采空区上覆弯曲下沉带岩层沉陷监测方法与装置

摘要

本发明公开了一种采空区上覆弯曲下沉带岩层沉陷监测方法与装置，属于煤矿灾害防治和矿区环境治理领域。从地面打监测孔洞直至采空区底板，在监测孔洞底部布置钢基座护筒，并通过环形凸起在结构胶或水泥砂浆作用下锚固于围岩；常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒和表土层护筒分别通过密封圈和滚珠与钢基座护筒层层相互嵌套，并通过环形凸起与所属层锚固；然后通过第一固定端和第一卷尺、第二固定端和第二卷尺，借助地面三角支架和转盘组合结构读取各岩层的沉陷数值，实现对弯曲下沉带岩层沉陷的监测。本发明能实时、连续、小尺度地监测采空区上覆弯曲下沉带岩层的沉陷发展，对掌握采动影响下上覆岩层运移规律和矿区沉陷规律具有重大价值。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿灾害防治和矿区环境治理领域，尤其是涉及一种采空区上覆弯曲下沉带 岩层沉陷监测方法与装置。

背景技术

煤炭作为我国主要的一次能源，其开采对我国经济和社会发展起着重要作用，但在煤炭 开采的过程中时有发生一些地应力为主导的煤矿灾害事故，且在开采之后还会带来一系列矿 区环境问题。关于采动影响下地应力主导的动力作用效应，最典型的是采动覆岩移动“三带”， 即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，冒落带和裂隙带又可合称为冒落裂隙带，弯曲下沉带又呈 现下沉速度不同的两大层（本发明将其命名为常速沉陷层和慢速沉陷层），目前关于采动影响 下的上覆岩层运移规律研究主要集中在冒落裂隙带，没有涉及到弯曲下沉带的岩层运移规律。 关于矿区环境问题，最突出的就是矿区沉陷，它是由井工开采的煤矿采空区顶板冒落所导致 的整体区域变形，是导致矿区生态破坏的主要原因，是矿区环境治理的主要课题。目前，关 于矿区沉陷方面的监测方法主要有激光测量、水准测量、全站仪测量、GPS测量以及D-InSAR 测量等，所有这些监测方法，如吴立新发明的矿区沉陷车载式激光测量方法（申请号： CN201110026660.3），其不足均在于：它仅能监测地表现已形成的沉陷情况，而无法实时、连 续地对地层以下各层沉陷发展情况进行监测。所以，要详细掌握采动影响下上覆弯曲下沉带 岩层运移规律或矿区不同沉陷层的沉陷规律，需要发明一种能够在采空区上覆弯曲下沉带岩 层中进行实时连续监测的方法和装置，这不仅对研究弯曲下沉带的岩层运移具有重大价值， 还对研究矿区不同沉陷层的沉陷规律具有重大价值，为煤矿灾害防治和矿区环境治理提供了 新的参考。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采空区上覆弯曲下沉带岩层沉陷监测方法与装置， 能实时、连续、小尺度（毫米级）地监测采空区上覆弯曲下沉带岩层的沉陷发展。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种采空区上覆弯曲下沉带岩层沉陷监测方法与装置，装置包括监测孔洞、钢基座护筒、 环形凸起、防护片、密封圈、滚珠、常速沉陷层护筒、垫片、第一固定端、第一卷尺、慢速 沉陷层护筒、第二固定端、第二卷尺、表土层护筒、支撑钢杆、转盘、转轴、三角支架、环 形钢圈、圆锥顶盖；其特征在于监测孔洞位于煤矿采空区底板上，钢基座护筒位于监测孔洞 底部，环形凸起焊接在钢基座护筒上，并通过结构胶或水泥砂浆的作用锚固于围岩中；所述 钢基座护筒顶部有防护片；所述常速沉陷层护筒通过密封圈和滚珠嵌套于钢基座护筒中，其 底部设有垫片；所述慢速沉陷层护筒和表土层护筒的相关布置结构及功能与常速沉陷层护筒 相同；所述第一固定端焊接在常速沉陷层护筒底部，第一卷尺一端固定在第一固定端上，另 一端缠绕在转盘上；所述第二固定端焊接在慢速沉陷层护筒底部，第二卷尺一端固定在第二 固定端上，另一端缠绕在对应转盘上；所述转盘通过转轴固定在三角支架上；所述表土层护 筒上端焊接支撑钢杆，在支撑钢杆顶部焊接环形钢圈，圆锥顶盖置于环形钢圈上。

