一种煤系上覆岩层移动监测装置及其监测方法

1.一种煤系上覆岩层移动监测装置，包括传感器监测装置、数据采集装置、地面光学测量装置，其特征在于：
所述的传感器监测装置是在煤系上覆岩层(1)中设置有监测孔(4)，在监测孔(4)中由钢丝绳(18)一端连接末端传感器底座(19)上的钢丝绳固定环(20)，并串接至少两个或两个以上的单元传感器构成传感器组吊装到监测孔(4)中；钢丝绳(18)的另一端通过单元传感器中孔(21)连接并缠绕到地面监测孔(4)口处的阻尼滚筒(17)上预紧；单元传感器弹簧(9)上的单元传感器信号线(11)通过单元传感器中孔(21)连接到多通道动态应变仪(14)上；在单元传感器外壳(8)的外壁与监测孔(4)的内壁间由水泥沙浆(16)注入结成一体；
所述的单元传感器是一个一端封闭，另一端开口的圆筒形单元传感器外壳(8)，在其封闭端的内外端面上设置有单元传感器弹簧固定卡(12)和单元传感器中孔(21)，且外端面的开口内径与其单元传感器外壳(8)的外径相应；在其封闭端内端面上的单元传感器弹簧固定卡(12)中旋转连接固定有单元传感器弹簧(9)，单元传感器弹簧(9)的另一端延伸到单元传感器外壳(8)外；在单元传感器弹簧(9)上设置有单元应变传感器(10)，单元应变传感器(10)上的单元传感器信号线(11)通过单元传感器中孔(21)延伸到封闭端外构成；
所述的单元传感器组是由至少两个或两个以上的单元传感器外壳(8)中外延端头的单元传感器弹簧(9)旋转连接固定到另一单元传感器外壳(8)外端面的开口中；单元传感器外壳(8)的下端头与单元传感器弹簧(9)旋转一并插入到另一单元传感器外壳(8)的外端面的开口中，并将每个单元应变传感器(10)上的单元传感器信号线(11)通过单元传感器中孔(21)延伸到地面监测孔(4)口外构成；
所述的数据采集装置是在地面监测孔(4)口处由两个以上的单元传感器弹簧(9)上的单元应变传感器(10)的单元传感器信号线(11)接入多通道动态应变仪(14)，并连接到计算机(15)上构成；
所述的地面光学测量装置是在地面采空区(2)上设置光学测量标志点C(13)，在地面采空区(2)和煤层(3)区域外以远的、不受采动影响的地面上设置矿区测量控制点A(6)、矿区测量控制点B(7)，采用水准仪或全站仪定期进行光学测量，并与矿区测量控制点A(6)和矿区测量控制点B(7)作对照，监测其在大地坐标下的高程位移情况。
2.一种用于权利要求1所述的煤系上覆岩层移动监测装置的监测方法，该方法按下列步骤进行：
(1)单元应变传感器(10)的信号由多通道动态应变仪(14)接收，并传输到计算机(15)中存储并处理；
(2)当单元应变传感器(10)内的单元传感器弹簧(9)发生拉伸变形时，单元应变传感器 (10)发出电信号传至地面，由数据采集装置接收，经计算机记录单元应变传感器(10)的信号数据，经数据处理，即获得实时的岩层离层位置和离层量；
(3)将上述步骤(2)中的每一个单元传感器所测得离层量相加，即得监测孔(4)范围内的岩层移动的总下沉量；
(4)将连接监测孔(4)口处阻尼滚筒(17)与传感器底座(19)上的钢丝绳(18)进行预紧，并将钢丝绳(18)在监测孔(4)口处设定的刻度位置标定为初始值，当钢丝绳(18)被拉伸时，其拉伸量与钢丝绳(18)标定的初始值相比的拉伸量为监测孔(4)范围内的岩层移动的总下沉量；
(5)采用全站仪对光学测量标志点C(13)，与矿区测量控制点A(6)和矿区测量控制点B(7)进行测量，监测其在大地坐标下的高程变化量；
(6)将上述步骤(2)、(3)、(4)和(5)的岩层离层位置、离层量、总下沉量和高程变化量的测量结果进行计算，得到岩层总体的移动量及其变化状态。 

