一种采空区顶板多点位移同步测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及煤矿采空区顶板稳定性监测领域，尤其涉及一种充填开采采空区顶板沉降及覆岩深部位移同步测量装置及测量方法。

背景技术：

在煤层开采过程中，由于应力释放或其他采动影响，采空区顶板会产生移动及塌冒，影响安全生产和地层(表)环境；为了防止顶板产生移动及塌冒，目前的办法是，在形成的采空区内用充填体及时充填，达到支撑顶板、减小顶板的垮落和变形、减轻工作面压力、减少覆岩的变形和破坏程度的目的。对采空区顶板和覆岩的运动规律的研究，是充填开采技术发展的关键。

目前研究采空区顶板和覆岩的运动规律，需通过现场监测的方法来评价。其中顶板表面位移和覆岩深部位移是两项重要指标。

采空区顶板沉降量通常采用顶底板间安装套筒式监测装置测量。如中国专利公开号CN204286286U公开了一种充填体位移监测装置，其工作原理是：固定于采空区顶板的内筒通过尺带与固定于外筒中的检测总成连接，通过尺带的伸缩测得顶板沉降量。该装置仅可测得采空区顶板表面沉降量，并不具备测量覆岩深部位移的功能，测量数据无法全面反映上覆岩层运动规律；同时，该装置需要在充填采空区埋设传输线路，埋设过程复杂且给施工人员带来了安全隐患。

中国专利公开号CN203224223U公开了一种基于位移传感器与无线传输的检测围岩离层的装置，其工作原理是：将锚固头固定于不同深度的岩层中，当围岩产生离层时，锚固头相对装置移动产生位移带动位移传感器移动，并通过无线通信模块实时传输到接收主机。该装置安装于顶板表面，由于没有底板基点，无法测得顶板表面沉降量，仅可测得岩层间相对位移，即离层距离。

上述两个文献记载的测量技术均只有单一功能，目前尚不存在一种可以同步测量采空区顶板表面沉降和覆岩深部位移的装置及使用方法。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种采空区顶板多点位移同步测量装置，本装置采用光栅尺高精度位移传感器实现测量功能，不但可同时测量采空区顶板表面位移和覆岩深部多点位移，而且操作方便，数据准确可靠，监测数据通过无线传输，无需采空区埋设线路的复杂过程，避免了长距离传输线路易破坏和施工人员的安全隐患问题。

本发明同时提供利用这种装置对采空区顶板表面位移和覆岩深部位移进行同步测量的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种采空区顶板多点位移同步测量装置，其特征在于，它由采空区顶板沉降测量部分、多套覆岩深部位移测量部分和壳体组成。

所述的壳体是一个筒状结构，主要包括用于随采空区顶板沉降移动的内筒和用于保护和支撑内筒的保护筒，保护筒底部固定在底座上，保护筒腔内底部安置有平衡弹簧，平衡弹簧顶部顶在内筒底部，内筒顶部设有端盖，要求平衡弹簧一直处于压缩状态，使内筒始终与顶板接触，随顶板在保护筒内发生同步移动；内筒和保护筒间设有密封圈。

所述的顶板沉降量测量部分，是在保护筒腔内壁固定有第一光栅尺位移传感器，第一光栅尺位移传感器用于检测采空区顶板沉降位移；第一光栅尺位移传感器的光栅读数头固定于处在保护筒腔内的那段内筒外壁，第一光栅尺位移传感器的标尺光栅固定于保护筒内壁；第一光栅尺位移传感器底端连接有第一无线通信模块，第一无线通信模块将第一光栅尺位移传感器信号转换为数字量并传输至接收主机；

所述的覆岩深部位移量测量部分，是在内筒腔内壁固定有第二光栅尺位移传感器，第二光栅尺位移传感器用于检测覆岩深部位移；第二光栅尺位移传感器的光栅读数头与钢丝绳连接固定，第二光栅尺位移传感器的标尺光栅固定于内筒内壁，随内筒移动与光栅读数头发生相对移动；第二光栅尺位移传感器底端连接有第二无线通信模块；在内筒内壁上固定有钢丝绳回弹装置，回弹装置处于第二无线通信模块下方，回弹装置的钢丝绳向上拉出自由穿过内筒端盖后再连接一个用于确定测量基点的锚爪。

