CN104344785B - 煤层细微变形量自动测试装置 - Google Patents

Abstract

煤层细微变形量自动测试装置，包括设在煤层钻孔内的内上楔形块、内下楔形块、外上楔形块、外下楔形块、钢丝绳、不锈钢管、刻度尺、数显表和防爆外壳。当煤层发生变形后，不锈钢管和钢丝绳随之产生相对位移，从而带动刻度尺或数显表移动，能够对保护层开采后被保护层的变形量实施较为高效精确的测量，并进而对保护层的最小保护超前距和消突时效性进行相对准确的考察，这对提高矿井生产效率，保证安全生产具有重要的意义。

Description

煤层细微变形量自动测试装置

技术领域

本发明属于煤矿防瓦斯突出安全治理技术领域，具体涉及一种煤层细微变形量自动测试装置。

背景技术

我国煤与瓦斯突出发生的次数和突出的强度位居世界前列。在前人长期的理论研究和突出危险煤层的开采实践过程中，保护层开采及卸压瓦斯抽采被认为是开采煤层群时预防瓦斯突出最安全、经济、有效措施。保护层开采技术原理为通过保护层的开采，顶底板岩层发生移动变形，使被保护煤层发生卸压、膨胀，煤层透气性增加，吸附瓦斯解吸，同时采用预先施工好的钻孔或是巷道抽采卸压瓦斯，有效降低煤层瓦斯含量，消除煤层的突出危险性。突出矿井首次开采某个保护层时，应当对被保护层进行区域措施效果检验及保护范围的实际考察。如果被保护层的最大膨胀变形量大于千分之三，则检验和考察结果可适用于其他区域的同一保护层和被保护层；否则，应当对每个预计的被保护区域进行区域措施效果检验。可见煤层顶底板位移量的准确测量对于考察被保护层的卸压程度显得尤为重要。

目前，对于煤层相对变形量的考察可分为实验室考察和现场考察，就实验室考察煤层相对变形量而言，首先构建相似模型花费财力巨大，其次尽管相似模型是按照一定相似的参数比例以及相似的材料模拟煤（岩）层的赋存环境，并在开挖状态下对被保护层的变形位移变化进行考察，但是其变形量的变化仍与井下实际被保护层变形位移的变化有很大的出入，并不能真实的反映出被保护层实际的卸压范围。现场对煤层相对变形量的考察主要是采用深部基点法，该方法是利用固定于顶板的钢筋与固定于底板的钢管随顶底板移动而产生的相对位移来确定煤层的变形量，在现场常用卷尺、百分表或千分尺来进行测量，但是在现场实施过程中，顶板固定钢筋安装极不方便，而且暴露于钻孔外的钢筋不利于巷道内材料的运输和工人的作业，再加上受测量工具和人的影响，在测量过程中往往伴随有误差，这些误差在一定程度上会影响煤层变形量的精确性。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种煤层细微变形量自动测试装置。该自动测试装置是一种以实施考察变形孔为特殊条件，以煤层顶底板位移为特殊考察对象，在此基础上它能够有效消除人为因素所带来的测量误差，并且能够为井下测量人员进行数据采集带来便利，同时该装置能够持续保持对煤层变形位移的考察，并不影响井下巷道的运输和人员的作业。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：煤层细微变形量自动测试装置，包括设在煤层钻孔内的内上楔形块、内下楔形块、外上楔形块、外下楔形块、钢丝绳、不锈钢管、刻度尺、数显表和防爆外壳，煤层钻孔倾斜开设，内上楔形块和内下楔形块位于煤层钻孔当中煤层顶板处，内上楔形块和内下楔形块的斜面顶压配合，内上楔形块的上侧面和内下楔形块的下侧面分别与煤层钻孔内壁上表面和下表面顶压配合，外上楔形块和外下楔形块位于煤层钻孔当中煤层底板处，外上楔形块和外下楔形块的斜面顶压配合，外上楔形块的上侧面和外下楔形块的下侧面分别与煤层钻孔内壁上表面和下表面顶压配合，外下楔形块外表面与不锈钢管内端固定连接，不锈钢管外端伸出煤层钻孔；

不锈钢管上部在煤层钻孔外设有两个圆孔，不锈钢管外在每个圆孔处均设有一个通过螺栓连接的上卡环和下卡环，每个上卡环上均固定设有一个插入到圆孔内的支杆，刻度尺两端下部分别与两根支杆上端固定连接，数显表设在防爆外壳内部，刻度尺上滑动连接有滑块，滑块表面与防爆外壳外表面固定连接；

