矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法，该系统包括充填模拟承压系统

【技术实现步骤摘要】
矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法


[0001]本专利技术涉及巷道围岩稳定
，具体涉及一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法
。

技术介绍

[0002]随着碳排放的增加，全球气候变暖
、
海平面升高等一系列问题对人类的生存产生了严重而深远的影响，因此，多国采取二氧化碳封存措施以实现“碳达峰
、
碳中和”的发展目标，如何将二氧化碳持久稳定的封存以及实现封存维护期间安全高效的监测和预警成为目前研究的热点问题
。
近年来，采矿活动产生了很多废弃矿井，这些废弃矿井一般位于数百米甚至上千米的地下，其垮塌的采空区具有大量的孔裂隙，含有的碱性盐溶液可以对二氧化碳进行吸附和溶解，为二氧化碳的赋存提供了良好的密闭空间
。
矿山二氧化碳封存技术被认为具有巨大潜力且已经成功应用在煤矿现场，然而封存效果和监测稳定状态在封存维护阶段至关重要
。
以往常采用温度
、pH
值
、
声发射等指标方法作为监测二氧化碳封存状态的有效手段，这些监测方法虽然可以实现对封存状态出现异常时做出响应，但是容易受环境的影响，且常常无法及时做出有效的预测信息，因此急需研究新的监测手段以补充现有方法的缺陷
。
[0003]自然电位是一种可靠的监测手段，可以接收到岩石损伤断裂和含水状态等重要信息
。
在二氧化碳泄漏源处，由于气流的流动导致二氧化碳置换周围煤岩体内的水分而改变煤岩体孔裂隙中的液气含量比，而自然电位可以对之做出明显的反应，因此可用于二氧化碳封存监测中
。
目前在室内实验研究方面，用于模拟煤矿二氧化碳封存过程中泄漏状况相应的试验系统鲜少耳闻，且无法真实模拟实际矿山环境
。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于自然电信号的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统及方法
。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，包括充填模拟承压系统
、
电位采集系统
、
充气排气系统：
[0007]充填模拟承压系统包括右端开口的承压缸，承压缸右端设有密封盖，承压缸内部设有带空腔的岩石，空腔内设有碎石，岩石一端开口，岩石开口端设有填充体，填充体上设有一个用于模拟泄漏通道的缺口，承压缸上部设有能够对岩石施加应力的压盘；
[0008]电位采集系统包括电位采集仪
、
正电极
、
负电极
、
屏蔽双绞线，正电极以阵列方式布置在填充体的内表面
、
外表面以及岩石内腔的壁面上，负电极设置在填充体的外表面上，正电极
、
负电极均与屏蔽双绞线连接，屏蔽双绞线贯穿密封盖上设置的通线孔并与电位采集仪连接，
[0009]充气排气系统包括二氧化碳气瓶
、
废气回收气瓶
、
主管路
、
第一支管路
、
第二支管
路
、
第三支管路
、
第四支管路，二氧化碳气瓶上设有压力表，主管路一端与废气回收气瓶连接
、
另一端与第一支管路连接，第一支管路贯穿密封盖上设置的通管孔并与缺口连接，第二支管路一端与主管路连接
、
另一端贯穿承压缸左侧侧壁，第三支管路一端与主管路连接
、
另一端贯穿承压缸
、
岩石左侧侧壁，第四支管路一端与二氧化碳气瓶连接
、
另一端与第三支管路连接，第二支管路上设有第一抽气泵
、
第三阀门，主管路靠近废气回收气瓶的一端设有第二阀门，第四支管路上设有第一阀门，第三支管路上设有第二抽气泵
、
压力传感器，第一支管路上设有微量调节阀
。
[0010]优选地，承压缸和密封盖螺栓连接，以保持承压缸内部气密性
。
[0011]优选地，压盘底部设有绝缘板
。
[0012]优选地，屏蔽双绞线与通线孔之间的空隙
、
第一支管路与通管孔之间的空隙均用胶水进行封堵，以保持承压缸内部气密性
。
[0013]本专利技术还提供一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统的检测方法，包括：
[0014]S1
：将开有岩石