监测方法实现包括以下几步：

1）从地面打监测孔洞直至采空区底板，在监测孔洞底部布置钢基座护筒，并通过焊接于其上 的环形凸起在结构胶或水泥砂浆作用下锚固在围岩中；

2）常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒和表土层护筒分别通过密封圈和滚珠与钢基座护筒之间 层层相互嵌套，并各自通过环形凸起与所属层锚固；

3）分别通过第一固定端和第一卷尺、第二固定端和第二卷尺，借助地面的三角支架、转轴和 转盘组合结构进行实时、连续、小尺度（毫米级）地读取弯曲下沉带中常速沉陷层和慢速沉 陷层的沉陷数值，得到沉陷变化趋势图和不同时间间隔的沉陷量等监测资料。

进一步，所述监测孔洞的直径要大于等于300mm；所述钢基座护筒的直径为200mm，高 度为冒落带和裂隙带之和，其外侧焊接的环形凸起至少为3圈，以便通过结构胶或水泥砂浆 作用与围岩锚固。

进一步，所述常速沉陷层护筒的直径为195mm，密封圈为橡胶密封圈，可起密封作用， 滚珠是直径为2.5mm的不锈钢珠，以便常速沉陷层护筒沉陷时与钢基座护筒的相对滑动；所 述防护片焊接于护筒顶部内缘，用以防止周边杂物对密封圈产生的磨损破坏；所述垫片焊接 于护筒底部外缘，用以防止滚珠意外滑脱而导致不能实现缓慢滑移。

进一步，所述慢速沉陷层护筒的直径为190mm，表土层护筒的直径为185mm，其中慢速 沉陷层护筒和表土层护筒周边的相关结构功能要求与常速沉陷层护筒及钢基座护筒的相同， 即环形凸起用于通过结构胶或水泥砂浆与围岩或表土锚固，密封圈用于密封，滚珠用于相对 滑动，防护片用于防止周边杂物对密封圈的磨损，垫片用于防止滚珠的滑脱；各护筒均由不 锈钢材料制成，在各护筒除环形凸起之外的部份，其与监测孔洞之间的空间填充细沙或沥青， 以防止局部弯折断裂。

进一步，所述第一固定端为常速沉陷层固定端、第二固定端为慢速沉陷层固定端，分别 焊接在常速沉陷层护筒和慢速沉陷层护筒底部，第一固定端至慢速沉陷层护筒底部垫片的距 离要大于慢速沉陷层的沉陷长度，第二固定端至表土层护筒底部垫片的距离要大于表土层的 沉陷长度。

进一步，所述慢速沉陷层护筒初始布置时要延伸至常速沉陷层护筒内一定距离，该延伸 长度要大于常速沉陷层护筒和慢速沉陷层护筒因沉陷速度不同所产生的相对滑移距离；所述 表土层护筒初始布置时要延伸至慢速沉陷层护筒内一定距离，该延伸长度要大于慢速沉陷层 护筒和表土层护筒因沉陷速度不同所产生的相对滑移距离，以防止各层间护筒不致脱节。

进一步，所述第一卷尺和第二卷尺由柔性不锈钢材料制成，其上有刻度，最小刻度为 1mm，以实现小尺度监测；所述两组三角支架及其上的转轴相同，功能一致，在三角支架和 转轴连接处有一固定不动的指针，用于沉陷监测时读取数值，数值之差即为沉陷量。

进一步，所述支撑钢杆为4根不锈钢钢杆，分别在四个方向焊接在表土层护筒上；所述 环形钢圈由不锈钢材料制成，焊接在4根支撑钢杆上，起到整体固定作用；所述圆锥顶盖为 不锈钢盖子，可以取下，用以防止雨水、外界杂物等落入装置内。

