CN113236239A - 煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，该系统包括：多个三爪式液压锚爪、多条钢丝绳测线和多个拉线位移传感器；其中，每个三爪式液压锚爪分别设在煤矿采动覆岩中钻孔的不同深度，在所述三爪式液压锚爪的弹力作用下与所述钻孔的孔壁岩层接触；每个三爪式液压锚爪通过所述钢丝绳测线与所述拉线位移传感器连接；当所述三爪式液压锚爪接触的孔壁岩层发生移动变形时，所述三爪式液压锚爪随着所述孔壁岩层的移动变形而同步移动变形，与所述三爪式液压锚爪连接的钢丝绳测线将所述三爪式液压锚爪的位移传输至所述拉线位移传感器。本发明提高了覆岩移动变形监测系统的适用范围和监测准确性。
Description
技术领域
本发明涉及采煤沉陷区深部岩土体监测技术领域，尤其涉及一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统。
背景技术
井下工作面自切眼向停采线方向推进，当开采空间达到一定尺寸后，导致上覆岩层逐渐弯曲、下沉、破断、垮落、堆积至采空区。伴随着工作面开采尺寸的增加，下部岩层移动变形自下而上逐渐向上传递。同时上覆岩层由于岩性的差异与裂隙及离层空间的出现，上覆岩土层内部也表现出非同时、非同步、非相同移动量值移动变形。上覆岩土层的移动变形反映至地表则变现为地表沉陷。岩层移动变形是地表移动变形的本质，地表移动变形是覆岩移动变形的直观反映。
现有技术中适用于变量量值较小、移动变形不剧烈、监测深度较浅的监测设备较为成熟，种类也较多。其中，测斜仪应用最为广泛，但主要应用于边坡体破坏前的监测及预警，不能适用于大变形监测。柔性测斜仪、电感式监测仪、光纤与多点位移计量程过小，不能应用于煤矿采动影响、变形剧烈、变量较大的移动变形监测。
因此，在保证覆岩移动变形监测精度的情况下，提供一种大量程、适应变形剧烈岩层监测，且能适用于较深深度的覆岩移动变形监测设备成为目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，用以解决现有技术中覆岩移动变形监测的量程小、深度浅，且不能适用于剧烈变形，使用范围受限的缺陷，实现提高覆岩移动变形监测的适用范围。
本发明提供一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，包括多个三爪式液压锚爪、多条钢丝绳测线和多个拉线位移传感器；
其中，所述三爪式液压锚爪、钢丝绳测线和拉线位移传感器的数量相同，且一一对应；
每个三爪式液压锚爪分别设在煤矿采动覆岩中钻孔的不同深度，在所述三爪式液压锚爪的弹力作用下与所述钻孔的孔壁岩层接触；
每个三爪式液压锚爪通过所述钢丝绳测线与所述拉线位移传感器连接，所述拉线位移传感器的位置固定，且拉紧所述钢丝绳测线；
当所述三爪式液压锚爪接触的孔壁岩层发生移动变形时，所述三爪式液压锚爪随着所述孔壁岩层的移动变形而同步移动变形，与所述三爪式液压锚爪连接的钢丝绳测线将所述三爪式液压锚爪的位移传输至所述拉线位移传感器。
根据本发明提供的一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，还包括传输线杆，所述钢丝绳测线穿过所述传输线杆；
所述传输线杆的内壁安装有一组或多组滑轮，每组滑轮在同一平面上沿所述传输线杆的内壁均匀布置，所述多组滑轮位于不同平面；
所述钢丝绳测线缠绕在所述滑轮的外侧凹槽内，用于对所述钢丝绳测线进行变向。
根据本发明提供的一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，还包括拉线位移传感器的固定平台；
所述固定平台包括多个平板及平板固定支撑柱体，所述拉线位移传感器固定在所述平板上，每个平板的中间设有通孔；
多个平板沿所述传输线杆的轴线方向平行设置，且相邻的两个平板采用所述平板固定支撑柱体固定连接；
两端的平板固定在所述传输线杆上高于所述滑轮的位置，且所述平板的通孔与所述传输线杆的通孔对齐，以使所述钢丝绳测线穿过所述传输线杆与所述拉线位移传感器连接。
根据本发明提供的一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，所述三爪式液压锚爪的顶部增设第一固定穿孔，所述钢丝绳测线的一端穿过所述第一固定穿孔后使用钢丝绳卡扣进行固定，以连接所述三爪式液压锚爪与所述钢丝绳测线。
