CN108362195A - 一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计 - Google Patents

Abstract

一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，包括固定爪、细胶棒a和细胶棒b。细胶棒表面光滑处理且可大幅弯曲，相互之间不会缠绕；细胶棒a一端为公头，一端为母头；细胶棒b只有一端为公头，外壁有刻度标识，内部填充荧光材料；细胶棒相互之间通过公头连接段外侧的卡环与母头连接段内部的卡槽扣合连接；固定爪底端开有环向小孔a和小孔b，小孔a内壁有卡槽可与细胶棒a的公头连接段的卡环相扣合，环向小孔b可适应连接其它测点的组合细胶棒的自由移动；固定爪外壁的卡爪可抓紧钻孔内壁避免滑移。这种新型多点位移计解决了与传统技术中测点之间相互干扰的难题，且具有结构简单，成本低，安装简单，精度高，标识度高等优点，具有很强的实用价值和推广价值。

Description

一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计

技术领域

本发明涉及煤矿巷道变形监测设备，具体是一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计。

背景技术

井工煤矿中的巷道开挖破坏了周边岩体原有的自稳特性，巷道不可避免地会出现变形破坏，如顶板下沉、两帮移近、地板鼓起等情况。开挖空间周围的岩体沿着径向范围依次可划分为破碎区、塑性区和原岩应力区，不同的区域有着不同的变形特性。一般而言，近开挖空间的岩体变形量相对较大，而远离开挖空间的岩体变形量则相对较小。不同岩体之间的变形量差值对于评价巷道周边岩体变形特性有着重要指导意义，同时对于优化支护方案也有起着重要的支撑作用。比如预测岩体潜在结构面的位置，测量锚杆支护巷道锚固区内和锚固区外岩体变形大小等等。

在传统技术方案中，为了详细了解巷道围岩内部不同深度的位移、围岩深部离层位置与分布、顶板弱化高度与破坏范围等情况，会在钻孔内部安设多个测点，这种测量围岩不同深度多个测点位移的仪器即为多点位移计。经过多年的发展，多点位移计具有多种种类和形式，其中机械式多点位移计由于成本低廉、易于生产、便于携带，在煤矿巷道的变形监测中被广泛应用及采纳。

机械式多点位移计多由孔内固定爪、钢丝、铅块、孔口固定爪，以及与孔口固定爪相连的塑料托盘组成。尽管这种测量仪器有一定的优点，但是机械式多点位移计在煤矿中的实际应用效果并不明显，而且存在诸多缺陷。第一，机械式多点位移计测点数目多在3个以上，在实际应用中，很容易发生钢丝相互间缠绕的现象。在将其携带到井下进行实际安装时，往往需要耗费大量的时间将缠绕的钢丝解开，这种情况尤其在与铅块连接的钢丝处极易发生。第二，该多点位移计的测点数目在井下调整工序复杂，如果需要增减测点数目，需要剪断钢丝，而后重新整理钢丝，再将其在井下有限的巷道空间中一一捋顺。第三，以往工程应用中，当测点数目超过三个后，已经安设在钻孔内部深基点的测点极易与后续要安装的浅基点发生相互干扰。后续安设测点的推送杆严重干扰连接在已安设测点上的钢丝，在施工完成后，易造成测点钢丝在钻孔内的缠绕，由于钢丝之间相互缠绕，当岩层发生了变形，难于传递并反映在裸露在岩层外部的铅块上。第四，孔内固定爪与孔外铅块二者之间无对应方式，需要人工进行标记，容易发生混淆错乱的现象，深孔浅孔基点也容易混淆。第五，这种多点位移计耗费工时，需要较多人手。一般而言，安设前期需要在巷道内将钢丝捋顺，这将占用巷道走向近十米的空间。安设期间，需要一人手持铅块，避免钢丝缠绕；另外一人手持推送杆，向钻孔内推送孔内固定爪；特殊地段，需要另外一人辅助推送推送杆或者稳定推送操作人员的站立平台。第六，这种多点位移计一般只适用于顶板岩层变形监测，在帮部变形监测中由于缺乏重力作用，内部岩层的变形并不能直接反应在裸露在钻孔外的铅块上。

