CN106930753B - 一种露天煤矿排土场水位实时监测系统及其建立和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种露天煤矿排土场水位实时监测系统，所述露天煤矿排土场包括地上部分和地下部分，所述地上部分为位于原来地表上方的堆土场(1)，所述露天煤矿排土场水位实时监测系统包括第一测量井(2)和第二测量井(3)；所述第一测量井(2)设置于所述堆土场(1)的中部，在所述第一测量井(2)的下部设置有第一水位传感器(4)和位于其上部的固定套筒(5)，所述第二测量井(3)包括依次连接的竖直段(301)、水平段(302)和自由段(303)。本发明所述露天煤矿排土场水位实时监测系统结构简单、成本低、操作简便，使用效果显著，弥补了这一领域的空白。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿业机械，具体涉及一种露天煤矿排土场水位实时监测系统及其建立和使用方法。
背景技术
露天采煤直接剥离表土和煤层的上覆岩层，使煤层暴露后开采，并在采区内、外分层堆置剥离的岩土形成排土场。大型排土场是采区岩土混合堆积形成的人工巨型堆垫体。在大型排土场堆积形成过程中，排土场区域水位和水质变化对区域环境评估，对煤矿安全生产预警都有重要的作用。
排土场由无到有的过程实际上是整个露天矿区开采的过程，但是现在鲜有研究，有部分团队在排土场周围区域布设几个测井，对水位进行研究，这种布设方式需要多个测井，费用高，其次，并没有直接测试排土场实际水位和水质的变化，这对于科研研究而言并不严谨，不能进行排土场中心向周围区域水位和水质的变化趋势，最后，排土场从无到有，从大到小，也就是开采区域经历开采到开采形成排土场的整个过程的水位和水质变化，目前没有真正做到实时在线监测的，但是这个数据对于科学研究，环境评价和煤矿安全生产预警都有极其重要的参考价值；露天矿的排土场有“大雨大滑、小雨小滑、无雨不滑”的特点，因此实时监测排土场的水位变化情况，对排土场本身的稳定性具有重要意义。
主要难点有以下几点：
1、排土场区域会经历从无到有，地表经历从低到高的过程，因此测井也会逐步增加，如何实现监测井高度的安全稳定增加，并保证数据的稳定测试和传输是个难点；
2、排土场从纵向方向主要分为两个区域，一个是地表以上的堆土场区域，其水位主要补充水源为地表水，其变化大，受天气影响较大，其水位变化对排土场安全性影响极大；第二个是地表以下区域，受矿坑排水影响，其水位与矿坑排水和突水有直接关系，其水质好坏也是重要的参考数据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在排土场由无到有过程中，即露天矿开采前，开采中和开采后，如何克服现有的技术困难，实现排土场区域水位和水质变化情况，为此，本发明提供一种结构简单、成本低、操作简便的露天煤矿排土场水位实时监测系统。
一种露天煤矿排土场水位实时监测系统，所述露天煤矿排土场包括地上部分和地下部分，所述地上部分为位于原来地表上方的堆土场，所述露天煤矿排土场水位实时监测系统包括第一测量井和第二测量井；
所述第一测量井设置于所述堆土场的中部，在所述第一测量井的下部设置有第一水位传感器和位于其上部的固定套筒，在所述堆土场上方设置有线圈车，在所述线圈车上设置有第一无线传输模块，所述第一水位传感器连接第一线缆的一端，所述第一线缆的另一端穿过所述固定套筒与所述第一无线传输模块相连；
所述第二测量井包括依次连接的竖直段、水平段和自由段，其中，所述竖直段设置在地下，在所述竖直段和所述水平段连接处设置有固定滑轮，在所述竖直段的下部设置有第二水位传感器，所述第二水位传感器通过第二线缆与所述自由段外部的第二无线传输模块相连。
本发明所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其中，所述第一测量井由多个自密封套管上下连接而成，所述自密封套管由两个直径不同的中空管体套接固定而成，所述自密封套管的下部内径与上部外径一致。
本发明所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其中，所述固定套筒为圆柱形，在所述固定套筒的外侧壁上设置有多个向内凹陷的第一凹槽，在所述固定套筒的中心设置有上下贯通的通孔；所述固定套筒和所述自密封套管之间采用塑胶固定。
本发明所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其中，在所述自密封套管上设置有连通其内部和外部的第一线缆缝；在所述固定套筒上设置有连通其内部和外部的第二线缆缝。
