CN217681858U - 一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，包括：设置于钻孔内，由下及上依次相连的探头、探杆、锤垫、导向杆、连接器，钻孔上方设置有滑轮，滑轮上设置由钢线绳，钢线绳一端与连接器连接，钢线绳另一端连接设置有配重块，滑轮靠近配重块的一侧设置有标尺；钻孔一侧还设置有数据记录仪，数据记录仪与探头之间通过电缆相连，涉及煤矿开采技术领域，通过对煤层项板覆岩关键层之下软弱岩层施以固定压力的技术手段，解决煤层顶板覆岩中关键层之下软弱岩层变形量长时段监测、变形速率测量问题，从而实现准确判断最佳注浆时机(离层变形量最大)、最佳时机开始注浆的技术效果。

Description

一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置

技术领域

本实用新型属于煤矿开采技术领域，具体为一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置。

背景技术

据我国国有重点煤矿的不完全统计资料，目前我国”三下”(建筑物下、铁路下和水体下)压煤约137.9亿吨，其中建筑物下压煤为87.6亿吨，而建筑物下压煤中的60％为村庄下压煤。部分矿区建筑物下压煤量十分巨大，已经严重制约了矿区的发展。

传统开采技术会引起地表塌陷和建筑物破坏，不仅造成矿井采掘接替失衡，还带来巨大经济成本、环境问题和地矿矛盾，导致压占煤炭无法开发利用，降低了资源采出率、缩短了矿区服务年限，阻碍了区域经济发展。随着经济和社会的发展，传统搬迁开采的成本越来越高、实施难度越来越大。条带开采虽能有效控制开采沉陷，但采出率低(小于30％～50％)、工作面短、巷道掘进率高、采煤效率低。实施充填开采能够提高煤炭采出率，但仍面临效率低、成本偏高等问题(许家林等，2004、2011、2019；轩大洋等，2012)。因此，研发高效低成本的建筑物压煤充填开采技术是践行绿色发展理念、维持矿业可持续的重大需求。

在采场上覆岩层中，对岩体活动起到决定性作用的岩层为关键层。在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部起决定作用的岩层称之为主关键层，对岩体活动局部起决定作用的岩层称之为亚关键层(钱鸣高等， 1996)。

覆岩离层注浆充填是一种有效的建(构)筑物压煤开采方法，其原理是通过高压注浆充填覆岩离层区，来压缩采空区破碎岩体并形成压实区，压实区与工作面之间的隔离煤柱联合控制覆岩关键层变形与破断，从而减小地表沉陷(滕浩，2017)。

随着采煤工作面的不断推进，在覆岩关键层结构的控制作用下，上覆岩层由下而上成组破断运动，由于未破断关键层阻断了上部载荷向下的传递，导致其下部煤岩层产生卸荷膨胀(包括岩层碎胀和弹性膨胀)。随着关键层破断由下往上发展，覆岩卸荷高度不断增大，产生卸荷膨胀的岩层总厚度不断增大；同时下部卸荷煤岩受上部破断关键层载荷的压实作用不断累积，从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。显然，对于一般煤系地层的覆岩而言，其卸荷膨胀累积量是不可忽略的(许家林等，2020)。

覆岩离层注浆充填技术的关键：关键层的选择、覆岩离层空腔的测量、注浆时机选择、注浆材料、注浆工艺、注浆工序、注浆压力、注浆设备、注浆效果监测等。

覆岩离层空腔的测量工作是一项至关重要的工作，其决定着覆岩离层注浆时机的确定。一般认为覆岩离层空腔最大时为最佳注浆时机。

覆岩离层空腔的测量的技术方法：直接观察法--井下电视；试验法—注水试压法(卫伟，2005；杜金龙等，2020)、光纤监测法(王嘉诚等，2020；程刚等，2017；卢毅等，2015)；地球物理探测法—钻孔声波法(刘完才，1985)、微震监测法(孙建等，2011)、CT电法(张平松等，2006)；吴涛等，2014)、电磁法(胡雄武，2014)等；地面变形监测法—合成孔径干涉雷达(INSAR)、全球定位系统(GPS)、水准测量、基岩标和分层标等(于军，2000；邓清海等，2007；赵超英等，2009；朱叶飞等，2010)。

参考文献：

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井下电视是目前观测覆岩离层空腔大小最直接的方法，但其无法准确确定最离层最大沉降量，无法准确把握注浆时机。

注水试压法测量覆岩离层空腔的大小，观测时间较长，费用较高。

光纤监测法可以监测到煤层以上岩层的变形量，但是由于光纤延伸系数小、抗拉强度一般，造成采煤工作面还没有通过监测孔光纤就已经被拉断，无法确定离层最大沉降量；同时，光纤监测孔需要全孔封闭，费用高，无法利用监测孔进行注浆作业，造成资源的浪费。