以上这些缺陷在软岩破碎巷道的监测中更为复杂。由于固定爪安装缓慢耗时，而钻孔极易在短时间内塌孔，易造成后续固定爪无法安装和钢丝缠绕，已安装的固定爪又无法撤出，最终导致安装失败，设备失效。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，该位移计能简化煤矿巷道岩层内部多点位移监测方面的工序，能有效提高对岩体变形监测的精度，能有效扩大位移计在不同地质条件下的适用范围，同时，该位移计结构简单、制造成本低、不易发生缠绕现象，且易调整基点位置，其安装过程方便，可通过单人完成操作，适于推广应用。

为了实现上述目的，本发明提供一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，包括在纵向上相互间隔设置的多个固定爪、多根细胶棒a和一根细胶棒b；细胶棒a和细胶棒b的外径相同；

所述固定爪主要由圆筒、沿周向均匀地固定连接在圆筒外表面的多个卡爪、固定连接在圆筒内腔中的隔板，所述隔板上绕其圆心均匀地开设有多个透孔，多个透孔包括一个小孔a和多个小孔b；小孔a的内孔径小于小孔b的内孔径，小孔b的内孔径大于细胶棒a的外径；所述卡爪由上到下逐渐向远离圆筒表面的方向扩张；

所述细胶棒a和细胶棒b的上端均具有形成在外部的公头连接段，细胶棒a的下端和小孔a的内腔中均具有母头连接段；细胶棒a的下端具有轴向向上延伸的容纳腔，所述细胶棒a的母头连接段形成于空纳腔中；所述公头连接段具有沿其长度方向间隔分布的两段公头环向卡环；所述母头连接段具有沿其长度方向间隔分布的两段母头环向卡槽，所述母头环向卡槽用于容纳并卡住进入其内部的公头环向卡环；

所述细胶棒b在其公头连接段以下的部分透明，且其内部由荧光材料填充，细胶棒b在其公头连接段以下的部分的外表面还遍布其长度方向地设置有刻度标尺；

每个固定爪均通过其小孔a中的母头连接段与细胶棒a的公头连接段相配合地连接有一根细胶棒a；每根细胶棒a均竖直垂落并依次穿过其垂落方向的多个固定爪上小孔b后再通过细胶棒a的母头连接段套接细胶棒b的公头连接段的方式连接有一根细胶棒b，细胶b的上端均位于最下侧一个固定爪的下部，且延伸到待测岩体下端的下部；

多根细胶棒a在穿过同一个固定爪时，各自经过不同的小孔b。

在该技术方案中，通过使多根细胶棒a分别由同一固定爪上的不同小孔b穿过，不同测点的细胶棒a之间不会发生缠绕，小孔b的内径大于细胶棒a的外径，因而连接着其它测量的细胶棒a的上下移动不会相互受干扰，不同监测点的变形不会相互干扰，进而能使各测点的位移反应比较迅速、直接、准确。细胶棒b的荧光成分使整个监测系统在黑暗巷道中也容易被发现，预警效果明显。通过在细胶棒b上设置的刻度，可以在变形过程中通过刻度的变化便捷地得出对应岩层的变形量，不仅精确度高，而且可读性好。该多点位移计还能有效应用于巷道帮部岩层内部的多点变形监测，其摆脱了传统矿用多点位移计中铅块对重力的依赖。该装置结构简单、安装简易，各测点变形相互独立，相互干扰度低，且准确度高，预警效果远高于其它传统多点位移计。另外，其生产成本低，。

进一步，为了便于根据监测点的深度灵活地组成需要长度的细胶棒a，每根细胶棒a由多根细胶棒a单体组成，细胶棒a单体的上端均设置有公头连接段，细胶棒a单体的下端均设置有母头连接段；多根细胶棒a单体通过母头连接段套接公头连接段的方式级联形成细胶棒a。

