩体中心的位置以及测点编号如图2所示，图2中只标明了上方和左侧的测点，在实际应用中，下方和右侧也测点编号方法与上方和左侧的测点编号方法相同。
42.其中，拾振点的位置位于激振点右侧2cm处。
43.在步骤102中，在拾振点处布置加速度传感器。
44.示例地，该加速度传感器为仅接受纵波的加速度传感器，且该加速度传感器应紧贴岩壁，使用粘结剂粘贴在岩壁上使两者耦合。
45.在步骤103中，将数据连接线一端与该加速度传感器连接，另一端连接至数据采集仪，数据采集仪与终端连接，获得的实时数据传输至该终端。
46.在步骤104中，设置锤头的力传感器，用以测量激振力的大小。
47.在步骤105中，每个该激振点位置处各进行预设次数的锤击测试，所得选取预定组数的数据计算加速度响应的分形盒维数。
48.示例地，加速度响应是指小锤在物体表面施加瞬时冲击荷载，产生的应力波在物体上下表面间来回反射，引起物体产生局部瞬时共振，通过加速度传感器所测得的响应信号。在本公开实施例中，对每个激振点位置处各进行五次锤击测试，并将上述五次锤击测试所得的数据计算加速度响应的分形盒维数。试验过程中采集的加速度响应信号能量主要集中在0～0.02s范围内，0.02s之后，响应的幅值全部缩减为零。计算分形盒维数时，取0～0.02s时段内的加速度响应进行计算分析，五次锤击数据的分形盒维数是较为稳定的。
49.可以理解的是，在本发明公开的实施例中，得到预设次数的锤击测试所对应的数据后，选取预定组数的数据(排除噪音数据，提高所选取数据的准确性)，进行加速度响应分形盒维数的计算。
50.其中，加速度响应曲线的分形盒维数定义为：
51.δ1为矩形盒子的横向基本尺度，δ2为矩形盒子的纵向基本尺度，n
δ
为矩形盒子的数量。
52.另外，计算分形盒维数时，取0～0.02s时段内的加速度响应进行计算分析，五次锤击数据的分形盒维数比较稳定。
53.在步骤106中，比较不同测点间加速度响应分形盒维数的差别，实现锤击法对岩体裂隙的大小及范围的监测。
54.示例地，对于存在差异的锤击点，比较两组数据的差值，根据锤击点对应的物理坐标集合数据差值获得裂隙岩体注浆劈裂浆液的空间扩散范围。
55.图3是一种监测岩体注浆扩散范围的系统示意图，如图3所示，1为注浆岩体，2为锤击点，3为加速度传感器，4为数据连接线，5为数据采集仪，6为处理终端。利用在岩体顶部打孔注浆，注浆孔在岩体内采空区及岩层裂隙上方。浆液通过注浆孔流入岩体1内采空区及岩层裂隙。在岩体表面布置锤击点2，并在每个锤击点旁布置加速度传感器3，利用数据连接线4将加速度传感器3与数据采集仪5连接，力锤6通过数据连接线4与数据采集仪5连接，数据采集仪5与终端处理器6连接。
56.图4是根据图1示出的另一种岩体注浆扩散范围监测的方法流程示意图，如图4所
示，该方法应用于图3所示的系统，该方法包括：
57.在步骤401中，在煤层充分采动后，在注浆工程实施之前，在预估浆体扩散范围的岩体表面布置锤击点，布置监测系统：包括力锤、在锤击点左侧2厘米处安装加速度传感器并连接数据传输线路至数据采集仪，数据采集仪与终端连接；
58.示例地，在执行步骤401之前，根据注浆孔的布置位置及采空区，初步确定注浆浆液预设的扩散范围。
59.在步骤402中，在浆液预设扩散范围的监测区布置锤击点，锤击点应以注浆孔所在铅垂线在岩层表面的水平投影为中心线，沿中心线对称布置，每个锤击点间距10cm。
60.示例地，在该步骤402后，还包括：布置加速度传感器：加速度传感器布置在锤击点左侧2cm处，加速度传感器应紧贴岩壁，使用粘结剂粘贴在岩壁上，使两者有较好的耦合；连接数据传输线：将数据连接线一端与固定在岩壁上的加速度传感器连接，另一端连接至数据采集仪，数据采集仪与电脑连接，获得的实时数据传输至电脑处理终端；在正式测量前通过人为主动敲击方式获加速度传感器初始数据。开始前应设定一个敲击力度，敲击力度应保证不会对岩体造成伤害。