本发明所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其中，所述第一水位传感器的内部从下至上包括依次连接的第一压力探头、长条形电池组和第一单片机，所述第一单片机还与所述第一压力探头相连，在所述第一水位传感器的底部设置有向上凹陷的第二凹槽，所述第二凹槽的顶部即为所述第一压力探头的底部。
本发明所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其中，所述第二水位传感器的内部从下至上包括依次连接的第二压力探头、变压装置和第二单片机，所述第二单片机还与所述第二压力探头相连，在所述第二水位传感器的底部设置有向上凹陷的第三凹槽，所述第三凹槽的顶部即为所述第二压力探头的底部；所述变压装置与外部电源相连。
本发明所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其中，所述固定滑轮包括滑轮支撑杆和与所述滑轮支撑杆相连的滑轮，所述滑轮的直径为30mm，宽度为25mm，所述滑轮支撑杆长为28mm，所述滑轮支撑杆与竖直面形成的夹角为40°。
本发明所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其中，所述第二测量井的竖直段为钻孔，所述水平段采用所述自密封套管左右连接而成，所述水平段设置在所述堆土场和原地表之间，所述自由段由中空橡胶材料制成，所述自由段竖直设置在所述堆土场的外部；
所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统还包括控制中心，分别与所述第一无线传输模块和所述第二无线传输模块通讯相连。
本发明所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其中，所述第一测量井的底端与原地表之间的距离为5-8m，横截面为直径80mm的圆形，所述第一线缆的长度比所述堆土场的高度长30m；
所述第二测量井的竖直段为直径80mm的钻孔，高度比1.2倍的矿坑深度高40m，所述自由段的高度为5m以上；
所述线缆车能够在直径10m的范围内自由移动，所述固定套筒的底端距离原地表之间的距离为40m，所述第一线缆缝和所述第二线缆缝的宽度为15mm，所述固定套筒的所述通孔的直径为15mm；所述自密封套管中部的外径为94mm，内径为80mm，底部的外径为94mm，内径为87mm，上部的外径为87mm，内径为80mm；
所述固定套筒的材质为高强度塑胶，所述自密封套管的材质为钢。
本发明所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统的建立及使用方法，包括如下步骤：
(A)根据设计的图纸找到堆土场的中心位置；
(B)打钻孔，形成第二测量井的竖直段，在其中安设第二水位传感器，并采用第二线缆固定在固定滑轮上，监测水位变化；
(C)2～3月后，露天矿开始开采工作面，并且开始将矿坑区域的表土层剥离到堆土场，这时铺设自密封套管形成水平段，并且将所述第二线缆从第一线缆缝里塞进去，连接到堆土场堆土范围之外；
(D)1～3月后，堆土场逐渐堆到5-8m高度，此时开始铺设所述自密封套管，形成第一测量井，同时，所述第二测量井的水平段外侧一端安装自由段，所述自由段为采用胶灌形式形成的橡胶管；
(E)3～5月后，堆土场逐渐堆到40m高度，开始监测所述第一测量井水位情况，安装第一水位传感器，并且在进口安装和封贴固定套筒，保证所述固定套筒以下的第一线缆和所述第一水位传感器不受井口以上的活动影响；
(F)2～3年后，此区域的堆土场高度几乎稳定，监测所述第一测量井和所述第二测量井的水位变化，时刻关注，做好滑坡预防工作。
本发明露天煤矿排土场水位实时监测系统与现有技术不同之处在于：本发明露天煤矿排土场水位实时监测系统具有如下优点：
排土场区域会经历从无到有，地表经历从低到高的过程，因此测井也会逐步增加，本发明的系统实现了监测井高度的安全稳定增加，并保证数据的稳定测试和传输；
排土场从纵向方向主要分为两个区域，一个是地表以上的堆土场区域，其水位主要补充水源为地表水，其变化大，受天气影响较大，其水位变化对排土场安全性影响极大；第二个是地表以下区域，受矿坑排水影响，其水位与矿坑排水和突水有直接关系；本发明的系统很好的兼顾了地上和地下部分的水位检测情况。
本发明的系统结构简单，方法简便易行，使用效果显著，弥补了这一领域的空白。
