一种预留煤柱稳定性监测装置及施工方法与流程

本发明涉及预留煤柱稳定性监测技术领域，具体涉及一种预留煤柱稳定性监测装置及施工方法。

背景技术：

随着城市建设的发展和煤炭需求量的提高，我国建筑物下、水体下、铁路下的“三下”压煤储量所占比重越来越大。现阶段开采矿区预留煤柱是大多数矿区维系稳步发展的措施之一。采矿工程实践中，一方面，要求煤柱长期有效地支撑上覆岩层，但在相邻工作面推采完毕后，随着时间的推移，由于流变作用的影响，煤柱稳定性会随上覆岩层作用的时间延长而降低；另一方面，为了减少资源浪费提高煤炭回收率，需要充分利用预留煤柱的支承能力，开采以前“三下”开采时留设的煤柱，与此同时，随着采深的增加，留设的煤柱也会越来越大，在开采工程中的位移变化、突然卸压，对生命财产造成不可预估的威胁。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种预留煤柱稳定性监测装置及其施工方法，以克服常规预留煤柱监测中的不足，及时反映预留煤柱不同位置的动态应力变化，以保证开采安全。

本发明的技术方案是：一种预留煤柱稳定性监测装置，包括pvc管，所述pvc管内沿其管长方向布设有多个多点位移传感器以及多个压力传感器，所述多点位移传感器以及压力传感器分别通过导线与信号发射器信号连接，且所述多点位移传感器、压力传感器以及信号发射器还通过导线与电源模块电连接；所述信号发射器与信号接收器无线通信连接，信号接收器与数据处理仪连接；所述信号发射器、导线以及电源模块均设于所述pvc管内，且所述pvc管内部被环氧树脂充填体进行密实充填。

上述多点位移传感器和压力传感器的数量相等，且将多点位移传感器和压力传感器分为多组，每组均包含一个多点位移传感器和一个压力传感器，每组中的多点位移传感器和压力传感器在pvc管内以pvc管的中心线为对称轴对称分布。

上述多点位移传感器和压力传感器的数量均为3个，且多点位移传感器和压力传感器分为3组，各组等距离均匀分布在所述pvc管内部。

被环氧树脂充填体充填密实的pvc管的一端设有榫头，另一端设有卯槽，通过两端所设的榫卯结构使得在需要延长时，能够将多个被环氧树脂充填体充填密实的pvc管依次连接在一起。

上述pvc管的外表面设有防水膜。

一种预留煤柱稳定性监测装置的施工方法，包括如下步骤：

(1)距离采煤开切眼100m开始打钻孔，钻孔在水平方向梯度布置，每隔10m打一个钻孔；在垂直方向以煤厚5m为界，超过5m，以3m为一个梯度垂直打钻孔，没超过5m不打钻孔；

(2)在钻孔内放置预留煤柱稳定性监测装置，对数据处理仪进行校准，并信号连接信号发射器、信号接收器以及数据处理仪，测试所述预留煤柱稳定性监测装置信号传输的稳定性；

(3)在预留煤柱稳定性监测装置传输的稳定性达到要求后，在钻孔内注浆耦合，使pvc管与钻孔内壁之间形成注浆结石体；

(4)监测煤柱在开采之前的位移情况及所受压力情况，记录所监测数据，直至达到相对稳定阶段。

本发明的有益效果：本发明提供了一种预留煤柱稳定性监测装置及施工方法，能够利用填充pvc管不断适应预留煤柱的形变以保持pvc管的自身可用性，同时在预留煤柱变形过程中实时监测预留煤柱应力场分布状况，及时反映预留煤柱稳定性状况。且设计经济，结构简单，能够全面体现煤柱监测区各位置的动态应力变化，充填后的pvc管可在一定范围压缩形变，大大降低因煤柱变形而造成监测装置损坏的风险，减小应力测量误差。

