一种多参数封闭区危险性实时监测预警方法

摘要

本发明提供一种多参数封闭区危险性实时监测预警方法，属于地下工程监测技术领域。该方法包括围岩稳定性和污染物状态监测两部分，监测通过井下部分和井上部分进行。该方法先通过得到的初始数据设定预警阈值，然后进行例行的围岩稳定性评价，结果分为：安全、不稳定以及危险。当围岩稳定性为危险时，实施封闭措施，当围岩稳定性为不稳定时，进行污染物泄漏安全性评价，结果分为：安全与不安全。当污染物泄漏安全性评价结果为不安全时，实施封闭措施。该方法可以有效得到可以判断围岩安全性的数据和判断污染物稳定性的数据。通过数据进行评估可以实时做出对不同监测段污染物泄漏危险性的判断，并能及时对危险区域做出响应。

权利要求

1.一种多参数封闭区危险性实时监测预警方法，其特征在于：包括围岩稳定性监测和污染物状态监测两部分，具体过程如下：(1)对废弃物深地封存区域进行监测预警时，通过得到的初始数据设定预警阈值；

(2)进行围岩稳定性监测评价，评价结果分为：安全、不稳定以及危险；

(3)当步骤(2)中围岩稳定性的评价结果为危险时，实施封闭措施；

(4)当步骤(2)中围岩稳定性的评价结果为不稳定时，进行污染物状态监测评价，评价结果分为：安全与不安全；

(5)当步骤(4)中污染物状态的评价结果为不安全时，实施封闭措施。

2.根据权利要求1所述的多参数封闭区危险性实时监测预警方法，其特征在于：所述步骤(2)中围岩稳定性监测指标包括：围岩中的相对应力、封闭区中发生的微震事件和围岩的位移情况，其中，相对应力变化指数 σt为某时刻监测到的应力值；σμ为样本均值；

微震事件活动指数 Re为时间步距内微震事件总能量；Rp为监测步距内的微震事件频次；Re0为能量判断尺度；Rp0为频次判断尺度；Ks为频次影响系数；

位移异常指数 ΔSi为位移距离；S′为判断尺度；

围岩稳定性监测的综合评估指数 b1、b2、b3为综合判断权重，

b1、b2、b3和为3，b1、b2、b3具体数值由讨论得到。

3.根据权利要求2所述的多参数封闭区危险性实时监测预警方法，其特征在于：所述围岩稳定性监测时，先对围岩中的相对应力、封闭区中发生的微震事件、围岩的位移情况单指标进行监测预警，再采用围岩稳定性监测的综合评估指数进行监测预警；当相对应力变化指数、微震事件活动指数、位移异常指数和围岩稳定性监测的综合评估指数中有一项超过预警阈值时，评价结果为不稳定，当相对应力变化指数、微震事件活动指数、位移异常指数和围岩稳定性监测的综合评估指数均超过预警阈值时，评价结果为危险。

4.根据权利要求1所述的多参数封闭区危险性实时监测预警方法，其特征在于：所述步骤(4)中污染物状态监测指标包括：气体污染物的浓度以及封闭体内的渗透压力，当气体污染物的浓度以及封闭体内的渗透压力均超过预警阈值时，评价结果为不安全。

5.根据权利要求1所述的多参数封闭区危险性实时监测预警方法，其特征在于：所述监测预警方法在监测预警封闭区时，使用的监测系统分为井下与井上部分，井下部分中，每个废弃物危险区分为不同的监测分段，在每个分段中单独进行评估；井上部分通过井下监测设备传来的数据进行围岩稳定性的评估。

6.根据权利要求5所述的多参数封闭区危险性实时监测预警方法，其特征在于：所述井下部分包括井下环网、井下主机、井下分站及传感器，所述传感器包括渗透压力传感器、气体传感器、顶板离层位移传感器、位移传感器、锚杆/索应力传感器和微震传感器，安装在充填区域的传感器接收到围岩、封闭体以及空间中的物理状态的改变后，将物理信号转化为