下面结合附图对本发明的露天煤矿排土场水位实时监测系统作进一步说明。
附图说明
图1为本发明露天煤矿排土场水位实时监测系统的整体结构示意图；
图2为本发明中自密封套管的结构示意图；
图3为图2的侧视图；
图4为本发明中固定套筒的结构示意图；
图5为图4的侧视图；
图6为本发明中第一水位传感器的结构示意图；
图7为本发明中第二水位传感器的结构示意图。
具体实施方式
如图1～图7所示，一种露天煤矿排土场水位实时监测系统，露天煤矿排土场包括地上部分和地下部分，地上部分为位于原来地表上方的堆土场1，露天煤矿排土场水位实时监测系统包括第一测量井2和第二测量井3；
第一测量井2设置于堆土场1的中部，主要用于测量堆土场1的水位变化；在第一测量井2的下部设置有第一水位传感器4和位于其上部的固定套筒5，在堆土场1上方设置有线圈车6，在线圈车6上设置有第一无线传输模块，第一水位传感器4连接第一线缆7的一端，第一线缆7的另一端穿过固定套筒5与第一无线传输模块相连；
第二测量井3包括依次连接的竖直段301、水平段302和自由段303，其中，竖直段301设置在地下，在竖直段301和水平段302连接处设置有固定滑轮8，在竖直段301的下部设置有第二水位传感器9，第二水位传感器9通过第二线缆10与自由段303外部的第二无线传输模块相连。
以上技术方案即可完成本发明的目的，以下均为效果更优的优选方式：
第一测量井2由多个自密封套管11上下连接而成，自密封套管11由两个直径不同的中空管体套接固定而成，自密封套管11的下部内径与上部外径一致。自密封套管11为在堆土过程中安放的，在这里的主要作用是形成第一测量井2，以往的测井都是人工打钻，在这里是通过安设自密封套管11形成的测井，安设一根自密封套管11，在堆土过程中，土场逐步升高，升高到快要掩埋已放入的自密封套管11最高处时，再安装一根自密封套管11，如此形成第一测量井2。
固定套筒5为圆柱形，在固定套筒5的外侧壁上设置有多个向内凹陷的第一凹槽501，在固定套筒5的中心设置有上下贯通的通孔502；固定套筒5的主要作用是固定线缆，保证第一水位传感器4位置固定不动，同时地面的线圈车6在移动时，对第一水位传感器4不会造成任何影响，而且其形状并不是圆形，不影响水位在井中的变化，固定套筒5和自密封套管11之间采用塑胶固定。在自密封套管11上设置有连通其内部和外部的第一线缆缝12；在固定套筒5上设置有连通其内部和外部的第二线缆缝13。通孔502作用为固定第一线缆7，第一线缆7可以通过第二线缆缝13放进去。
第一水位传感器4为压力式水位传感器，原理为通过水压大小得出水位高度值，内部从下至上包括依次连接的第一压力探头401、长条形电池组402和第一单片机403，第一单片机403还与第一压力探头401相连，在第一水位传感器4的底部设置有向上凹陷的第二凹槽404，第二凹槽404的顶部即为第一压力探头401的底部，第二凹槽404形成的孔可以感知水的压力，这样的设计可以避免井中沙石堵住感知孔。在满足井中空间条件下，长条电池组402可以保证电量，同时长条电池组402靠近第一水位传感器4的底端，这样整个第一水位传感器4的重心在中心以下，保证第一水位传感器4的状态稳定，第一单片机403主要作用为收集转换信号并传输到地表，因为井超过50m时，无线传输信号就会变弱失真，因此必须要使用有线传输。
第二水位传感器9采用的是外接电源传感器内部变压的，内部从下至上包括依次连接的第二压力探头901、变压装置902和第二单片机903，第二单片机903还与第二压力探头901相连，在第二水位传感器9的底部设置有向上凹陷的第三凹槽904，第三凹槽904的顶部即为第二压力探头901的底部；变压装置902与外部电源相连，第三凹槽904形成的孔可以感知水的压力，这样的设计可以避免井中沙石堵住感知孔。
固定滑轮8包括滑轮支撑杆和与滑轮支撑杆相连的滑轮，滑轮的直径为30mm，宽度为25mm，滑轮支撑杆长为28mm，滑轮支撑杆与竖直面形成的夹角为40°。这样的设计一是为了滑轮左边仍然有最小47mm的空间，可以把第二水位传感器9需要维修的时候拉上来，40°的角度设计，保证第二水位传感器9从水平段302塞回去的时候可以自然的在重力作用下进入竖直段301。
第二测量井3的主要作用是测量原地表以下的水位变化，在堆土场1开始堆土前，打钻孔形成竖直段301，水平段302采用自密封套管11左右连接而成，水平段302设置在堆土场1和原地表之间，自由段303由中空橡胶材料制成，自由段303竖直设置在堆土场1的外部；这样的设计保证了与大气压连接，保证了第二水位传感器9工作准确，同时自由段303可以活动自由，不受堆土场1的推进影响，自由段303一般处于垂直状态，高度为5m以上，保证水位最大时不会从里面冒水。