技术领域\n本发明涉及一种煤矿开采过程中岩层移动监测装置及其监测方法，尤其是一种利用传感器深度监测煤矿回采工作面推进所引起的煤系上覆岩层移动监测装置及其监测方法。\n背景技术\n煤矿回采工作面推进所引起的上覆岩层移动，造成采动围岩应力场变化是煤矿顶板垮塌事故、煤与瓦斯突出、冲击地压、井下透水事故和地表沉陷灾害的根源，实时检测岩层移动状态是预防灾害事故发生的前提条件和重要手段。\n在公开的文献中可以获得的专利有，公开号为CN2153771的一种“无线钻孔多点位移计”，由探测器、测杆、指示器组成的无线钻孔多点位移计，是用探测器将钻孔中磁铁的位置信息转换成频率信号，经调制载波后，通过铝制测杆发射，由指示器接收探测器发出的无线信号，从中解调出携带磁铁位置信息的原低频信号，并用表头指示出磁铁位置，测出岩体变形位移量。是用于矿山巷道围岩、采场顶板、煤柱和边坡等内部不同深度岩体的变形位移量测量的无线测量仪。\n在公开的文献中可以获得的专利还有，CN1828220的一种“离层位移监测仪”专利，其含位移传感器和信息采集处理单元，有位移转换轮，连接有光栅环的透明筒，下设小光栅板，发光管和光敏管分处在光栅环和小光栅板外，位移传感器固定壳体上，一根拉力线紧绕在位移转换轮上的线槽上，红外对管输出端连接由单片机控制、显示、声光警报、压频转换、485通信和电源转换模块组成的信息采集处理单元输入端。位移监测仪固定在外岩层上，拉力线固定在内岩层上，拉力线的直线位移通过位移转换轮变成光栅的旋转，通过两光栅之间的相对移动产生的干涉条纹的计量，可以精确的实时测量岩层之间的位移量，计算位移变化速率，用于煤矿、其它矿井、地下工程中对岩体、巷道顶板、支撑柱体等进行现场和远距离实时自动监测。\n同时还发现公知的现有技术还有，CN1851426的一种“应力监测仪”专利，包括由应力转换机构、信息转换机构、扫描驱动机构和限位机构组成的应力传感器单元和由单片机、数码显示器和压频转换模块组成的信息采集处理单元，应力转换机构由弹簧座、弹簧和承压柱组成，信息转换机构由扫描臂和扫描臂上安装的红外发光管、红外接收管、小光栅板和长光栅尺组成，扫描驱动机构由移动台、导轨、回位弹簧和记忆弹簧组成，被压柱上的压杆压在移动台上，可以把承压柱上的应力通过光栅的位移转换成电信号，由信息处理单元采集处理，从而检测应力的变化。\n上述现有技术的不足之处在于：(1)在煤矿井下巷道或采场内顶板打钻孔，钻孔深度受仪器或设备条件限制只能达到10-15米以内，因此探测范围有限；(2)仪器在安装位置的测量工况受环境变化影响较大，由于井下回采进程的不断推进，所测量的位置由于顶底板变形和跨落导致仪器失效；(3)仪器的安装随采场位置不断变化的影响，不能在一个位置长时测量，这样就无法测量采场通过前岩层的移动变化情况或采场通过后很长一段时间内采空区上方岩层垮落和移动的情况；(4)所测得的岩层移动变化值是一个相对值，没有纳入到三维地理坐标系下，由于巷道或采场也有整体变形的发生，因此测得的数据不能反映测点的实际高程变化；(5)由于井下地质环境的不确定性，传感器是光电、磁或机械装置，安装仪器的钻孔内有淋水或其它因素的存在，测量精度会受到很大影响。\n地表移动和变形观测一般采用建立地表移动观测站或者结合空间遥感技术来进行观察测量，而对于煤层上部至地表几百米甚至上千米的岩层内部变化，受其采动影响，还没有一种有效的装置及方法来进行观测其真实的时空变化状态。\n发明内容\n本发明要解决的问题是实时监测煤矿井下采场上方深部岩层直到地面表土层，受采动影响后岩层的离层位置和离层量。从而提供一种煤系上覆岩层移动监测装置及其监测方法。\n本发明一种煤系上覆岩层移动监测装置及其监测方法，采用传感器弹簧的变形用微应变表达的理论方法，微应变值的获得方法，以及基本位移传感器单元的结构组合，传感器组在岩层中布设装置等构成，并配置相应的数据采集和数据后处理装置来实现从地面直接监测到采场煤层顶板直至地表的全序列岩层和表土层的移动，实现其目的的技术方案如下：\n本发明所述的一种煤系上覆岩层移动监测装置，包括传感器监测装置、数据采集装置、地面光学测量装置，其区别特征在于：\n所述的传感器监测装置是在煤系上覆岩层中设置有监测孔，在监测孔中由钢丝绳一端连接末端传感器底座上的钢丝绳固定环，并串接至少两个以上的单元传