钢丝绳穿设在不锈钢管内，上端钢丝绳内端沿煤层钻孔向内穿过外下楔形块并与内下楔形块固定连接，支杆下端位于钢丝绳上方，不锈钢管上部沿长度方向开设有一道长槽孔，长槽孔在两个圆孔之间，滑块底部设有连接杆，连接杆下端通过连接件与钢丝绳固定连接。

所述连接件包括U型卡和穿在U型卡上的压板，钢丝绳穿过U型卡并通过压板及螺母紧固，所述螺母螺纹连接在U型卡上，连接杆下端通过连接板与U型卡上端连接，不锈钢管内底部设有位于长槽孔两端的垫片，垫片厚度与U型卡外径尺寸相当。

所述内上楔形块和内下楔形块的外端分别固定连接有钢筋。

采用上述技术方案，本发明的具体安装设置过程为：

首先，在煤层钻孔的煤层顶板及煤层底板处各安装一对钢楔。将连接钢丝绳的内下楔形块和用于固定的内下楔形块的内上楔形块的接触面错开并相互连接，内下楔形块和内上楔形块分别需要两根直管向顶板位置运送，将一根直管套在钢丝绳上，内下楔形块上的钢筋插入到直管内，向上送内下楔形块，同时，将内上楔形块上的钢筋插入到另一根直管内，向上送内上楔形块，根据打钻时计量的见煤深度和穿煤长度，将内上楔形块和内下楔形块送入煤层顶板。到达位置后，向上打击连接内上楔形块的直管，内上楔形块和内下楔形块错位并相互挤压，固定在煤层钻孔内的顶板处，然后将两根直管抽出。钢丝绳伸出煤层钻孔外，外下楔形块和外上楔形块的固定准备工作以及固定安装过程与前述程序相同，用一根直管和一根本发明中的不锈钢管分别顶着外上楔形块和外下楔形块向煤层钻孔内运送到煤层底板位置。再击向上打击连接外上楔形块的直管，使固定外下楔形块和外上楔形块相互挤压固定在煤层底板处，然后撤出直管。不锈钢管外端伸出煤层钻孔外，在两个圆孔处安装上卡环和下卡环，将刻度尺固定好，选定初始位置，并记录初始读数，在数显表外侧再用螺栓固定防爆外壳；将带长槽孔处露出钢丝绳往管口方向拉直，与此同时拧紧U型卡与钢丝绳固定。

本发明在变形考察孔（煤层钻孔）内安装完成后，每天对读数的变化进行观测。伴随着保护层工作面的推进，被保护层受保护区域受保护层开采的影响，煤层将发生变形，将反应在处于煤层顶板位置连接有钢丝绳的内下楔形块与处于煤层底板位置连接有不锈钢管的组合外下楔形块所发生的相对移动，具体体现在孔口处刻度尺与数显表的相对变化；当被保护煤层发生压缩变形时，钢丝绳和不锈钢管往下移动，钢丝绳的移动距离大于不锈钢管的移动距离，数显表相对于刻度尺往下移动，此时记录的这段变化距离为煤层的压缩变形值，当煤层发生膨胀变形时，数显表相对于刻度尺往上移动，记录此时的变化距离为煤层的膨胀变形值。通过每天对数显表读数的观测，实现对被保护煤层变形情况的精确考察。

当钢丝绳带动数显表的位移超过量程时，只需将U型卡上的螺母松开，重新选定位置，将螺母拧紧，压板和U型卡将钢丝绳紧固，并重新记录读数即可。

本发明中的不锈钢管可采用多根串联设置，本发明中的刻度尺和滑块可采用游标刻度尺。

在煤层内倾斜开设煤层钻孔，这样有助于钢丝绳自身靠重力保持伸长状态。确保煤层系微变形测试的准确性。两个垫片可使钢丝绳与不锈钢管处于同一方向。

为了使刻度尺与不锈钢管固定得更加紧密，将刻度尺两端加厚，以便刻度尺下部直接与上卡环连为一体，这样做可以避免使用固定连接件，防止连接件变松影响固定效果。刻度尺前后端加厚部分与管卡的上卡环之间设计成圆柱状，并进入不锈钢管内部，进入不锈钢管部分的长度应小于5mm，防止与不锈钢管内的钢丝绳接触。下卡环用螺栓与上卡环连接。刻度尺主尺量程为15cm，在刻度尺面用专用双面胶贴一片150mm的定栅，在定栅上面贴刻度膜，起到保护尺身的作用。

