CN106093195A - 一种煤层底板采动裂隙发育监测装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤层底板采动裂隙发育监测装置与方法，该装置包括在煤层底板上铺设的加固层，加固层上延巷道依次设置多个套管组件，套管组件穿过加固层穿入煤层底板中，套管组件包括管体和管体上的密封管盖，管体中安装有安装柱，安装柱底部设置有水压传感器和超声波探伤模块，管体侧壁上安装有纵向应力传感器和横向应力传感器，每个套管组件均与监测中心连接，监测中心包括控制模块、水压监测模块、裂隙探伤监测模块、应力监测模块、计时模块、报警模块。本发明中水压、裂隙和应力共同传递给监测中心以后，由监测中心判断煤层底板中是否有突水危险从而能够快速响应。

Description

一种煤层底板采动裂隙发育监测装置与方法
技术领域
本发明涉及煤矿采掘技术领域，尤其涉及一种煤层底板采动裂隙发育监测装置与方法。
背景技术
煤层底板突水实质上是采动应力诱发底板隔水层变形、破坏、构造活化，在底板中形成一条或多条导水通道，诱发底板含水层中高承压水沿导水通道突入采掘空间的过程。
22世纪90年代，煤科院西安分院提出底板突水是岩(底板砂页岩)、水(底板承压水)、应力(采动应力和地应力)共同作用的结果。采动矿压使底板隔水层出现一定深度的导水裂隙，降低了岩体强度，削弱了隔水性能，造成了底板渗流场重新分布，当承压水沿导水破裂进一步浸入时，岩体则因受水软化而导致裂缝继续扩展，直至两者相互作用的结果增强到底板岩体的最小主应力小于承压水水压时，便产生压裂扩容，发生突水。
现有技术中没有能够很好监测，煤层底板裂隙发育，从而防止底板突水的监测设备。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种能够快速有效的监测煤层底板，并且能够快速响应，提醒工作人员有底板突水危险的煤层底板采动裂隙发育监测装置与方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明的一种煤层底板采动裂隙发育监测装置，包括在煤层底板上铺设的加固层，所述加固层上延巷道依次设置多个套管组件，所述套管组件穿过所述加固层穿入煤层底板中，所述套管组件包括管体和管体上的密封管盖，所述管体中安装有安装柱，所述安装柱底部设置有水压传感器和超声波探伤模块，所述管体侧壁上安装有纵向应力传感器和横向应力传感器，每个所述套管组件均与监测中心连接，所述监测中心包括控制模块、水压监测模块、裂隙探伤监测模块、应力监测模块、计时模块、报警模块，所述水压监测模块、裂隙探伤监测模块、应力监测模块、计时模块、报警模块均与所述控制模块连接，所述水压监测模块还与每个水压传感器连接，所述裂隙探伤监测模块与每个所述超声波探伤模块连接，每个所述纵向应力传感器、横向应力传感器均与所述应力监测模块连接。
进一步地，所述安装柱纵向开设有贯穿的抽水孔，所述抽水孔上方安装有第一抽水接头，所述第一抽水接头通过抽水软管与密封管盖上的第二抽水接头连通，每个所述第二抽水接头均通过一个第一抽水电控开关与同一个抽水泵连接，所述控制模块还与抽水控制模块连接，所述抽水控制模块与每个所述第一抽水电控开关连接，所述抽水控制模块还与抽水泵连接。
进一步地，所述安装柱纵向开设有贯穿的注浆孔，所述注浆孔上方安装有第一注浆接头，所述第一注浆接头通过注浆软管与密封管盖上的第二注浆接头连通，每个所述第二注浆接头均通过一个第一注浆电控开关与同一个注浆泵连接，所述控制模块还与注浆控制模块连接，所述注浆控制模块与每个所述第一注浆电控开关连接，所述注浆控制模块还与注浆泵连接。
进一步地，所述安装柱底部设置有总出口，所述注浆孔和所述抽水孔通过电控三向阀与所述总出口连通，所述电控三向阀分别与抽水控制模块、注浆控制模块连接。
进一步地，所述安装柱与所述管体上端之间还设置有下压装置。