感器构成传感器组吊装到监测孔中；钢丝绳的另一端通过单元传感器中孔连接并缠绕到地面监测孔口处的阻尼滚筒上预紧；单元传感器弹簧上的单元传感器信号线通过单元传感器中孔连接到多通道动态应变仪上，在单元传感器外壳的外壁与监测孔的内壁间由水泥沙浆注入结成一体；\n所述的单元传感器是一个一端封闭，另一端开口的圆筒形单元传感器外壳，在其封闭端的内外端面上设置有单元传感器弹簧固定卡和单元传感器中孔，且外端面的开口内径与其单元传感器外壳的外径相应；在其封闭端内端面上的单元传感器弹簧固定卡中旋转连接固定有单元传感器弹簧，单元传感器弹簧的另一端延伸到单元传感器外壳外；在单元传感器弹簧上设置有应变传感器，单元应变传感器上的单元传感器信号线通过单元传感器中孔延伸到封闭端外构成；\n所述的单元传感器组是由至少两个以上的单元传感器外壳中外延端头的单元传感器弹簧旋转连接固定到另一单元传感器外壳外端面的开口中；单元传感器外壳的下端头与单元传感器弹簧旋转一并插入到另一单元传感器外壳的外端面的开口中，并将每个单元应变传感器上的单元传感器信号线通过单元传感器中孔延伸到地面监测孔口外构成；\n所述的数据采集装置是在地面监测孔口处由一个以上的单元传感器弹簧上的应变传感器的单元传感器信号线接入多通道动态应变仪，并连接到计算机上构成；\n所述的地面光学测量装置是由设置在监测孔口处的光学测量标志点、设置在采动区影响范围以外的矿区测量控制点A和矿区测量控制点B连接构成。\n本发明一种用于上述煤系上覆岩层移动监测装置的监测方法，该方法按下列步骤进行：\n(1)单元应变传感器的信号由多通道动态应变仪接收，并传输到计算机中存储并处理；\n(2)当单元应变传感器内的单元传感器弹簧发生拉伸变形时，单元应变传感器发出电信号传至地面，由数据采集装置接收，经计算机记录单元应变传感器的信号数据，经数据处理，即获得实时的岩层离层位置和离层量；\n(3)将上述步骤(2)中的每一个单元传感器所测得离层量相加，即得监测孔范围内的岩层移动的总下沉量；\n(4)将连接监测孔口处阻尼滚筒与传感器底座上的钢丝绳进行预紧，并将钢丝绳在监测孔口处设定的刻度位置标定为初始值，当钢丝绳被拉伸时，其拉伸量与钢丝绳标定的初始值相比的拉伸量为监测孔范围内的岩层移动的总下沉量；\n(5)采用全站仪对光学测量标志点，与矿区测量控制点A和矿区测量控制点B进行测量，监测其在大地坐标下的高程量；\n(6)将上述步骤(2)、(3)、(4)和(5)的岩层离层位置、离层量、总下沉量和高程变化量的测量结果进行计算，得到岩层总体的移动量及其变化状态。\n本发明所述的一种煤系上覆岩层移动监测装置及其监测方法，在现有技术的基础上，通过对煤矿井下采场推进过程中上覆岩层运动和破坏的范围，采用多点设置进行多点监测，对煤系深部岩层到地面的移动状态进行全程实时监控和分析，得到煤系岩层的受力状况，以及煤系岩层失稳的时间和空间变化状况，对各种煤系采场岩层控制和灾害问题提供真实的第一手基础性数据。\n本发明与现有技术相比，利用煤矿煤系采场上方原有地质探孔或者钻孔，设置多点监测传感器装置，采用煤系岩层内部测点与地面光学测量相结合的装置及方法，突破了传统监测装置方法的局限性，扩大了监测范围，由原来的对岩层局部短时监测拓展为全程、长时、实时、动态监测，将监测环境由条件恶劣的井下转移到地面，突破了井下环境条件的限制，提高了测试仪器的适用范围，保证了监测的精度。\n本发明所述的一种用于煤矿回采岩层移动监测装置的监测方法，其优点与积极效果还体现在仪器在安装位置的测量工况受环境变化影响较小，不受由于井下回采进程的不断推进，顶底板变形和垮落的影响；能够在一个位置长时测量，这样可测量采场通过前岩层的移动变化情况或采场通过后长时间内采空区上方岩层垮落和移动的情况；采用岩层内部测点与地面光学测量相结合的测量理念，所测得的岩层移动变化值是绝对值，再将其纳入到三维地理坐标系，这样能够克服由于巷道或采场有整体变形的发生对测量值的影响，测得的数据能反映测点的实际高程变化，不会受井下地质环境、安装仪器等因素对测量精度的影响。