防爆外壳内的空腔是数显表周围被外壳包围的空间。该空间可防止数显表内部元件的热量施加到防爆外壳外面的爆炸性物质上。防爆外壳由5块等厚的矩形薄板焊接而成，后盖用螺栓固定一等厚的矩形薄板，防爆外壳上部开口使数显表的显示屏露出。防爆外壳具有足够的强度，所能承受的爆炸压力应大于井下爆炸性物质的爆炸压力。

数显表由液晶显示屏、电路板、按钮、固定螺钉、电池、动栅、反射栅等部件组成。数显表利用螺钉与滑块固定，当钢丝绳和不锈钢管发生相对位移时，主尺上的定栅与数显表内的动栅也会发生相对移动，通过定栅与动栅之间的电容耦合，将机械位移量转变成为电信号，电信号进入电子电路后，再经过一系列变换和运算后，在显示屏上显示出机械位移量。

综上所述，本发明与传统测量煤层变形的方法相比，不同之处之一是利用特制的数显刻度尺对钢管和钢丝绳的相对位移进行测量。该数显刻度尺测量系统由刻度尺和数显表组成，刻度尺与不锈钢管前后两端固定在一起，数显表下方的U型卡与钢丝绳固定，当煤层发生变形后，不锈钢管和钢丝绳随之产生相对位移，从而带动刻度尺或数显表移动，刻度尺正面和数显表背面的容栅片相互感应，将相对位移量转变为脉冲讯号，通过计数器和显示器将位移量用数字显示在屏幕上。

本发明具有的有益效果为：实现了对煤层细微变形位移的精确读数（精确到0.01mm），读数期间不存在人为因素影响读数结果；此装置大大减小了深入巷道断面的距离，从而方便了人员的作业和材料的运输（采用1m、1.5m、2m的不锈钢管、质地柔软的钢丝绳）；对于煤层变形位移的测量实现了可视化操作，极大地方便了井下人员进行测量工作，提高了人员的工作效率（巷道断面积过大，人员无法看清顶板的读数）。

本发明装置具有测量精度高、使用安全高效、取材经济实用、使用便捷并且不影响巷道运输与人员作业等优点，能够对保护层开采后被保护层的变形量实施较为高效精确的测量，并进而对保护层的最小保护超前距和消突（消除瓦斯突出）时效性进行相对准确的考察，这对提高矿井生产效率，保证安全生产具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是图2中B处的放大图；

图4是图3的右视图；

图5是图2中不锈钢管的俯视图；

图6是图2中下卡环和上卡环的左视图。

具体实施方式

如图1～图6所示，本发明的煤层细微变形量自动测试装置，包括设在煤层钻孔1内的内上楔形块2、内下楔形块3、外上楔形块4、外下楔形块5、钢丝绳6、不锈钢管7、刻度尺8、数显表9和防爆外壳10，煤层钻孔1倾斜开设，内上楔形块2和内下楔形块3位于煤层钻孔1当中煤层顶板处，内上楔形块2和内下楔形块3的斜面顶压配合，内上楔形块2的上侧面和内下楔形块3的下侧面分别与煤层钻孔1内壁上表面和下表面顶压配合，外上楔形块4和外下楔形块5位于煤层钻孔1当中煤层底板处，外上楔形块4和外下楔形块5的斜面顶压配合，外上楔形块4的上侧面和外下楔形块5的下侧面分别与煤层钻孔1内壁上表面和下表面顶压配合，外下楔形块5外表面与不锈钢管7内端固定连接，不锈钢管7外端伸出煤层钻孔1。

不锈钢管7上部在煤层钻孔1外设有两个圆孔11，不锈钢管7外在每个圆孔11处均设有一个通过螺栓12连接的上卡环13和下卡环14，每个上卡环13上均固定设有一个插入到圆孔11内的支杆15，刻度尺8两端下部分别与两根支杆15上端固定连接，数显表9设在防爆外壳10内部，刻度尺8上滑动连接有滑块16，滑块16表面与防爆外壳10外表面固定连接。

