CN106840070B - 采动覆岩内部岩移监测系统及检测方法 - Google Patents

采动覆岩内部岩移监测系统及检测方法 Download PDF

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Abstract

一种采动覆岩内部岩移监测系统及检测方法，适用于煤矿安全开采监测使用。包括活动卡盘，内通钢丝绳的PVC管，套管，PVC管口上方的监测箱包含位移数据采集单元、位移传感器、数据处理和分析单元、基于GPRS传输网络短信发送单元，具有短信接收单元的计算机数据处理中心。当岩层发生内部岩移时，其位移变化量可由监测箱中的数据采集单元进行收集，经GPRS传输网络短信发送单元传输到计算机数据处理中心，最后反馈到预警装置，实现安全预警的目的。其操作简单，测量精度高，测点数量可控，一次性可以下放数十个多点位移监测，同时避免钢丝绳缠绕和断线问题，还能实现自动化测量和实时动态监测安全预警。

Description

采动覆岩内部岩移监测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及一种监测系统及检测方法，适用于煤矿井下安全监测使用的采动覆岩内部岩移监测系统及检测方法。
背景技术
采场矿压主要取决于采场覆岩性质及运动，研究采场矿压一般性规律与异常现象的内在联系和地表沉陷与坍塌问题离不开对采场覆岩运动的研究，关于采场覆岩结构及运动的研究中，砌体梁理论及相应岩层控制的关键层理论的接受度最高、应用最为广泛。随着实测技术的进步，采场顶板覆岩运动的现场观测技术日益完善，由观测地点的不同分为井下观测和井上观测。井上观测则是一种观测位置任意、范围全面、动态观测的理想观测方法，主要通过地面钻孔实现，可以在钻孔内布置位移观测点或利用钻孔窥视技术进行覆岩运动观测，这对解决地表沉陷问题和对认清采动覆岩破断运动对井下矿压的作用机制，完善采场矿压控制理论，可以掌握覆岩各关键层的破断运动对井下矿压的作用规律和影响程度，实现采场矿压的科学控制具有重要意义。
现有的多点位移监测系统存在很多的问题，对于通过钢丝绳张拉式多点位移监测系统，每次只能下放一个测点，且下放工序繁多，需要现场人员较多，受钻孔深度和孔内表面光滑程度影响，局限性比较大，向深孔下放测点时，容易出现断线和缠绕问题，操作复杂，工作量大，测点不可控，而且位移测量数据具有随机性；无法对采动覆岩内部岩移作出科学测量。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种切实可行，安装操作简单，一次性下放，测点可控，对多个不同深度的垂直位移和水平位移进行测量，监测和预警一体化的装置，实现了自动化测量和实时动态监测安全预警的采动覆岩内部岩移监测系统及检测方法。
为实现上述技术目的，本发明的采动覆岩内部岩移监测系统及检测方法，包括设置在被测采动覆岩内部岩移区域地面钻孔中的多测点监测装置和设在地面上钻孔口处的监测箱；
所述多测点监测装置包括多段套管，套管两端设有活动卡盘，套管与套管之间通过活动卡盘相互连接，套管内设有吊绳和多根内通钢丝绳的多根PVC管，所述的多根PVC管一端分别通过设在活动卡盘上的中间通孔固定在两个活动卡盘中间，构成测点，两个活动卡盘之间通过紧固螺栓连接紧固，多根PVC管的另一端与监测箱内部相连接；
所述监测箱包括固定在采动覆岩内部岩移区域地面钻孔处的壳体，壳体内设有多个位移数据采集处理装置、基于GPRS传输网络短信发送单元和蓄电池，其中位移数据采集处理装置包括顺序连接的位移数据采集单元、位移传感器和数据处理和分析单元，蓄电池与位移数据采集处理装置和基于GPRS传输网络短信发送单元相连接并为其供电，多根PVC管中的钢丝绳的分别与位移数据采集单元相连接。
所述活动卡盘为不锈钢材质，包括卡盘体，卡盘体中央设有通孔，背部为圆柱形，卡盘体上有螺纹孔，活动卡盘直径要比钻孔直径小8-9cm，中间通孔直径根据测点个数来确定。
套管选用PVC塑料管，抗拉强度低，易于随岩层移动而发生破坏，从而不影响内部岩移数据的测量，其内部直径要稍大于活动卡盘中央通孔直径，布置在上下两个测点之间，实现与活动卡盘间的密封，防止当全孔注浆时注浆浆液进入活动卡盘，影响各测点的准确测量。