根据本发明提供的一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，在每条钢丝绳测线的外部增设铠装穿线管，所述铠装穿线管的内侧涂有机械润滑油，以减小所述钢丝绳测线与所述铠装穿线管的内侧之间的摩擦阻力，使所述钢丝绳测线自由运动。
根据本发明提供的一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，还包括位于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的PPR材质管，所述PPR材质管的直径小于所述三爪式液压锚爪的爪体收缩时的直径；
所述PPR材质管的总长度等于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的距离；
位于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的所有三爪式液压锚爪的钢丝绳测线穿过位于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的PPR材质管，每个三爪式液压锚爪卡持在相邻两节PPR材质管之间。
根据本发明提供的一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，在位于所述钻孔最底部的三爪式液压锚爪的一侧增设第二固定穿孔，所述第二固定穿孔用于与承重钢丝绳进行连接，所述承重钢丝绳用于对所述三爪式液压锚爪进行下放或在所述三爪式液压锚爪安装失败后进行提升。
根据本发明提供的一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，还包括液压油管，所述液压油管连接所述三爪式液压锚爪；
所述液压油管用于在所述三爪式液压锚爪放入所述钻孔前在所述液压油管内加入液压油，对所述三爪式液压锚爪的爪体加压，使得所述爪体收缩；在所述三爪式液压锚爪下放至所述钻孔的预设深度后剪断所述液压油管，使得所述爪体弹开，与所述钻孔的孔壁岩层接触。
根据本发明提供的一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，所述拉线位移传感器与DTU连接。
根据本发明提供的一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，还包括太阳能装置和蓄电池；
所述太阳能装置固定于所述传输线杆的顶部，用于为所述拉线位移传感器供电，并为所述蓄电池充电；
所述蓄电池埋设与地下，用于为所述拉线位移传感器供电。
本发明提供的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，通过在煤矿采动覆岩的钻孔中的每个监测点设置三爪式液压锚爪，将钢丝绳测线的两端分别连接三爪式液压锚爪和拉线位移传感器连接，充当拉线位移传感器的测线，由于三爪式液压锚爪锚固力强、回缩性好，在覆岩发生移动变形时三爪式液压锚爪同步移动变形，始终与孔壁覆岩紧密接触，从而使得拉线位移传感器能准确监测覆岩位移，而且拉线位移传感器的量程较大，可适用于各种变形剧烈和较大深度的位移监测，具有普适性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统中监测点的位置示意图；
图2是本发明提供的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统中传输线杆内部滑轮结构示意图；
图3是本发明提供的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统中传输线杆上固定平台的位置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，包括多个三爪式液压锚爪、多条钢丝绳测线和多个拉线位移传感器；
由于钢弹片与岩层的结合力低，抵抗覆岩移动变形后的摩擦力低，往往会引起覆岩移动变形实测值远小于实际移动变形值。而三爪式液压锚爪在覆岩移动变形后依然能与覆岩进行紧密接触。因此，本实施例引入三爪式液压锚爪作为深部覆岩移动变形监测点。
为了保证钢丝绳测线的强度，选用直径较大的钢丝绳测线，直径范围为1.2至2.0mm，如选取直径为1.5mm。根据工作面的平均采厚和采深确定拉线位移传感器的量程。例如，工作面平均采厚为9m、采深为140m，确定拉线位移传感器的量程为10m。