进一步地，所述下压装置包括设置在所述安装柱与密封管盖之间的压缩弹簧。
进一步地，所述下压装置包括设置在所述密封管盖上的注水接头，所述密封管盖与所述安装柱之间的空间与所述注水接头连通，所述注水接头与注水电控开关连接，每个所述注水电控开关均通过同一个调压装置后与注水泵连接，所述调压装置通过调压模块与控制模块连接，所述调压模块还与所述注水泵连接。
进一步地，本发明还提出一种监测方法，其利用了如上所述的监测装置，其特征在于：包括以下步骤：S1、采掘工作面煤层底板(1)中的岩样；S2、将岩样通过岩石伺服系统(24)进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试验；S3、将获取的式样数据发送给监测中心(9)；S4、监测中心(9)计算煤层底板(1)中额定水压、额定应力、额定裂隙尺寸；S5、监测中心(9)监测煤层底板(1)中的水压、应力、裂隙尺寸；S6、当水压大于额定水压，或应力大于额定应力，或裂隙尺寸大于额定裂隙尺寸时报警。
根据权利要求6所述的煤层底板采动裂隙发育的监测方法，其特征在于：所述步骤S5中，监测中心生成煤层底板的三维图形，并且导入探伤的裂隙，同时在裂隙中输入水压应力，通过有限元分析煤层底板的受力分布图。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在加固层上依次安装有多个套管组件，并且每个套管组件均穿过加固层后穿入煤层底板中，在每个套管组件上安装水压传感器、超声波探伤模块、纵向应力传感器和横向应力传感器，水压传感器用于监测煤层底板中溢水压力，而超声波探伤模块用于监测每个套管组件附近煤层底板中的裂隙，而纵向应力传感器和横向应力传感器共同监测煤层底板所受到的应力，水压、裂隙和应力共同传递给监测中心以后，由监测中心判断煤层底板中是否有突水危险从而能够快速响应。现有技术中具有突水的检测技术的表述，但是缺乏成型的专用突水警告设备，更没有如本申请这般全面的进行多种指标的突水检测的设备，这主要因为突水的判断本身比较复杂，要判断突水趋势也需要多方面数据支持，本发明的设备能及时提供综合信息，为专业人员对于突水趋势的分析研判能够提供最大程度的帮助，通过本发明的设备一次性得到水压、超声波、纵向应力、横向应力的数据后，可以互相对照，排出疑似情况和假警报，为科学决策提供最大限度的监测数据作为判断依据。现有技术中的监测方法多没有成型装置，或者装置以单一手段进行评测，结果是否可信，是否依据单一结果进行煤层的介入，往往难以判断，则本发明相对于现有技术具备突出的实质性特点和显著地进步。
附图说明
为了更清楚地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地介绍，显而易见地，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他的附图。
图1是本发明的煤层底板采动裂隙发育监测装置的结构示意图；
图2是本发明的套管组件的结构示意图；
图3是本发明的优选实施例中套管组件的结构示意图；
图4是本发明的煤层底板采动裂隙发育监测装置的控制原理图；
图5是本发明的煤层底板采动裂隙发育监测装置的监测方法。
附图标记说明：1、煤层底板；2、加固层，3、巷道；4、套管组件；5、水压传感器；6、超声波探伤模块；7、纵向应力传感器；8、横向应力传感器；9、监测中心；10、第一抽水接头；11、抽水软管，12、第二抽水接头；13、第一抽水电控开关，14、抽水泵，15、第一注浆接头，16、注浆软管，17、第二注浆接头，18、第一注浆电控开关，19、注浆泵，20、电控三向阀，21、注水电控开，22、调压装置，23、注水泵，24、岩石伺服系统，25、下压装置，26、注水接头，41、管体，42、密封管盖，43、安装柱，91、控制模块，92