作为一种优选，所述卡爪的数量为四个。

进一步，为了保证细胶棒在环形小孔b内的自由上下移动，以避免卡住影响变形传递的效果，所述细胶棒a和细胶棒b表面均经过光滑处理。

进一步，所述细胶棒a和细胶棒b均采用聚乙烯或者乙烯-醋酸乙烯共聚物制成。

作为一种优选，所述细胶棒a单体和细胶棒b单体的长度均为500mm，且直径均为5mm；细胶棒a单体和细胶棒b单体的公头连接段外径均为2.5mm，长度为15mm；两段公头环向卡环分别距离细胶棒a上端3mm和8mm，两段公头环向卡环的间距为5mm，每段公头环向卡环的高度为0.2mm；两段母头环向卡槽分别距离细胶棒b的下端3mm和8mm；细胶棒b的母头连接段的内径为2.5mm，长度为15mm；所述刻度标尺的精度为0.1mm，刻度标尺的每格刻度线环形设置，且0刻度位于细胶棒b单体远离其公头连接段的一端。

作为一种优选，所述圆筒的外径为25mm，高度为40mm；所述隔板的厚度为15mm；所述透孔的数量为4～6个，其中小孔a的直径为2.5mm，小孔b的直径为5.2±0.1mm。

进一步，为了保证卡合固定效果，所述公头环向卡环的断面为由上到下逐渐向远离公头连接段方向扩张的斜楔形结构，斜楔部的倾斜角度为8度。

进一步，为了便于快速找到对应测点，且有助于避免混淆，使可读效果较为明显，连接在多根细胶棒a下端的多根细胶棒b上各自设置有不同的数字标签。

附图说明

图1是本发明在巷道中应用的结构示意图；

图2是本发明中固定爪的结构示意图；

图3是本发明中细胶棒a的结构示意图；

图4是图3中I部的放大图；

图5是本发明中细胶棒b的结构示意图。

图中：1、固定爪，2、细胶棒a，3、细胶棒b，4、公头连接段，5、母头连接段，6、隔板，7、钻孔，8、岩体，1-1、小孔a，1-2、小孔b，1-3、卡爪，1-4、圆筒，2-1、母头环向卡槽，3-1、公头环向卡环，3-2、刻度标尺。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，包括在纵向上相互间隔设置的多个固定爪1、外径相同的多根细胶棒a 2和一根细胶棒b 3；细胶棒a 2和细胶棒b 3的外径相同；

所述固定爪1主要由圆筒1-4、沿周向均匀地固定连接在圆筒1-4外表面的多个卡爪1-3、固定连接在圆筒1-4内腔中的隔板6，所述隔板6上绕其圆心均匀地开设有多个透孔，多个透孔包括一个小孔a 1-1和多个小孔b 1-2；小孔a 1-1的内孔径小于小孔b 1-2的内孔径，小孔b 1-2的内孔径大于细胶棒a 2的外径；所述卡爪1-3由上到下逐渐向远离圆筒1-4表面的方向扩张；

所述细胶棒a 2和细胶棒b 3的上端均具有形成在外部的公头连接段4；细胶棒a2的下端和小孔a1-1的内腔中均具有母头连接段5，母头连接段5与公头连接段4相适配地设置；细胶棒a 3的下端具有轴向向上延伸的容纳腔，所述细胶棒a 3的母头连接段5形成于空纳腔中；小孔a 1-1的内腔中的母头连接段5和细胶棒a 3的母头连接段5的形状和结构均相同；所述公头连接段4具有沿其长度方向间隔分布的两段公头环向卡环3-1；所述母头连接段5具有沿其长度方向间隔分布的两段母头环向卡槽2-1，所述母头环向卡槽2-1用于容纳并卡住进入其内部的公头环向卡环3-1；

