本實用新型涉及煤礦采空區(qū)頂板穩(wěn)定性監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種充填開采采空區(qū)頂板沉降及覆巖深部位移同步測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

在煤層開采過程中，由于應(yīng)力釋放或其他采動影響，采空區(qū)頂板會產(chǎn)生移動及塌冒，影響安全生產(chǎn)和地層(表)環(huán)境；為了防止頂板產(chǎn)生移動及塌冒，目前的辦法是，在形成的采空區(qū)內(nèi)用充填體及時充填，達到支撐頂板、減小頂板的垮落和變形、減輕工作面壓力、減少覆巖的變形和破壞程度的目的。對采空區(qū)頂板和覆巖的運動規(guī)律的研究，是充填開采技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

目前研究采空區(qū)頂板和覆巖的運動規(guī)律，需通過現(xiàn)場監(jiān)測的方法來評價。其中頂板表面位移和覆巖深部位移是兩項重要指標。

采空區(qū)頂板沉降量通常采用頂?shù)装彘g安裝套筒式監(jiān)測裝置測量。如中國專利公開號CN204286286U公開了一種充填體位移監(jiān)測裝置，其工作原理是：固定于采空區(qū)頂板的內(nèi)筒通過尺帶與固定于外筒中的檢測總成連接，通過尺帶的伸縮測得頂板沉降量。該裝置僅可測得采空區(qū)頂板表面沉降量，并不具備測量覆巖深部位移的功能，測量數(shù)據(jù)無法全面反映上覆巖層運動規(guī)律；同時，該裝置需要在充填采空區(qū)埋設(shè)傳輸線路，埋設(shè)過程復(fù)雜且給施工人員帶來了安全隱患。

中國專利公開號CN203224223U公開了一種基于位移傳感器與無線傳輸?shù)臋z測圍巖離層的裝置，其工作原理是：將錨固頭固定于不同深度的巖層中，當圍巖產(chǎn)生離層時，錨固頭相對裝置移動產(chǎn)生位移帶動位移傳感器移動，并通過無線通信模塊實時傳輸?shù)浇邮罩鳈C。該裝置安裝于頂板表面，由于沒有底板基點，無法測得頂板表面沉降量，僅可測得巖層間相對位移，即離層距離。

上述兩個文獻記載的測量技術(shù)均只有單一功能，目前尚不存在一種可以同步測量采空區(qū)頂板表面沉降和覆巖深部位移的裝置及使用方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型提供了一種采空區(qū)頂板多點位移同步測量裝置，本裝置采用光柵尺高精度位移傳感器實現(xiàn)測量功能，不但可同時測量采空區(qū)頂板表面位移和覆巖深部多點位移，而且操作方便，數(shù)據(jù)準確可靠，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線傳輸，無需采空區(qū)埋設(shè)線路的復(fù)雜過程，避免了長距離傳輸線路易破壞和施工人員的安全隱患問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：

一種采空區(qū)頂板多點位移同步測量裝置，其特征在于，它由采空區(qū)頂板沉降測量部分、多套覆巖深部位移量測量部分和殼體組成。

所述的殼體是一個筒狀結(jié)構(gòu)，主要包括用于隨采空區(qū)頂板沉降移動的內(nèi)筒和用于保護和支撐內(nèi)筒的保護筒，保護筒底部固定在底座上，保護筒腔內(nèi)底部安置有平衡彈簧，平衡彈簧頂部頂在內(nèi)筒底部，內(nèi)筒頂部設(shè)有端蓋，要求平衡彈簧一直處于壓縮狀態(tài)，使內(nèi)筒始終與頂板接觸，隨頂板在保護筒內(nèi)發(fā)生同步移動；內(nèi)筒和保護筒間設(shè)有密封圈。

所述的頂板沉降量測量部分，是在保護筒腔內(nèi)壁固定有第一光柵尺位移傳感器，第一光柵尺位移傳感器用于檢測采空區(qū)頂板沉降位移；第一光柵尺位移傳感器的光柵讀數(shù)頭固定于處在保護筒腔內(nèi)的那段內(nèi)筒外壁，第一光柵尺位移傳感器的標尺光柵固定于保護筒內(nèi)壁；第一光柵尺位移傳感器底端連接有第一無線通信模塊，第一無線通信模塊將第一光柵尺位移傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳輸至接收主機；

所述的覆巖深部位移量測量部分，是在內(nèi)筒腔內(nèi)壁固定有第二光柵尺位移傳感器，第二光柵尺位移傳感器用于檢測覆巖深部位移；第二光柵尺位移傳感器的光柵讀數(shù)頭與鋼絲繩連接固定，第二光柵尺位移傳感器的標尺光柵固定于內(nèi)筒內(nèi)壁，隨內(nèi)筒移動與光柵讀數(shù)頭發(fā)生相對移動；第二光柵尺位移傳感器底端連接有第二無線通信模塊；在內(nèi)筒內(nèi)壁上固定有鋼絲繩回彈裝置，回彈裝置處于第二無線通信模塊下方，回彈裝置的鋼絲繩向上拉出自由穿過內(nèi)筒端蓋后再連接一個用于確定測量基點的錨爪。