、水压监测模块，93、裂隙探伤监测模块，94、应力监测模块，95、计时模块，96、报警模块，97、抽水控制模块，98、注浆控制模块，99、调压模块，100、三维生成模块，101、信息收发模块，431、抽水孔，432、注浆孔，433、总出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1、图2、图4所示，本发明提供的一种煤层底板采动裂隙发育监测装置，包括在煤层底板1上铺设的加固层2，加固层2上延巷道3依次设置多个套管组件4，套管组件4穿过加固层2穿入煤层底板1中，套管组件4包括管体41和管体41上的密封管盖42，管体41中安装有安装柱43，安装柱43底部设置有水压传感器5和超声波探伤模块6，管体41侧壁上安装有纵向应力传感器7和横向应力传感器8，每个套管组件4均与监测中心9连接，监测中心9包括控制模块91、水压监测模块92、裂隙探伤监测模块93、应力监测模块94、计时模块95、报警模块96，水压监测模块92、裂隙探伤监测模块93、应力监测模块94、计时模块95、报警模块96均与控制模块91连接，水压监测模块92还与每个水压传感器5连接，裂隙探伤监测模块93与每个超声波探伤模块6连接，每个纵向应力传感器7、横向应力传感器8均与应力监测模块94连接。通过在加固层2上依次安装有多个套管组件4，并且每个套管组件4均穿过加固层2后穿入煤层底板1中，方便延整个巷道3底部的煤层底板1监测，在每个套管组件4上安装水压传感器5、超声波探伤模块6、纵向应力传感器7和横向应力传感器8，水压传感器5用于监测煤层底板1中溢水压力，而超声波探伤模块6用于监测每个套管组件4附近煤层底板中的裂隙，而纵向应力传感器7和横向应力传感器8共同监测煤层底板1所受到的应力，水压、裂隙和应力共同传递给监测中心9以后，由监测中心9判断煤层底板1中是否有突水危险从而能够快速响应。
在本实施例中，安装柱43纵向开设有贯穿的抽水孔431，抽水孔431上方安装有第一抽水接头10，第一抽水接头10通过抽水软管11与密封管盖42上的第二抽水接头12连通，每个第二抽水接头12均通过一个第一抽水电控开关13与同一个抽水泵14连接，控制模块91还与抽水控制模块97连接，抽水控制模块97与每个第一抽水电控开关13连接，抽水控制模块97还与抽水泵14连接。当煤层底板1中有溢水，并且水压监测模块92监测到溢水水压较大时，控制模块91通过抽水控制模块97控制抽水泵14启动，同时打开对应的第一抽水电控开关13，抽水泵14可以将溢水水压较大的套管组件4底部的水抽出。防止突水。
安装柱43纵向开设有贯穿的注浆孔432，注浆孔432上方安装有第一注浆接头15，第一注浆接头15通过注浆软管16与密封管盖42上的第二注浆接头17连通，每个第二注浆接头17均通过一个第一注浆电控开关18与同一个注浆泵19连接，控制模块91还与注浆控制模块98连接，注浆控制模块98与每个第一注浆电控开关18连接，注浆控制模块98还与注浆泵19连接。当超声波探伤模块6监测到套管组件4附近的孔隙较多较大时，控制模块91通过注浆控制模块98控制注浆泵19启动，通过注浆孔432向对应的套管组件4底部注浆，填充孔隙。防止裂隙进一步扩大，损坏煤层底板强度。
为了方便反冲洗注浆孔432，安装柱43底部设置有总出口433，注浆孔432和抽水孔431通过电控三向阀20与总出口433连通，电控三向阀20分别与抽水控制模块97、注浆控制模块98连接。当需要抽水时，电控三向阀20将抽水孔431与总出口433连通，注浆孔432截止，当需要注浆是，电控三向阀20将注浆孔432与总出口433连通，抽水孔431截止，当需要反冲洗注浆孔432时，电控三向阀20将抽水孔432与注浆孔433连通，总出口433截止，向抽水孔432中注水，水流从注浆孔433中返回冲洗注浆孔433。
