专利名称：矿层采动过程覆岩位移连续监测系统及其构建方法
技术领域：
本发明涉及岩层移动监测领域，特别涉及一种矿层采动过程覆岩位移连续监测系 统及其构建方法。
背景技术：
深部开采矿层时，矿层采动过程中所引起的上覆岩层移动所造成的采动围岩应力 场变化是采掘工作面巷道垮塌、瓦斯突出、冲击地压、井下透水和地表沉陷等事故的根源， 也将对覆岩层内巷道、井筒及地面钻井套管等的变形起决定作用，实时监测岩层移动的状 态，绘制出曲线图得出变化趋势，对开采引起的覆岩稳定性进行评价，是预防各类灾害发生 的前提条件和重要手段。现有技术中，对上覆岩层的监测仅有用地面钻孔安装活动测斜仪进行采动初期的 小变形监测的应用，该技术具有以下几点不足(1)受仪器和设备条件的限制，其监测变形 的范围有限，受人力物力条件的限制，其监测次数也将受到限制，不能对整个覆岩层进行连 续的大变形量的位移监测；(2)由于采动引起上覆岩层移动，容易导致监测仪器无法下放 进入钻孔；(3)无法长时间对覆岩层的情况进行连续监测。针对上述不足，需探索一种能实现矿层采动过程中覆岩位移连续监测的系统及其 构建方法，以便于对采动区上覆岩层进行全面的监测和评估，为深部开采矿层作业施工、覆 岩层内人工设施、地表人工设施等的受影响程度及安全性的判断提供可靠保障。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种矿层采动过程覆岩位移连续监测系统及其构建方法， 其目的是通过该方法构建可对采动区上覆岩层位移进行连续监测的系统，实时获取数据 进行分析，为深部开采矿层作业施工、覆岩层内人工设施、地表人工设施等的安全性的判断 提供可靠保障。本发明的目的之一是提供一种矿层采动过程覆岩位移连续监测系统，包括贯穿采 动区上覆岩层的测斜钻孔、设置于测斜钻孔内的测斜管组件、设置于测斜管组件内的监测 装置和设置于地面的监测站；所述测斜钻孔与测斜管组件之间通过灌浆填充，所述测斜管 组件包括测斜管和管接头，所述测斜管内相对设置有两条轴向导槽，测斜管以导槽正对的 方式同轴并列设置并通过管接头首尾相接，位于最下端的测斜管底端设置锥形管底装置， 所述管底装置上连接有安全绳I ；所述监测装置包括固定式测斜仪、滑轮组件、连接杆I和 一端设置万向节的连接杆II，所述滑轮组件通过连接杆I和连接杆II串连形成柔性链结 构，所述固定式测斜仪选择性安装于滑轮组件上，滑轮组件上连接有安全绳II，滑轮组件的 滑轮嵌入导槽形成监测装置可沿测斜管组件上下移动的结构；所述固定式测斜仪的监测数 据输入监测站。本发明的目的之二是提供一种所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构 建方法，包括以下工序钻测斜钻孔一安装测斜管和注浆管一灌浆一安装固定式测斜仪一安装用于悬挂测斜管内仪器的孔口支撑架；所述安装测斜管工序包括以下步骤1)测斜管安装前进行预接，将带轴向导槽的测斜管通过管接头进行首尾预连接， 连接时使导槽对正，然后在管接头处钻定位孔，并对测斜管和管接头进行标记和编号；2)将安全绳I 一端固定连接在锥形管底装置上，另一端栓于测斜钻孔孔口的收放 卷筒I上；3)将第一根测斜管与管底装置固定连接，在连接缝隙处灌胶进行密封，拉紧安全 绳I，并缓放测斜管使其上管口下降至测斜钻孔孔口 ；4)根据现场矿层开采的实际情况，分析确定覆岩移动的方向，转动测斜管角度，保 证测斜管上两个相对设置的导槽沿覆岩移动方向和垂直于覆岩移动方向分布；5)将注浆管和固定绑扎在测斜管上，使注浆管的出口距离管底装置10m_20m，并 在注浆管上每隔50m 70m处预设出浆孔；6)在已安装的测斜管上端连接部位涂抹粘合剂，将管接头套入已安装的测斜管并 