所述细胶棒b 3在其公头连接段4以下的部分透明，且其内部由荧光材料填充，细胶棒b 3在其公头连接段4以下的部分的外表面还遍布其长度方向地设置有刻度标尺3-2；

每个固定爪1均通过其小孔a1-1中的母头连接段5与细胶棒a2的公头连接段4相配合地连接有一根细胶棒a 2；每根细胶棒a 2均竖直垂落并依次穿过其垂落方向的多个固定爪1上小孔b 1-2后再通过细胶棒a 2的母头连接段5套接细胶棒b3的公头连接段4的方式连接有一根细胶棒b 3，细胶棒b 3的上端均位于最下侧一个固定爪1的下部，且延伸到待测岩体8下端的下部；其中位于最下侧的一个固定爪1上连接的细胶棒a 2不会穿过其他的固定爪1，直接连接有一根细胶棒b 3；

多根细胶棒a 2在穿过同一个固定爪1时，各自经过不同的小孔b 1-2。

为了便于根据不同监测点的深度灵活地组成需要长度的细胶棒a，每根细胶棒a 2均由多根细胶棒a单体组成，细胶棒a单体的上端均设置有公头连接段4，细胶棒a 2单体的公头连接段4通过在细胶棒a 2上端进行环形切削形成，进而使公头连接段4的外径小于细胶棒a 2主体的外径，也能在细胶棒a单体的母头连接段5套接在另一个细胶棒a单体的公头连接段4外部之后，保证连接处的外径与细胶棒a 2主体的外径相同，从而能够使连接处平滑，不会在通过小孔b1-2时发生卡阻的情况。细胶棒a单体的下端均设置有母头连接段5；多根细胶棒a单体通过母头连接段5套接公头连接段4的方式级联形成细胶棒a 2。细胶棒b 3单体的公头连接段4通过在细胶棒b 3上端进行环形切削形成，进而使公头连接段4的外径小于细胶棒b 3主体的外径，也能在细胶棒b单体的母头连接段5套接在细胶棒b 3的公头连接段4外部之后，保证连接处的外径与细胶棒a 2或细胶棒b 3主体的外径相同，从而能够使连接处平滑，不会在通过小孔b 1-2时发生卡阻的情况。

作为一种优选，所述卡爪1-3的数量为四个。

为了保证细胶棒在环形小孔b 1-2内的自由上下移动，以避免卡住影响变形传递的效果，所述细胶棒a 2和细胶棒b 3表面均经过光滑处理，且均具有一定韧性，可大幅度弯曲。

所述细胶棒a 2和细胶棒b 3均采用聚乙烯或者乙烯-醋酸乙烯共聚物制成。

作为一种优选，所述细胶棒a单体和细胶棒b单体的长度均为500mm，且直径均为5mm；细胶棒a单体和细胶棒b单体的公头连接段4外径均为2.5mm，长度为15mm；两段公头环向卡环3-1分别距离细胶棒a 2上端3mm和8mm，两段公头环向卡环3-1的间距为5mm，每段公头环向卡环3-1的高度为0.2mm；两段母头环向卡槽2-1分别距离细胶棒b 3的下端3mm和8mm；细胶棒b 3的母头连接段5的内径为2.5mm，长度为15mm；所述刻度标尺3-2的精度为0.1mm，刻度标尺3-2的每格刻度线环形设置，且0刻度位于细胶棒b单体远离其公头连接段4的一端。

作为一种优选，所述圆筒1-4的外径为25mm，高度为40mm；所述隔板6的厚度为15mm；所述透孔的数量为4～6个，其中小孔a 1-1的直径为2.5mm，小孔b 1-2的直径为5.2±0.1mm。