钢丝绳6穿设在不锈钢管7内，上端钢丝绳6内端沿煤层钻孔1向内穿过外下楔形块5并与内下楔形块3固定连接，支杆15下端位于钢丝绳6上方，不锈钢管7上部沿长度方向开设有一道长槽孔17，长槽孔17在两个圆孔11之间，滑块16底部设有连接杆18，连接杆18下端通过连接件与钢丝绳6固定连接。

连接件包括U型卡20和穿在U型卡20上的压板19，钢丝绳6穿过U型卡20并通过压板19及螺母21紧固，所述螺母21螺纹连接在U型卡20上，连接杆18下端通过连接板23与U型卡20上端连接，不锈钢管7内底部设有位于长槽孔17两端的垫片22，垫片22厚度与U型卡20外径尺寸相当。

内上楔形块2和内下楔形块3的外端分别固定连接有钢筋。

图1中附图标记24、25分别为煤层和岩层，内上楔形块2、内下楔形块3、外上楔形块4和外下楔形块5是设置在岩层25当中并与煤层24临近。

本发明的具体安装设置过程为：

首先，在煤层钻孔1的煤层顶板及煤层底板处各安装一对钢楔。将连接钢丝绳6的内下楔形块3和用于固定的内下楔形块3的内上楔形块2的接触面错开并相互连接，内下楔形块3和内上楔形块2分别需要两根直管向顶板位置运送，将一根直管套在钢丝绳6上，内下楔形块3上的钢筋插入到直管内，向上送内下楔形块3，同时，将内上楔形块2上的钢筋插入到另一根直管内，向上送内上楔形块2，根据打钻时计量的见煤深度和穿煤长度，将内上楔形块2和内下楔形块3送入煤层顶板。到达位置后，向上打击连接内上楔形块2的直管，内上楔形块2和内下楔形块3错位并相互挤压，固定在煤层钻孔1内的顶板处，然后将两根直管抽出。钢丝绳6伸出煤层钻孔1外，外下楔形块5和外上楔形块4的固定准备工作以及固定安装过程与前述程序相同，用一根直管和一根本发明中的不锈钢管7分别顶着外上楔形块4和外下楔形块5向煤层钻孔1内运送到煤层底板位置。再击打连接外上楔形块4的直管，使固定外下楔形块5和外上楔形块4相互挤压固定在煤层底板处，然后撤出直管。不锈钢管7外端伸出煤层钻孔1外，在两个圆孔11处安装上卡环13和下卡环14，将刻度尺8固定好，选定初始位置，并记录初始读数，在数显表9外侧再用螺栓固定防爆外壳10；将带长槽孔17处露出钢丝绳6往管口方向拉直，与此同时拧紧U型卡20与钢丝绳6固定。

本发明在变形考察孔（煤层钻孔1）内安装完成后，每天对读数的变化进行观测。伴随着保护层工作面的推进，被保护层受保护区域受保护层开采的影响，煤层将发生变形，将反应在处于煤层顶板位置连接有钢丝绳6的内下楔形块3与处于煤层底板位置连接有不锈钢管7的组合外下楔形块5所发生的相对移动，具体体现在孔口处刻度尺8与数显表9的相对变化；当被保护煤层发生压缩变形时，钢丝绳6和不锈钢管7往下移动，钢丝绳6的移动距离大于不锈钢管7的移动距离，数显表9相对于刻度尺8往下移动，此时记录的这段变化距离为煤层的压缩变形值，当煤层发生膨胀变形时，数显表9相对于刻度尺8往上移动，记录此时的变化距离为煤层的膨胀变形值。通过每天对数显表9读数的观测，实现对被保护煤层变形情况的精确考察。

当钢丝绳6带动数显表9的位移超过量程时，只需将U型卡20上的螺母21松开，重新选定位置，将螺母21拧紧，压板19和U型卡20将钢丝绳6紧固，并重新记录读数即可。

本发明中的不锈钢管7可采用多根串联设置，本发明中的刻度尺8和滑块16可采用游标刻度尺8。

在煤层内倾斜开设煤层钻孔1，这样有助于钢丝绳6自身靠重力保持伸长状态。确保煤层系微变形测试的准确性。两个垫片22可使钢丝绳6与不锈钢管7处于同一方向。

为了使刻度尺8与不锈钢管7固定得更加紧密，将刻度尺8两端加厚，以便刻度尺8下部直接与上卡环13连为一体，这样做可以避免使用固定连接件，防止连接件变松影响固定效果。刻度尺8前后端加厚部分与管卡的上卡环13之间设计成圆柱状，并进入不锈钢管7内部，进入不锈钢管7部分的长度应小于5mm，防止与不锈钢管7内的钢丝绳6接触。下卡环14用螺栓12与上卡环13连接。刻度尺8主尺量程为15cm，在刻度尺8面用专用双面胶贴一片150mm的定栅，在定栅上面贴刻度膜，起到保护尺身的作用。

