一种采煤沉陷区地表沉降变形的监测设备的制作方法

本发明属于监测技术领域。

背景技术：

煤炭在我国能源结构中约占75％，在国民经济和社会发展中具有重要的地位，并作出了突出的贡献，但是同时也产生了一系列的问题，如环境污染、山体滑坡、地表沉降变形等，其中，以地表沉降变形问题最为突出，部分矿区甚至出现了塌陷现象，这给矿区当地人民的生命财产和生态环境等带来了巨大的威胁。对煤炭开采所导致的地面形变进行有效的监测将为矿区地质环境治理提供重要的基础数据，为相关部门制定治理方案提供科学依据。

传统的地面形变监测方法大多采用水准测量或者gps等点测量方法，采用全站仪、水准仪等设备进行检测。但在西南山区，大多数煤矿开采区的地表沉降是岩体发生沉降，这种传统的监测方式并不适用，这给人们的监测工作带来了较大的困难。如何准确的监测和预测西南山区煤矿开采区的沉陷是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种采煤沉陷区地表沉降变形的监测设备，以解决现有技术中西南山区采煤沉陷区地表的沉降变形难以监测的问题。

为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种采煤沉陷区地表沉降变形的监测设备，包括若干根竖直预埋在待观测区的伸缩杆，伸缩杆为空心结构，伸缩杆的顶部套设有气囊，气囊与伸缩杆内部连通；伸缩杆包括若干个管体，相邻管体之间滑动连接，且各个管体的直径由伸缩杆底部向伸缩杆顶部逐渐增大，每个管体顶部均设有可插入岩体并能对岩体沉降做出反应的反应机构，且反应机构在地表发生沉降时可使伸缩杆产生收缩；相邻伸缩杆之间设有用于印证监测结果是否准确的印证机构。

本基础方案的原理和有益效果在于：

(1)本方案的反应机构在地表沉降时可使伸缩杆收缩，伸缩杆收缩可将伸缩杆中空结构内的气体挤压到气囊中，使气囊膨胀，人们可根据各根伸缩杆顶部气囊的膨胀情况监测出发生沉降变形的区域，再通过比较各个气囊膨胀量的大小来判断出地表沉降变形的程度和发展趋势。

(2)本方案的反应机构能够插入岩体并能对岩体的沉降做出反应，解决了西南山区采煤沉陷区难以监测其地表沉降变形的问题，适用于西南山区的采煤沉陷区地表沉降变形的监测。

(3)本方案的印证机构能够在伸缩杆伸缩时产生相应的改变，从而方便人们印证从气囊膨胀情况中得出的监测结果是否正确，进一步提升设备监测结果的准确性。

(4)本方案能够有效、快捷地对西南山区采煤沉陷区的沉降变形过程及变化趋势进行监测和预警，利于人们做出下一步的决策、安排，减少了地表沉降给人们的生命财产带来的危害；同时，还可对监测结果进行进一步的印证，极大地提高了监测结果的准确性，为矿山地质环境综合整治提供必要的信息支撑。与现有的监测设备相比，本方案不需要采用经纬仪、水准仪、全站仪等成本较高的设备，极大地降低了设备的成本，且监测方法更加简单、易于观察，能够让人们及时地发现地表的沉降和变形。

进一步，所述管体底部具有第一楔形部；所述反应机构包括两个设置在管体顶部的内凸部，两个内凸部位置相错，每个内凸部上均设有水平设置的滑槽，滑槽的槽口位于管体的外壁上；滑槽内固定有弹性件，弹性件固接有耳板，耳板滑动连接在滑槽内，且耳板远离弹性件的一端设有第二楔形部和第三楔形部，第二楔形部与第一楔形部相配合；滑槽底部靠近槽口的位置纵向开有侧向槽，侧向槽内安装有第一气缸，第一气缸连接有第一开关，第一开关安装在管体顶部，且第一开关能被与该节管体相邻的管体触发；第一气缸的输出端连接有滑板，滑板上设有抵板、第二气缸和电机，抵板位于靠近弹性件的一侧，抵板顶部设有第四楔形部，第四楔形部与第三楔形部相配合；第二气缸紧邻抵板设置，且第二气缸的输出端与电机相连；电机滑动连接在滑板上，且电机的输出端连接有钻杆，耳板的宽度小于或等于钻杆的直径；滑槽顶部设有用于控制第二气缸的第二开关和控制电机转动的转动开关，且第二开关和转动开关位于抵板的上方并能被抵板触发。