进一步地，第一和第二无线通信模块将传感器的电信号分析转化为数字量，通过无线传输的方式发送至接收主机。

进一步地，接收主机将收到的数据处理后通过以太网传输的方式传输到接收终端。

进一步地，内筒与顶盖通过紧固螺钉连接。

进一步地，回弹装置通过紧固螺钉固定于内筒腔内。

为了保证弹簧在常时保持压缩状态，在保护筒壁上设有定位螺钉，定位螺钉穿透保护筒壁顶在内筒外壁。

利用上述装置实现顶板沉降量和覆岩位移量同步测量的方法，具体步骤如下：

第一步：钻取钻孔

采空区充填之前，在待测点顶板钻取垂直钻孔，孔深根据覆岩情况及监测要求确定；

第二步：安装装置

在采空区待监测区清理出约1m²的作业空间，将采空区顶板多点位移同步测量装置放置于待测区底板，拉出所有覆岩深部位移量测量部分的钢丝绳，将钢丝绳的锚爪一一伸入钻孔，固定于钻孔内部各个测点；

第三步：固定装置

松开定位螺钉，提升内筒，使内筒端盖与采空区顶板接触，然后将底座通过锚栓固定于采空区底板上；

第四步：确定顶板沉降量和覆岩位移量

设初始状态下检测顶板表面沉降的第一光栅尺位移传感器读数为l₀，连接有锚爪的多个第二光栅尺位移传感器读数分别为l₁,l₂,…l_n，测量后的第一光栅尺位移传感器读数为l₀'，多个第二光栅尺位移传感器读数分别为l₁',l₂',…l_n'，则第j个锚爪和第k个锚爪固定点间的覆岩离层距离h_jk＝|(l_j'-l_j)-(l_k'-l_k)|，顶板至第j个锚爪固定点间的覆岩位移量为h_j0＝(l_j'-l_j)-(l₀'-l₀)，顶板沉降量L＝l₀'-l₀。

上述n代表第二光栅尺位移传感器的个数，j、k代表其中两个传感器对应的两个锚爪。

下面根据本发明的监测原理说明其积极效果

1、本发明在测顶板沉降时，内筒和保护筒发生相对错动，也就是分别固定在两个筒壁上的第一光栅尺位移传感器光栅读数头和标尺光栅发生错动，错动的距离就是顶板沉降的位移。在顶板下沉过程中，钢丝绳始终处于拉紧状态，如果锚爪的固定点和顶板之间的岩体同时下沉没有发生离层，钢丝绳长度不变；如果锚爪固定点和顶板之间的岩体发生离层，钢丝绳长度被拉长，由于第二光栅尺位移传感器的光栅尺读数头固定在钢丝绳上，标尺光栅固定在内筒内壁，钢丝绳和内筒的相对错动距离反映覆岩位移。从而实现将顶板沉降量和覆岩位移量两种数据由一台装置同步测量，测得的同步数据对采空区覆岩运动规律有更清晰全面的认知。

2、本发明的监测数据通过无线及以太网的方式传输，无需在采空区埋设线路的复杂过程，同时避免了长距离传输线路易破坏的问题。监测装置工作可靠，使用寿命得到有效延长。

3、本发明的位移测量采用光栅尺高精度位移传感器，数据准确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例的整体结构示意图，图中以内筒中设一套覆岩深部位移测量部分为例；

图2为本发明的监测网络示意图；

图3为本发明的光栅尺位移传感器结构示意图，图中以第二光栅尺位移传感器的布置方式为例。

图中：1-底座；2-端盖；3-保护筒；4-内筒；5-平衡弹簧；6-钢丝绳回弹装置；7-第一光栅尺位移传感器；8-第一无线通信模块；9-第二光栅尺位移传感器；10-钢丝绳；11-锚爪；12-第二无线通信模块；13-锚栓；14-接收主机；15-接收终端；16-第二光栅尺位移传感器的标尺光栅；17-第二光栅尺位移传感器的光栅读数头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1、2所示的一种采空区顶板多点位移同步测量装置，由采空区顶板沉降测量部分、一套覆岩深部位移测量部分和壳体组成。