進一步地，第一和第二無線通信模塊將傳感器的電信號分析轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至接收主機。

進一步地，接收主機將收到的數(shù)據(jù)處理后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)浇邮战K端。

進一步地，內(nèi)筒與頂蓋通過緊固螺釘連接。

進一步地，回彈裝置通過緊固螺釘固定于內(nèi)筒腔內(nèi)。

為了保證彈簧在常時保持壓縮狀態(tài)，在保護筒壁上設(shè)有定位螺釘，定位螺釘穿透保護筒壁頂在內(nèi)筒外壁。

利用上述裝置實現(xiàn)頂板沉降量和覆巖位移量同步測量的方法，具體步驟如下：

第一步：鉆取鉆孔

采空區(qū)充填之前，在待測點頂板鉆取垂直鉆孔，孔深根據(jù)覆巖情況及監(jiān)測要求確定；

第二步：安裝裝置

在采空區(qū)待監(jiān)測區(qū)清理出約1m²的作業(yè)空間，將采空區(qū)頂板多點位移同步測量裝置放置于待測區(qū)底板，拉出所有覆巖深部位移量測量部分的鋼絲繩，將鋼絲繩的錨爪一一伸入鉆孔，固定于鉆孔內(nèi)部各個測點；

第三步：固定裝置

松開定位螺釘，提升內(nèi)筒，使內(nèi)筒端蓋與采空區(qū)頂板接觸，然后將底座通過錨栓固定于采空區(qū)底板上；

第四步：確定頂板沉降量和覆巖位移量

設(shè)初始狀態(tài)下檢測頂板表面沉降的第一光柵尺位移傳感器讀數(shù)為l₀，連接有錨爪的多個第二光柵尺位移傳感器讀數(shù)分別為l₁,l₂,…l_n，測量后的第一光柵尺位移傳感器讀數(shù)為l₀'，多個第二光柵尺位移傳感器讀數(shù)分別為l₁',l₂',…l_n'，則第j個錨爪和第k個錨爪固定點間的覆巖離層距離h_jk＝|(l_j'-l_j)-(l_k'-l_k)|，頂板至第j個錨爪固定點間的覆巖位移量為h_j0＝(l_j'-l_j)-(l₀'-l₀)，頂板沉降量L＝l₀'-l₀。

上述n代表第二光柵尺位移傳感器的個數(shù)，j、k代表其中兩個傳感器對應(yīng)的兩個錨爪。

下面根據(jù)本實用新型的監(jiān)測原理說明其積極效果

1、本實用新型在測頂板沉降時，內(nèi)筒和保護筒發(fā)生相對錯動，也就是分別固定在兩個筒壁上的第一光柵尺位移傳感器光柵讀數(shù)頭和標尺光柵發(fā)生錯動，錯動的距離就是頂板沉降的位移。在頂板下沉過程中，鋼絲繩始終處于拉緊狀態(tài)，如果錨爪的固定點和頂板之間的巖體同時下沉沒有發(fā)生離層，鋼絲繩長度不變；如果錨爪固定點和頂板之間的巖體發(fā)生離層，鋼絲繩長度被拉長，由于第二光柵尺位移傳感器的光柵尺讀數(shù)頭固定在鋼絲繩上，標尺光柵固定在內(nèi)筒內(nèi)壁，鋼絲繩和內(nèi)筒的相對錯動距離反映覆巖位移。從而實現(xiàn)將頂板沉降量和覆巖位移量兩種數(shù)據(jù)由一臺裝置同步測量，測得的同步數(shù)據(jù)對采空區(qū)覆巖運動規(guī)律有更清晰全面的認知。

2、本實用新型的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線及以太網(wǎng)的方式傳輸，無需在采空區(qū)埋設(shè)線路的復(fù)雜過程，同時避免了長距離傳輸線路易破壞的問題。監(jiān)測裝置工作可靠，使用壽命得到有效延長。

3、本實用新型的位移測量采用光柵尺高精度位移傳感器，數(shù)據(jù)準確可靠。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中以內(nèi)筒中設(shè)一套覆巖深部位移量測量部分為例；

圖2為本實用新型的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)示意圖；

圖3為本實用新型的光柵尺位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中以第二光柵尺位移傳感器的布置方式為例。

圖中：1-底座；2-端蓋；3-保護筒；4-內(nèi)筒；5-平衡彈簧；6-鋼絲繩回彈裝置；7-第一光柵尺位移傳感器；8-第一無線通信模塊；9-第二光柵尺位移傳感器；10-鋼絲繩；11-錨爪；12-第二無線通信模塊；13-錨栓；14-接收主機； 15-接收終端；16-第二光柵尺位移傳感器的標尺光柵；17-第二光柵尺位移傳感器的光柵讀數(shù)頭。

