采空区上覆基本顶岩层动态沉降量的观测装置及方法与流程

本发明属于煤矿开采矿压观测技术领域，具体涉及一种采空区上覆基本顶岩层动态沉降量的观测装置及方法。

背景技术：

矿山压力与控制理论指出，煤层开采后，上覆岩层将发生不同程度的沉降及断裂破坏，这是造成采场矿山压力显现的主要原因。从上世纪开始，许多学者针对上覆岩层运动提出了不同的理论假说，如德国的施托克提出的悬臂梁假说、前苏联库兹涅佐夫提出的铰接岩块假说、我国学者钱鸣高院士提出的砌体梁理论以及宋振骐院士提出的“传递岩梁”理论等等。上述理论都认为，在煤层上方存在的厚度不等、强度不同的多层岩层中,其中一层至数层厚硬岩层在采场上覆岩层运动中起主要的控制作用，这一层至数层厚硬岩层被称为基本顶或者老顶。

煤层开采后，基本顶的断裂、沉降是工作面矿山压力显现的主要力源，尤其是基本顶随煤层开采的动态沉降量对于上覆岩层破坏范围分析、工作面及超前巷道的支护设计、沿空留巷的参数设计等起到重要的作用。当前，对于基本顶岩层在采空区上方的动态沉降量分析大多是基于矿压及力学理论计算、相似材料模拟及计算机仿真模拟等方法确定，或根据采场及巷道的矿压显现观测参数进行力学反演分析。由于基本顶剧烈运动位置一般位于工作面后方的采空区上方范围内，人员和设备难以直接进入，因此目前尚未有很好的方法能够直接对采空区上方基本顶的沉降量及沉降规律进行直观观测。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种采空区上覆基本顶岩层动态沉降量的观测装置及方法，其目的是为了精确测量采空区上方基本顶岩梁的动态沉降值，从而总结基本顶岩层随煤层开采的下沉运动规律，为下一步进行巷道的支护设计、沿空留巷、覆岩控制等工作提供技术支持。

本发明的任务之一在于提供一种采空区上覆基本顶岩层动态沉降量的观测装置，其采用了如下技术方案：

一种采空区上覆基本顶岩层动态沉降量的观测装置，其包括测量单元、传输单元及接收单元，所述测量单元为一测量传感器探头，实际观测时，所述的测量传感器探头安装在测试钻孔内，所述的测量传感器探头包括树脂药包、位移传感器、固定机构及紧固爪，所述的固定机构为一扁圆柱体，在所述扁圆柱体的底部设置有凹形槽，所述的凹形槽用于与钻杆或杆体结构连接，在所述扁圆柱体的一侧留有用于穿过连接导线的预留孔；所述的紧固爪位于所述扁圆柱体的底部，对所述扁圆柱体进行固定，所述的位移传感器位于所述扁圆柱体的顶部，当进行实际观测时，所述的位移传感器通过导线与所述的接收单元连接在一起；所述的树脂药包位于所述固定机构的顶部，且将所述的位移传感器包裹在内，所述的树脂药包其外层为一层薄膜，内部装填有粘结剂，所述的树脂药包用于将位移传感器和固定机构与岩层快速粘结成一个整体；

所述的传输单元包括数据传输导线及保护所述数据传输导线的柔性护管，所述的数据传输线位于所述柔性护管内；

所述的接收单元包括数据接收器，所述的数据接收器设置多个传输通道，用于同时接收多个所述位移传感器监测到的位移数据。

所述的紧固爪设置有四个，每个紧固爪与所述的扁圆柱体底部焊接在一起。

作为本发明的一个优选方案，上述的树脂药包，当给予其一较小的外力时易发生破裂，其内部的树脂粘结剂充满测试钻孔，从而将所述位移传感器和固定机构与岩层快速粘结成一个整体。

