本發(fā)明涉及煤礦采空區(qū)頂板穩(wěn)定性監(jiān)測領域，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：

在煤層開采過程中，由于應力釋放或其他采動影響，采空區(qū)頂板會產生移動及塌冒，影響安全生產和地層(表)環(huán)境；為了防止頂板產生移動及塌冒，目前的辦法是，在形成的采空區(qū)內用充填體及時充填，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，是充填開采技術發(fā)展的關鍵。

目前研究采空區(qū)頂板和覆巖的運動規(guī)律，需通過現場監(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底板間安裝套筒式監(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，測量數據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)埋設傳輸線路，埋設過程復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的檢測圍巖離層的裝置，其工作原理是：將錨固頭固定于不同深度的巖層中，當圍巖產生離層時，錨固頭相對裝置移動產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到接收主機。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。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術中存在的問題，本發(fā)明提供了一種采空區(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，數據準確可靠，監(jiān)測數據通過無線傳輸，無需采空區(qū)埋設線路的復雜過程，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。

本發(fā)明同時提供利用這種裝置對采空區(qū)頂板表面位移和覆巖深部位移進行同步測量的方法。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

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、多套覆巖深部位移測量部分和殼體組成。

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

所述的頂板沉降量測量部分，是在保護筒腔內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頭固定于處在保護筒腔內的那段內筒外壁，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換為數字量并傳輸至接收主機；

所述的覆巖深部位移量測量部分，是在內筒腔內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筒內壁，隨內筒移動與光柵讀數頭發(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；在內筒內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化為數字量，通過無線傳輸的方式發(fā)送至接收主機。

進一步地，接收主機將收到的數據處理后通過以太網傳輸的方式傳輸到接收終端。

進一步地，內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筒腔內。

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

利用上述裝置實現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，固定于鉆孔內部各個測點；

第三步：固定裝置

松開定位螺釘，提升內筒，使內筒端蓋與采空區(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為l₀，連接有錨爪的多個第二光柵尺位移傳感器讀數分別為l₁,l₂,…l_n，測量后的第一光柵尺位移傳感器讀數為l₀'，多個第二光柵尺位移傳感器讀數分別為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，j、k代表其中兩個傳感器對應的兩個錨爪。

下面根據本發(fā)明的監(jiān)測原理說明其積極效果

1、本發(fā)明在測頂板沉降時，內筒和保護筒發(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頭固定在鋼絲繩上，標尺光柵固定在內筒內壁，鋼絲繩和內筒的相對錯動距離反映覆巖位移。從而實現將頂板沉降量和覆巖位移量兩種數據由一臺裝置同步測量，測得的同步數據對采空區(qū)覆巖運動規(guī)律有更清晰全面的認知。

2、本發(fā)明的監(jiān)測數據通過無線及以太網的方式傳輸，無需在采空區(qū)埋設線路的復雜過程，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、本發(fā)明的位移測量采用光柵尺高精度位移傳感器，數據準確可靠。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例的整體結構示意圖，圖中以內筒中設一套覆巖深部位移測量部分為例；

圖2為本發(fā)明的監(jiān)測網絡示意圖；

圖3為本發(fā)明的光柵尺位移傳感器結構示意圖，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頭。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、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、一套覆巖深部位移測量部分和殼體組成。

所述的殼體是一個筒狀結構，包括內筒4和保護筒3，內筒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腔內底部安置有平衡彈簧5，平衡彈簧5頂部頂在內筒4底部，內筒4頂部通過緊固螺釘設有端蓋2，要求平衡彈簧5一直處于壓縮狀態(tài)，使用時，內筒4的端蓋2始終與頂板接觸，隨頂板在保護筒3內發(fā)生同步移動；內筒4和保護筒3間設有密封圈。在保護筒3壁上設有定位螺釘(圖中未畫出)，定位螺釘穿透保護筒3壁頂在內筒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的光柵讀數頭固定于處在保護筒3腔內的那段內筒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電信號轉換為數字量并通過無線傳輸的方式傳輸至接收主機14；接收主機14將收到的數據處理后通過以太網傳輸的方式傳輸到接收終端15。

所述的覆巖深部位移量測量部分，是在內筒4腔內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筒4內壁，隨內筒4移動與光柵讀數頭發(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；在內筒4內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的電信號分析轉化為數字量，通過無線傳輸的方式發(fā)送至接收主機14，接收主機14將收到的數據處理后通過以太網傳輸的方式傳輸到接收終端15；在端蓋2上設有出線孔，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為本發(fā)明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包括光柵讀數頭17和標尺光柵16，標尺光柵16固定于內筒4內壁，隨內筒4移動與第二光柵尺位移傳感器的光柵讀數頭17發(fā)生相對移動，第二光柵尺位移傳感器的光柵讀數頭17與鋼絲繩10連接固定。

利用本發(fā)明上述裝置實現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，固定于鉆孔內部各個測點；

第三步：松開定位螺釘，提升內筒4，使內筒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讀數為l₀，連接有錨爪的多個第二光柵尺位移傳感器9讀數分別為l₁,l₂,…l_n，測量后的第一光柵尺位移傳感器7讀數為l₀'，第二光柵尺位移傳感器讀數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，j、k代表其中兩個第二光柵尺位移傳感器9對應的兩個錨爪。