本发明的有益效果是：本发明实现了对采空区上覆弯曲下沉带岩层运移的实时、连续、 小尺度（毫米级）地监测，同时也实现了对矿区不同沉陷层的沉陷监测，不但精度高，还具 有连续监测特点，通过本发明可得到沉陷变化趋势图和不同时间间隔的沉陷量等监测资料， 对研究弯曲下沉带的岩层运移规律和矿区不同沉陷层的沉陷规律具有重大价值，为矿区环境 治理和煤矿灾害防治提供了新的参考。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例二的结构示意图。

图3为护筒地面部分立体示意图。

图4为实施例一的测量部分放大示意图。

图5为实施例二的测量部分放大示意图。

其中：1—监测孔洞，2—钢基座护筒，3—环形凸起，4—防护片，5—密封圈，6—滚珠， 7—常速沉陷层护筒，8—垫片，9—第一固定端，10—第一卷尺，11—慢速沉陷层护筒，12— 第二固定端，13—第二卷尺，14—表土层护筒，15—支撑钢杆，16—转盘，17—转轴，18— 三角支架，19—环形钢圈，20—圆锥顶盖，21—滑轮，22—配重秤砣。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示为本发明实施例一的结构示意图，监测孔洞1位于煤矿采空区底板上，钢基 座护筒2位于监测孔洞1底部，环形凸起3焊接在钢基座护筒2上，并通过结构胶或水泥砂 浆的作用锚固于围岩中；所述钢基座护筒2顶部有防护片4；所述常速沉陷层护筒7通过密 封圈5和滚珠6嵌套于钢基座护筒2中，其底部设有垫片8；所述慢速沉陷层护筒11和表土 层护筒14的相关布置结构及功能与常速沉陷层护筒7相同；所述第一固定端9焊接在常速沉 陷层护筒7底部，第一卷尺10一端固定在第一固定端9上，另一端缠绕在转盘16上；所述 第二固定端12焊接在慢速沉陷层护筒11底部，第二卷尺13一端固定在第二固定端12上， 另一端缠绕在对应转盘16上；所述转盘16通过转轴17固定在三角支架18上；所述表土层 护筒（14）上端焊接支撑钢杆15，在支撑钢杆15顶部焊接环形钢圈19，圆锥顶盖20置于环 形钢圈19上。

其中，所述监测孔洞1的直径要大于等于300mm；所述钢基座护筒2的直径为200mm， 高度为冒落带和裂隙带之和，其外侧焊接的环形凸起3至少为3圈，以便通过结构胶或水泥 砂浆作用与围岩锚固；所述常速沉陷层护筒7的直径为195mm，密封圈5为橡胶密封圈，可 起密封作用，滚珠6是直径为2.5mm的不锈钢珠，以便常速沉陷层护筒沉陷时与钢基座护筒 的相对滑动；所述防护片4焊接于护筒顶部内缘，用以防止周边杂物对密封圈产生的磨损破 坏；所述垫片8焊接于护筒底部外缘，用以防止滚珠6意外滑脱而导致不能实现缓慢滑移； 所述慢速沉陷层护筒11的直径为190mm，表土层护筒14的直径为185mm，其中慢速沉陷层 护筒11和表土层护筒14周边的相关结构及功能要求与常速沉陷层护筒7及钢基座护筒2的 相同，即环形凸起3用于通过结构胶或水泥砂浆与围岩或表土锚固，密封圈5用于密封，滚 珠6用于相对滑动，防护片4用于防止周边杂物对密封圈的磨损，垫片8用于防止滚珠的滑 脱；各护筒均由具不锈钢材料制成，在各护筒除环形凸起3之外的部份，其与监测孔洞1之 间的空间填充细沙或沥青，以防止局部弯折断裂；所述第一固定端9为常速沉陷层固定端、 第二固定端12为慢速沉陷层固定端，分别焊接在常速沉陷层护筒7和慢速沉陷层护筒11底 部，第一固定端9至慢速沉陷层护筒11底部垫片8的距离要大于慢速沉陷层的沉陷长度，第 二固定端12至表土层护筒14底部垫片8的距离要大于表土层的沉陷长度；所述慢速沉陷层 护筒11初始布置时要延伸入常速沉陷层护筒7一定距离，该延伸长度要大于常速沉陷层护筒 7和慢速沉陷层护筒11因沉陷速度不同所产生的相对滑移距离；所述表土层护筒14初始布 置时要伸入慢速沉陷层护筒11一定距离，该延伸长度要大于慢速沉陷层护筒11和表土层护 筒14因沉陷速度不同所产生的相对滑移距离，以防止各层间护筒不致脱节；所述第一卷尺 10和第二卷尺13由柔性不锈钢材料制成，其上有刻度，最小刻度为1mm，以实现小尺度监 测；所述两组三角支架18及其上的转轴17相同，功能一致，在三角支架18和转轴17连接 处有一固定不动的指针，用于沉陷监测时读取数值，数值之差即为沉陷量，如图4所示，具 体对应慢速沉陷层的沉陷监测，随着慢速沉陷层护筒11的沉陷，第二卷尺13逐渐下降，对 应的数值变化即为沉陷量，常速沉陷层的沉陷监测的原理与慢速沉陷层的相同；如图3所示， 所述支撑钢杆15为4根不锈钢钢杆，分别在四个方向焊接在表土层护筒14上，环形钢圈由 19不锈钢材料制成并焊接在4根支撑钢杆15上，圆锥顶盖20为不锈钢盖子，必要时可以取 下，用以防止雨水、外界杂物等落入装置内。