为了保证卡合固定效果，所述公头环向卡环3-1的断面为由上到下逐渐向远离公头连接段4方向扩张的斜楔形结构，斜楔部的倾斜角度α为8度。

为了便于快速找到对应测点，且有助于避免混淆，使可读效果较为明显，连接在多根细胶棒a2下端的多根细胶棒b3上各自设置有不同的数字标签。

使用时，在煤矿巷道工作现场，在巷道特定需要监测顶板内部岩层活动规律的岩体8中钻出钻孔7，通常钻孔7由下向上钻出，钻完孔后吹孔，除去钻孔7内部的岩粉。然后根据监测部位深度来确定细胶棒a单体的数量，每个固定爪1用于监测一个测点的位移，同时记录细胶棒b 3尾端数字序号，避免测点的混淆。安装时遵循由深而浅的顺序，例如，如果需要监测岩层内部4m处的位移变化，则需要配备8根细胶棒a单体和1根细胶棒b 3，最后裸露到钻孔7外的细胶棒b3用以监测变形，多余的长度可以根据需要具体裁剪。根据测点深度确定胶棒数量后，先取一根细胶棒a单体，将其公头连接段4插入固定爪1底部小孔a 1-1中的母头连接段5，而后将剩余细胶棒a单体顺序连接组成细胶棒，不同细胶棒a单体之间通过公头环向卡环3-1和母头环向卡槽2-1的配合能相互扣紧。固定数量的细胶棒a单体连接完毕后，最后连接细胶棒b 3，将细胶棒b 3的公头连接段4插入已连接的最后一根细胶棒a单体的母头连接段5中，连接完毕后确定牢靠紧密，避免在安装过程中出现彼此脱离的现象。将上述连接好的固定爪1塞入钻孔7中，将连接好的细胶棒a 2插入空心推送杆，用推送杆将其推送入钻孔7中。如果推送杆长度不足，则套入下一段推送杆，与上一段推送杆相连，继续推送。一般而言，推送杆长度可根据实际工况而确定，可为1m也可为2m，只要不受限于巷道高度而影响安装即可。当固定爪1塞入到特定位置后，逐一撤出推送杆。用手轻拉外露的细胶棒b 3，确定稳固后，裁剪过长的细胶棒b 3。而后在细胶棒b 3的尾端粘贴有数字序号的标签，用以区分不同的监测点，避免在后续观测中出现混淆。完成后进行下一测点安装。在下一测点安装时，先取一固定爪1，按照前一固定爪1的组装方式完成后，将上一测点的细胶棒b 3从固定爪1顶端插入固定爪1底端的小孔b 1-2，确保细胶棒b 3能够在小孔b 1-2内自由上下移动避免卡住影响变形传递。将固定爪1塞入钻孔7，而后将已连接好的组合细胶棒插入推送杆，当推送杆到达钻孔7的孔口位置时，将上一已经安装完毕的测点的外露细胶棒b3也一并插入推送杆，这样可以避免推送杆在推送过程中干扰已安装测点的组合细胶棒。最后开始推送，当推送杆长度不够时，将外露连接好的组合细胶棒插入另一推送杆，而后将新推送杆和上一推送杆相互连接，继续推进，直至固定爪1到达预定测点位置。遵循上述安装方式，根据预定测点数目，安装固定爪1。安装完所有固定爪1后，记录外露细胶棒b 3尾端标签上的数字序号，根据序号对应测点深度。同时根据细胶棒b 3上的刻度标尺3-2记录数值，根据每天记录的距离变化量，可以量化顶板深处岩层具体的位移变化情况和活动规律。由于细胶棒b 3内部有荧光材料，故在黑暗巷道中也很容易找到，也不会受到环境腐蚀影响，具有长时稳定性。这种新型的多点位移计还能用于巷道帮部岩层内部的多点变形监测，摆脱了传统矿用多点位移计中铅块对重力的依赖。

Claims (9)

1.一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，包括在纵向上相互间隔设置的多个固定爪(1)，其特征在于，还包括多根细胶棒a(2)和一根细胶棒b(3)，细胶棒a(2)和细胶棒b(3)的外径相同；

所述固定爪(1)主要由圆筒(1-4)、沿周向均匀地固定连接在圆筒(1-4)外表面的多个卡爪(1-3)、固定连接在圆筒(1-4)内腔中的隔板(6)，所述隔板(6)上绕其圆心均匀地开设有多个透孔，多个透孔包括一个小孔a(1-1)和多个小孔b(1-2)；小孔a(1-1)的内孔径小于小孔b(1-2)的内孔径，小孔b(1-2)的内孔径大于细胶棒a(2)的外径；所述卡爪(1-3)由上到下逐渐向远离圆筒(1-4)表面的方向扩张；

