一种综放工作面冒落带高度测定装置的制作方法

本实用新型涉及矿山开采技术领域，特别是涉及一种综放工作面冒落带高度测定装置。

背景技术：

综放工作面煤层开采后顶板岩层超过其变形强度后，会出现断裂、冒落、片帮和局部冒顶等现象，给工作面安全生产造成一系列的困难和影响。为此，准确判断冒落岩体的发育高度和发育范围，提前采取支护措施，能够保证工作面的顺利开采，降低开采过程中的危险系数，同时，也能够为高瓦斯煤层开采过程中瓦斯抽采钻孔位置确定提供精确的依据。

现有的冒落带测定技术中，常采用理论计算、灌水试验和钻孔电视等。这些测定技术常常受到现场采动条件复杂多变的影响，观测精度难以准确把握，而且钻孔电视的成本费用较高，经济实用型较差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种综放工作面冒落带高度测定装置，能够提高综放工作面冒落带高度测定的精度并降低成本。

本实用新型的技术方案为：

一种综放工作面冒落带高度测定装置，其特征在于：包括压力监测装置、信号接收与处理装置、信号传输线，所述压力监测装置的输出端通过信号传输线与所述信号接收与处理装置的输入端电连接；

所述压力监测装置用于将压力监测装置受到的采空区冒落岩石的垂直作用力转换为频率信号传输给所述信号接收与处理装置；

所述信号接收与处理装置用于根据所述频率信号计算冒落带高度。

进一步的，所述信号接收与处理装置用于根据所述频率信号计算冒落带高度包括：

所述信号接收与处理装置用于对采空区顶板岩层自下而上编号为1,2,3,...，用于将所述频率信号反演为压力值σ并计算煤层底板所受的压力强度用于判定冒落带发育的最高岩层层位n并计算冒落带高度其中，s为压力监测装置的受力面积，且si、ri分别为第i层岩层的厚度、容重。

进一步的，所述综放工作面冒落带高度测定装置，还包括外部保护装置，所述压力监测装置为压力盒，所述信号传输线在外周设置有保护壳；

所述外部保护装置包括上铁板、下铁板、弹簧，所述上铁板、下铁板均为正方形，所述上铁板、下铁板在四角均通过弹簧连接；

所述压力盒设置在所述上铁板、下铁板之间。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型通过设置压力监测装置对煤层底板所受的压力进行监测，通过设置信号接收与处理装置根据压力监测装置传输过来的信号计算煤层底板所受的压力强度并根据煤层底板所受的压力强度、采空区顶板岩层的厚度和容重来判定冒落带发育的最高岩层层位、计算冒落带高度，降低了现场采动条件复杂多变对冒落带高度测定的影响，提高了综放工作面冒落带高度测定的精度，且结构简单、方便、经济、实用。本实用新型通过设置外部保护装置，能够增大压力盒的受力面积，进一步提高监测结果的精度，还能够保护压力盒不被冒落岩体砸坏，进一步降低成本。

附图说明

图1为本实用新型的综放工作面冒落带高度测定装置的测定原理图。

图2为采空区顶板岩层的结构示意图。

图3为采空区煤层底板受到的压力变化过程示意图。

图4为冒落带发育高度及范围的示意图。

图5为具体实施方式中本实用新型的综放工作面冒落带高度测定装置的结构示意图。

图6为具体实施方式中n1s2工作面覆岩应力变化监测点的布置示意图。

图7为具体实施方式中两测点处冒落岩体高度的变化曲线图。

图8为具体实施方式中n1s2工作面观测钻孔的布置示意图。

图中，1—信号接收与处理装置，2—信号传输线，3—保护壳，4—压力盒，5—弹簧，6—上铁板，7—下铁板。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，为本实用新型的综放工作面冒落带高度测定装置的测定原理图。由图1可以看出，本实用新型的测定原理包括下述步骤：