4-20mA/0-20V的电信号，经过通讯电缆传输至井下分站，井下分站汇总数据后传给井下主机，井下主机将电信号转化为光信号，经光缆及井下环网传输至地表。

7.根据权利要求5所述的多参数封闭区危险性实时监测预警方法，其特征在于：所述井上部分包括地表监测主机、数据显示设备、数据处理计算机以及远程数据终端，地表监测主机将井下监测到的数据汇总，使用组态软件进行数据处理，处理后的数据通过数据处理计算机做深入分析和危险性评估，远程数据终端及时通知相关负责人地下监测情况。

说明书

一种多参数封闭区危险性实时监测预警方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地下工程监测技术领域，特别是指一种多参数封闭区危险性实时监测预警方法。

背景技术

[0002] 城市生活垃圾如处理不当会造成污染土地、污染水源、产生有害气体以及危害附近居民等不良影响。目前主要的固废处理方法有:填埋、焚烧、堆肥以及循环利用。这些固废处理方法虽然有着成熟的技术及工程实践经验，但却无法解决对环境二次污染等问题。2015年北京科技大学的研究团队设计了一种使用矿山采空区封存无害化处理后垃圾的方法，发明专利名称为《一种高初始强度的充填采煤方法》。基于这种方法，可以有效将废弃物与生物圈隔离，但是城市垃圾中存在的有害物质，如：重金属及残留的有机物，有对地下水及周围施工区域的潜在危害。因此在深地填埋封闭后仍然需要对污染物稳定性进行监测。

[0003] 中国专利CN205484378U公开了一种监测垃圾填埋场中多种参数的装置和方法，能远程监测各种填埋场参数。但此设备是专为垃圾填埋场设计的，无法应用于井下，尤其在含有瓦斯的煤矿中无法使用，并且无法对围岩情况进行监测。中国专利CN105675052A公开了一种多参数监测胶结充填体的测试装置和方法。可以检测胶结充填体的多种参数。但其无法做到长期实时监测，并且不具有对城市场生活垃圾充填体监测的针对性。

[0004] 本发明是为废弃物深地储存或封存设计的多参数实时监测系统，可以监测充填区域的围岩稳定性以及潜在泄漏污染物的安全性。

发明内容

[0005] 本发明为解决城市垃圾或其他废弃物深地环境下封存过程中对封闭区域地质参数及污染物情况的实时监测问题，提供一种多参数封闭区危险性实时监测预警方法。

[0006] 该方法包括围岩稳定性监测和污染物状态监测两部分，具体过程如下：

[0007] (1)对废弃物深地封存区域进行监测预警时，通过得到的初始数据设定预警阈值；

[0008] (2)进行围岩稳定性监测评价，评价结果分为：安全、不稳定以及危险；

[0009] (3)当步骤(2)中围岩稳定性的评价结果为危险时，实施封闭措施；

[0010] (4)当步骤(2)中围岩稳定性的评价结果为不稳定时，进行污染物状态监测评价，评价结果分为：安全与不安全；

[0011] (5)当步骤(4)中污染物状态的评价结果为不安全时，实施封闭措施。

[0012] 步骤(2)中围岩稳定性监测指标包括：围岩中的相对应力、封闭区中发生的微震事件和围岩的位移情况，

[0013] 其中，相对应力变化指数 σt为某时刻监测到的应力值；σμ为样本均值；

[0014] 微震事件活动指数 Re为时间步距内微震事件总能量；Rp为监测步距内的微震事件频次；Re0为能量判断尺度；Rp0为频次判断尺度；Ks为频次影响系数；

[0015] 位移异常指数 ΔSi为位移距离；S′为判断尺度；

[0016] 围岩稳定性监测的综合评估指数 b1、b2、b3为综合判断权重，b1、b2、b3和为3，b1、b2、b3具体数值由讨论得到。

[0017] 围岩稳定性监测时，先对围岩中的相对应力、封闭区中发生的微震事件、围岩的位移情况单指标进行监测预警，再采用围岩稳定性监测的综合评估指数进行监测预警；当相对应力变化指数、微震事件活动指数、位移异常指数和围岩稳定性监测的综合评估指数中有一项超过预警阈值时，评价结果为不稳定，当相对应力变化指数、微震事件活动指数、位移异常指数和围岩稳定性监测的综合评估指数均超过预警阈值时，评价结果为危险。