、
碎石和填充体浸入有
0.1mol/L
～
2mol/L
浓度的盐溶液中直至完全浸透，之后把岩石取出放入承压缸中，碎石放置在空腔内；在填充体的内表面
、
外表面以及岩石内腔的壁面上布置正电极阵列，正电极位置作为电位测点，在填充体的外表面上布置负电极，采用聚氨酯封孔剂对填充体与岩石之间的缝隙进行填充，将承压缸和密封盖连接，保持承压缸内部气密性；
[0015]S2
：通过压盘对岩石施加背景应力，电位采集仪记录各个电位测点处的电位值作为自然状态下岩石承载变形的电位值；
[0016]S3
：通过压盘对岩石施加预设的应力，打开第一阀门，关闭第二阀门
、
第三阀门
、
微量调节阀向空腔中充入二氧化碳，二氧化碳充入空腔过程为封存阶段；通过压力传感器观测空腔中的气体压力，在空腔中的二氧化碳气压达到
5MPa
时关闭第一阀门，停止充入二氧化碳，进入维护阶段；电位采集仪实时记录封存阶段
、
维护阶段电位信号的变化响应；
[0017]S4
：电位采集仪实时分析在封存阶段
、
维护阶段中的电位信号的强度变化，绘制二维电位响应云图，若电位强度值降低至小于警报阈值，表示存在气体泄漏的危险；
[0018]S5
：打开第二阀门
、
微量调节阀，空腔中的二氧化碳气体从缺口通过第一支管路进入废气回收气瓶，模拟自然泄漏状态；
[0019]S6
：提取所有电位测点实时记录的电位信号特征参数，计算电位波动振幅
A
V
，电位波动振幅
A
V
计算公式如下：
[0020]A
V
＝
|V
f+1
‑
V
f
|
[0021]式中，
V
f+1
为第
f+1
时刻的电位强度，
V
f
为第
f
时刻的电位强度；
[0022]S7
：采用反距离权重插值法对岩石壁面二维空间和填充体三维空间的未知特征参数值进行预测得到二维或三维电位分布图，将每个空间位置处的电位波动振幅的时间序列通过时窗划分为多个子时间序列，结合空间分量得到子时空序本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，包括充填模拟承压系统
、
电位采集系统
、
充气排气系统，其特征在于：充填模拟承压系统包括右端开口的承压缸
(12)
，承压缸
(12)
右端设有密封盖
(13)
，承压缸
(12)
内部设有带空腔
(3)
的岩石
(1)
，空腔
(3)
内设有碎石
(9)
，岩石
(1)
一端开口，岩石
(1)
开口端设有填充体
(2)
，填充体
(2)
上设有一个用于模拟泄漏通道的缺口
(4)
，承压缸
(12)
上部设有能够对岩石
(1)
施加应力的压盘
(15)
；电位采集系统包括电位采集仪
(21)、
正电极
(5)、
负电极
(6)、
屏蔽双绞线
(25)
，正电极
(5)
以阵列方式布置在填充体
(2)
的内表面
、
外表面以及岩石
(1)
内腔的壁面上，负电极
(6)
设置在填充体
(2)
的外表面上，正电极
(5)、
负电极
(6)
均与屏蔽双绞线
(25)
连接，屏蔽双绞线
(25)
贯穿密封盖
(13)
上设置的通线孔
(26)
并与电位采集仪
(21)
连接，充气排气系统包括二氧化碳气瓶
(7)、
废气回收气瓶
(10)、
主管路
(16)、
第一支管路
(17)、
第二支管路
(18)、
第三支管路
(19)、
第四支管路
(20)
，二氧化碳气瓶
(7)
上设有压力表
(8)
，主管路
(16)
一端与废气回收气瓶
(10)
连接
、
另一端与第一支管路
(17)
连接，第一支管路
(17)
贯穿密封盖
(13)
上设置的通管孔
(27)
并与缺口
(4)
连接，第二支管路
(18)
一端与主管路
(16)
连接
、
另一端贯穿承压缸
(12)
左侧侧壁，第三支管路
(19)
一端与主管路
(16)
连接
、
另一端贯穿承压缸
(12)、
岩石
(1)
左侧侧壁，第四支管路
(20)
一端与二氧化碳气瓶
(7)
连接
、
另一端与第三支管路
(19)
连接，第二支管路
(18)
上设有第一抽气泵
(23)、
第三阀门
(30)
，主管路
(16)
靠近废气回收气瓶
(10)
的一端设有第二阀门
(29)
，第四支管路
(20)
上设有第一阀门
(28)
，第三支管路
(19)
上设有第二抽气泵
(24)、
压力传感器
(14)
，第一支管路
(17)
上设有微量调节阀
(11)。2.