步骤1：如图2所示，对采空区顶板岩层自下而上编号为1,2,3,...。

步骤2：测定煤层底板所受的压力强度p。

步骤3：判定冒落带发育的最高岩层层位，并计算冒落带高度：

步骤3.1：令n＝1；

步骤3.2：获取第n层岩层的厚度sn、容重rn；

步骤3.3：判断是否成立：

若是，则第n层是冒落带发育的最高层位，计算冒落带高度为

若否，则第n层不是冒落带发育的最高层位，令n＝n+1，转至步骤3.2。

煤层开采后采空区上覆顶板岩层经历了基本顶破断前的冒落、基本顶回转压缩冒落矸石和基本顶回转运动趋于稳定三个阶段。第一个阶段是基本顶破断前阶段，煤层直接顶随回采冒落，冒落后的矸石在自重作用下，冒落岩石之间的碰撞，发生翻转、堆积现象，随着冒落岩体上覆自由空间的减小，冒落的程度和强度都会降低，由于岩体冒落的速度较快，冒落岩体对煤层底板的应力变化速度最大；第二阶段是基本顶破断回转压缩采空区冒落矸石阶段，冒落岩体上覆自由空间的减小，基本顶回转运动触及冒落的岩体时，会对下部冒落的岩体产生压缩作用力，将冒落岩体的体积减小，冒落岩体上覆的自由空间加大，回转部分的岩体也随之滑移、下落，充满采空区，此时基本顶的回转运动会使得煤层底板受力缓慢增大，但增大速度较第一阶段减小；第三阶段是基本顶回转运动趋于稳定后，冒落岩体上覆的自由空间较小，上覆岩体不能冒落，只能出现弯曲下沉，挤压下部采空区冒落的岩体，使得冒落的岩体在自重和上覆载荷的共同作用下，缓慢压缩变形，冒落岩体的下沉都不再发生变形、移动，采空区上覆地表的移动变形得到充分发育，达到最终稳定不变的状态，由于上覆岩层弯曲下沉的速度缓慢，因此其对煤层底板作用力的速率最小，直至达到0。

在岩体冒落、回转和稳定的过程中，都会对煤层底板施加一定的作用力，其作用力的变化曲线如图3所示。

由图3中煤层底板受到压力变化大小、变化速率和速率转折点位置，可以看出第一阶段时冒落岩体的特征。据此特征，按照冒落岩体的压力强度等于冒落带各岩层厚度与其容重的乘积，能够反推顶板岩层冒落带的高度变化过程，即：

p＝γhm

式中，p为冒落岩体的压力强度，mpa；hm为冒落带高度，m；γ为冒落岩体盒上覆岩层容重，kg/m³。

测定冒落岩体对煤层底板的压力强度时，需要结合冒落岩体的冒落特征去确定。如图4所示，工作面中部位置冒落最为充分，计算精度较高，而工作面两侧位置受边界效应的影响，计算岩体的冒落带高度较小，不能用于判定冒落带的最大高度，但可以用来判定冒落带发育高度的范围。

冒落岩层发育的最高层位与最高位置需要根据煤层底板所受的压力强度、各岩层厚度和各岩层岩体的容重去判定，当煤层底板所受的压力强度大于第一层岩层厚度和容重的乘积时，此时冒落带的高度记为hm＝s1；当煤层底板所受的压力强度大于r1·s1+r2·s2时p，冒落带高度记为hm＝s1+s2；当煤层底板所受的压力强度小于时，第n层是冒落带发育的最高层位，冒落带的高度为

本实用新型的综放工作面冒落带高度测定装置，包括压力监测装置、信号接收与处理装置1、信号传输线2，所述压力监测装置的输出端通过信号传输线2与所述信号接收与处理装置1的输入端电连接；

所述压力监测装置用于将压力监测装置受到的采空区冒落岩石的垂直作用力转换为频率信号传输给所述信号接收与处理装置1；

所述信号接收与处理装置1用于根据所述频率信号计算冒落带高度。

其中，所述信号接收与处理装置1用于根据所述频率信号计算冒落带高度包括：

所述信号接收与处理装置1用于对采空区顶板岩层自下而上编号为1,2,3,...，用于将所述频率信号反演为压力值σ并计算煤层底板所受的压力强度用于判定冒落带发育的最高岩层层位n并计算冒落带高度其中，s为压力监测装置的受力面积，且si、ri分别为第i层岩层的厚度、容重。