本发明露天煤矿排土场水位实时监测系统还包括控制中心，分别与第一无线传输模块和第二无线传输模块通讯相连。
第一测量井2的底端与原地表之间的距离为5-8m，横截面为直径80mm的圆形，第一线缆7的长度比堆土场1的高度长30m；第二测量井3的竖直段301为直径80mm的钻孔，高度比1.2倍的矿坑深度高40m，自由段303的高度为5m以上；线圈车6能够在直径10m的范围内自由移动，这样可以方便地面推土车堆土，固定套筒5的底端距离原地表之间的距离为40m，第一线缆缝12和第二线缆缝13的宽度为15mm，固定套筒5的通孔502的直径为15mm；自密封套管11中部的外径为94mm，内径为80mm，底部的外径为94mm，内径为87mm，上部的外径为87mm，内径为80mm；固定套筒5的材质为高强度塑胶，自密封套管11的材质为钢。
本发明的露天煤矿排土场水位实时监测系统的建立及使用方法，包括如下步骤：
(A)根据设计的图纸找到堆土场1的中心位置；
(B)打钻孔，形成第二测量井3的竖直段301，在其中安设第二水位传感器9，并采用第二线缆10固定在固定滑轮8上，监测水位变化；
(C)2～3月后，露天矿开始开采工作面，并且开始将矿坑区域的表土层剥离到堆土场1，这时铺设自密封套管11形成水平段302，并且将第二线缆10从第一线缆缝12里塞进去，连接到堆土场1堆土范围之外；
(D)1～3月后，堆土场1逐渐堆到5-8m高度，此时开始铺设自密封套管11，形成第一测量井2，同时，第二测量井2的水平段302外侧一端安装自由段303，自由段303为采用胶灌形式形成的橡胶管；
(E)3～5月后，堆土场1逐渐堆到40m高度，开始监测第一测量井2水位情况，安装第一水位传感器4，并且在进口安装和封贴固定套筒5，保证固定套筒5以下的第一线缆7和第一水位传感器4不受井口以上的活动影响；
(F)2～3年后，此区域的堆土场1高度几乎稳定，监测第一测量井2和第二测量井3的水位变化(特别水大型排土场形成后，暴雨天气等情况下)，时刻关注，做好滑坡预防工作。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种露天煤矿排土场水位实时监测系统，其特征在于：所述露天煤矿排土场包括地上部分和地下部分，所述地上部分为位于原来地表上方的堆土场(1)，所述露天煤矿排土场水位实时监测系统包括第一测量井(2)和第二测量井(3)；
所述第一测量井(2)设置于所述堆土场(1)的中部，在所述第一测量井(2)的下部设置有第一水位传感器(4)和位于其上部的固定套筒(5)，在所述堆土场(1)上方设置有线圈车(6)，在所述线圈车(6)上设置有第一无线传输模块，所述第一水位传感器(4)连接第一线缆(7)的一端，所述第一线缆(7)的另一端穿过所述固定套筒(5)与所述第一无线传输模块相连；
所述第二测量井(3)包括依次连接的竖直段(301)、水平段(302)和自由段(303)，其中，所述竖直段(301)设置在地下，在所述竖直段(301)和所述水平段(302)连接处设置有固定滑轮(8)，在所述竖直段(301)的下部设置有第二水位传感器(9)，所述第二水位传感器(9)通过第二线缆(10)与所述自由段(303)外部的第二无线传输模块相连。
2.根据权利要求1所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其特征在于：所述第一测量井(2)由多个自密封套管(11)上下连接而成，所述自密封套管(11)由两个直径不同的中空管体套接固定而成，所述自密封套管(11)的下部内径与上部外径一致。
3.根据权利要求2所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其特征在于：所述固定套筒(5)为圆柱形，在所述固定套筒(5)的外侧壁上设置有多个向内凹陷的第一凹槽(501)，在所述固定套筒(5)的中心设置有上下贯通的通孔(502)；所述固定套筒(5)和所述自密封套管(11)之间采用塑胶固定。
4.根据权利要求3所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其特征在于：在所述自密封套管(11)上设置有连通其内部和外部的第一线缆缝(12)；在所述固定套筒(5)上设置有连通其内部和外部的第二线缆缝(13)。
