采空区顶底板变形与充填体应力监测一体化装置的制作方法

本实用新型属于采矿工程监测技术领域，尤其是涉及煤矿固体充填开采条件下采空区顶底板沉降与充填体应力一体化监测。

背景技术：

煤层开挖使得岩层位移边界约束被释放，同时引起的采空区围岩应力集中将促使顶、底板原有裂隙和结构面的扩展、错动和贯通，甚至产生了新的微裂隙，从而顶板冒落、底板产生变形、位移以及破坏。采空区是矿山的主要灾害源之一，对釆空区稳定性的研究受到矿山的高度重视与学者的广泛关注。

近年来，矸石充填开采技术在煤矿开采中得到了推广，矸石充填体置换煤体后成为支撑上覆岩层和维持稳定的直接主体，随着顶底板对充填体挤压，其承载能力发挥越充分，当上覆岩层压力较大而充填体不能抵抗时，内部产生裂纹并扩张，开始软化。为保证充填开采作业的安全、高效进行，有必要对充填开采工作面顶底板沉降规律及充填体应力进行研究，为固体充填材料设计方案的确定、覆岩变形破裂规律以及充填体质量控制效果的掌握提供有效、可靠的依据，以便合理安排循环作业进度，并及时采取有效的支护措施。

发明专利申请公开号：CN 1061223767 A公开了“一种长壁工作面充填开采顶板沉降监测方法”，授权公告号：CN 102589763 B公开了“一种充填体性能在线监测系统”。前者所公开的监测方法侧重于对顶底板位移的监测，而且没有将顶底板移近与顶板下沉进行区分，而将采空区顶底板变形统一归为顶板下沉量，忽略了采空区的底鼓量。后者所公开的监测方法侧重于充填体受力的监测，实际上顶底板位移和充填体受力是相互作用的。两者进行分别观测，造成的数据不能有效对应，不利于了解充填体和顶底板相互作用机理。

技术实现要素：

为了研究顶底板与充填体之间应力与变形关系，以及避免将两者分别监测造成的数据不能有效对应的情况，本实用新型提出一种在同一位置的监测点既能监测顶底板变形，同时又能监测充填体的应力一体化的装置。

为了达到上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种采空区顶底板变形与充填体应力监测一体化装置，其特征在于，由测杆和附着在测杆上的监测顶底板位移量的位移监测仪以及监测充填体应力的应力监测仪组成；

所述的位移监测仪由三个拉线式的位移传感器组成，均安装在下杆体的固定盘上，分别用于顶板变形、顶底板移近量和底板变形的监测，依次由1号传感器、2号传感器、3号传感器进行监测；

所述的应力监测仪有两套，分别用于监测充填体水平应力和垂直应力；

所述的测杆由上杆体、中部连接杆和下杆体三个中空杆件依次套装组成，上杆体插入中部连接杆中可相对滑动，中部连接杆插入下杆体中可通过调节形成一定的高度；所述下杆体的中部和下部分别设有穿过杆体两侧的管孔；所述的上杆体顶部设有长条形顶板固定盘，顶板固定盘中间开设有与测杆内腔相通的用于1号传感器拉线通过的穿线孔，通过顶板固定盘可使测杆上端固定在顶板上；下杆体底部设有底板固定盘，底板固定盘中间开设有与测杆内腔相通的用于3号传感器拉线的穿线孔，通过底板固定盘可使测杆下端固定在底板上；所述的上杆体外壁长度方向上开设有2号传感器拉线的拉线槽，拉线槽下端设有固定2号传感器拉线端头的接线柱和进入上杆体内腔的穿线孔；所述的中部连接杆的杆体顶部设有拉线导向件。

所述的应力监测仪，由压囊、弧面壳体、液体压力传感器、注液管及单通电磁阀组成；弧面壳体扣在压囊上用于承受充填体的压力，液体压力传感器置于压囊内部，液体压力信号传送至监测站和单通电磁阀的控制器；注液管穿过下杆体，单通电磁阀置于下杆体内腔并串接在注液管上，注液管一端与注液设备连通，另一端与压囊内部连通；其中，水平应力监测仪附着在下杆体的中部管孔处，弧面壳体的正弧面朝向充填体的水平方向；垂直应力监测仪附着在下杆体的下部管孔处，弧面壳体的正弧面朝上；

所述测杆的中部连接杆的杆体上对称开设两排等间距的调节孔，下杆体的杆体上加工有与调节孔对应的螺孔，螺孔安装上螺栓后使测杆固定在一定的高度上。

为了使弧面壳体无阻力受压，弧面壳体的壳体顶部和壳体四周设计为活动连接。

下面说明本实用新型的方法。

上述采空区顶底板变形与充填体应力监测一体化装置的使用方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：根据需要监测的现场情况，确定顶底板监测钻孔深度；其中顶板监测钻孔深度应不小于垮落带高度，垮落带高度按现有垮落带计算公式计算；底板监测钻孔深度H_f根据A.S.Vesic公式进行计算：