[0018] 步骤(4)中污染物状态监测指标包括：气体污染物的浓度以及封闭体内的渗透压力，当气体污染物的浓度以及封闭体内的渗透压力均超过预警阈值时，评价结果为不安全。

[0019] 监测预警方法在监测预警封闭区时，使用的监测系统分为井下与井上部分，井下部分中，每个废弃物危险区分为不同的监测分段，在每个分段中单独进行评估；井上部分通过井下监测设备传来的数据进行围岩稳定性的评估。

[0020] 井下部分包括井下环网、井下主机、井下分站及传感器，所述传感器包括渗透压力传感器、气体传感器、顶板离层位移传感器、位移传感器、锚杆/索应力传感器和微震传感器，安装在充填区域的传感器接收到围岩、封闭体以及空间中的物理状态的改变后，将物理信号转化为4-20mA/0-20V的电信号，经过通讯电缆传输至井下分站，井下分站汇总数据后传给井下主机，井下主机将电信号转化为光信号，经光缆及井下环网传输至地表。

[0021] 井上部分包括地表监测主机、数据显示设备、数据处理计算机以及远程数据终端，地表监测主机将井下监测到的数据汇总，使用组态软件进行数据处理，处理后的数据通过数据处理计算机做深入分析和危险性评估，远程数据终端及时通知相关负责人地下监测情况。

[0022] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：

[0023] 由于采用了上述方案，本发明利用微震传感器、应力传感器及位移传感器对封存区域围岩地质参数进行监测，可以有效得到可以判断围岩安全性的数据；使用甲烷传感器和渗压计对潜在污染物进行监测，可以有效得到可以判断污染物稳定性的数据。通过数据进行评估可以实时做出对不同监测段污染物泄漏危险性的判断，并能及时对危险区域做出响应。

附图说明

[0024] 图1为本发明的多参数封闭区危险性实时监测预警方法预警系统整体布置结构示意图；

[0025] 图2为本发明的在煤矿中应用时的测点布置图；

[0026] 图3为本发明使用的预警方法流程图；

[0027] 图4为本发明预警方法结构图。

具体实施方式

[0028] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0029] 本发明针对城市垃圾或其他废弃物深地环境下封存过程中对封闭区域地质参数及污染物情况的实时监测问题，提供一种多参数封闭区危险性实时监测预警方法。

[0030] 该方法包括围岩稳定性监测和污染物状态监测两部分，具体过程如下：

[0031] (1)对废弃物深地封存区域进行监测预警时，通过得到的初始数据设定预警阈值；

[0032] (2)进行围岩稳定性监测评价，评价结果分为：安全、不稳定以及危险；

[0033] (3)当步骤(2)中围岩稳定性的评价结果为危险时，实施封闭措施；

[0034] (4)当步骤(2)中围岩稳定性的评价结果为不稳定时，进行污染物状态监测评价，评价结果分为：安全与不安全；

[0035] (5)当步骤(4)中污染物状态的评价结果为不安全时，实施封闭措施。

[0036] 该监测预警方法在监测预警封闭区时，使用的监测系统分为井下与井上部分，井下部分中，每个废弃物危险区分为不同的监测分段，在每个分段中单独进行评估；井上部分通过井下监测设备传来的数据进行围岩稳定性的评估。

[0037] 井下部分包括井下环网、井下主机、井下分站及传感器，所述传感器包括渗透压力传感器、气体传感器、顶板离层位移传感器、位移传感器、锚杆/索应力传感器和微震传感器，安装在充填区域的监测传感器接收到围岩、封闭体以及空间中的物理状态的改变后，将物理信号转化为4-20mA/0-20V的电信号，经过通讯电缆传输至井下分站，井下分站汇总数据后传给井下主机，井下主机将电信号转化为光信号，经光缆及井下环网传输至地表。其中，渗透压力传感器监测封闭体(黄泥)中的渗水情况；气体传感器监测封闭后巷道中气体浓度；监测围岩位移的设备分为两种：在煤矿中充填时，由于煤矿开采采高小，跨度大的特点，其围岩地质活动主要集中在顶板岩层中，使用顶板离层位移传感器对顶板位移进行监测；在金属矿以及稀土矿采空区充填时，使用位移传感器根据不同采空区空间状况，对不同位置围岩进行监测；使用锚杆/索应力传感器对围岩相对应力进行监测；使用微震传感器对充填区域微震事件进行监测。