所述细胶棒a(2)和细胶棒b(3)的上端均具有形成在外部的公头连接段(4)，细胶棒a(2)的下端和小孔a(1-1)的内腔中均具有母头连接段(5)；细胶棒a(3)的下端具有轴向向上延伸的容纳腔，所述细胶棒a(3)的母头连接段(5)形成于空纳腔中；所述公头连接段(4)具有沿其长度方向间隔分布的两段公头环向卡环(3-1)；所述母头连接段(5)具有沿其长度方向间隔分布的两段母头环向卡槽(2-1)，所述母头环向卡槽(2-1)用于容纳并卡住进入其内部的公头环向卡环(3-1)；

所述细胶棒b(3)在其公头连接段(4)以下的部分透明，且其内部由荧光材料填充，细胶棒b(3)在其公头连接段(4)以下的部分的外表面还遍布其长度方向地设置有刻度标尺(3-2)；

每个固定爪(1)均通过其小孔a(1-1)中的母头连接段(5)与细胶棒a(2)的公头连接段(4)相配合地连接有一根细胶棒a(2)；每根细胶棒a(2)均竖直垂落并依次穿过其垂落方向的多个固定爪(1)上小孔b(1-2)后再通过细胶棒a(2)的母头连接段(5)套接细胶棒b(3)的公头连接段(4)的方式连接有一根细胶棒b(3)，细胶棒b(3)的上端均位于最下侧一个固定爪(1)的下部，且延伸到待测岩体(8)下端的下部；

多根细胶棒a(2)在穿过同一个固定爪(1)时，各自经过不同的小孔b(1-2)。

2.根据权利要求1所述的一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，其特征在于，每根细胶棒a(2)由多根细胶棒a单体组成，细胶棒a单体的上端均设置有公头连接段(4)，细胶棒a单体的下端均设置有母头连接段(5)；多根细胶棒a单体通过母头连接段(5)套接公头连接段(4)的方式级联形成细胶棒a(2)。

3.根据权利要求1或2所述的一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，其特征在于，所述卡爪(1-3)的数量为四个。

4.根据权利要求3所述的一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，其特征在于，所述细胶棒a(2)和细胶棒b(3)表面均经过光滑处理。

5.根据权利要求4所述的一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，其特征在于，所述细胶棒a(2)和细胶棒b(3)均采用聚乙烯或者乙烯-醋酸乙烯共聚物制成。

6.根据权利要求5所述的一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，其特征在于，所述细胶棒a单体和细胶棒b单体的长度均为500mm，且直径均为5mm；细胶棒a单体和细胶棒b单体的公头连接段(4)外径均为2.5mm，长度为15mm；两段公头环向卡环(3-1)分别距离细胶棒a(2)上端3mm和8mm，两段公头环向卡环(3-1)的间距为5mm，每段公头环向卡环(3-1)的高度为0.2mm；两段母头环向卡槽(2-1)分别距离细胶棒b(3)的下端3mm和8mm；细胶棒b(3)的母头连接段(5)的内径为2.5mm，长度为15mm；所述刻度标尺(3-2)的精度为0.1mm，刻度标尺(3-2)的每格刻度线环形设置，且0刻度位于细胶棒b单体远离其公头连接段(4)的一端。

7.根据权利要求6所述的一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，其特征在于，所述圆筒(1-4)的外径为25mm，高度为40mm；所述隔板(6)的厚度为15mm；所述透孔的数量为4～6个，其中小孔a(1-1)的直径为2.5mm，小孔b(1-2)的直径为5.2±0.1mm。

8.根据权利要求7所述的一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，其特征在于，所述公头环向卡环(3-1)的断面为由上到下逐渐向远离公头连接段(4)方向扩张的斜楔形结构，斜楔部的倾斜角度为8度。

9.根据权利要求8所述的一种监测煤矿巷道变形的新型多点位移计，其特征在于，连接在多根细胶棒a(2)下端的多根细胶棒b(3)上各自设置有不同的数字标签。