当管体底部的限位板与其下一节管体顶部的限位板相抵时，限位板会触发第一开关，使得第一气缸的输出端向上伸长并推动抵板、第二气缸、电机和钻杆向上移动，抵板向上移动的过程中通过第四楔形部与第三楔形部的配合，更进一步地推动耳板往滑槽内移动，弹性件进一步被压缩。抵板上移过程中与第二开关、转动开关相抵并触发第二开关、转动开关，此时钻杆与耳板位于同一水平线上，第二开关控制第二气缸伸长并推动电机、钻杆往靠近岩体的方向移动，电机则驱动钻杆转动，从而在岩体上钻出一个横向孔，横向孔与耳板位于同一水平线上且同轴。接着，使第二气缸的输出端收缩并带动电机、钻杆复位。然后，使第一气缸的输出端收缩并带动抵板、第二气缸、电机和钻杆一起向下移动并回到侧向槽中。抵板在下移的过程中，耳板在弹性件回复力的作用下逐渐滑出滑槽并插入到横向孔中，防止管体向下移动，增强伸缩杆插入纵向孔的稳定性，从而使伸缩杆整体处于稳定的伸长状态。由于耳板远离弹性件的一端为第二楔形部和第三楔形部，具有一定的尖度，其在插入横向孔时若遇到阻碍物可将阻碍物割断，让耳板能够较顺利地插入到横向孔中。此时，耳板的顶部与岩体相抵。

当岩体产生沉降时，位于耳板上的岩体会对耳板的第二楔形部施加一个向下的作用力，使得耳板逐渐往管体内收缩。而此时，该节管体在岩体压力以及自身重力的作用下向下移动，使得该节管体底部的第一楔形部与下一节管体耳板上的第二楔形部相抵，并推动耳板进一步往管体内移动，最终将下一节管体的耳板限制在该节管体内，实现耳板的缩回。伸缩杆事情耳板的阻碍后能够向下收缩，进而将伸缩杆空心结构中的气体压缩到气囊中，使气囊产生膨胀，以提醒人们此处已发生沉降，人们可根据各根伸缩杆顶部气囊的膨胀情况来监测发生沉降的区域，再通过比较各个气囊膨胀量的大小来判断出岩体沉降的走向和趋势。

进一步，所述第一开关、第二开关、转动开关均做防水处理。

第一开关、第二开关、转动开关均位于岩体内部，可能会受到地下水的影响而被损坏，而对第一开关、第二开关、转动开关做防水处理可防止它们因与水接触而被损坏。

进一步，所述印证机构包括设置在伸缩杆顶部的容纳腔，容纳腔内安装有伸出气缸，伸出气缸的输出端连接有提示杆；伸缩杆顶部设有若干个凹槽，每个凹槽内均安装有用于控制气缸启动的伸出开关，各个伸出开关并联在电路中，相邻伸缩杆之间的伸出开关位于同一水平线上；凹槽内还固定有拉绳，拉绳的另一端固定在相邻伸缩杆的凹槽中，拉绳与伸出开关平行且相接触。

当待观测区某个区域的岩体产生沉降变形时，位于该区域的伸缩杆会向下收缩，该伸缩杆向下收缩时会拉动拉绳的一端向下移动，使得拉绳呈现出一边高一边低的状态，此时拉绳会触发产生收缩的伸缩杆上的开关，使得该伸缩杆上的气缸带动提示杆向上伸出。人们通过拉绳的偏移情况或提示杆的伸出情况来进一步印证从气囊膨胀情况得出的监测结果，提升设备监测结果的准确性。