具體實施方式

下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述。

如圖1、2所示的一種采空區(qū)頂板多點位移同步測量裝置，由采空區(qū)頂板沉降測量部分、一套覆巖深部位移量測量部分和殼體組成。

所述的殼體是一個筒狀結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)筒4和保護筒3，內(nèi)筒4用于隨采空區(qū)頂板沉降移動，保護筒3用于保護和支撐內(nèi)筒4；保護筒3底部固定在底座1上，使用時底座1通過錨栓14固定于底板上，保護筒3腔內(nèi)底部安置有平衡彈簧5，平衡彈簧5頂部頂在內(nèi)筒4底部，內(nèi)筒4頂部通過緊固螺釘設(shè)有端蓋2，要求平衡彈簧5一直處于壓縮狀態(tài)，使用時，內(nèi)筒4的端蓋2始終與頂板接觸，隨頂板在保護筒3內(nèi)發(fā)生同步移動；內(nèi)筒4和保護筒3間設(shè)有密封圈。在保護筒3 壁上設(shè)有定位螺釘(圖中未畫出)，定位螺釘穿透保護筒3壁頂在內(nèi)筒4外壁。

所述的頂板沉降量測量部分，是在保護筒3筒腔內(nèi)壁固定有第一光柵尺位移傳感器7，第一光柵尺位移傳感器7用于檢測采空區(qū)頂板沉降位移；第一光柵尺位移傳感器7的光柵讀數(shù)頭固定于處在保護筒3腔內(nèi)的那段內(nèi)筒4外壁，第一光柵尺位移傳感器7的標尺光柵固定于保護筒3內(nèi)壁；第一光柵尺位移傳感器7底端連接有第一無線通信模塊8，第一無線通信模塊8將第一光柵尺位移傳感器7電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨两邮罩鳈C14；接收主機14將收到的數(shù)據(jù)處理后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)浇邮战K端15。

所述的覆巖深部位移量測量部分，是在內(nèi)筒4腔內(nèi)壁固定有第二光柵尺位移傳感器9，第二光柵尺位移傳感器9用于檢測覆巖深部位移；第二光柵尺位移傳感器9的光柵讀數(shù)頭與鋼絲繩10連接固定，第二光柵尺位移傳感器9的標尺光柵固定于內(nèi)筒4內(nèi)壁，隨內(nèi)筒4移動與光柵讀數(shù)頭發(fā)生相對移動；第二光柵尺位移傳感器9底端連接有第二無線通信模塊12；在內(nèi)筒4內(nèi)壁上通過緊固螺釘固定有鋼絲繩回彈裝置6，鋼絲繩回彈裝置6處于第二無線通信模塊12下方，第二無線通信模塊12將第二光柵尺位移傳感器9的電信號分析轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至接收主機14，接收主機14將收到的數(shù)據(jù)處理后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)浇邮战K端15；在端蓋2上設(shè)有出線孔，將回彈裝置6 的鋼絲繩10向上抽出自由穿過出線孔后再連接一個用于確定測量基點的錨爪11。

圖3為本實用新型的第二光柵尺位移傳感器9的布置方式，從圖中可以看出，第二光柵尺位移傳感器9包括光柵讀數(shù)頭17和標尺光柵16，標尺光柵16 固定于內(nèi)筒4內(nèi)壁，隨內(nèi)筒4移動與第二光柵尺位移傳感器的光柵讀數(shù)頭17發(fā)生相對移動，第二光柵尺位移傳感器的光柵讀數(shù)頭17與鋼絲繩10連接固定。

利用本實用新型上述裝置實現(xiàn)頂板沉降量和覆巖位移量同步測量的方法，具體步驟如下：

第一步：采空區(qū)充填之前，在待測點頂板鉆取垂直鉆孔，孔深根據(jù)覆巖情況及監(jiān)測要求確定；

第二步：在采空區(qū)待監(jiān)測區(qū)清理出約1m²的作業(yè)空間，將本裝置放置于待測區(qū)底板，拉出所有覆巖深部位移量測量部分的鋼絲繩10，將鋼絲繩10的錨爪 11一一伸入鉆孔，固定于鉆孔內(nèi)部各個測點；

第三步：松開定位螺釘，提升內(nèi)筒4，使內(nèi)筒4端蓋2與采空區(qū)頂板接觸，然后將底座1通過錨栓13固定于采空區(qū)底板上；

第四步：設(shè)初始狀態(tài)下檢測頂板表面沉降的第一光柵尺位移傳感器7讀數(shù)為l₀，連接有錨爪的多個第二光柵尺位移傳感器9讀數(shù)分別為l₁,l₂,…l_n，測量后的第一光柵尺位移傳感器7讀數(shù)為l₀'，第二光柵尺位移傳感器讀數(shù)9分別為 l₁',l₂',…l_n'，則第j個錨爪和第k個錨爪固定點間的覆巖離層距離 h_jk＝|(l_j'-l_j)-(l_k'-l_k)|，頂板至第j個錨爪固定點間的覆巖位移量為 h_j0＝(l_j'-l_j)-(l₀'-l₀)，頂板沉降量L＝l₀'-l₀。

上述n代表第二光柵尺位移傳感器9的個數(shù)，j、k代表其中兩個第二光柵尺位移傳感器9對應(yīng)的兩個錨爪。