本实施例中，如图5所示，所述综放工作面冒落带高度测定装置，还包括外部保护装置，所述压力监测装置为压力盒4，所述信号传输线2在外周设置有保护壳3；

所述外部保护装置包括上铁板6、下铁板7、弹簧5，所述上铁板6、下铁板7均为正方形，所述上铁板6、下铁板7在四角均通过弹簧5连接；

所述压力盒4设置在所述上铁板6、下铁板7之间。

本实施例中，信号接收与处理装置1为gsj－2a型便携式多功能电脑监测仪，压力盒4为gh45型振弦式压力盒，s为压力盒钢弦表面积。

外部保护装置为可伸缩压缩装置，上铁板6、下铁板7的长度均为0.1cm，弹簧5为wl20-20型弹簧，能够使上铁板6在受力的情况下灵敏下移，将上铁板6上覆施加的作用力传递至压力盒4上，压力盒4将自身承受的采空区冒落岩石的垂直作用力转换为频率信号，通过电缆传输到gsj－2a电脑监测仪上，电脑监测仪利用其内部的数学计算模型将频率信号反演为压力值，直接显示压力盒受到的实时压力值，对工作面采空区冒落带发育高度进行实时监测。其中，外部保护装置能够增大压力盒4的受力面积，进一步提高监测结果的精度，还能够保护压力盒4不被冒落岩体砸坏，进一步降低成本。

本实施例中，以n1s2工作面为例，根据实时监测结果分析采动过程中采空区覆岩冒落发育高度及特征。其中，n1s2工作面的回采工艺为长壁后退式综采放顶煤，工作面推进长度1392m，工作面长度227m，采高14.74m，煤层倾角5°～9°(平均7°)，属近水平煤层，煤层埋深430m。

如图6所示，n1s2工作面共布置2个测点，1号测试点安设在距采止线53m、距运输顺槽外帮20m(10号支架)处；2号测试点安设在距采止线58m、距运输顺槽外帮80m(48号支架)处。2个测点处设备安装运行调试完成时，工作面的运输顺槽距采止线50m，回风顺槽距采止线66m，工作面从此位置推进至采止线用时30天(3月31日至4月30日)，共计观测36天(3月31日至5月5日)。

随着回采工作面的推进，采空区空顶面积增大，顶板受上覆岩层重力载荷和下部自由空间高度的作用，上覆岩层逐渐出现失稳、冒落、弯曲下沉到下沉稳定的一个动态平衡过程。

对采动过程各测点的压力值进行观测、记录，根据各个测点的压力值观测结果，将其换算为冒落带高度，得到观测期内1号测点、2号测点的观测数据和冒落带高度分别如表1、表2所示，并绘制各观测点冒落带高度发育曲线，如图7所示。

(1)1号压力测点

从表1和图7所示的1号测点处冒落带高度变化趋势可知：在测点安设后第1天观测时，监测应力盒的压力值达到80kn，计算得到冒落岩体的高度为3.26m，说明煤层开采后应力盒上覆的伪顶立即出现了冒落。

第2天观测时应力盒上的压力值增大至440kn，应力盒上部冒落岩体的高度增幅较大，达到18.01m，说明应力盒上覆岩体受采动影响和采空区悬顶面积较大导致顶板破碎、岩体冒落现象明显，结合工作面的综合柱状图可知顶板上覆的油页岩层段基本冒落完毕。

第3天至第20天观测时，监测应力盒上的压力值由440kn增大到1554kn，冒落岩体的增幅高度较前两天平缓，但应力盒上覆冒落岩体的高度也上升至62.65m，岩体冒落高度呈现平稳增高的变化趋势，说明未冒落岩层受临界载荷、自由下沉空间高度和采动影响，导致上覆岩体逐步冒落，充填至采空区，但应力盒上覆的采空区尚未充满。

第21天应力盒上覆冒落岩体的高度增大至63.65m后，直到第30天时冒落岩体的高度都未在发生变化。表明随着采空区上覆岩体冒落，采空区逐渐被冒落的岩体充满，冒落岩体上覆的自由下沉空间高度和岩层的临界载荷未满足岩层冒落的要求，冒落岩体上覆的岩层没有再发生冒落，也没有与已冒落的岩体接触。

第31天至第36天观测时发现应力盒上的压力值继续增大，但增大趋势较之前偏小，说明应力盒上冒落岩体上覆的岩层受采动影响、自由下沉空间高度限制和临界载荷限制没有发生垮断、冒落现象，仅出现整体下沉，向冒落的岩体挤压，使得应力盒上的压力值出现持续增大现象。由此可认为1号压力测点处应力盒上覆岩体冒落的高度为63.65m。

由于该压力测试点距运输顺槽外帮仅有20m，受运输顺槽边界处隔离煤柱影响，应力盒上冒落岩体上覆岩层的弯曲下沉类似于悬臂梁结构，致使应力盒上测得的冒落岩体高度比冒落带高度较小。