\n本发明所述的一种煤矿回采岩层移动监测装置及其监测方法，对岩层位移的监测可从未采动开始监测，一直到采空区完全塌陷，甚至到地面沉陷稳定为止，监测时间可随意确定。整个监测装置结构简单，准确可靠；监测方法方便快捷，实时在线，是监测煤矿回采过程中岩层移动的有效装置和方法。\n附图说明\n图1是本发明煤系上覆岩层、采空区、煤层、监测孔和地面监测系统结构示意图\n图2是本发明监测孔中水泥沙浆、单元传感器组和地面监测系统结构示意图\n图3是本发明单元传感器结构示意图\n图4是本发明单元传感器I-I剖面结构示意图\n图5是本发明单元传感器II-II剖面俯视结构示意图\n图6是本发明单元传感器组合结构示意图\n图中：1：煤系上覆岩层；2：采空区；3：煤层；4：监测孔；5：数据采集装置；6：矿区测量控制点A；7：矿区测量控制点B；8：单元传感器外壳；9：单元传感器弹簧；10：单元应变传感器；11：单元应变传感器信号线；12：单元传感器弹簧固定卡；13：光学测量标志点C；14：多通道动应变仪；15：计算机；16：水泥沙浆；17：阻尼滚筒；18：钢丝绳；19：末端传感器底座；20：钢丝绳固定环。\n具体实施方式\n下面结合附图用具体实施例对本发明所述的一种煤矿回采岩层移动监测装置及其监测方法的具体实施方式做出进一步的详细说明，本专业的技术人员在阅读了本实施例后，能够理解和实施本发明的技术方案，而本实施例是对本发明的详细说明，并不对本发明做出任何限制。\n实施例1\n如图1是本发明煤系上覆岩层、采空区、煤层、监测孔和地面监测系统结构示意图，在勘探有煤层3的地质岩层中，对煤层3进行开采，当煤层3被开采过后就形成采空区2，随着对煤层3开采的不断推进，采空区2的范围也越来越大，随着时间延长，就会引起采动围岩应力场变化而造成煤系上覆岩层1发生移动。\n实施本发明所述的煤矿回采岩层移动监测装置，是在开采煤层3和采空区2的煤系上覆岩层1中，采用现有钻孔的方法，钻监测孔4或者利用已有的地面勘探孔，并在监测孔4周围设置数据采集装置5。在地面采空区2上设置光学测量标志点C，在地面采空区2和煤层3区域外以远的、不受采动影响的地面上设置矿区测量控制点A 6、矿区测量控制点B 7，采用水准仪或全站仪定期进行光学测量，并与矿区测量控制点A 6和矿区测量控制点B 7作对照，监测其在大地坐标下的高程位移情况。\n如图2是本发明监测孔中水泥沙浆、单元传感器组和地面监测系统的结构示意图，实施本发明所述的煤矿回采岩层移动监测装置，是在监测孔4中由钢丝绳18连接末端单元传感器底座19上的钢丝绳固定环20，并通过单元传感器中孔21串接单元传感器构成传感器组吊装直到监测孔4的底部，钢丝绳18的另一端连接到地面上的阻尼滚筒17上并进行预紧标刻度量。在地面上的监测孔4处设置一台多通道应变接收仪14，同时连接计算机15和连接监测孔4中的每个单元应变传感器10引出的单元应变传感器信号线11，每一个单元传感器在传感器组中具有唯一的编号，对应多通道动态应变仪14的一个通道，记录清楚该通道上传感器编号及在监测孔4中所处的岩层位置，其连接的单元应变传感器信号线11连接后必须留有煤矿回采岩层移动量，否则在岩层移动时，单元应变传感器信号线11被拉断而失去单元应变传感器10的测量数据。然后将安装在监测孔4中所有的单元传感器外壳8的外壁与监测孔4的内壁之间用水泥沙浆16注入固结成一体，使得单元传感器外壳8在煤系上覆岩层1发生移动时一起移动。在监测孔4中的单元传感器弹簧9随着单元传感器外壳8的移动而拉伸，测量其煤系上覆岩层的深度离层位置和离层量。\n如图3是本发明单元传感器结构示意图，实施本发明所述的煤系上覆岩层移动监测装置，关键部件是单元传感器，单元传感器是一个一端封闭，另一端开口的圆柱形单元传感器外壳8，其封闭端的开口直径大于单元传感器外壳8的直径，并在其封闭端的外端面上设置有单元传感器弹簧固定卡12和单元传感器中孔21。