其中，所述三爪式液压锚爪、钢丝绳测线和拉线位移传感器的数量相同，且一一对应；每个三爪式液压锚爪分别设在煤矿采动覆岩中钻孔的不同深度，在所述三爪式液压锚爪的弹力作用下与所述钻孔的孔壁岩层接触；
根据放入钻孔的监测设备的外径尺寸和孔斜率要求等设计地面钻孔的深度和孔径等。例如，钻孔开孔孔径不小于Ф168mm，成孔直径不小于Ф127mm。钻孔偏斜率小于0.02。采用Ф127至146mm绳索钻具，表土段约10m范围内混凝土固井和裸钻，要求表土段无套管。
钻探工程结束后，用清水或添加化学试剂循环浆液进行钻孔清洗，减少孔内岩粉等的沉淀与设备安装过程中的阻力。
煤矿采动深部覆岩分层监测点设置多个，如8至16个，可以根据实际需求进行增减。图1中设置8个监测点位，深度分别为15m、30m、45m、60m、75m、90m、105m和120m。在每个监测点装设一个三爪式液压锚爪。三爪式液压锚爪在监测点位置弹开，与孔壁岩层紧密接触。
每个三爪式液压锚爪通过所述钢丝绳测线与所述拉线位移传感器连接，所述拉线位移传感器的位置固定，且拉紧所述钢丝绳测线；
每个三爪式液压锚爪与不同的钢丝绳测线连接。钢丝绳测线的长度根据各监测点的深度确定。每条钢丝绳测线与不同的拉线位移传感器连接。每条钢丝绳测线的一端连接三爪式液压锚爪，另一端连接拉线位移传感器。钢丝绳测线的作用是充当拉线位移传感器的测线。拉线位移传感器拉紧钢丝绳测线，使得钢丝绳测线处于竖直、绷紧状态。
拉线传感器的量程可以根据需要进行选择。为了测量变形较大的覆岩位移，选择较大量程的拉线传感器。
当所述三爪式液压锚爪接触的孔壁岩层发生移动变形时，所述三爪式液压锚爪随着所述孔壁岩层的移动变形而同步移动变形，与所述三爪式液压锚爪连接的钢丝绳测线将所述三爪式液压锚爪的位移传输至所述拉线位移传感器，从而实现深部覆岩移动变形的准确监测。本实施例的监测系统可实现工作面采前采后全过程、覆岩与地表全方位的移动变形监测。
本实施例通过在煤矿采动覆岩的钻孔中的每个监测点设置三爪式液压锚爪，将钢丝绳测线的两端分别连接三爪式液压锚爪和拉线位移传感器连接，充当拉线位移传感器的测线，由于三爪式液压锚爪锚固力强、回缩性好，在覆岩发生移动变形时三爪式液压锚爪同步移动变形，始终与孔壁覆岩紧密接触，从而使得拉线位移传感器能准确监测覆岩位移，而且拉线位移传感器的量程较大，可适用于各种变形剧烈和较大深度的位移监测，具有普适性。
在上述实施例的基础上，本实施例中还包括传输线杆，所述钢丝绳测线穿过所述传输线杆；所述传输线杆的内壁安装有一组或多组滑轮，每组滑轮在同一平面上沿所述传输线杆的内壁均匀布置，所述多组滑轮位于不同平面；
在传输线杆内壁一定高度的一个或多个平面上增设滑轮。每个平面上增设一组滑轮，滑轮通过支架固定在传输线杆的内壁上。如图2所示，在传输线杆内壁的某个平面上均匀布置了四个滑轮。
所述钢丝绳测线缠绕在所述滑轮的外侧凹槽内，用于对所述钢丝绳测线进行变向。
将钢丝绳测线缠绕在所述滑轮的外侧凹槽内，实现钢丝绳测线的位移传输变向，并增加钻孔口钢丝绳测线端部的稳定性。
在上述实施例的基础上还包括固定平台；所述固定平台包括多个平板及平板固定支撑柱体，所述拉线位移传感器固定在所述平板上，每个平板的中间设有通孔；多个平板沿所述传输线杆的轴线方向平行设置，且相邻的两个平板采用所述平板固定支撑柱体固定连接；两端的平板固定在所述传输线杆上高于所述滑轮的位置，且所述平板的通孔与所述传输线杆的通孔对齐，以使所述钢丝绳测线穿过所述传输线杆与所述拉线位移传感器连接。
如图3所示，固定平台位于传输线杆中上部，有两层，由三个平板平行放置形成。平板之间通过钢筋段焊接固定。平板钢材厚度较大，如大于4mm，保证拉线位移传感器拉线过程中的稳定性。
每一层固定平台均按照拉线位移传感器的几何尺寸，应用数控机床进行钻孔加工，然后将拉线位移传感器固定在固定平台上。同一层的位移传感器在同一平板上均匀布置。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述三爪式液压锚爪的顶部增设第一固定穿孔，所述钢丝绳测线的一端穿过所述第一固定穿孔后使用钢丝绳卡扣进行固定，以连接所述三爪式液压锚爪与所述钢丝绳测线。
具体地，在每个液压锚爪的顶部增设第一固定穿孔位，第一固定穿孔位的孔位较小，用于连接强度较大的钢丝绳测线。
钢丝绳测线的一端通过液压锚爪顶部的穿线孔位，并用钢丝绳卡扣进行固定。
在上述各实施例的基础上，本实施例中在每条钢丝绳测线的外部增设铠装穿线管，所述铠装穿线管的内侧涂有机械润滑油，以使所述钢丝绳测线在低摩擦阻力的作用下自由运动。