其中，x_p为沿工作面走向塑性区范围，为底板岩体内摩擦角；

第二步：按照计算的顶、底板监测钻孔深度进行钻孔，钻孔后安装布置本实用新型的一体化装置；

首先布置三个拉线式位移传感器，将监测顶板变形的1号传感器拉线锚入顶板监测钻孔底部后从顶板固定盘的穿线孔引进内腔，从下杆体的管孔引出连接在1号传感器上；将监测底板变形的3号传感器拉线，锚入底板监测钻孔底部后从底板固定盘的穿线孔引进内腔，通过引出线导管从下杆体的管孔引出连接在3号传感器上；将监测顶底板移近量的2号传感器拉线连接在拉线槽下端的接线柱上，沿上杆体拉线槽上升，经中部连接杆顶部的拉线导向件折返后，从上杆体穿线孔引进内腔，再由下杆体的管孔引出连接在2号传感器上；

将测杆的上杆体伸出，通过中部连接杆调节测杆高度，使测杆两端与顶、底板顶紧，并保证顶、底固定盘和的穿线孔与钻孔一致，两个应力监测仪处于充填体一侧，并通过顶固定盘和底板固定盘与顶、底板固定；

通过注液泵向两套应力监测仪的压囊内注液至预定值，关闭单通电磁阀；为减小充填时对装置的影响，需要用充填材料掩埋应力监测仪，掩埋高度为水平应力监测仪所处位置；安装布置完毕；

第三步：收紧位移传感器拉线，将应力监测仪、位移监测仪信号线通过数据线接入监控站，待充填后进行监测；在工作面充填开采过程中，顶板下沉、底板鼓起并对充填体施压，将引起测杆压缩，上杆体和中部连接杆之间发生相对移动，使1号、2号和3号传感器拉线张拉，产生位移数据信号，同时两套应力监测仪分别产生水平应力和垂直应力数据信号；上述数据信号传输给监控站；其中，2号传感器的监测数据为顶底板移近量，2号传感器的监测数据减去3号传感器的监测数据为顶板直接顶的下沉量，1号传感器的监测数据减去3号传感器的监测数据为顶板基本顶的下沉量，3号传感器的监测数据为底板的底鼓量。

本实用新型的有益效果如下：

(1)以三个杆件组成的主体装置为基础，通过位移监测仪获取采空区顶板及顶底板深部岩层的变形数据；变形数据包括顶底板移近量、顶板直接顶的下沉量、顶板基本顶的下沉量和底板的底鼓量；通过附加于主体装置的两个应力监测仪收集充填体垂直应力与水平应力数据；

通过这些综合监测数据，为充分了解顶板和充填体相互作用机理、顶板与充填体之间应力与变形关系等提供了可靠的依据；

(2)本装置同时对充填体垂直应力与水平应力进行监测，并且应力监测点与采空区顶底板变形监测处于同一点上，具有良好的对应性；

(3)装置结构简单、可靠，可适用于不同充填率条件下的顶底板位移与充填体应力监测，并且避免了因充填体不均匀变形导致装置倾斜而无法正常工作的情况。

附图说明

图1为本实用新型实施例整体结构示意图；

图2为图1中上杆体、中部连接杆部分右视图；

图3为图1中B区放大图；

图4为实施例测杆下部剖面图；

图5为充填使用状态示意图。

图中：1-上杆体，2-顶板固定盘，3-锚栓，4a-1号传感器的拉线，4b-2号传感器的拉线，4c-3号传感器的拉线，5-煤体，6-中部连接杆，7-充填体，8-下杆体，9-底板固定盘，10-位移监测仪，11-螺栓，12-引出线导管，13-调节孔，14-水平应力监测仪，15-垂直应力监测仪，16-拉线槽，17-凹槽，18-拉线导向件，19-接线柱，20-管孔，21-弧面壳体，22-压囊，23-弧面壳体，24-液体压力传感器，25-单通电磁阀，26-注液管,27-顶板监测钻孔,28-底板监测钻孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例进行详细说明：

如图1、图2、图3、图4所示，一种采空区顶底板变形与充填体应力监测一体化装置，由测杆和附着在测杆上的监测顶底板位移量的位移监测仪10以及监测充填体应力的水平应力监测仪14和垂直应力监测仪15组成。

所述的测杆由上杆体1、中部连接杆6和下杆体8三个中空杆件依次套装组成，上杆体1插入中部连接杆6中可相对滑动，中部连接杆6插入下杆体8中可通过调节形成一定的高度；调节结构是，中部连接杆6的杆体对称开设两排等间距的调节孔13，下杆体8的杆体上8加工有与调节孔13对应的螺孔，螺孔安装上螺栓11。