[0038] 井上部分包括地表监测主机、数据显示设备、数据处理计算机以及远程数据终端，地表监测主机将井下监测到的数据汇总，使用组态软件进行数据处理，处理后的数据通过数据处理计算机做深入分析和危险性评估，远程数据终端及时通知相关负责人地下监测情况。

[0039] 图1为本发明的整体布置结构示意图，多参数封闭区危险性实时监测预警方法包括井上部分和井下部分，井下部分包括井下环网、井下主机、井下分站及多种传感器。所述的传感器包括：使用渗透压力传感器监测封闭体(黄泥)中的渗水情况；使用气体传感器监测封闭后巷道中气体浓度的监测；监测围岩位移的设备分为两种：在煤矿中充填时，由于煤矿开采采高小，跨度大的特点，其围岩地质活动主要集中在顶板岩层中，使用顶板离层位移传感器对顶板位移进行监测；在金属矿以及稀土矿采空区充填时，使用位移传感器根据不同采空区空间状况，对不同位置围岩进行监测；使用锚杆/索应力传感器对围岩相对应力进行监测；使用微震传感器对充填区域微震事件进行监测。安装在充填区域的监测设备接收到围岩、封闭体以及空间中的物理状态的改变后，将物理信号转化为4-20mA/0-20V的标准电信号，进过通讯电缆传输至井下监测分站，分站汇总数据后将其传给井下主机，井下主机将电信号转化为光信号，经光缆及井下环网传输至地表。

[0040] 井上部分是由地表监测主机、数据显示设备、数据处理计算机以及可登陆云端数据的远程数据终端组成。地表主机将井下监测到的数据汇总，使用组态软件进行数据处理处理。处理后的监测设备通过数据处理计算机中专用预警平台，做深入分析和危险性评估。远程数据终端的作用是方便移动办公，及时通知相关负责人地下监测情况。

[0041] 图2为本发明的在煤矿中应用时的测点布置图。所述的井下部分在安装过程中，每隔一定的监测段安装一套，监测段布置步骤如下：

[0042] (1)划分监测段：充分考虑充填区的空间形状，划分监测段。如：在煤矿采空区中考虑到工作面长度较长，将每150-200m的充填区划分成一个监测段。在金属矿的应用中，考虑不同的开采方法设置监测段，当竖直方向的高度很大时，设置不同高度的测点。

[0043] (2)安装监测设备：在充填区域相邻的巷道中布置气体传感器。在煤矿中，随着工作面的推进，在相应测点位置安装监测设备，每个监测段中分别在两个顺槽的围岩或煤体中布置两个渗透压力传感器和锚杆(索)应力监测计，以及一个微震传感器。在每个监测段中在固废充填体上部的岩层中等距布置2-3个顶板位移计或多点位移计。在使用嗣后充填的金属矿中，在不同测点安装相应仪器。

[0044] (3)维护线路：在充填作业及监测设备安装结束后，按照相应措施封闭后，维护线路。

[0045] 图3为本发明使用的预警方法流程图。图4为本发明预警方法结构图。

[0046] 井上部分使用组态软件将各种监测数据整合，显示于地表主机与数据处理计算机上，便于进一步分析处理。

[0047] 预警平台在监测过程中，首先，得到初始数据，制定不同的预警等级：正常，不稳定，及危险，分别在计算机上用绿色、黄色、红色表示。

[0048] 预警平台通过得到的压力、微震以及位移数据，首先对围岩稳定性进行单指标评估，再使用联合指标进行评估，当围岩状态稳定时，表明产生泄漏通路的可能性非常小，因此判定封闭系统为安全。

[0049] 预警平台当评估结果为不稳定时，表明围岩地质活动较频繁，围岩中产生泄漏通路的可能性较高。

[0050] 预警平台当围岩稳定性评估结构为不稳定时，使用气液体污染物监测数据，对封闭系统中固废污染物泄漏风险进行评估。当监测数据未超过预警阈值时，表明气液污染物浓度较小并不存在短期内快速增长的可能性时，判定封闭系统安全；否则，判定封闭系统不安全。