根据权利要求1所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，其特征在于，承压缸
(12)
和密封盖
(13)
螺栓连接，以保持承压缸
(12)
内部气密性
。3.
根据权利要求1所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，其特征在于，压盘
(15)
底部设有绝缘板
。4.
根据权利要求1所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统，其特征在于，屏蔽双绞线
(25)
与通线孔
(26)
之间的空隙
、
第一支管路
(17)
与通管孔
(27)
之间的空隙均用胶水进行封堵，以保持承压缸
(12)
内部气密性
。5.
权利要求1‑4任一所述的矿山二氧化碳封存泄漏源的电位响应实时检测系统的检测方法，其特征在于，包括：
S1
：将开有空腔的岩石
(1)、
碎石
(9)
和填充体
(2)
浸入有
0.1mol/L
～
2mol/L
浓度的盐溶液中直至完全浸透，之后把岩石
(1)
取出放入承压缸
(12)
中，碎石
(9)
放置在空腔
(3)
内；在填充体
(2)
的内表面
、
外表面以及岩石
(1)
内腔的壁面上布置正电极
(5)
阵列，正电极
(5)
位置作为电位测点，在填充体
(2)
的外表面上布置负电极
(6)
，采用聚氨酯封孔剂对填充体
(2)
与岩石
(1)
之间的缝隙进行填充，将承压缸
(12)
和密封盖
(13)
连接，保持承压缸
(12)
内部气密性；
S2
：通过压盘
(15)
对岩石
(1)
施加背景应力，电位采集仪
(21)
记录各个电位测点处的电位值作为自然状态下岩石
(1)
承载变形的电位值；
S3
：通过压盘
(15)
对岩石
(1)
施加预设的应力，打开第一阀门
(28)
，关闭第二阀门
(29)、
第三阀门
(30)、
微量调节阀
(11)
向空腔
(3)
中充入二氧化碳，二氧化碳充入空腔
(3)
过程为
封存阶段；通过压力传感器
(14)
观测空腔
(3)
中的气体压力，在空腔
(3)
中的二氧化碳气压达到
5MPa
时关闭第一阀门
(28)
，停止充入二氧化碳，进入维护阶段；电位采集仪
(21)
实时记录封存阶段
、
维护阶段电位信号的变化响应；
S4
：电位采集仪
(21)
实时分析在封存阶段
、
维护阶段中的电位信号的强度变化，绘制二维电位响应云图，若电位强度值降低至小于警报阈值，表示存在气体泄漏的危险；
S5
：打开第二阀门
(29)、
微量调节阀
(11)
，空腔
(3)
中的二氧化碳气体从缺口
(4)
通过第一支管路
(17)
进入废气回收气瓶
(10)
，模拟自然泄漏状态；
S6
：提取所有电位测点实时记录的电位信号特征参数，计算电位波动振幅
A
V
，电位波动振幅
A
V
计算公式如下：
A
V
＝
|V
f+1
‑
V
f
|
式中，
V
f+1
为第
f+1
时刻的电位强度，
V
f
为第
f
时刻的电位强度；
S7
：采用反距离权重插值法对岩石壁面二维空间和填充体三维空间的未知特征参数值进行预测得到二维或三维电位分布图，将每个空间位置处的电位波动振幅的时间序列通过时窗划分为多个子时间序列，结合空间分量得到子时空序列；采用模糊
C
均值聚类方法对不同时窗中的子时空序列进行分析，并得到每个时窗的聚类中心和隶属度矩阵；通过与前面的正常运行状态的数据进行比较得到每个子时空序列的异常度值，再依据隶属度矩阵对时窗中的每个聚类赋予相对异常度值，可依据不同空间位置处的待测时窗中从属聚类的相对异常度值的大小判断充填岩体是否处于正常状态；计算任一空间位置处时窗聚类的平均相对异常概...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠辉，单天成，王笑然，张昕，陈栋，贾海珊，张超林，田贺，钮月，殷山，王冬明，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：