所述基于GPRS传输网络短信发送单元和收集单元为GSM模块，具体为西门子TC35I模块。
一种采动覆岩内部岩移检测方法，其步骤如下：
a.在被测区域地面向采动覆岩垂直钻孔直至采场上方直接顶埋深所在位置，利用吊绳将多测点监测装置放入钻孔，随着下放过程将内通钢丝绳的PVC管固定在上下两个套管的活动卡盘之间，直至采场顶板覆岩主，亚关键层所在位置；
b.利用注浆设备从钻孔底部由下至上进行注浆封孔，使各个测点与采动覆岩固结为一体，选用内径8mm、外径12mm、注浆压力为0.5-0.8Mpa的一次性注浆管，根据压力来调节注浆速度，并且应调整浆液浓度，加快浆液凝固时间；
c.当采动覆岩内部岩层出现移动时，套管随岩层移动而发生剪断和拉断，设置在套管内与采动覆岩固结为一体的各个测点随岩层一起发生垂直运动或者水平运动，随即带动PVC管中的钢丝绳发生相应的位移；
d.利用位移数据经位移传感器采集与其相连接的各个钢丝绳的位移信息，位移信息通过数据处理和分析单元将计算出单位时间内岩层移动速度和准确位移值，再通过GPRS传输网络短信发送单元发送到具有短信接收单元的计算机数据处理中心，便可检测出采动覆岩内部岩移结果，并反馈到预警装置提醒工作人员，同时计算机数据处理中心也会将实时岩移数据传送到计算机云端，实现数据共享，方便远程管理中心对现场实施指导。
具有短信接收单元的计算机数据处理中心，分析和处理数据后反馈到预警装置，对实时采集的内部岩移数据监测和分析，在计算机中预先设置内部岩移范围参数，当具有短信接收单元的计算机数据处理中心传来的内部岩移数据超过这个范围时，计算机便会发出报警提示。
有益效果：本发明可以确保在监测采动覆岩内部岩移时，由于整套设备在地面完成组装，操作可控性提高；整体一次性下放，简化了很多工序和现场操作的复杂性，可以一次性下放的测点个数较多，实现了测点数量可控；受钻孔深度和孔内表面光滑程度影响较小，根据整个装置的自重和注浆深度条件，可用于最大钻孔深度800m；向深孔下放测点时，不会出现断线和缠绕问题，各个测点所测的采动覆岩内部岩移均是完全独立的被测量下来，使得测量结果准确、可靠，减少了监测系统所用设备本身对采动覆岩内部岩移测量结果的影响；而且需要现场工作人员较少，人员成本低；对钻孔的环境适应性强，测量精度高，操作简单；可以对多个不同深度的覆岩内部岩层的垂直位移和水平位移进行测量，监测和预警一体化，实时覆岩内部岩移数据远程共享，实现了自动化测量和实时动态监测，对采动覆岩内部岩移作出了科学测量。
附图说明
图1是本发明的采动覆岩内部岩移监测系统示意图。
图2是本发明的监测箱内部配置平面图。
图3是本发明的计算机云端与远程预警装置连接示意图。
图中：1-活动卡盘；2-PVC管；3-套管；4-紧固螺栓；5-监测箱；6-位移数据采集单元；7-位移传感器；8-数据处理和分析单元；9-基于GPRS传输网络短信发送单元；10-具有短信接收单元的计算机数据处理中心；11-蓄电池；12-吊绳.
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明的实施例做进一步描述：
如图1和图2所示，本发明的采动覆岩内部岩移监测系统,包括设置在被测采动覆岩内部岩移区域地面钻孔中的多测点监测装置和设在地面上钻孔口处的监测箱5；
所述多测点监测装置包括多段套管3，套管3两端设有活动卡盘1，所述活动卡盘1为不锈钢材质，包括卡盘体，卡盘体中央设有通孔，背部为圆柱形，卡盘体上有螺纹孔，活动卡盘直径要比钻孔直径小8-9cm，中间通孔直径根据测点个数来确定；套管3与套管3之间通过活动卡盘1相互连接，套管3内设有吊绳12和多根内通钢丝绳的多根PVC管2，所述的多根PVC管2一端分别通过设在活动卡盘1上的中间通孔固定在两个活动卡盘1中间，构成测点，两个活动卡盘1之间通过紧固螺栓4连接紧固，多根PVC管2的另一端与监测箱5内部相连接；套管3选用PVC塑料管，抗拉强度低，易于随岩层移动而发生破坏，从而不影响内部岩移数据的测量，其内部直径要稍大于活动卡盘1中央通孔直径，布置在上下两个测点之间，实现与活动卡盘1间的密封，防止当全孔注浆时注浆浆液进入活动卡盘1，影响各测点的准确测量；