具体地，钢丝绳测线外部增设铠装穿线管。铠装穿线管直径约7mm，外层为包裹厚度约1mm的胶皮，中层为厚度为1mm螺旋状金属凯，内层为0.5mm的透明软塑料。铠装穿线管内部涂有机械润滑油，保证钢丝绳外侧既有一定强度的穿线管保护，也能保证测线在穿线管内部自由滑动。
在上述实施例的基础上，本实施例中还包括位于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的PPR(Polypropylene Random，无规共聚聚丙烯管)材质管，所述PPR材质管的直径小于所述三爪式液压锚爪的爪体收缩时的直径；
在若干条钢丝绳测线的铠装穿线管外部再次增设一定直径的PPR材质管保护，对钢丝绳测线和铠装穿线管进行二次保护，进一步保证大量程、采动剧烈条件下位移数据的成功获取。
所述PPR材质管的总长度等于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的距离；位于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的所有三爪式液压锚爪的钢丝绳测线穿过位于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的PPR材质管，每个三爪式液压锚爪卡持在相邻两节PPR材质管之间。
最底部的三爪式液压锚爪的钢丝绳测线穿过长度为最深的两个测点之间距离的第一PPR材质管，接着将最底部和第二深的三爪式液压锚爪的钢丝绳测线穿过长度为第二和第三深的两个测点之间距离的第二PPR材质管，第二深的三爪式液压锚爪卡持在第一PPR材质管和第二PPR材质管之间。依次类推，直到将所有爪式液压锚爪的钢丝绳测线穿过PPR材质管。
PPR材质管还用于将所有钢丝绳测线和三爪式液压锚爪集成在一起，并固定三爪式液压锚爪，便于三爪式液压锚爪下放和确定三爪式液压锚爪的下放深度，保障监测系统的安装和监测成功率。
在上述实施例的基础上，在位于所述钻孔最底部的三爪式液压锚爪的一侧增设第二固定穿孔，所述第二固定穿孔用于与承重钢丝绳进行连接，所述承重钢丝绳用于对所述三爪式液压锚爪进行下放或在所述三爪式液压锚爪安装失败后进行提升。
具体地，在最底部的三爪式液压锚爪的侧身增设第二固定穿孔，该孔位较大，可穿过较大直径，如4至6mm的承重钢丝绳。
由于PPR材质管将所有三爪式液压锚爪集成在一起，所以只用在钻孔最底部的三爪式液压锚爪上连接承重钢丝绳，即可在下放时对所有三爪式液压锚爪进行承重。
在上述各实施例的基础上，本实施例还包括液压油管，所述液压油管连接所述三爪式液压锚爪；所述液压油管用于在所述三爪式液压锚爪放入所述钻孔前在所述液压油管内加入液压油，对所述三爪式液压锚爪的爪体加压，使得所述爪体收缩；在所述三爪式液压锚爪下放至所述钻孔的预设深度后剪断所述液压油管，使得所述爪体弹开，与所述钻孔的孔壁岩层接触。
具体地，在地表将三爪式液压锚爪与液压油管连接，其中液压油管的耐压强度不低于8MPa。在液压油管内加入液压油，加压使得三爪式液压锚爪的爪体收缩。可实现监测设备自孔口至设计深度的自由下放、安装。
安装完成后，在地面孔口剪断液压油管，液压锚爪的爪体自动弹开，与孔壁岩层紧密结合，实现后期锚爪与岩层移动变形的同步变形。并采用水泥砂浆封孔处理。在孔位监测设备安装且封孔处理3至5天后，孔口上部树立地面传输线杆、太阳能供电，实施传输系统。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述拉线位移传感器与DTU(DataTransfer Unit，数据传输单元)连接。
具体地，当受煤矿采动影响的上覆岩土层深部测点处位移发生变化时，钢丝绳测线牵引拉线位移传感器并经DTU传输，监测平台即可实时读取监测点的位移。
在上述各实施例的基础上，本实施例中还包括太阳能装置和蓄电池；所述太阳能装置固定于所述传输线杆的顶部，用于为所述拉线位移传感器供电，并为所述蓄电池充电；所述蓄电池埋设与地下，用于为所述拉线位移传感器供电。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，包括多个三爪式液压锚爪、多条钢丝绳测线和多个拉线位移传感器；
其中，所述三爪式液压锚爪、钢丝绳测线和拉线位移传感器的数量相同，且一一对应；
每个三爪式液压锚爪分别设在煤矿采动覆岩中钻孔的不同深度，在所述三爪式液压锚爪的弹力作用下与所述钻孔的孔壁岩层接触；