为了方便在注浆后，浆液在孔隙中能够有一定的预压力，安装柱43与管体41上端之间还设置有下压装置25。下压装置25可以是设置在安装柱43与密封管盖42之间的压缩弹簧。通过压缩弹簧将安装柱43下压，从而压紧套管组件4下方的浆液。
参阅图3所示，在本发明的优选实施例中，下压装置25包括设置在密封管盖42上的注水接头26，密封管盖42与安装柱43之间的空间与注水接头26连通，注水接头26与注水电控开关21连接，每个注水电控开关21均通过同一个调压装置22后与注水泵23连接，调压装置22通过调压模块99与控制模块91连接，调压模块99还与所述注水泵23连接。由于使用压缩弹簧提供浆液的预压力时压力不方便调节，通过在密封管盖42上安装注水接头26，方便通过水压来提供预压力，调节方便。
优选的，监测中心9还包括与控制模块91连接的三维生成模块100、信息收发模块101，信息收发模块101与岩石伺服系统24连接，岩石伺服系统24共用于对煤层底板1中的灰岩与泥岩两种典型岩性的岩石进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试验。三维生成模块100用于生成煤层底板1和内部孔隙的三维模型，而岩石伺服系统24可以通过压缩实验监测煤层底板上岩层的应力数据，该应力数据可以直接通过信息收发模块101传递给监测中心9，监测中心方便对监测到的数据集中计算。该岩石伺服系统24可以是MTS816.03岩石伺服系统。
参阅图5所示，本发明还提供一种煤层底板采动裂隙发育监测装置的监测方法，包括以下步骤：
S1、采掘工作面煤层底板1中的岩样；
S2、将岩样通过岩石伺服系统24进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试验；
S3、将获取的式样数据发送给监测中心9；
S4、监测中心9计算煤层底板1中额定水压、额定应力、额定裂隙尺寸；
S5、监测中心9监测煤层底板1中的水压、应力、裂隙尺寸；
S6、当水压大于额定水压，或应力大于额定应力，或裂隙尺寸大于额定裂隙尺寸时报警。
在现场钻孔取芯获得岩样后立即封蜡，以保证与现场相同的湿度和含水率，运抵实验室后加工成标准岩石试件根据具体试验。根据具体实验需要，加工后的标准岩石试样为圆柱体，其平整度、垂直度均达到岩石试验规范标准。将检测过后的参数输送至监测中心9，监测中心同时监测煤层底板中的水压、应力和裂隙尺寸，在参数超标时进行报警或采取应对措施。
优选的，所述步骤S5中，监测中心9生成煤层底板的三维图形，并且导入探伤的裂隙，同时在裂隙中输入水压应力，通过有限元分析煤层底板1的受力分布图。通过生成煤层底板1和裂隙的三维模型，导入水压和岩石受到的应力即可分析煤层底板的应力分布。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种煤层底板采动裂隙发育监测装置，其特征在于：包括在煤层底板(1)上铺设的加固层(2)，所述加固层(2)上延巷道(3)依次设置多个套管组件(4)，所述套管组件(4)穿过所述加固层(2)穿入煤层底板(1)中，所述套管组件(4)包括管体(41)和管体(41)上的密封管盖(42)，所述管体(41)中安装有安装柱(43)，所述安装柱(43)底部设置有水压传感器(5)和超声波探伤模块(6)，所述管体(41)侧壁上安装有纵向应力传感器(7)和横向应力传感器(8)，每个所述套管组件(4)均与监测中心(9)连接，所述监测中心(9)包括控制模块(91)、水压监测模块(92)、裂隙探伤监测模块(93)、应力监测模块(94)、计时模块(95)、报警模块(96)，所述水压监测模块(92)、裂隙探伤监测模块(93)、应力监测模块(94)、计时模块(95)、报警模块(96)均与所述控制模块(91)连接，所述水压监测模块(92)还与每个水压传感器(5)连接，所述裂隙探伤监测模块(93)与每个所述超声波探伤模块(6)连接，每个所述纵向应力传感器(7)、横向应力传感器(8)均与所述应力监测模块(94)连接。
