基于保护层开采的被保护层应力监测方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于保护层开采的被保护层应力监测方法及装置，首先，在地表施工大倾角钻孔至被保护层中部，扩孔至被保护层顶板煤岩交界处；其次，将应力监测装置置入孔底并用固定块固定，对固定块上部钻孔空间注浆进一步加固；再次，校准压力传感器并将数显表归零，通过地表电动液压泵施加设定压力值；最后，记录保护层推进过程中钻孔应力变化，绘制工作面距钻孔水平距离及钻孔应力变化曲线，分析、总结保护层开采过程中被保护层应力变化规律。本发明基于现场开采条件能够及时捕捉被保护层应力的动态变化，操作简单，灵敏度高，监测效果好。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿防瓦斯突出安全治理技术领域，尤其涉及一种基于保护层开采的被保护层应力监测方法及装置。

背景技术

《煤矿安全规程》明确规定：“在煤与瓦斯突出矿井开采煤层群时，必须首先开采保护层。开采保护层后，在被保护层中受到保护的区域按无突出危险煤层进行采掘工作，未受到保护的区域，必须采取防止突出危险措施”。开采保护层是防治煤与瓦斯突出最有效的一种区域性防突措施，在煤层群开采条件的突出矿井得到了广泛应用。其本质为：保护层开采之后围岩卸压产生膨胀变形，产生瓦斯“增流效应”，透气性增强，为被保护层的卸压瓦斯抽采创造有利条件。

目前保护层开采相关研究中，较多考虑上覆岩层的应力变化，利用模拟软件研究上覆岩层应力变化并探寻应力演化规律。而基于被保护层本身应力变化的研究较少。至于保护层开采过程中被保护层应力的动态变化如何、如何监测以及这种应力的动态变化与保护层工作面推进距离及超前支承压力之间的关系如何，目前研究尚不能清晰地给出解释。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于保护层开采的被保护层应力监测方法及装置，基于地面开设大倾角钻孔，克服了保护层开采引起岩层移动的影响，提高了装置整体稳定性。

为实现上述目的，采用如下技术方案：

基于保护层开采的被保护层应力监测方法，包括以下步骤：

步骤S₁，保护层开采前在地表用设定钻孔孔径的钻机施工设定的倾角，钻孔钻入被保护层停止施工；

步骤S₂，利用钻机对钻孔进行扩孔作业；

步骤S₃，将被保护层应力监测装置送至钻孔底部并用固定块固定，并对固定块上部钻孔进行注浆进一步加固；

步骤S₄，以保护层工作面推进至钻孔的水平距离为横坐标，以应力监测装置测得的的压力值为纵坐标绘制距离-压力曲线，分析保护层工作面推进过程中被保护层应力变化，得到被保护层应力变化规律。

所述步骤S₁中的钻孔孔径为79mm，施工倾角为80°以上。

所述步骤S₁中，开设的钻孔为等间距平行钻孔，钻孔间距优选5-8m、钻孔数量优选10-20个。

所述步骤S₂中将孔径扩至133mm，深度达到被保护层和顶板交界处停止扩孔。

基于保护层开采的被保护层应力监测装置，包括柔性液压胶囊、垫层、固定块、压力传感器、套管、数据传输线、数显表；

所述柔性液压胶囊的上部依次安设有垫层、固定块；

所述垫层内部嵌入压力传感器；

所述固定块中部开设有供所述套管穿过的通孔；

所述套管内穿设有液压胶管和数据传输线；

所述压力传感器通过数据传输线与显示柔性液压胶囊内的压力的数显表连接；

所述柔性液压胶囊通过液压胶管与电动液压泵连接；

所述液压胶管上顺次设有总阀门、二级阀门及单向阀。

所述柔性液压胶囊呈圆柱形，由氯丁橡胶制成，外部包裹有钢丝编织层；

所述液压胶管也由氯丁橡胶制成，外部包裹有钢丝编织层。

所述垫层为具有设定厚度的高强度橡胶。

所述固定块为圆台状木塞。

所述数据传输线为外部包裹有PVC材质的铜质导线；

所述套管为高强度不锈钢空心套管；

所述数显表具有存储记忆功能。

所述应力监测装置开始使用时，对压力传感器进行校准，对数显表进行归零，启动电动液压泵，打开总阀门、二级阀门及单向阀，通过数显表观察柔性液压胶囊压力使其达到设定值p₀；当压力达到设定值p₀，经过设定时间压力保持不变时表明装置整体气密性良好。