本发明实施例一的具体实施方法为：

1）从地面打监测孔洞1直至采空区底板，在监测孔洞1底部布置钢基座护筒2，并通过焊接 于其上的环形凸起3在结构胶或水泥砂浆作用下锚固在围岩中；

2）常速沉陷层护筒7、慢速沉陷层护筒11和表土层护筒14分别通过密封圈5和滚珠6与钢 基座护筒2之间层层相互嵌套，并各自通过环形凸起3与所属层锚固；

3）分别通过第一固定端9和第一卷尺10、第二固定端12和第二卷尺13，借助地面的三角支 架18、转轴17和转盘16组合结构进行实时、连续、小尺度（毫米级）地读取弯曲下沉带中 常速沉陷层和慢速沉陷层的沉陷数值，得到沉陷变化趋势图和不同时间间隔的沉陷量等监测 资料。

如图2所示为本发明实施例二的结构示意图，其与实施例一的差别是它们的测量部分不 同，如图5所示为实施例二的测量部分放大示意，具体为第一卷尺10一端固定在第一固定端 9上，另一端通过一对滑轮21连接于配重秤砣22，对应于常速沉陷层的沉陷监测，即随着常 速沉陷层护筒11的沉陷，配重秤砣22逐渐上升，在经过滑轮21处的第一卷尺10的读数就 会发生改变，其改变量就为沉陷量；其中配重秤砣22上面的滑轮21旁边有一固定不动的指 针，用于沉陷监测时读取数值；慢速沉陷层的沉陷监测的原理与常速沉陷层的相同。

实施例二的具体实施方法只需在实施例一的基础稍作改变，即：

1）从地面打监测孔洞1直至采空区底板，在监测孔洞1底部布置钢基座护筒2，并通过焊接 于其上的环形凸起3在结构胶或水泥砂浆作用下锚固在围岩中；

2）常速沉陷层护筒7、慢速沉陷层护筒11和表土层护筒14分别通过密封圈5和滚珠6与钢 基座护筒2之间层层相互嵌套，并各自通过环形凸起3与所属层锚固；

3）分别通过第一固定端9和第一卷尺10、第二固定端12和第二卷尺13，借助地面的配重秤 砣22和滑轮21组合结构进行实时、连续、小尺度（毫米级）地读取弯曲下沉带中常速沉陷 层和慢速沉陷层的沉陷数值，得到沉陷变化趋势图和不同时间间隔的沉陷量等监测资料。

作为上述实施例一和实施例二的补充，该监测装置可配置摄像和数据存储、传输系统， 通过对第一卷尺10和第二卷尺13的摄像，并实时传输至客户终端，加上配置的图像存储功 能，这样就可实现远距离对弯曲下沉带岩层沉陷的监测。

最后应当说明的是，以上所述仅是本发明的技术方案，而非对其保护范围作任何限制，凡 是根据本发明技术方案进行的任何简单修改或等同替换，仍属于本发明技术方案的保护范围。