2.根据权利要求1所述的煤层底板采动裂隙发育监测装置，其特征在于：所述安装柱(43)纵向开设有贯穿的抽水孔(431)，所述抽水孔(431)上方安装有第一抽水接头(10)，所述第一抽水接头(10)通过抽水软管(11)与密封管盖(42)上的第二抽水接头(12)连通，每个所述第二抽水接头(12)均通过一个第一抽水电控开关(13)与同一个抽水泵(14)连接，所述控制模块(91)还与抽水控制模块(97)连接，所述抽水控制模块(97)与每个所述第一抽水电控开关(13)连接，所述抽水控制模块(97)还与抽水泵(14)连接；
并且所述安装柱(43)还纵向开设有贯穿的注浆孔(432)，所述注浆孔(432)上方安装有第一注浆接头(15)，所述第一注浆接头(15)通过注浆软管(16)与密封管盖(42)上的第二注浆接头(17)连通，每个所述第二注浆接头(17)均通过一个第一注浆电控开关(18)与同一个注浆泵(19)连接，所述控制模块(91)还与注浆控制模块(98)连接，所述注浆控制模块(98)与每个所述第一注浆电控开关(18)连接，所述注浆控制模块(98)还与注浆泵(19)连接。
3.根据权利要求2所述的煤层底板采动裂隙发育监测装置，其特征在于：所述安装柱(43)底部设置有总出口(433)，所述注浆孔(432)和所述抽水孔(431)通过电控三向阀(20)与所述总出口(433)连通，所述电控三向阀(20)分别与抽水控制模块(97)、注浆控制模块(98)连接。
4.根据权利要求3所述的煤层底板采动裂隙发育监测装置，其特征在于：所述安装柱(43)与所述管体(41)上端之间还设置有下压装置(25)；
所述下压装置(25)包括设置在所述安装柱(43)与密封管盖(42)之间的压缩弹簧；所述下压装置(25)还包括设置在所述密封管盖(42)上的注水接头(26)，所述密封管盖(42)与所述安装柱(43)之间的空间与所述注水接头(26)连通，所述注水接头(26)与注水电控开关(21)连接，每个所述注水电控开关(21)均通过同一个调压装置(22)后与注水泵(23)连接，所述调压装置(22)通过调压模块(99)与控制模块(91)连接，所述调压模块(99)还与所述注水泵(23)连接。
5.根据权利要求1所述的煤层底板采动裂隙发育监测装置，其特征在于：所述监测中心(9)还包括与所述控制模块(91)连接的三维生成模块(100)、信息收发模块(101)，所述信息收发模块(101)与岩石伺服系统(24)连接，所述岩石伺服系统(24)共用于对煤层底板(1)中的灰岩与泥岩两种典型岩性的岩石进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试验。
6.一种煤层底板采动裂隙发育的监测方法，其利用权利要求5所述的煤层底板采动裂隙发育监测装置进行，其特征在于：包括以下步骤：
S1、采掘工作面煤层底板(1)中的岩样；
S2、将岩样通过岩石伺服系统(24)进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试验；
S3、将获取的式样数据发送给监测中心(9)；
S4、监测中心(9)计算煤层底板(1)中额定水压、额定应力、额定裂隙尺寸；
S5、监测中心(9)监测煤层底板(1)中的水压、应力、裂隙尺寸；
S6、当水压大于额定水压，或应力大于额定应力，或裂隙尺寸大于额定裂隙尺寸时报警。
7.根据权利要求6所述的煤层底板采动裂隙发育的监测方法，其特征在于：所述步骤S5中，监测中心生成煤层底板的三维图形，并且导入探伤的裂隙，同时在裂隙中输入水压应力，通过有限元分析煤层底板的受力分布图。
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