所述监测箱5包括固定在采动覆岩内部岩移区域地面钻孔处的壳体，壳体内设有多个位移数据采集处理装置、基于GPRS传输网络短信发送单元9和蓄电池11，其中位移数据采集处理装置包括顺序连接的位移数据采集单元6、位移传感器7和数据处理和分析单元8，蓄电池11与位移数据采集处理装置和基于GPRS传输网络短信发送单元9相连接并为其供电，所述基于GPRS传输网络短信发送单元9和收集单元为GSM模块，具体为西门子TC35I模块，多根PVC管2中的钢丝绳的分别与位移数据采集单元6相连接。
一种采动覆岩内部岩移检测方法，其步骤如下：
a.在被测区域地面向采动覆岩垂直钻孔直至采场上方直接顶埋深所在位置，利用吊绳12将多测点监测装置放入钻孔，随着下放过程将内通钢丝绳的PVC管2固定在上下两个套管3的活动卡盘1之间，直至采场顶板覆岩主，亚关键层所在位置；
b.利用注浆设备从钻孔底部由下至上进行注浆封孔，使各个测点与采动覆岩固结为一体，选用内径8mm、外径12mm、注浆压力为0.5-0.8Mpa的一次性注浆管，根据压力来调节注浆速度，并且应调整浆液浓度，加快浆液凝固时间；
c.当采动覆岩内部岩层出现移动时，套管3随岩层移动而发生剪断和拉断，设置在套管3内与采动覆岩固结为一体的各个测点随岩层一起发生垂直运动或者水平运动，随即带动PVC管2中的钢丝绳发生相应的位移；
d.利用位移数据经位移传感器7采集与其相连接的各个钢丝绳的位移信息，位移信息通过数据处理和分析单元8将计算出单位时间内岩层移动速度和准确位移值，再通过GPRS传输网络短信发送单元发送到具有短信接收单元的计算机数据处理中心10，便可检测出采动覆岩内部岩移结果，并反馈到预警装置提醒工作人员，同时计算机数据处理中心也会将实时岩移数据传送到计算机云端，实现数据共享，方便远程管理中心对现场实施指导。
具有短信接收单元的计算机数据处理中心10，分析和处理数据后反馈到预警装置，对实时采集的内部岩移数据监测和分析，在计算机中预先设置内部岩移范围参数，当具有短信接收单元的计算机数据处理中心10传来的内部岩移数据超过这个范围时，计算机便会发出报警提示。
实际工作中各个施工说明
钻孔：在所要监测采动覆岩内部岩移区域，由井下矿压、内部岩移、地表沉陷综合起来确定地面钻孔的位置和数目，再结合钻孔难易程度和钻孔深度来确定工程时间，在孔口处做地面平整和硬化处理，在所有测点下方前，用测斜仪和钻孔电视来确定钻孔的倾斜度和光滑度。
将已经在地面组装好的部分装置由地面吊机通过与第一个活动卡盘1相连接的吊绳12一次性下放，随着第一个活动卡盘1下放，其上方的套管3也跟着同步下移，但套管3长度不易太长，一方面不方便运输，组装，另一方面下放过程中比较困难，两个测点之间选用多节套管3，利用下放套管3的自重达到各节套管3间的密封，当下放到第二个测点时，在孔口处由专门人员安装活动卡盘1，然后重复之前步骤，直至所有测点下放完毕。
注浆封孔：将注浆泵、搅拌机、贮浆槽等设备固定在钻孔周围适当位置建立注浆泵站，选用全液压，体积小、重量轻特点的高压注浆机和2.5～4m3/h搅拌量的搅拌机，在设计范围内该泵的压力排量可以任意调定，根据试验配制水泥浆，水灰比为0.6，强度较大，通过一次性注浆管从下往上注入水泥浆，当采动覆岩与钻孔内浆液固结为一体后封孔，然后进行孔口处地面监测箱安装。
地面监测：地面监测箱的安装和固定如图2所示，监测箱的尺寸由所安装的测点个数确定，边长尺寸范围80—120cm，厚度3mm，监测箱5底部中间留有长度为25cm的圆柱形通孔，通孔内部直径稍大于钻孔外部直径，监测箱5固定在钻孔口处，将内部位移数据采集单元6与每个测点所对应的PVC管内通钢丝绳管连接，并固定在监测箱5内部，另一端与位移传感器7相接，将内部岩移数据传输到数据处理和分析单元8，经基于GPRS传输网络短信发送模块9发送到计算机数据处理中心10，整个监测箱5内部硬件由固定在内部的蓄电池11通过电缆供电。
如图3所示，预警装置：所述的基于GPRS传输网络的短信发送模块9，用于把检测到的数据传送给远程计算机数据处理中心10，通过预先设置相关参数，当传送来的内部岩移数据达到或超过软件设置值时，计算机将会发出预警提示，此软件能实时对采集的内部岩移数据进行处理和分析；同时计算机数据处理中心也会将实时岩移数据传送到计算机云端，实现数据共享，方便远程管理中心对现场实施指导。