使其与测斜管固定连接；7)将下一根测斜管的下端连接部位涂抹粘合剂后，插入管接头，通过步骤1所钻 的定位孔定位并使其与管接头固定连接；(这里你增加的内容写在从属权利要求4里面)8)将连接好的测斜管连同安全绳I、注浆管放入测斜钻孔中；9)重复步骤5 7继续连接下一根测斜管直至达到所需深度，同时，记录所安装的 测斜管根数和总长度；所述灌浆工序中，灌浆浆液由水和水泥混合成粘稠状，水泥选用325#或425#，灌 浆的压力不大于IMPa，灌浆过程中向测斜管中注满清水并用钻机固定孔口测斜管以平衡灌 浆过程中浆液的浮力，首次灌浆后，浆液会出现回落的现象，待回落后再进行补灌直至浆液 距离孔口 2m为止;所述安装固定式测斜仪工序中，将滑轮组件通过普通连接杆I和一端设置万向节 的连接杆II串连形成柔性链结构，将安全绳II 一端与位于底端的滑轮组件固定连接，另一 端缠绕于收放卷筒II上，根据所需监测岩层的深度预先设计好连接杆I、连接杆II和固定 测斜仪的下放顺序，选择滑轮组件安装固定式测斜仪，然后通过安全绳II按预先设计好的 放置顺序放入测斜管内，让滑轮组件的滑轮嵌入导槽内并使固定式测斜仪的主方向与岩层 的主要移动方向一致，将固定测斜仪的信号电缆捆绑于连接杆上，记录各固定式测斜仪的 序列号、安装组号和安装位置；各固定式测斜仪的监测信号通过沿测斜管引出的电缆输入 到监测站的数据采集系统。进一步，所述安装测斜管工序的步骤3中，当测斜钻孔内有水时，通过向测斜管内 注入水来平衡测斜钻孔内水对测斜管的浮力；进一步，所述安装测斜管工序的步骤6中，在管接头连接处用粘合剂粘合并等待 粘合剂凝固达到预定的强度后，在管接头两端用防水型宽胶带包扎进行密封；进一步，所述安全绳I和安全绳II均为Φ4πιπι的不锈钢丝绳；进一步，所述安装固定测斜仪工序中，最多隔3根连接杆安装一个滑轮组件；进一步，所述安装测斜管工序的步骤6中，测斜管与管接头之间通过螺钉或铆钉 固定连接；
进一步，所述注浆管的规格为外径Φ25πιπι，管内能承受最大压力大于IMPa ；进一步，所述测斜钻孔直径为Φ IlOmm以上。发明的有益效果本发明的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统，包括测斜钻孔、 测斜管组件、监测装置和监测站，使用时，根据所需监测岩层的深度在不同位置设置多个固 定式测斜仪，可实现对采动覆岩位移的全程连续监测，同时，柔性链结构的监测装置也可防 止覆岩移动对仪器的损坏，有效提高监测效果，通过上述监测系统对矿层采动上覆岩层进 行全程的监测和评估，明确开采活动对覆岩的时空影响程度，为深部开采矿层作业施工、覆 岩层内人工设施、地表人工设施等的安全性的判断提供可靠保障。另外，本发明还公开了构 建上述监测系统的方法，其中，测斜管埋设、测斜管下放时防滑落安全保护、钻孔内有水或 没水时测斜管的下放、深孔注浆固定测斜管等方法可有效解决深孔测斜管安装施工难度大 的问题，同时，也有效提高了施工效率和安全性。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。图1为监测系统结构示意图；图2为图1中测斜钻孔上的横截面示意图。
具体实施例方式图1为监测系统结构示意图，图2为图1中测斜钻孔上的横截面图，如图所示本 实施例的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统，包括贯穿所采矿层上覆岩层的测斜钻孔1、 设置于测斜钻孔1内的测斜管组件、设置于测斜管组件内的监测装置和设置于地面的监测 站2 ；所述测斜钻孔1与测斜管组件之间通过灌浆填充，所述测斜管组件包括测斜管3和管 接头4，所述测斜管3内相对设置有两条轴向导槽3a，测斜管3以导槽3a正对的方式同轴 