所述的下杆体8的杆体的中部和下部分别设有穿过杆体两侧的管孔20。

所述的位移监测仪10由三个拉线式位移传感器组成，安装在下杆体8的底板固定盘9上；三个拉线式位移传感器分别用1号、2号和3号传感器表示，分别用于顶板变形的监测、顶底板移近量的监测和底板变形的监测。

所述的应力监测仪有两套，包括水平应力监测仪14和垂直应力监测仪15，分别用于监测充填体水平应力和垂直应力；应力监测仪由压囊22、弧面壳体23、液体压力传感器24、注液管26及单通电磁阀25组成；弧面壳体23的壳体顶部和壳体四周设计为活动连接；弧面壳体23扣在压囊22上用于承受充填体的压力，液体压力传感器24置于压囊22内部，液体压力信号传送至监测站和单通电磁阀25的控制器；注液管26穿过下杆体8，单通电磁阀25置于下杆体8内腔并串接在注液管26上，注液管26一端与注液设备连通，另一端与压囊22内部连通；其中，水平应力监测仪14附着在下杆体8的中部管孔处，水平应力监测仪14的弧面壳体的正弧面朝向充填体的水平方向；垂直应力监测仪15附着在下杆体8的下部管孔处，垂直应力监测仪15的弧面壳体的正弧面朝上。

所述的上杆体1顶部设有顶板固定盘2，顶板固定盘2中间开设有与测杆内腔相通的用于1号传感器的拉线4a的穿线孔，通过顶板固定盘2可使测杆上端固定在顶板上；下杆体8底部设有底板固定盘9，底板固定盘9中间开设有与测杆内腔相通的用于3号传感器的拉线4c的穿线孔，通过底板固定盘9可使测杆下端固定在底板上。

所述的上杆体1沿轴向开设供2号传感器的拉线4b通过的拉线槽16，拉线槽16下端设有固定2号传感器拉线端头的接线柱19和进入上杆体1内腔的穿线孔；所述的中部连接杆6的杆体顶部设有凹槽17，凹槽17内设有拉线导向件18，并与上杆体1的拉线槽16相对应；拉线槽16、接线柱19和拉线导向件18用于安装2号传感器的拉线4b。

如图5所示，上述采空区顶底板变形与充填体应力监测一体化装置的使用方法，步骤如下：

第一步：根据需要监测的现场情况，确定顶底板监测钻孔深度；其中顶板监测钻孔27深度应不小于垮落带高度，垮落带高度按现有垮落带计算公式计算；底板监测钻孔28深度H_f根据A.S.Vesic公式进行计算：

其中，x_p为沿工作面走向塑性区范围，为底板岩体内摩擦角；

第二步：按照计算的顶、底板监测钻孔深度进行钻孔，钻孔后安装布置一体化装置；

首先布置三个拉线式位移传感器，将监测顶板变形的1号传感器的拉线4a锚入顶板监测钻孔27底部后从顶板固定盘2的穿线孔引进内腔，从下杆体8的管孔20引出连接在1号传感器上；将监测底板变形的3号传感器的拉线4c锚入底板监测钻孔28底部后从底板固定盘9的穿线孔引进内腔，通过引出线导管12从下杆体8的管孔20引出连接在3号传感器上；将监测顶底板移近量的2号传感器的拉线4b连接固定在接线柱19上，沿上杆体拉线槽16上升，经中部连接杆凹槽17内的拉线导向件18折返后，从上杆体1拉线孔引进内腔，再由下杆体的管孔20引出连接在2号传感器上；

将测杆的上杆体1伸出，通过中部连接杆6调节测杆高度，用螺栓11固定，使测杆两端与顶、底板顶紧，并保证顶、底固定盘2和9的穿线孔与钻孔一致，两个应力监测仪处于充填体一侧，并通过顶固定盘2和底板固定盘9用锚栓3与顶、底板固定；

通过注液泵向两套应力监测仪的压囊22内注液至预定值，关闭单通电磁阀25；为减小充填时对装置的影响，需要用充填材料掩埋住应力监测仪，掩埋高度为水平应力监测仪14所处位置；安装布置完毕；

第三步：收紧三个位移传感器的拉线，将水平应力监测仪14、垂直应力监测仪15和位移监测仪10的信号线通过数据线接入监控站，待充填后进行监测；在工作面煤体5充填开采过程中，顶板下沉、底板鼓起并对充填体7施压，将引起测杆压缩，上杆体1和中部连接杆6之间发生相对移动，使1号、2号和3号传感器的拉线4a、4b和4c张拉，产生位移数据信号，使水平应力监测仪14和垂直应力监测仪15分别产生水平应力和垂直应力数据信号；上述数据信号传输给监控站；其中，2号传感器的监测数据为顶底板移近量，2号传感器的监测数据减去3号传感器的监测数据为顶板直接顶的下沉量，1号传感器的监测数据减去3号传感器的监测数据为顶板基本顶的下沉量，3号传感器的监测数据为底板的底鼓量。