61.另外，试验开始之前进行几次试锤，根据采集的信号质量设定预期锤击荷载，每次敲击时的力度应与设定力度尽量相同，力度相差过大视为无效数据，应重新敲击，每个锤击点敲击一次，并记录每次加速度传感器记录的数据。
62.另外，力锤锤击时力度要适度，尽量避免因力度过大而造成试件和力锤损坏的情况。以及，由于采用锤击法进行试验，试验人员离测试对象距离较小，此时应避免测试人员触碰到传感器导线。注浆结束后，等待浆液扩散。再次以相同力度锤击各锤击点，处理终端采集到的数据，对比注浆前后两组数据，对于存在差异的数据进行标记。对于存在差异的锤击点，比较两组数据的差值，根据锤击点对应的物理坐标集合数据差值获得裂隙岩体注浆劈裂浆液的空间扩散范围。在煤层充分采动后，上覆岩层会形成采空区及岩层裂隙，注浆前在岩层表面锤击岩层，岩层表面的加速度传感器会接受到反射波数据，当采空区和岩层裂隙裂隙中有浆体流入是，由于空气、岩体和浆体三者的声阻抗值不同，再次追击在岩层表面接受到的反射波数据也会发生变化，从而可以判断浆体的扩散范围。
63.依次在个点附近施加脉冲荷载，采集加速度响应并计算盒维数如表1所示。
64.表1
[0065][0066]
图5是本公开实施例示出的一种监测岩土体注浆扩散范围监测的装置框图，如图5所示，该装置包括：布置测线设置模块510、加速度传感器布置模块520、数据连接布置模块530、分形盒维数计算模块540及岩体注浆扩散范围监测模块550；其中，
[0067]
所述布置测线设置模块510，沿岩体中心的横向与垂向对称轴布置测线，分别对测点进行编号，确定激振点与拾振点的位置；
[0068]
所述加速度传感器布置模块520，与所述布置测线设置模块510相连接，在所述拾振点处布置加速度传感器；
[0069]
所述数据连接布置模块530，与所述加速度传感器布置模块520相连接，将数据连接线一端与所述加速度传感器连接，另一端连接至数据采集仪，数据采集仪与终端连接，获得的实时数据传输至所述终端；
[0070]
所述分形盒维数计算模块540，与所述数据连接布置模块530相连接，设置锤头的力传感器，用以测量激振力的大小；每个所述拾振点位置处各进行预设次数的锤击测试，所得选取预定组数的数据计算加速度响应的分形盒维数；
[0071]
所述岩体注浆扩散范围监测模块550，与所述分形盒维数计算模块540相连接，比较不同测点间加速度响应分形盒维数的差别，实现锤击法岩体裂隙的大小及范围的监测，以根据岩体裂隙大小及范围确定所述岩体的注浆扩散范围。
[0072]
综上所述，冲击回波法具有以下特点：(1)冲击回波法由冲击锤激发，能量大且集中，测试深度与传统的超声波相比明显提高；(2)冲击回波法的卓越频率一般在几百到几千赫兹左右，波长较长，受外界杂散波影响小；(3)现场适用性强，操作方便，适合对大体积岩体进行快速、全面检测。冲击回波法能否准确检测岩体的内部缺陷与缺陷的类型、方法以及它所处的深度有关。最容易被检测到的是浅层有明显混凝土/空气界面的缺陷，比如说脱空、孔洞等，尤其是当缺陷呈现如图所示的近似于垂直测试方向的水平条带形状时。冲击回
波法是利用一个短时的机械冲击产生低频的应力波，应力波传播到结构内部，被缺陷地面反射回来，这些反射波被安装在冲击点附近的传感器接收下来并被送到一个内置高速数据采集及信号处理的便携式仪器。将所记录的信号进行幅值谱分析，谱图中的明显正是由于冲击表面、缺陷及其他外表面之间的多次反射产生瞬态共振所致，它可以被识别出来并被用来确定结构的厚度和缺陷位置。
[0073]
在岩体注浆扩散范围监测的方法及装置中，不用预先埋置加速度传感器，提高了检测结果的准确性，扩大了检测的范围。利用分形盒维数的方法能够准确得到裂隙的范围及大小。利用冲击回波检测系统捕捉、识别弹性波并分析，实现对浆液扩散与影响范围的实时监测，有利于研究浆液扩散的黑箱问题。本发明能够实现对相似模型实验中浆液扩散及其影响范围的确定，实现注浆技术及理论在广泛领域的安全、高效、低成本化应用。
[0074]
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。