Claims (2)

1.一种采动覆岩内部岩移监测系统的检测方法，使用设置在被测采动覆岩内部岩移区域地面钻孔中的多测点监测装置和设在地面上钻孔口处的监测箱（5）；
所述多测点监测装置包括多段套管（3），套管（3）两端设有活动卡盘（1），套管（3）与套管（3）之间通过活动卡盘（1）相互连接，套管（3）内设有吊绳（12）和多根内通钢丝绳的多根PVC管（2），所述的多根PVC管（2）一端分别通过设在活动卡盘（1）上的中间通孔固定在两个活动卡盘（1）中间，构成测点，两个活动卡盘（1）之间通过紧固螺栓（4）连接紧固，多根PVC管（2）的另一端与监测箱（5）内部相连接；
所述监测箱（5）包括固定在采动覆岩内部岩移区域地面钻孔处的壳体，壳体内设有多个位移数据采集处理装置、基于GPRS传输网络短信发送单元（9）和蓄电池（11），其中位移数据采集处理装置包括顺序连接的位移数据采集单元（6）、位移传感器（7）和数据处理和分析单元（8），蓄电池（11）与位移数据采集处理装置和基于GPRS传输网络短信发送单元（9）相连接并为其供电，多根PVC管（2）中的钢丝绳的分别与位移数据采集单元（6）相连接；所述活动卡盘（1）为不锈钢材质，包括卡盘体，卡盘体中央设有通孔，背部为圆柱形，卡盘体上有螺纹孔，活动卡盘直径要比钻孔直径小8-9cm，中间通孔直径根据测点个数来确定；套管（3）选用PVC塑料管，抗拉强度低，易于随岩层移动而发生破坏，从而不影响内部岩移数据的测量，其内部直径要稍大于活动卡盘（1）中央通孔直径，布置在上下两个测点之间，实现与活动卡盘（1）间的密封，防止当全孔注浆时注浆浆液进入活动卡盘（1），影响各测点的准确测量；所述基于GPRS传输网络短信发送单元和收集单元为GSM模块，具体为西门子TC35I模块；
其特征在于步骤如下：
a. 在被测区域地面向采动覆岩垂直钻孔直至采场上方直接顶埋深所在位置，利用吊绳（12）将多测点监测装置放入钻孔，随着下放过程将内通钢丝绳的PVC管（2）固定在上下两个套管（3）的活动卡盘（1）之间，直至采场顶板覆岩主，亚关键层所在位置；
b. 利用注浆设备从钻孔底部由下至上进行注浆封孔，使各个测点与采动覆岩固结为一体，选用内径8mm、外径12mm、注浆压力为0.5-0.8Mpa的一次性注浆管，根据压力来调节注浆速度，并且应调整浆液浓度，加快浆液凝固时间；
c. 当采动覆岩内部岩层出现移动时，套管（3）随岩层移动而发生剪断和拉断，设置在套管（3）内与采动覆岩固结为一体的各个测点随岩层一起发生垂直运动或者水平运动，随即带动PVC管（2）中的钢丝绳发生相应的位移；
d. 利用位移数据经位移传感器（7）采集与其相连接的各个钢丝绳的位移信息，位移信息通过数据处理和分析单元（8）将计算出单位时间内岩层移动速度和准确位移值，再通过GPRS传输网络短信发送单元发送到具有短信接收单元的计算机数据处理中心（10），便可检测出采动覆岩内部岩移结果，并反馈到预警装置提醒工作人员，同时计算机数据处理中心也会将实时岩移数据传送到计算机云端，实现数据共享，方便远程管理中心对现场实施指导。
2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于：具有短信接收单元的计算机数据处理中心（10），分析和处理数据后反馈到预警装置，对实时采集的内部岩移数据监测和分析，在计算机中预先设置内部岩移范围参数，当具有短信接收单元的计算机数据处理中心（10）传来的内部岩移数据超过这个范围时，计算机便会发出报警提示。
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