根据保护层推进过程中柔性液压胶囊的压力变化绘制保护层工作面推进距离-被保护层应力曲线。

本发明的有益效果：

1.基于地面开设大倾角钻孔，克服了保护层开采引起岩层移动的影响，提高了装置整体稳定性。

2.被保护层上部开设较大孔径钻孔而被保护层部分开设小孔径钻孔，便于应力监测装置安装更易于固定。

3.采用柔性液压胶囊监测应力，能够及时捕捉到应力的动态变化，实现对应力的实时监测，灵敏度高，监测效果好。

4.装置整体结构简单、易操作、成本低，具有较强实用性，适合大规模推广。

附图说明

图1是本发明一种基于保护层开采的被保护层应力监测装置整体结构示意图。

图2是本发明中固定块整体结构示意图。

图3是本发明中柔性液压胶囊剖面图。

其中，1-电动液压泵，2-总阀门，3-二级阀门，4-液压胶管，5-单向阀，6-柔性液压胶囊，7-压力传感器，8-固定块，9-套管，10-数据传输线，11-数显表，12-钢丝编织层，13-通孔，14-钻孔，15-被保护层，16-顶板，17-垫层，18-保护层。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种基于保护层开采的被保护层应力监测方法，步骤如下：

步骤S₁，保护层18开采前在地表用设定钻孔14孔径的钻机施工设定的倾角，钻孔14钻入被保护层15停止施工；

步骤S₂，利用钻机对钻孔14进行扩孔作业；

步骤S₃，将被保护层应力监测装置送至钻孔14底部并用固定块8固定，并对固定块8上部钻孔14进行注浆进一步加固；

步骤S₄，以保护层工作面推进至钻孔的水平距离为横坐标，以应力监测装置测得的的压力值为纵坐标绘制距离-压力曲线，分析保护层工作面推进过程中被保护层应力变化，得到被保护层应力变化规律。

所述步骤S₁中的钻孔14孔径为79mm，施工倾角为80°以上。

所述步骤S₁中，开设的钻孔14为等间距平行钻孔，钻孔间距优选5-8m、钻孔数量优选10-20个。

所述步骤S₂中将孔径扩至133mm，深度达到被保护层15和顶板16交界处停止扩孔。

如图1-3所示，一种基于保护层开采的被保护层应力监测方法借助一种基于保护层开采的被保护层应力监测装置实施，一种基于保护层开采的被保护层应力监测装置，包括柔性液压胶囊6、垫层17、固定块8、压力传感器7、套管9、数据传输线10、数显表11；

所述柔性液压胶囊6的上部依次安设有垫层17、固定块8；

所述垫层17内部嵌入压力传感器7；

所述固定块8中部开设有供所述套管穿过的通孔13；

所述套管9内穿设有液压胶管4和数据传输线10；

所述压力传感器7通过数据传输线10与显示柔性液压胶囊6内的压力的数显表11连接；

所述柔性液压胶囊6通过液压胶管4与电动液压泵1连接；

所述柔性液压胶囊6呈圆柱形，直径小于钻孔直径，由氯丁橡胶制成，外部包裹有钢丝编织层12；

所述液压胶管4上顺次设有总阀门2、二级阀门3及单向阀5；

所述液压胶管4由氯丁橡胶制成，外部包裹有钢丝编织层12；

所述垫层17为具有设定厚度的高强度橡胶；

所述固定块8为圆台状木塞；

所述数据传输线10为外部包裹有PVC材质的铜质导线；

所述套管9为高强度不锈钢空心套管；

所述数显表11具有存储记忆功能。所述应力监测装置开始使用时，对压力传感器7进行校准，对数显表11进行归零，启动电动液压泵1，打开总阀门2、二级阀门3和单向阀5，通过数显表11观察柔性液压胶囊6压力使其达到设定值p₀。当压力达到设定值p₀，经过设定时间压力保持不变时表明装置整体气密性良好。

以保护层18工作面推进至钻孔14的水平距离为横坐标，以柔性液压胶囊6的压力值为纵坐标绘制距离-压力曲线，分析保护层工作面推进过程中被保护层应力变化，得到被保护层应力变化规律。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。