综上所述，现有的几种方法都不能准确测量出离层变形量，无法准确判断最佳注浆时机。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，包括：设置于钻孔内，由下及上依次相连的探头、探杆、锤垫、导向杆、连接器，所述钻孔上方设置有滑轮，所述滑轮上设置由钢线绳，所述钢线绳一端与连接器连接，所述钢线绳另一端连接设置有配重块，所述滑轮靠近配重块的一侧设置有标尺；

所述钻孔一侧还设置有数据记录仪，所述数据记录仪与探头之间通过电缆相连。

优选的，所述探头采用圆锥形结构，其尾端与电缆相连，且连接处通过密封垫圈套密封，所述探头包括外套筒，所述外套筒尾端设置有传感器，所述传感器与电缆相连，所述传感器远离尾端的一侧设置有顶柱，所述顶柱下方设置有电阻应变片，所述电阻应变片与传感器电连接。

优选的，所述锤垫采用截锥状结构，其截面呈倒梯形结构，直径为45mm，锥高为40mm，其内设丝扣，探杆和导向杆均通过丝扣与所述锤垫连接固定。

优选的，所述探杆由外径25mm高强度无缝钢管组成，壁厚5mm，长度为1m。

优选的，所述导向杆由外径25mm高强度无缝钢管组成，壁厚5mm，长度为 1m。

优选的，所述穿心锤采用圆筒形结构，真径160mm，重量10～100kg，其中间圆孔直径为28mm，导向杆穿过中心圆孔。

优选的，所述连接器内设置有套丝，用于连接导向杆，所述连接器顶部设置有连接扣，用于连接钢线绳。

优选的，所述钢线绳穿过滑轮，其直径为6.2mm，最小破断拉力为20KN， 15kg/100m。

优选的，滑轮设置于钻孔中心线上。

优选的，所述标尺的零刻度与配重块的底面平行，标尺长度为2～3m。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型中，通过对煤层项板覆岩关键层之下软弱岩层施以固定压力的技术手段，解决煤层顶板覆岩中关键层之下软弱岩层变形量长时段监测、变形速率测量问题，从而实现准确判断最佳注浆时机(离层变形量最大)、最佳时机开始注浆的技术效果。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的探头内部结构示意图；

图中：1、探头；2、探杆；3、锤垫；4、穿心锤；5、导向杆；6、连接器；7、钢线绳；8、滑轮；9、配重块；10、标尺；11、电缆；12、数据记录仪； 13、钻孔；14、煤层顶板覆岩关键层；15、煤层顶板覆岩软弱岩层；16、顶柱； 17、电阻应变片；18、传感器；19、密封垫圈套；21、外套筒。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1：

本实施例给出一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置的具体结构，如图1 所示，包括：设置于钻孔13内，由下及上依次相连的探头1、探杆2、锤垫3、导向杆5、连接器6，钻孔13上方设置有滑轮8，滑轮8上设置由钢线绳7，钢线绳7一端与连接器6连接，钢线绳7另一端连接设置有配重块9，滑轮8 靠近配重块9的一侧设置有标尺10；

钻孔13一侧还设置有数据记录仪12，数据记录仪12与探头1之间通过电缆11相连。

进一步的，如图2所示，探头1采用圆锥形结构，其尾端与电缆11相连，且连接处通过密封垫圈套19密封，探头1包括外套筒21，外套筒21尾端设置有传感器18，传感器18与电缆11相连，传感器18远离尾端的一侧设置有顶柱16，顶柱16下方设置有电阻应变片17，电阻应变片17与传感器18电连接。

进一步的，锤垫3采用截锥状结构，其截面呈倒梯形结构，直径为45mm，锥高为40mm，其内设丝扣，探杆2和导向杆5均通过丝扣与锤垫3连接固定。

进一步的，探杆2由外径25mm高强度无缝钢管组成，壁厚5mm，长度为 1m。

进一步的，导向杆5由外径25mm高强度无缝钢管组成，壁厚5mm，长度为 1m。

进一步的，穿心锤4采用圆筒形结构，真径160mm，重量10～100kg，其中间圆孔直径为28mm，导向杆5穿过中心圆孔。

进一步的，连接器6内设置有套丝，用于连接导向杆5，连接器6顶部设置有连接扣，用于连接钢线绳7。

进一步的，钢线绳7穿过滑轮8，其直径为6.2mm，最小破断拉力为20KN， 15kg/100m。

进一步的，滑轮8设置于钻孔中心线上。

进一步的，标尺10的零刻度与配重块9的底面平行，标尺10长度为2～ 3m。

进一步的，钻孔13穿过煤层顶板覆岩关键层14和煤层顶板覆岩软弱岩层 15。

进一步的，所述电缆11为四芯电缆，四组导线(每组至少两根)绞合而成的类似绳索的电缆，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的覆盖层；其可以将探头传感器的电阻变化信号传输给数据记录仪，电缆11连接探头1和数据记录仪12，由探杆2、锤垫3、导向杆5 中间插过，由连接器6插出，一直延伸到地表与数据记录仪12连接。