作为本发明的另一个优选方案，上述的每个紧固爪的外沿直径比测试钻孔的孔径大20-30mm。

进一步的，位移传感器选用数字位移传感器，其量程为300mm，线性精度<0.02％，分辨度为1um，传送距离远>100m。

本发明的另一任务在于提供一种利用上述观测装置进行采空区上覆基本顶岩层动态沉降量的观测方法，依次包括以下步骤：

a选取双巷掘进的采煤工作面作为研究对象，上一工作面切眼贯通后，在下一个工作面的顺槽内靠近切眼位置布置钻孔并对钻孔的相关参数进行设计；

b根据钻孔的设计参数进行钻孔施工；

c安装所述的观测装置；

d观测搜集数据：观测工作从上一工作面的切眼开始推进时实时进行，根据预先计算的基本顶岩梁的断裂步距及工作面的推进速度，设置好数据接收器的数据采集间隔，通过数据接收器将所有观测探头测量得到的数据实时记录和存储，观测周期为基本顶岩梁的初次断裂加上2～3个周期断裂的时间范围，当判定基本顶岩梁周期断裂了3次以上时，观测工作停止；在观测周期内，观测人员定期将测量数据采集出来在地面计算机上进行汇总分析；

e老顶岩梁最终沉降值的计算和确定：数据采集结束后，对观测数据进行整理分析，并建立上覆基本顶岩梁下沉的几何结构模型，根据前面几个钻孔的初始及最终沉降数据，计算得到基本顶岩梁的下沉速度，同时得到断裂后的岩梁在采空区上方处于最终水平状态时的最终沉降值；根据后面数个钻孔，尤其是观测结束时靠近工作面煤壁处的一组钻孔的观测数据，同时依据建立的上覆基本顶岩梁下沉的几何结构模型，计算得到基本顶岩梁在工作面后方的倾斜下沉系数，得到该系数k值，利用该值反推基本顶岩梁在下沉过程中在任何位置的实时沉降量；

f结合相关理论计算确定采空区冒落矸石的碎胀系数。

进一步的，步骤a中，所述钻孔的相关参数包括钻孔个数、布置间距、钻孔长度、倾角及孔径。

进一步的，步骤c中，采用机械安装或人工安装两种方式来安装观测装置，当钻孔长度＞10m时，采用机械安装方式来安装观测装置，当钻孔长度≤10m时，采用人工安装方式来安装观测装置。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

第一、观测装置能够将位移传感器与所要观测的岩层紧密固定，采用树脂药剂粘结的化学固定方式和紧固爪机械固定方式的双重固定形式，将位移传感器固定在预设位置。

第二、采用高强柔性护管包裹数据传导导线的形式，解决了数据传输的电导线在钻孔内随岩层沉降容易破断的问题，柔性护管采用高强韧性的橡胶材料制成，可弯曲，同时在钻孔内具有耐磨、耐剪、抗拉的特点，保证了测量数据的稳定性传输。

第三、本发明观测方法在下一工作面的顺槽内布设观测点，不受上一工作面开采及采空区冒落的影响。

第四、本发明观测方法可同时进行多点观测，每个数据接收器设计有多个数据传输通道，可实时测量基本顶岩梁内多个测点的实时数据。

第五、本发明观测方法以基本顶岩梁的力学理论计算分析为依据，再根据观测数据建立岩梁断裂沉降的几何模型，最终解决了采空区上覆基本顶岩梁沉降无法现场测量的技术难题。

第六、根据观测数据的分析及建立的几何模型，可得到岩梁断裂后在沉降过程中以及沉降最终位态的位移数据，最终可得到的几个基本顶岩梁的关键参数包括：基本顶岩梁的下沉速率、岩梁最终沉降值、岩梁下沉过程中的倾斜沉降系数以及岩梁沉降过程中在任何位置的实时沉降量。同时以上述参数为计算依据，可进一步得到采空区内冒落矸石的最终碎胀系数。上述参数对于工作面的顶板支护、巷道位置设计等极具参考价值。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明测量传感器探头结构示意图；

图2为图1中的a-a剖面截面图；

图3为本发明观测方法的测点布置图；

图4为图3中b-b截面图；

图5为图3中c-c截面图；

图6为建立的基本顶岩梁断裂后的几何模型图。

图中：1—测量钻孔；2—粘结树脂药包；3—位移传感器；4—固定机构；5—紧固爪；6—凹槽；7—导线预留孔；8—数据传输导线；9—柔性护管；10—钻孔原位态；10’—随岩层沉降后的钻孔位态；11—区段煤柱；12—数据接收器；13—连接导线；14—测量传感器探头；15—直接顶；16—基本顶；17—采空区；18—采煤工作面；a～l—观测点原始位置；a’～l’—观测点下沉后的位置。