并列设置并通过管接头4首尾相接，位于最下端的测斜管底端设置锥形管底装置5，所述管 底装置5上连接有安全绳I ；所述监测装置包括固定式测斜仪6、滑轮组件7、连接杆I 8和 一端设置万向节的连接杆II 9，所述滑轮组件7通过连接杆I 8和连接杆II 9串连形成 柔性链结构，所述固定式测斜仪6选择性安装于滑轮组件7上，滑轮组件7上连接有安全绳 II，滑轮组件7的滑轮嵌入导槽3a形成监测装置可沿测斜管组件上下移动的结构；所述固 定式测斜仪6的监测数据输入监测站2，根据所需监测岩层的位置对应在滑轮组件上设置 多个固定式测斜仪，可实现对覆岩位移的连续监测，同时，柔性链结构的监测装置可随覆岩 位移方向变形，也可防止覆岩移动对仪器的损坏，保证监测的顺利进行，通过上述监测系统 对矿层采动上覆岩层进行全程的监测和评估，明确开采活动对覆岩的时空影响程度，为深 部开采矿层作业施工、覆岩层内人工设施、地表人工设施等的受影响程度及安全性的判断 提供可靠保障。所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构建方法，包括以下工序钻测斜 钻孔一安装测斜管及注浆管10 —灌浆一安装固定式测斜仪一安装用于悬挂测斜管内仪器 的孔口支撑架；本实施例选用外径为Φ70πιπι，内径为Φ58πιπι，长度为3m的ABS测斜管(型号 C18) 120根，选用外径为Φ90mm的管接头130个，选用直径为Φ 125mm的测斜钻孔钻头，滑轮装置40套，带万向节的连接杆1116根，连接杆I 120根，管底装置1个，选取士 15°双轴 固定式测斜仪传感器16支；所述安装测斜管工序按以下步骤进行1)测斜管安装前进行预接，将带轴向导槽的测斜管通过管接头进行首尾预连接， 连接时使导槽严格对正，不允许偏扭，然后用手电钻在管接头处钻定位孔，并对两测斜管和 管接头进行标记和编号，以确保正式安装时导槽方向不变，而且保证监测装置在导槽内滑 动畅通无阻；2)将安全绳I 一端穿过管底装置孔内，缠于一直径为6mm的不锈钢圆杆上，另一端 计算好所需安全绳长度栓于测斜钻孔孔口的收放卷筒I上，以便于对管底装置进行升降控 制；3)将第一根测斜管与管底装置通过过盈配合并涂抹粘结剂方式密封固定连接，拉 紧安全绳I，并缓放测斜管使其上管口下降至测斜钻孔孔口，当测斜钻孔内有水时，通过向 测斜管内注入水来平衡测斜钻孔内水对测斜管的浮力；4)根据现场矿层开采的实际情况，分析确定覆岩移动的方向，转动测斜管角度，保 证测斜管上两个相对设置的导槽沿覆岩移动方向或垂直于覆岩移动方向分布，以使固定式 测斜仪达到最优的测量效果；5)将注浆管10固定绑扎在测斜管上，确定安装牢固，以免在安装过程中注浆管10 脱落，使注浆管10的出口距离管底装置10m-20m，并在注浆管10上每隔50m 70m处预设 马蹄形半斜面的出浆孔；6)在已安装的测斜管上端连接部位涂抹粘合剂，将管接头套入已安装的测斜管并 通过螺钉连接使其与测斜管固定连接，在管接头两端用防水型宽胶带包扎进行密封，防止 灌浆中浆液渗入测斜管；7)将下一根测斜管的下端连接部位涂抹粘合剂后，插入管接头，通过步骤1所钻 的定位孔定位并通过螺钉连接使其与管接头固定连接，连接后确保粘合剂凝固达到预计强 度，之后使用防水型胶带包扎严密；8)将连接好的测斜管连同安全绳I、注浆管10用宽胶带捆绑在一起后放入测斜钻 孔中；9)重复步骤5 7继续连接下一根测斜管直至达到所需深度，同时，记录所安装的 测斜管根数和总长度；所述灌浆工序中，灌浆浆液由水、水泥混合成粘稠状，水泥选用325#或425#，灌浆 的压力不大于IMPa，灌浆过程中向测斜管中注满清水并用钻机等其它装置固定孔口测斜管 以平衡灌浆过程中浆液的浮力，首次灌浆后，浆液会出现回落的现象，待回落后再进行补灌 直至浆液距离孔口 2m为止；所述安装固定式测斜仪工序中，将滑轮组件通过普通连接杆I和一端设置万向节 的连接杆II串连形成柔性链结构，以免岩层位移造成仪器损坏，将安全绳II 一端与位于底 端的滑轮组件固定连接，另一端缠绕于收放卷筒II上，安全绳II的安装一是保证安装过程 中仪器不滑落，二是方便检查、回收或维修。