每个三爪式液压锚爪通过所述钢丝绳测线与所述拉线位移传感器连接，所述拉线位移传感器的位置固定，且拉紧所述钢丝绳测线；
当所述三爪式液压锚爪接触的孔壁岩层发生移动变形时，所述三爪式液压锚爪随着所述孔壁岩层的移动变形而同步移动变形，与所述三爪式液压锚爪连接的钢丝绳测线将所述三爪式液压锚爪的位移传输至所述拉线位移传感器。
2.根据权利要求1所述的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，还包括传输线杆，所述钢丝绳测线穿过所述传输线杆；
所述传输线杆的内壁安装有一组或多组滑轮，每组滑轮在同一平面上沿所述传输线杆的内壁均匀布置，所述多组滑轮位于不同平面；
所述钢丝绳测线缠绕在所述滑轮的外侧凹槽内，用于对所述钢丝绳测线进行变向。
3.根据权利要求2所述的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，还包括固定平台；
所述固定平台包括多个平板及平板固定支撑柱体，所述拉线位移传感器固定在所述平板上，每个平板的中间设有通孔；
多个平板沿所述传输线杆的轴线方向平行设置，且相邻的两个平板采用所述平板固定支撑柱体固定连接；
两端的平板固定在所述传输线杆上高于所述滑轮的位置，且所述平板的通孔与所述传输线杆的通孔对齐，以使所述钢丝绳测线穿过所述传输线杆与所述拉线位移传感器连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，所述三爪式液压锚爪的顶部增设第一固定穿孔，所述钢丝绳测线的一端穿过所述第一固定穿孔后使用钢丝绳卡扣进行固定，以连接所述三爪式液压锚爪与所述钢丝绳测线。
5.根据权利要求1-3任一所述的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，在每条钢丝绳测线的外部增设铠装穿线管，所述铠装穿线管的内侧涂有机械润滑油，以减小所述钢丝绳测线与所述铠装穿线管的内侧之间的摩擦阻力，使所述钢丝绳测线自由运动。
6.根据权利要求5所述的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，还包括位于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的PPR材质管，所述PPR材质管的直径小于所述三爪式液压锚爪的爪体收缩时的直径；
所述PPR材质管的总长度等于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的距离；
位于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的所有三爪式液压锚爪的钢丝绳测线穿过位于相邻两个所述三爪式液压锚爪之间的PPR材质管，每个三爪式液压锚爪卡持在相邻两节PPR材质管之间。
7.根据权利要求6所述的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，在位于所述钻孔最底部的三爪式液压锚爪的一侧增设第二固定穿孔，所述第二固定穿孔用于与承重钢丝绳进行连接，所述承重钢丝绳用于对所述三爪式液压锚爪进行下放或在所述三爪式液压锚爪安装失败后进行提升。
8.根据权利要求1-3任一所述的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，还包括液压油管，所述液压油管连接所述三爪式液压锚爪；
所述液压油管用于在所述三爪式液压锚爪放入所述钻孔前在所述液压油管内加入液压油，对所述三爪式液压锚爪的爪体加压，使得所述爪体收缩；在所述三爪式液压锚爪下放至所述钻孔的预设深度后剪断所述液压油管，使得所述爪体弹开，与所述钻孔的孔壁岩层接触。
9.根据权利要求1-3任一所述的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，所述拉线位移传感器与DTU连接。
10.根据权利要求2或3所述的煤矿采动覆岩大量程深部分层拉线位移监测系统，其特征在于，还包括太阳能装置和蓄电池；
所述太阳能装置固定于所述传输线杆的顶部，用于为所述拉线位移传感器供电，并为所述蓄电池充电；
所述蓄电池埋设与地下，用于为所述拉线位移传感器供电。
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