所述的壳体是一个筒状结构，包括内筒4和保护筒3，内筒4用于随采空区顶板沉降移动，保护筒3用于保护和支撑内筒4；保护筒3底部固定在底座1上，使用时底座1通过锚栓14固定于底板上，保护筒3腔内底部安置有平衡弹簧5，平衡弹簧5顶部顶在内筒4底部，内筒4顶部通过紧固螺钉设有端盖2，要求平衡弹簧5一直处于压缩状态，使用时，内筒4的端盖2始终与顶板接触，随顶板在保护筒3内发生同步移动；内筒4和保护筒3间设有密封圈。在保护筒3壁上设有定位螺钉(图中未画出)，定位螺钉穿透保护筒3壁顶在内筒4外壁。

所述的顶板沉降量测量部分，是在保护筒3筒腔内壁固定有第一光栅尺位移传感器7，第一光栅尺位移传感器7用于检测采空区顶板沉降位移；第一光栅尺位移传感器7的光栅读数头固定于处在保护筒3腔内的那段内筒4外壁，第一光栅尺位移传感器7的标尺光栅固定于保护筒3内壁；第一光栅尺位移传感器7底端连接有第一无线通信模块8，第一无线通信模块8将第一光栅尺位移传感器7电信号转换为数字量并通过无线传输的方式传输至接收主机14；接收主机14将收到的数据处理后通过以太网传输的方式传输到接收终端15。

所述的覆岩深部位移量测量部分，是在内筒4腔内壁固定有第二光栅尺位移传感器9，第二光栅尺位移传感器9用于检测覆岩深部位移；第二光栅尺位移传感器9的光栅读数头与钢丝绳10连接固定，第二光栅尺位移传感器9的标尺光栅固定于内筒4内壁，随内筒4移动与光栅读数头发生相对移动；第二光栅尺位移传感器9底端连接有第二无线通信模块12；在内筒4内壁上通过紧固螺钉固定有钢丝绳回弹装置6，钢丝绳回弹装置6处于第二无线通信模块12下方，第二无线通信模块12将第二光栅尺位移传感器9的电信号分析转化为数字量，通过无线传输的方式发送至接收主机14，接收主机14将收到的数据处理后通过以太网传输的方式传输到接收终端15；在端盖2上设有出线孔，将回弹装置6的钢丝绳10向上抽出自由穿过出线孔后再连接一个用于确定测量基点的锚爪11。

图3为本发明的第二光栅尺位移传感器9的布置方式，从图中可以看出，第二光栅尺位移传感器9包括光栅读数头17和标尺光栅16，标尺光栅16固定于内筒4内壁，随内筒4移动与第二光栅尺位移传感器的光栅读数头17发生相对移动，第二光栅尺位移传感器的光栅读数头17与钢丝绳10连接固定。

利用本发明上述装置实现顶板沉降量和覆岩位移量同步测量的方法，具体步骤如下：

第一步：采空区充填之前，在待测点顶板钻取垂直钻孔，孔深根据覆岩情况及监测要求确定；

第二步：在采空区待监测区清理出约1m²的作业空间，将本装置放置于待测区底板，拉出所有覆岩深部位移量测量部分的钢丝绳10，将钢丝绳10的锚爪11一一伸入钻孔，固定于钻孔内部各个测点；

第三步：松开定位螺钉，提升内筒4，使内筒4端盖2与采空区顶板接触，然后将底座1通过锚栓13固定于采空区底板上；

第四步：设初始状态下检测顶板表面沉降的第一光栅尺位移传感器7读数为l₀，连接有锚爪的多个第二光栅尺位移传感器9读数分别为l₁,l₂,…l_n，测量后的第一光栅尺位移传感器7读数为l₀'，第二光栅尺位移传感器读数9分别为l₁',l₂',…l_n'，则第j个锚爪和第k个锚爪固定点间的覆岩离层距离h_jk＝|(l_j'-l_j)-(l_k'-l_k)|，顶板至第j个锚爪固定点间的覆岩位移量为h_j0＝(l_j'-l_j)-(l₀'-l₀)，顶板沉降量L＝l₀'-l₀。

上述n代表第二光栅尺位移传感器9的个数，j、k代表其中两个第二光栅尺位移传感器9对应的两个锚爪。