根据所需监测岩层的深度选择滑轮组件安装固 定式测斜仪，然后通过安全绳II放入测斜管内，让滑轮组件的滑轮嵌入导槽内并使固定式 测斜仪的主方向与岩层的主要滑动方向一致，记录各固定式测斜仪的序列号、安装组号和安装位置；各固定式测斜仪的监测信号通过沿测斜管引出的电缆输入监测站的数据采集系 统，由于孔内仪器较多，电缆整齐排列并用宽胶带紧密捆绑于连接杆上，以免发生混乱。本实施例中，所述安全绳I和安全绳II均为Φ4πιπι的不锈钢丝绳，抗拉强度较高， 有利于保障安装过程的安全。本实施例中，所述安装固定测斜仪工序中，最多隔3根连接杆安装一个滑轮组件， 以避免因连接杆过长、滑轮装置过少导致变形过程中滑轮偏出测斜管导槽。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种矿层采动过程覆岩位移连续监测系统，其特征在于包括贯穿采动区上覆岩层的测斜钻孔(1)、设置于测斜钻孔(1)内的测斜管组件、设置于测斜管组件内的监测装置和设置于地面的监测站(2)；所述测斜钻孔(1)与测斜管组件之间通过灌浆填充，所述测斜管组件包括测斜管(3)和管接头(4)，所述测斜管(3)内相对设置有两条轴向导槽(3a)，测斜管(3)以导槽(3a)正对的方式同轴并列设置并通过管接头(4)首尾相接，位于最下端的测斜管底端设置锥形管底装置(5)，所述管底装置(5)上连接有安全绳I；所述监测装置包括固定式测斜仪(6)、滑轮组件(7)、连接杆I(8)和一端设置万向节的连接杆II(9)，所述滑轮组件(7)通过连接杆I(8)和连接杆II(9)串连形成柔性链结构，所述固定式测斜仪(6)选择性安装于滑轮组件(7)上，滑轮组件(7)上连接有安全绳II，滑轮组件(7)的滑轮嵌入导槽(3a)形成监测装置可沿测斜管组件上下移动的结构；所述固定式测斜仪(6)的监测数据输入监测站(2)。
2.一种所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构建方法，包括以下工序钻测 斜钻孔一安装测斜管和注浆管一灌浆一安装固定式测斜仪一安装用于悬挂测斜管内仪器 的孔口支撑架，其特征在于所述安装测斜管工序包括以下步骤1)测斜管安装前进行预接，将带轴向导槽的测斜管通过管接头进行首尾预连接，连接 时使导槽对正，然后在管接头处钻定位孔，并对测斜管和管接头进行标记和编号；2)将安全绳I一端固定连接在锥形管底装置上，另一端栓于测斜钻孔孔口的收放卷筒 I上；3)将第一根测斜管与管底装置固定连接，在连接缝隙处灌胶进行密封，拉紧安全绳I， 并缓放测斜管使其上管口下降至测斜钻孔孔口；4)根据现场矿层开采的实际情况，分析确定覆岩移动的方向，转动测斜管角度，保证测 斜管上两个相对设置的导槽沿覆岩移动方向和垂直于覆岩移动方向分布；5)将注浆管固定绑扎在测斜管上，使注浆管的出口距离管底装置10m-20m，并在注浆 管上每隔50m 70m处预设出浆孔；6)在已安装的测斜管上端连接部位涂抹粘合剂，将管接头套入已安装的测斜管并使其 与测斜管固定连接；7)将下一根测斜管的下端连接部位涂抹粘合剂后，插入管接头，通过步骤1所钻的定 位孔定位并使其与管接头固定连接；8)将连接好的测斜管连同安全绳I、注浆管放入测斜钻孔中；9)重复步骤5 7继续连接下一根测斜管直至达到所需深度，同时，记录所安装的测斜 管根数和总长度；所述灌浆工序中，灌浆浆液由水和水泥混合成粘稠状，水泥选用325#或425#，注浆的 