具体实施方式

本发明提出了一种采空区上覆基本顶岩层动态沉降量的观测装置及方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

结合图1和图2所示，本发明采空区上覆基本顶岩层动态沉降量的观测装置，包括测量单元、传输单元及接收单元。其中，主要改进点测量单元包括测量传感器探头，在观测时，将其通过人工或机械的安装方式送入测试钻孔1中，测量传感器探头具体包括粘结树脂药包2、位移传感器3、固定机构4及紧固爪5，其中，固定机构在这些部件中起一个承上启下的作用，其具体结构优选为扁圆柱体，为实心体，在该扁圆柱体的下方的中部位置设置有凹槽6，凹部向下，该凹槽的设置目的是为了与其它结构如杆体或钻杆等进行匹配连接，以便于该观测装置在钻孔内的安装与输送。另外，该扁圆柱体的侧部还设置有导线预留孔7，具体该孔的大小根据现场实际需求进行设计，目的是使得数据传输导线8通过。紧固爪5优选设置有四个，分别分布在该扁圆柱体的底部，且两两间隔近似均等，每个紧固爪由高强铸铁或钢材料制成，与扁圆柱体通过焊接在一起，外撇15-20°，每根紧固爪的长度为50-80mm，紧固爪的外沿直径比钻孔直径大20-30mm，固定机构与紧固爪牢牢抓住钻孔岩壁防止探头在煤层顶板运动过程中与所在岩层发生滑动，使探头与岩层固结成一个整体。

传输单元由数据传输导线8和柔性护管9组成。柔性护管为高强树脂橡胶为主的复合材料，其特点为：高强、柔性、耐磨、抗剪，抗拉，在岩层断裂、沉降的过程中保护内部的数据传输导线，防止其被岩层切断。

接收单元包括数据接收器12，其安装在巷道的煤壁侧，接收器的传输通道不少于20个，可同时接收多个数据传感器的位移数据。同时，该接收器具有位移及时间信息实时储存的功能，可手动设置其储存信息的间隔时间，并根据实际情况设计合理的观测时间间隔、数值的数量等。

上述位移传感器选用数字位移传感器，其量程为300mm，线性精度<0.02％，分辨度为1um，传送距离远>100m，环境适应性好，安装简单，稳定性较好。位移传感器固定在固定装置上，并通过预留底孔将传导导线与位移传感器相连。在煤层顶板的运动过程中，由于位移传感器与所处岩层相对静止，位移传感器会将岩层在运动过程中发生的位移信息转换为电信号通过传导导线传入数据接收器当中。

上述的粘结树脂药包位于固定机构顶部，将位移传感器包裹其中；药包其外部包裹一层薄膜，内部装填树脂药包，当给予其一较小的外力时，薄膜会发生破裂，树脂粘结剂充满钻孔将位移传感器和固定机构与岩层快速粘结成一个整体，防止其发生下滑。

下面结合具体工程案例对本发明的观测方法做详细说明。

实施例1：

工程地质条件包括：某工作面采用双巷掘进方式，中间留设区段保护煤柱宽度为10m，工作面煤层开采厚度2m，直接顶15岩层为软弱的泥岩，厚度2.5m，基本顶岩层为中等强度的粉砂岩，厚度m＝8m，岩层容重γ＝26kn/m³，岩层抗拉强度δ＝5.8mpa。

结合图3至图6所示，本发明观测方法，具体包括以下步骤：

a、选取双巷掘进的采煤工作面18作为研究对象，上一工作面切眼贯通后，在下一个工作面的顺槽内(该顺槽与上工作面顺槽预留有区段煤柱11，煤柱宽度为10m)，选择合适位置(接近上一工作面的开切眼)进行钻孔布置设计；

b、观测钻孔的参数设计：包括钻孔个数、布置间距、钻孔长度、倾角、孔径等。

首先，根据覆岩基本顶16的厚度、力学指标等参数计算基本顶岩梁的初次断裂步距c0和周期断裂步距c1；其中初次断裂步距根据公式计算，得到c0＝60m；周期断裂步距根据经验值，取初次断裂步距的1/3，则c1＝20m。根据现场条件，设计相邻观测钻孔的布置间距为5m，计算得到钻孔的布置个数为(c0+2c1)/n＝20个。