工作原理，参照图1-2，本装置以穿心锤4的重力((0.1～1kN))通过锤垫 3、探杆2传递到探头1，在探头1形成0.1～1MPa的固定压强；被施压的岩层发生弯曲变形时，在穿心锤4的重力作用下，探头1、探杆2向下运动，同时带动导向标、连接器6向下运动，连接器6在穿心锤4、探杆2、导向杆5重力的共同作用下拉动钢线绳7向下运动，钢线绳7拉动配重块9向上运动，滑轮8改变力的方法，标尺10的高度(配重块9底面所对应标尺10的刻度)即为岩层的累计沉降量(变形量)。通过定时观测标尺高度，可以计算出不同时段的沉降量、沉降速率，可以根据变形速率变化趋势以及开采工作面与变形速率之间的关系准确判断出最佳注浆时机(离层变形速率最大时)。

探头1工作原理：当探头1工作时，顶柱16推动电阻应变片17发生变形，电阻发生变化，通过传感器18将电阻变化信号传输给电缆11，电缆11将电阻变化信号传输给数据记录仪12。

组合工作原理：该装置对岩层施以固定压力，当岩层发生变形时，在穿心锤4的重力作用，探头1、探杆2向下运动，穿心锤4通过导向杆5拉动钢线绳7向下运动，钢线绳7带动配重块9运动，根据配重块9高度确定累计变形量、变形速率；根据该测量装置的工作原理，数据记录仪所记录的贯入阻力理论。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于，包括：设置于钻孔(13)内，由下及上依次相连的探头(1)、探杆(2)、锤垫(3)、导向杆(5)、连接器(6)，所述钻孔(13)上方设置有滑轮(8)，所述滑轮(8)上设置由钢线绳(7)，所述钢线绳(7)一端与连接器(6)连接，所述钢线绳(7)另一端连接设置有配重块(9)，所述滑轮(8)靠近配重块(9)的一侧设置有标尺(10)；

所述钻孔(13)一侧还设置有数据记录仪(12)，所述数据记录仪(12)与探头(1)之间通过电缆(11)相连。

2.如权利要求1所述的一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于：所述探头(1)采用圆锥形结构，其尾端与电缆(11)相连，且连接处通过密封垫圈套(19)密封，所述探头(1)包括外套筒(21)，所述外套筒(21)尾端设置有传感器(18)，所述传感器(18)与电缆(11)相连，所述传感器(18)远离尾端的一侧设置有顶柱(16)，所述顶柱(16)下方设置有电阻应变片(17)，所述电阻应变片(17)与传感器(18)电连接。

3.如权利要求1所述的一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于：所述锤垫(3)采用截锥状结构，其截面呈倒梯形结构，直径为45mm，锥高为40mm，其内设丝扣，探杆(2)和导向杆(5)均通过丝扣与所述锤垫(3)连接固定。

4.如权利要求1所述的一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于：所述探杆(2)由外径25mm高强度无缝钢管组成，壁厚5mm，长度为1m。

5.如权利要求1所述的一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于：所述导向杆(5)由外径25mm高强度无缝钢管组成，壁厚5mm，长度为1m。

6.如权利要求1所述的一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于：穿心锤(4)采用圆筒形结构，真径160mm，重量10～100kg，其中间圆孔直径为28mm，导向杆(5)穿过中心圆孔。

7.如权利要求1所述的一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于：所述连接器(6)内设置有套丝，用于连接导向杆(5)，所述连接器(6)顶部设置有连接扣，用于连接钢线绳(7)。

8.如权利要求1所述的一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于：所述钢线绳(7)穿过滑轮(8)，其直径为6.2mm，最小破断拉力为20KN，15kg/100m。

9.如权利要求1所述的一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于：滑轮(8)设置于钻孔中心线上。

10.如权利要求1所述的一种用于煤层顶板岩层变形的测量装置，其特征在于：所述标尺(10)的零刻度与配重块(9)的底面平行，标尺(10)长度为2～3m。

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