压力不大于IMPa，灌浆过程中向测斜管中注满清水并用钻机固定孔口测斜管以平衡灌浆过 程中浆液的浮力，首次灌浆后，浆液会出现回落的现象，待回落后再进行补灌直至浆液距离 孔口 2m为止；所述安装固定式测斜仪工序中，将滑轮组件通过普通连接杆I和一端设置万向节的连 接杆II串连形成柔性链结构，将安全绳II 一端与位于底端的滑轮组件固定连接，另一端缠 绕于收放卷筒II上，根据所需监测岩层的深度预先设计好连接杆I、连接杆II和固定测斜仪的下放顺序，选择滑轮组件安装固定式测斜仪，然后通过安全绳II按预先设计好的放置 顺序放入测斜管内，让滑轮组件的滑轮嵌入导槽内并使固定式测斜仪的主方向与岩层的主 要移动方向一致，将固定测斜仪的信号电缆捆绑于连接杆上，记录各固定式测斜仪的序列 号、安装组号和安装位置；各固定式测斜仪的监测信号通过沿测斜管引出的电缆输入到监 测站的数据采集系统。
3.根据权利要求2所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构建方法，其特征在 于所述安装测斜管工序的步骤3中，当测斜钻孔内有水时，通过向测斜管内注入水来平衡 测斜钻孔内水对测斜管的浮力。
4.根据权利要求3所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构建方法，其特征在 于所述安装测斜管工序的步骤6中，在管接头连接处用粘合剂粘合并等待粘合剂凝固达 到预定的强度后，在管接头两端用防水型宽胶带包扎进行密封。
5.根据权利要求4所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构建方法，其特征在 于所述安全绳I和安全绳II均为φ4mm的不锈钢丝绳。
6.根据权利要求5所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构建方法，其特征在 于所述安装固定测斜仪工序中，最多隔3根连接杆安装一个滑轮组件。
7.根据权利要求6所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构建方法，其特征在 于所述安装测斜管工序的步骤6中，测斜管与管接头之间通过螺钉或铆钉固定连接。
8.根据权利要求7所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构建方法，其特征在 于所述注浆管的规格为外径Φ25πιπι，管内能承受最大压力大于IMPa。
9.根据权利要求8所述的矿层采动过程覆岩位移连续监测系统的构建方法，其特征在 于所述测斜钻孔直径为OllOmm以上。
全文摘要
本发明公开了一种矿层采动过程覆岩位移连续监测系统，该系统包括测斜钻孔、测斜管组件、监测装置和监测站，使用时，根据需要在不同位置设置多个固定式测斜仪，可实现对采动覆岩位移的全程连续监测，同时，柔性链结构的监测装置也可防止覆岩移动对仪器的损坏，保证监测顺利进行，通过监测系统评估开采对覆岩的时空影响程度，为深部开采作业施工、覆岩层内设施、地表设施等的受影响程度及安全性判断提供依据。另外，本发明还公开了构建上述监测系统的方法，其中，测斜管埋设、测斜管下放时防滑落安全保护、钻孔内有水或没水时测斜管的下放、深孔注浆固定测斜管等方法不仅有效解决深孔测斜管安装施工难度大的问题，也有效提高了施工效率和安全性。
文档编号E21B49/00GK101915094SQ20101024447
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者孙海涛, 李日富, 林府进, 陈金华 申请人:煤炭科学研究总院重庆研究院