进一步，所述提示杆上绕设有用于提醒的彩带。彩带容易吸引人们的目光，以起到较好的提醒作用。

进一步，所述凹槽的槽口处安装有用于密封凹槽的盖板。盖板可将凹槽密封，当伸缩杆整体打入待观测区的岩体内时，盖板可防止泥土进入凹槽内影响开关、拉绳的正常使用。

进一步，所述气囊表面做隔热密封处理。对气囊做隔热密封处理，可避免气囊因温度和气压的变化而带来的不良影响，提升监测的精确度。

进一步，所述伸缩杆顶部设有侧杆，侧杆位于气囊一侧并安装有闪光灯，闪光灯电连有灯开关，灯开关安装在侧杆上，且灯开关位于气囊的上方并能被膨胀后的气囊触发。

气囊膨胀到一定程度后可触发灯开关，使闪光灯通电并发出光亮，更容易被人们观察到，进一步增强了监测设备的预警效果。

附图说明

图1为本发明一种采煤沉陷区地表沉降变形的监测设备的俯视图；

图2为图1中伸缩杆的三维结构图；

图3为图2中管体的局部结构示意图；

图4为图2中伸缩杆顶部的结构剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：伸缩杆1、管体2、伸出开关3、拉绳4、伸出气缸5、提示杆6、凹槽7、气囊8、耳板9、第一楔形部10、第二楔形部11、弹性件12、侧杆13、灯开关14、闪光灯15、第三楔形部16、第四楔形部17、侧向槽18、第一气缸19、第二气缸20、第一开关21、第二开关22、转动开关23、电机24、钻杆25、抵板26。

实施例基本如附图1所示：

一种采煤沉陷区地表沉降变形的监测设备，主要由若干根竖直预埋在待观测区的伸缩杆1构成。伸缩杆1可以是方形柱状，也可以是圆柱状。相邻伸缩杆1之间设有印证机构，印证机构主要由伸出气缸5、提示杆6、伸出开关3、拉绳4构成。如附图4所示，伸缩杆1顶部设置有容纳腔，伸出气缸5安装在容纳腔中，伸出气缸5的输出端与提示杆6固接，提示杆6的上部穿出伸缩杆1顶部并绕设有彩带，彩带容易吸引人们的目光，以起到较好的提醒作用。伸缩杆1顶部周向均匀开设有四个凹槽7，每个凹槽7内均安装有伸出开关3，四个伸出开关3均并联在电路中且均与伸出气缸5电连接，相邻伸缩杆1之间对应面上的伸出开关3位于同一水平线上。拉绳4的一端固定在该伸缩杆1的凹槽7中，拉绳4的另一端固定在与该伸缩杆1相邻的伸缩杆1上，且拉绳4位于伸出开关3的下方并与伸出开关3底部相接触。凹槽7的槽口处水平滑动连接有用于密封凹槽7的盖板。

伸缩杆1为空心结构，伸缩杆1的顶部套设有气囊8，气囊8与伸缩杆1内部连通，气囊8表面做隔热密封处理，如：在气囊外部涂覆一层密封材料，再涂覆一层隔热材料；气囊8为圆柱状，且气囊8可沿纵向方向膨胀。伸缩杆1顶部设有侧杆13，侧杆13位于气囊8一侧，侧杆13顶部安装有闪光灯15，闪光灯15电连有灯开关14，灯开关14位于气囊8的上方，且气囊8膨胀时可触发灯开关14。

如附图2和附图3所示，伸缩杆1包括若干个管体2，相邻管体2之间滑动连接，且各个管体2的直径由伸缩杆1底部向顶部逐渐增大。管体2底部具有第一楔形部10；管体2顶部均设有两个位置相错的内凸部，每个内凸部上均设有水平设置的滑槽，滑槽的槽口位于管体2的外壁上；滑槽内固定有弹性件12，弹性件12固接有耳板9，耳板9滑动连接在滑槽内，且耳板9远离弹性件12的一端设有第二楔形部11和第三楔形部16，第二楔形部11与第一楔形部10相配合。

滑槽底部靠近槽口的位置纵向开设有侧向槽18，侧向槽18内安装有第一气缸19，第一气缸19的输出端连接有滑板，滑板上安装有抵板26、第二气缸20和电机24，抵板26位于滑板靠近弹性件12的一侧，抵板26顶部设有第四楔形部17，第四楔形部17与第三楔形部16相配合。第二气缸20紧邻抵板26设置，且第二气缸20的输出端与电机24相连；电机24滑动连接在滑板上，且电机24的输出端连接有钻杆25，耳板9的宽度小于或等于钻杆25的直径，使得钻杆25钻出的孔可容耳板9插入。滑槽顶部设有用于控制第二气缸20的第二开关22和控制电机24转动的转动开关23，且第二开关22和转动开关23位于抵板26的正上方，抵板26向上移动时会同时触发第二开关22和转动开关23。

每个管体2顶部均一体成型有水平设置的限位部，限位部底面安装有第一开关21，第一开关21与第一气缸19相连。每个管体2的底部设有限位板，该节管体2的限位板与其下一节管体2的限位部相配合可防止相邻管体2之间因完全分离而使伸缩杆1的监测作用消失。

伸缩杆1顶部设有电源，该电源为各个管体中的第一气缸19、第二气缸20、电机24、第二开关22、第一开关21供电；伸缩杆各个管体的连接处以及线路的布置处均做好密封处理，保证伸缩杆内部的气密性。