在单元传感器外壳8封闭端的内端面上也设置有单元传感器弹簧固定卡12，并将单元传感器弹簧9的一端旋转拧入固定连接在单元传感器外壳8的内端面上的单元传感器弹簧固定卡12中，另一端延伸至单元传感器外壳8外，用于连接另一个单元传感器封闭端的外端面上设置的单元传感器弹簧固定卡12。\n如图4是本发明单元传感器外壳8的I-I剖面结构示意图，图中所示，单元传感器封闭端的内端面上设置的单元传感器弹簧固定卡12与单元传感器弹簧9的直径相应，使得单元传感器弹簧9正好旋转拧入单元传感器弹簧固定卡12中连接固定，在封闭端中央处设置有单元传感器中孔21用于钢丝绳18和应变器信号线11外通连接。\n如图5是本发明单元传感器外壳8的II-II剖面俯视结构示意图，图中所示，单元传感器封闭端的外端头直径大于单元传感器外壳8的直径，以便插装另一单元传感器外壳8的端头。单元传感器外壳8的外端面上也设置有单元传感器弹簧固定卡12与单元传感器弹簧9的直径相应，使得传感器弹簧9正好旋转拧入单元传感器弹簧固定卡12中连接固定。在封闭端中央处设置有单元传感器中孔21用于钢丝绳18和单元传感器器信号线11外通连接。\n如图6是本发明单元传感器组合结构示意图，图中所述是将单元传感器弹簧9旋转到另一单元传感器外壳8的上端面上的单元传感器外壳卡12中连接，随着单元传感器弹簧9的旋转，单元传感器外壳8的下端头也一并插入到另一单元传感器外壳8的上端口中构成传感器组，该传感器组的构成是通过单元传感器外壳8中的单元传感器弹簧9固定连接，单元传感器外壳8的一端头插入到另一单元传感器外壳8中活动连接构成，然后将传感器组一并装入监测孔4中构成本发明的监测装置。\n实施例2\n本发明一种用于上述煤系上覆岩层移动监测装置的监测方法，该监测方法的地面测量方法按照有关对地质矿山的测量方法进行监测，该装置的监测方法是在上述监测装置安装完备后，设置好地面各种测量装置和连通信号后，按下列步骤进行监测：\n(1)将多根应变传感器10的信号线接入多通道动态应变仪14上，并传输到计算机15中存储并处理；\n(2)当单元传感器内的传感器弹簧9发生拉伸变形时，应变传感器10发出电信号传至地面，由数据采集装置接收，经计算机实时记录每一时刻各个位置的单元传感器信号数据，经数据分析处理，得到实时的岩层离层位置和离层量。即：岩层离层位置是由发生拉伸变形的单元传感器所处的位置确定，离层量是由该传感器所传回的电信号大小通过相应的弹簧的轴向伸长量λ与弹簧丝剪应变求得：\n$\lambda =\frac{n{\mathrm{\Pi D}}^2\alpha {\gamma }_{\max }}{2\mathrm{\beta b}}$\n式中：λ是弹簧的轴向伸长量，n是弹簧的圈数，D是弹簧的直径，γmax是弹簧丝由扭转产生的最大剪应变，b是矩形弹簧丝截面宽度，h是矩形弹簧丝截面长度，以上用到的系数α、β取决于h/和b的值，可由下表查得：\n\n当弹簧所受外力F不超过一定限度而簧杆横截面上的最大剪应力τmax不超过簧杆材料的剪切比例极限τp时，变形λ与外力F成线性关系。\n(3)将上述步骤2中的每一个单元传感器所测得离层量相加，即得监测孔4范围内的岩层移动的总下沉量；\n(4)将连接监测孔4口处阻尼滚筒17与传感器底座19上的钢丝绳18进行预紧，钢丝绳18在监测孔4口的位置标定为初始值，当钢丝绳18被拉伸时，其拉伸量与钢丝绳18标定的初始值相比的量为监测孔4范围内的岩层移动的总下沉量，与步骤(3)中测得的岩层移动总下沉量相互校核；\n(5)采用全站仪与矿区测量控制点A 6和矿区测量控制点B 7进行测量，监测光学测量标志点13在大地坐标下的高程变化量；\n(6)监测上述步骤(2)、(3)、(4)和(5)的岩层离层位置、离层量、总下沉量和高程量的变化状况，并将上述步骤(2)测得岩层的离层量(取正值)，上述步骤(3)和步骤(4)测得岩层移动的总下沉量(取正值)与上述步骤(5)测得标志点高程量(上升取负值，下降取正值)相加，确定所发生离层的岩层的高程变化量，得到岩层总体的移动量及其变化状态。