5.根据权利要求1所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其特征在于：所述第一水位传感器(4)的内部从下至上包括依次连接的第一压力探头(401)、长条形电池组(402)和第一单片机(403)，所述第一单片机(403)还与所述第一压力探头(401)相连，在所述第一水位传感器(4)的底部设置有向上凹陷的第二凹槽(404)，所述第二凹槽(404)的顶部即为所述第一压力探头(401)的底部。
6.根据权利要求1所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其特征在于：所述第二水位传感器(9)的内部从下至上包括依次连接的第二压力探头(901)、变压装置(902)和第二单片机(903)，所述第二单片机(903)还与所述第二压力探头(901)相连，在所述第二水位传感器(9)的底部设置有向上凹陷的第三凹槽(904)，所述第三凹槽(904)的顶部即为所述第二压力探头(901)的底部；所述变压装置(902)与外部电源相连。
7.根据权利要求4所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其特征在于：所述固定滑轮(8)包括滑轮支撑杆和与所述滑轮支撑杆相连的滑轮，所述滑轮的直径为30mm，宽度为25mm，所述滑轮支撑杆长为28mm，所述滑轮支撑杆与竖直面形成的夹角为40°。
8.根据权利要求7所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其特征在于：所述第二测量井(3)的竖直段(301)为钻孔，所述水平段(302)采用所述自密封套管(11)左右连接而成，所述水平段(302)设置在所述堆土场(1)和原地表之间，所述自由段(303)由中空橡胶材料制成，所述自由段(303)竖直设置在所述堆土场(1)的外部；
所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统还包括控制中心，分别与所述第一无线传输模块和所述第二无线传输模块通讯相连。
9.根据权利要求8所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统，其特征在于：所述第一测量井(2)的底端与原地表之间的距离为5-8m，横截面为直径80mm的圆形，所述第一线缆(7)的长度比所述堆土场(1)的高度长30m；
所述第二测量井(3)的竖直段(301)为直径80mm的钻孔，高度比1.2倍的矿坑深度高40m，所述自由段(303)的高度为5m以上；
所述线圈车(6)能够在直径10m的范围内自由移动，所述固定套筒(5)的底端距离原地表之间的距离为40m，所述第一线缆缝(12)和所述第二线缆缝(13)的宽度为15mm，所述固定套筒(5)的所述通孔(502)的直径为15mm；所述自密封套管(11)中部的外径为94mm，内径为80mm，底部的外径为94mm，内径为87mm，上部的外径为87mm，内径为80mm；
所述固定套筒(5)的材质为高强度塑胶，所述自密封套管(11)的材质为钢。
10.权利要求1-9中任意一项所述的露天煤矿排土场水位实时监测系统的建立及使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
(A)根据设计的图纸找到堆土场(1)的中心位置；
(B)打钻孔，形成第二测量井(3)的竖直段(301)，在其中安设第二水位传感器(9)，并采用第二线缆(10)固定在固定滑轮(8)上，监测水位变化；
(C)2～3月后，露天矿开始开采工作面，并且开始将矿坑区域的表土层剥离到堆土场(1)，这时铺设自密封套管(11)形成水平段(302)，并且将所述第二线缆(10)从第一线缆缝(12)里塞进去，连接到堆土场(1)堆土范围之外；
(D)1～3月后，堆土场(1)逐渐堆到5-8m高度，此时开始铺设所述自密封套管(11)，形成第一测量井(2)，同时，所述第二测量井(2)的水平段(302)外侧一端安装自由段(303)，所述自由段(303)为采用胶灌形式形成的橡胶管；
(E)3～5月后，堆土场(1)逐渐堆到40m高度，开始监测所述第一测量井(2)水位情况，安装第一水位传感器(4)，并且在进口安装和封贴固定套筒(5)，保证所述固定套筒(5)以下的第一线缆(7)和所述第一水位传感器(4)不受井口以上的活动影响；
(F)2～3年后，此区域的堆土场(1)高度几乎稳定，监测所述第一测量井(2)和所述第二测量井(3)的水位变化，时刻关注，做好滑坡预防工作。
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