初始时，各个管体2收缩到一起，第一气缸19、第二气缸20处于收缩状态并且与电源断开，电机24不工作，此时第二气缸20、电机24、钻杆25均位于侧向槽18内，抵板26上的第四楔形部17与耳板9的第三楔形部16相抵，从而将耳板9限制在滑槽内，弹性件12处于被压缩状态。提示杆6的顶部与伸缩杆1的顶面齐平。此时，先利用打孔机在待观测区上打纵向孔，孔深为120米，再将伸缩杆1顶部与打孔机的输出端连接起来，利用打孔机将伸缩杆1底部插入到待观测区岩体内120米处。然后使打孔机的输出端向上移动，打孔机输出端向上移动的过程中会拉动伸缩杆1的顶部向上移动，当管体2底部的限位板与其下一节管体2顶部的限位板相抵时，限位板会触发第一开关21，使得第一气缸19的输出端向上伸长并推动抵板26、第二气缸20、电机24和钻杆25向上移动，抵板26向上移动的过程中通过第四楔形部17与第三楔形部16的配合，更进一步地推动耳板9往滑槽内移动，弹性件12进一步被压缩。抵板26上移过程中与第二开关22、转动开关23相抵并触发第二开关22、转动开关23，此时钻杆25与耳板9位于同一水平线上，第二开关22控制第二气缸20伸长并推动电机24、钻杆25往靠近岩体的方向移动，电机24则驱动钻杆25转动，从而在岩体上钻出一个横向孔，横向孔与耳板9位于同一水平线上且同轴。接着，使第二气缸20的输出端收缩并带动电机24、钻杆25复位。然后，使第一气缸19的输出端收缩并带动抵板26、第二气缸20、电机24和钻杆25一起向下移动并回到侧向槽18中，然后切断电源使电源不再供电。抵板26在下移的过程中，耳板9在弹性件12回复力的作用下逐渐滑出滑槽并插入到横向孔中，防止管体2向下移动，增强伸缩杆1插入纵向孔的稳定性，从而使伸缩杆1整体处于稳定的伸长状态。由于耳板9远离弹性件12的一端为第二楔形部11和第三楔形部16，具有一定的尖度，其在插入横向孔时若遇到阻碍物可将阻碍物割断，让耳板9能够较顺利地插入到横向孔中。此时，耳板9的顶部与岩体相抵。

当岩体产生沉降时，位于耳板9上的岩体会对耳板9的第二楔形部11施加一个向下的作用力，使得耳板9逐渐往管体2内收缩。而此时，该节管体2在岩体压力以及自身重力的作用下向下移动，使得该节管体2底部的第一楔形部10与下一节管体2耳板9上的第二楔形部11相抵并推动耳板9进一步往管体2内移动，最终将下一节管体2的耳板9限制在该节管体2内，实现耳板9的缩回。伸缩杆1事情耳板9的阻碍后能够向下收缩，并将伸缩杆1空心结构中的气体压缩到气囊8中，使气囊8产生膨胀以提醒人们此处已发生沉降。本实施例设定，当岩体沉降1米时气囊8能够伸长到与灯开关14相抵的位置并触发灯开关14，使得闪光灯15发出光亮，以提醒人们此处的沉降已经等于或大于1米，应及时撤离人员，更进一步地增强了检测设备的提醒效果。当然，发明人也可根据当地岩体情况设定其他沉降提醒值。

伸缩杆1在收缩过程中会拉动拉绳4的一端向下移动，使得拉绳4呈现出一边高一边低的状态，此时拉绳4会触发伸缩杆1上的伸出开关3，使得该伸缩杆1上的伸出气缸5带动提示杆6向上伸出。此时，人们可根据各根伸缩杆1顶部气囊8的膨胀、闪光灯15的亮灯情况来监测发生沉降的区域，再通过比较各个气囊8膨胀量的大小来判断出岩体沉降的走向和趋势，最后通过拉绳4的偏移情况或提示杆6的伸出情况来进一步印证从气囊8膨胀情况、闪光灯15亮灯情况得出的监测结果，进一步提升设备监测结果的准确性。当然，人们也可以先根据拉绳4的偏移情况或提示杆6的伸出情况初步判断出发生沉降的区域和沉降趋势，再通过气囊8的膨胀情况和闪光灯15的亮灯情况来印证监测结果是否正确。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。