(2)2号压力测点

从表2和图7所示冒落岩体高度变化趋势可知：2号测点在安设后第1天观测时，监测应力盒的压力值达到690kn，计算得到冒落岩体的高度为28.26m，较1号测点的岩体冒落高度较大，说明煤层开采后应力盒上覆岩层受工作面周边煤柱影响较小，自由下沉空间较充分，靠近煤层顶板岩体弯曲下沉的强度超过其临界载荷，所以冒落岩体的高度较大。

第2天观测时，监测应力盒的压力值增大至1050kn，冒落岩体的高度为43.01m，但较第1天观测时冒落岩体的高度有所下降，说明随着岩层岩性强度的变化，冒落岩体上覆岩层弯曲下沉至达到临界载荷的时间变长，冒落速度也在降低。

第3天至19天观测时，应力盒上的压力值从1183kn增大至2140kn，冒落岩体的增幅高度较前2天平缓，增长速率保持线性关系，冒落岩体的高度也由48.47m增大至87.65m，说明未冒落岩层受临界载荷、自由下沉空间高度和采动影响，致使上覆岩体逐步冒落，充填至采空区。应力盒上覆岩体冒落还在继续，表明应力盒上覆的采空区尚未充满。

第20天应力盒上覆冒落岩体的高度增大至88.65m后，直到第30天时冒落岩体的高度都未在发生变化。表明随着采空区上覆岩体冒落，采空区逐渐被冒落的岩体充满，冒落岩体上覆的自由下沉空间高度和临界载荷未满足岩层冒落的要求，冒落岩体上覆的岩层没有再发生冒落，也没有与已冒落的岩体接触。

第31天至第36天观测时发现应力盒上的压力值继续增大，但增大趋势较之前偏小，说明应力盒上冒落岩体上覆的岩层受采动影响、自由下沉空间高度限制和临界载荷限制没有发生垮断、冒落现象，仅出现弯曲下沉，向冒落的岩体挤压，使得应力盒上的压力值出现持续增大现象。由此可认为2号压力测点处应力盒上覆岩体冒落的高度为88.65m。

由于同一工作面不同位置上覆岩体的冒落高度各不相同，但整体会呈现拱形特征，根据冒落带高度的特征，综合两个测点的冒落岩体发育高度的变化规律和大小，可得到n1s2工作面采空区最大冒落带高度为88.65m，大小符合长期观测经验所得的冒落带高度为5倍采高左右估算范围。

表1

表2

本实施例中，为了验证本实用新型的测定装置的准确度，采用钻孔冲洗液耗失量法观测覆岩破坏，确定冒落带发育高度。n1s2综放工作面冒落带高度观测钻孔布设如图8所示。其中，钻孔冲洗液耗失量、钻孔水位、钻速等是反映采动裂隙、岩层富水性及导水性的重要指标。依据现场施工过程中的观测记录，分析各岩层的变形破坏特征。

(1)岩层采动离层

导水裂隙带上覆各岩层，以独立或成组的形式处于弯曲变形状态。在下位岩层挠度大于上位岩层挠度处，两岩层间发育有离层空间。裂隙发育，强度低的岩层，弯曲变形时将破裂、破碎。

钻机钻进至离层、破碎岩层时，出现短时性漏失量大，水位下降，以及卡、掉钻等现象。1号孔钻至深度162.35m～165.85m、2号孔钻至深度171.45m～178.65m遇到厚层砂砾岩下的离层、破碎岩层。

(2)采动断裂岩层

导水裂隙带上段的断裂带岩层，离层、裂隙发育，导水、透气。下段的冒落带岩层，岩块呈无序堆积状态，空隙多。

钻孔钻进至该区域破坏岩层时，钻孔冲洗液会持续流失，耗失量大增，水位居高不下。1、2、3号孔分别钻进至195.9m、210.8m、221.5m深度时均出现了这一现象，判定为进入导水裂隙带。

(3)采动冒落岩层

岩层破坏冒落后，其完整性丧失。冒落破坏的岩块间出现大量的空隙，既导水，又蓄水。钻孔钻进至该区域时，不仅耗失量大、水位高，还有明显的卡钻等现象，甚至可听到蜂鸣声。1号孔钻进至341.8m深度时出现了这一现象，分析判断已进入了冒落带。由此，结合煤层埋深，可以计算出冒落带高度为88.2m。

本实用新型测得的冒落带高度88.65m与钻孔冲洗液耗失量法确定的冒落带高度为88.2m相比，误差为0.45m，占比0.51％，误差较小，说明本实用新型的装置测定冒落带高度具有较高的准确度。

显然，上述实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本实用新型要求的保护范围内。