[0051] 预警平台判定整体为不安全时，实施二次封闭措施，在完成二次封闭措施后再进行污染物泄漏风险评估，当判定为不安全时表明二次封闭措施效果不佳，再进行封闭处理，直到无泄漏风险。

[0052] 使用的围岩稳定性预警指标如下：

[0053] (1)相对应力指标

[0054] 将相对应力变化指数Iσ作为围岩稳定性异常的预警指标：

[0055]

[0056] 式中：σt为某时刻监测到的应力值；σμ为样本均值。

[0057] (2)微震预警指标

[0058] 一定时间步距(通常为一天)内，空间中微震事件发生的频次Rp以及所有微震事件释放的能量Re，常被用于深井掘进开采时的安全预警中，一般围岩中发生大的地质事件时，这两个参数会异常升高。因此，设置无量纲的微震事件活动指数Iw来反应围岩中微震事件的变化情况：

[0059]

[0060] 式中：Re为时间步距内微震事件总能量；Rp为监测步距内的微震事件频次；Re0为能量判断尺度；Rp0为频次判断尺度；Ks为频次影响系数。

[0061] (3)位移变化预警指标

[0062] 围岩状态的位移是围岩构造破坏的宏观表现，当位移发生时，封闭结构很有可能也遭到破坏，因此在判断位移状态时，使用位移异常指数Id：

[0063]

[0064] 式中：ΔSi为位移距离；S′为判断尺度.

[0065] (4)联合预警指标

[0066] 设置联合预警指标的意义在于：当各单一指标都显著变化却没有超过各自预警阈值时，联合指标能对各参数的整体变化做出预警。使用无量纲的综合评估指数IR来判断围岩稳定性:

[0067]

[0068] 式中：b1、b2、b3为综合判断权重和为3，由专家及现场工程师讨论得到。

[0069] 围岩稳定性评估过程如下：

[0070] 通过前期数据，讨论制定每项参数的预警阈值，将数据分为正常，不稳定以及危险。在评估围岩稳定性时，考虑上文中四个预警指标。以下为围岩稳定性为危险的充分条件：

[0071] (1)相对应力预警指标超过危险预警阈值。

[0072] (2)微震事件预警指标超过危险预警阈值。

[0073] (3)位移预警指标超过危险预警阈值。

[0074] (4)联合预警指标超过危险预警阈值。

[0075] 以下为围岩稳定性为正常的必要条件：

[0076] (1)相对应力预警指标没有超过危险预警阈值。

[0077] (2)微震事件预警指标没有超过不稳定预警阈值。

[0078] (3)位移预警指标没有超过不稳定预警阈值。

[0079] (4)联合预警指标没有超过不稳定预警阈值。

[0080] 其他情况将围岩稳定性判定为不稳定。

[0081] 使用的污染物安全性预警指标如下：

[0082] 在对污染物泄漏危险性进行评估时，分别考虑气体及液体污染物状态。将要监测气体当前浓度Cn以及一定时间内浓度变化趋势线斜率bn作为评估危险性的预警指标。对于液体污染物，使用封闭体中渗透压力计得到测点处孔隙压力Πi,作为预警指标。

[0083] 污染物安全性评估过程如下：

[0084] 通过前期数据，制定每项参数的预警阈值，将数据分为正常，不稳定以及危险。污染物状态判定为危险的充分条件如下：

[0085] (1)气体污染物浓度超过危险阈值

[0086] (2)气体污染物浓度趋势线斜率超过危险阈值

[0087] (3)相邻3个渗透压力计持续M时超过预警阈值

[0088] 将各预警参数实时显示于数据处理计算机中。

[0089] 由于采用了上述方案，本发明利用微震传感器、应力传感器及位移传感器对封存区域围岩地质参数进行监测，可以有效得到可以判断围岩安全性的数据；使用气体传感器和渗压计对潜在污染物进行监测，可以有效得到可以判断污染物稳定性的数据。通过数据进行评估可以实时做出对不同监测段污染物泄漏危险性的判断，并能及时对危险区域做出响应。

[0090] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。