其次，根据覆岩基本顶距煤层的垂距，利用几何三角函数，设计计算合理的钻孔倾角及钻孔长度，保证钻孔顶端位置(即探头布置位置)要埋入基本顶岩梁内，同时使钻孔尽量远离采空区17。根据现场工程条件，设计计算得到观测钻孔的倾角为20°，钻孔长度为19m。该钻孔参数可以使测点位于基本顶岩层的中间层位上，同时，钻孔远离采空区，钻孔所在岩层在沉降过程中不会发生大的断裂和冒落。

再次，根据测量传感器探头尺寸，设计合理的钻孔直径。本具体案例中探头直径可取30mm，则钻孔的直径可取40-50mm。

c、根据设计参数进行钻孔的施工：所需设备包括锚杆或锚索钻机、测量传感器探头、数据接收器、传导导线和一些辅助观测、施工设备等；在预测巷道的设计位置按照设计的倾角和长度通过锚杆索钻机来对巷道顶板进行钻孔施工。

d、观测仪器的安装：观测探头的安装有机械安装或人工安装两种方式，安装方式根据钻孔长度而定。钻孔长度大于10m时使用锚杆索钻机、钻杆等顶住测量传感器探头底部的凹槽将探头送到预定的位置；钻孔长度小于10m时使用pvc管顶住测量传感器探头底部的凹槽人工将探头送到预定的位置。本案例中由于钻孔长度为19m，所以需要用到机械安装方式。数据接收器安装在下一工作面顺槽的巷帮煤壁上，并安设有保护壳体，防止仪器被破坏。

安装步骤：使用钻机、钻杆将观测探头送到指定位置，当探头推到位不能前进为止时，再施加一个较小的力使药包破裂，粘结围岩。钻孔内连接导线13长度要超过钻孔长度20％～30％，即钻孔内的导线长度为25m左右，以防止岩层断裂、沉降时导线长度不足造成导线拉断。孔口位置安设有导线固定卡子，防止导线由于自重滑出钻孔，外露的导线连接到数据接收器的指定通道上。

上述步骤c、d中，施工完成一个钻孔后，随即进行观测设备的安装工作，安装完成后再进行下一个钻孔的施工工作；所有设计钻孔(20个)施工完成以及测量设备安装完毕后，将每个钻孔的外露导线固定到巷帮煤壁上，不影响巷道的正常使用。

e、数据的观测与搜集：上述步骤d完成后，测量的前期准备工作结束。观测工作从上一工作面的切眼开始推进时实时进行，根据预先计算的基本顶岩梁的断裂步距及工作面的推进速度，设置好数据接收器的数据采集间隔。所述数据接收器为具有位移及时间信息储存功能的装置，可将所有观测探头测量得到的数据实时记录和存储。观测周期一般为基本顶岩梁的初次断裂加上2～3个周期断裂的时间范围，当判定基本顶岩梁周期断裂了3次以上时，观测工作可停止。观测周期内，观测人员定期将测量数据采集出来在地面计算机上进行汇总分析。本案例中，观测到基本顶岩梁完成一次初次断裂和两次周期断裂后，观测工作即可停止。总共观测的长度约为100m，如图4所示，钻孔原位态10和随岩层沉降后的钻孔位态10’；

f、老顶岩梁最终沉降值的计算和确定：数据采集结束后，对观测数据进行整理分析，并建立上覆基本顶岩梁下沉的几何结构模型，如图5、6所示，a～l为观测点原始位置，a’～l’为观测点下沉后的位置。工作面从开切眼开始推进，至推进到一定距离后，上覆基本顶岩层最终形成岩块a、b、c的铰接形态，其中岩块b属于最终位态，a、c属于动态运动位态。根据岩块b内的测点数据(测点e—h)，可得到断裂后的岩梁在采空区上方处于最终水平状态时的最终沉降值△w，同时可计算得到基本顶岩梁的下沉速度。根据岩块a内的测点数据(测点i—l)，可计算得到基本顶岩梁在工作面后方的倾斜下沉系数，得到该系数k值，其中△wi为i测点的下沉值，为测点i到测点l的水平距离。利用该值可反推基本顶岩梁在下沉过程中在任何位置的实时沉降量。

g、进一步可计算确定采空区冒落矸石的最终碎胀系数。

上述未述及的内容借鉴现有技术即可实现。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会超越权利要求书所定义的范围。