防爆外壳10内的空腔是数显表9周围被外壳包围的空间。该空间可防止数显表9内部元件的热量施加到防爆外壳10外面的爆炸性物质上。防爆外壳10由5块等厚的矩形薄板焊接而成，后盖用螺栓固定一等厚的矩形薄板，防爆外壳10上部开口使数显表9的显示屏露出。防爆外壳10具有足够的强度，所能承受的爆炸压力应大于井下爆炸性物质的爆炸压力。

数显表9由液晶显示屏、电路板、按钮、固定螺钉、电池、动栅、反射栅等部件组成。数显表9利用螺钉与滑块16固定，当钢丝绳6和不锈钢管7发生相对位移时，主尺上的定栅与数显表9内的动栅也会发生相对移动，通过定栅与动栅之间的电容耦合，将机械位移量转变成为电信号，电信号进入电子电路后，再经过一系列变换和运算后，在显示屏上显示出机械位移量。

综上所述，本发明与传统测量煤层变形的方法相比，不同之处之一是利用特制的数显刻度尺8对钢管和钢丝绳6的相对位移进行测量。该数显刻度尺8测量系统由刻度尺8和数显表9组成，刻度尺8与不锈钢管7前后两端固定在一起，数显表9下方的U型卡20与钢丝绳6固定，当煤层发生变形后，不锈钢管7和钢丝绳6随之产生相对位移，从而带动刻度尺8或数显表9移动，刻度尺8正面和数显表9背面的容栅片相互感应，将相对位移量转变为脉冲讯号，通过计数器和显示器将位移量用数字显示在屏幕上。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.煤层细微变形量自动测试装置，其特征在于：包括设在煤层钻孔内的内上楔形块、内下楔形块、外上楔形块、外下楔形块、钢丝绳、不锈钢管、刻度尺、数显表和防爆外壳，煤层钻孔倾斜开设，内上楔形块和内下楔形块位于煤层钻孔当中煤层顶板处，内上楔形块和内下楔形块的斜面顶压配合，内上楔形块的上侧面和内下楔形块的下侧面分别与煤层钻孔内壁上表面和下表面顶压配合，外上楔形块和外下楔形块位于煤层钻孔当中煤层底板处，外上楔形块和外下楔形块的斜面顶压配合，外上楔形块的上侧面和外下楔形块的下侧面分别与煤层钻孔内壁上表面和下表面顶压配合，外下楔形块外表面与不锈钢管内端固定连接，不锈钢管外端伸出煤层钻孔；

不锈钢管上部在煤层钻孔外设有两个圆孔，不锈钢管外在每个圆孔处均设有一个通过螺栓连接的上卡环和下卡环，每个上卡环上均固定设有一个插入到圆孔内的支杆，刻度尺两端下部分别与两根支杆上端固定连接，数显表设在防爆外壳内部，刻度尺上滑动连接有滑块，滑块表面与防爆外壳外表面固定连接；

钢丝绳穿设在不锈钢管内，上端钢丝绳内端沿煤层钻孔向内穿过外下楔形块并与内下楔形块固定连接，支杆下端位于钢丝绳上方，不锈钢管上部沿长度方向开设有一道长槽孔，长槽孔在两个圆孔之间，滑块底部设有连接杆，连接杆下端通过连接件与钢丝绳固定连接。

2.根据权利要求1所述的煤层细微变形量自动测试装置，其特征在于：所述连接件包括U型卡和穿在U型卡上的压板，钢丝绳穿过U型卡并通过压板及螺母紧固，所述螺母螺纹连接在U型卡上，连接杆下端通过连接板与U型卡上端连接，不锈钢管内底部设有位于长槽孔两端的垫片，垫片厚度与U型卡外径尺寸相当。

3.根据权利要求1或2所述的煤层细微变形量自动测试装置，其特征在于：所述内上楔形块和内下楔形块的外端分别固定连接有钢筋。