附图说明

图1为本发明的预留煤柱稳定性监测装置结构示意图；

图2为图1的a-a剖面图；

图3为图1的pvc管连接示意图；

图4为本发明的预留煤柱稳定性监测装置的监测安装施工流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明提供了一种预留煤柱稳定性监测装置及施工方法，其预留煤柱稳定性监测装置包括pvc管1，所述pvc管1内沿其管长方向布设有多个多点位移传感器3以及多个压力传感器2，所述多点位移传感器3以及压力传感器2分别通过导线5与信号发射器7信号连接，且所述多点位移传感器3、压力传感器2以及信号发射器7还通过导线5与电源模块12电连接，所述信号发射器7与信号接收器6无线通信连接，信号接收器6与数据处理仪11连接；其中信号发射器包括第一微处理器和信号发射模块，所述第一微处理器分别信号连接压力传感器2以及信号发射模块；信号接收器6包括第二微处理器和信号接收模块，第二微处理器与信号接收模块信号连接，信号接收模块与信号发射模块无线通信连接，第二微处理器还与数据处理仪11信号连接；所述信号发射器7、导线5以及电源模块12均设于所述pvc管1内，且所述pvc管1内部被环氧树脂充填体8进行密实充填。

进一步地，多点位移传感器3和压力传感器2的数量相等，且将多点位移传感器3和压力传感器2分为多组，每组均包含一个多点位移传感器3和一个压力传感器2，每组中的多点位移传感器3和压力传感器2在pvc管1内以pvc管1的中心线为对称轴对称分布。

进一步地，多点位移传感器3和压力传感器2的数量均为3个，且多点位移传感器3和压力传感器2分为3组，各组等距离均匀分布在所述pvc管1内部。

进一步地，被环氧树脂充填体8充填密实的pvc管1的一端设有榫头，另一端设有卯槽，通过两端所设的榫卯结构使得在需要延长时，能够将多个被环氧树脂充填体8充填密实的pvc管1依次连接在一起。

进一步地，所述pvc管1的外表面设有防水膜4。

进一步地，所述环氧树脂充填体8还可以使用橡胶、塑胶或其它具备弹塑性材质来代替。

本发明的预留煤柱稳定性监测装置的施工方法，包括如下步骤：

1)距离采煤开切眼100m开始打钻孔9，钻孔9在水平方向梯度布置，每隔10m打一个钻孔；在垂直方向以煤厚5m为界，超过5m，以3m为一个梯度垂直打钻孔9，没超过5m不打钻孔9；

2)在钻孔9内放置预留煤柱稳定性监测装置，对数据处理仪11进行校准，并信号连接信号发射器7、信号接收器6以及数据处理仪11，测试所述预留煤柱稳定性监测装置信号传输的稳定性；

3)在预留煤柱稳定性监测装置传输的稳定性达到要求后，在钻孔9内注浆耦合，使pvc管1与钻孔9内壁之间形成注浆结石体10；

4)监测煤柱在开采之前的位移情况及所受压力情况，记录所监测数据，直至达到相对稳定阶段；

5)进行正常监测工作。

综上所述，本发明提供的预留煤柱稳定性监测装置及施工方法，其监测装置包括pvc管、多点位移传感器、压力传感器、信号发射器、信号接收器、防水膜、导线和数据处理仪，多个pvc管交替连接，管内由环氧树脂充填材料填充，形成管内密实无空隙，信号发射器与信号接收器无线连接，多点位移传感器、压力传感器、信号接收器和电源分别与导线连接，安置在管体内部，防水膜覆盖在pvc管外表面。其中，pvc管之间通过榫卯连接或嵌套连接，在保证其应有的工作强度和一体性的前提下，可根据实际工程要求选择合适的连接方式，单根pvc管的长度小于所打钻孔的长度。多点位移传感器、压力传感器、信号发射器和电源安装在pvc管内部且受环氧树脂充填材料包围，每个pvc管内均布设三组多点位移传感器和压力传感器。环氧树脂充填材料为橡胶、塑胶或其它具备弹塑性材质，使用时，在pvc管内密实填充，以防止装置在安装使用过程中受损。

本发明的预警评价方法如下：

预警标准根据位移、地应力状态、开挖及支护等实际工程参数确定，根据实际预留煤柱稳定状况，以pvc管内传感器安设的不同位置作为自变量，对应的实测应力值和位移量作为因变量，确定安全线、预警临界线、危险预警线，并以此作为煤柱稳定状态的评价标准，对预留煤柱稳定性进行评价与预警。

由于具体监测岩体的各力学和工程参数不同，在此不做详细的数据范围限定，具体参数以实际工程而定。

本发明监测装置的主要技术参数如下：根据现场工程需要，监测前需在预留煤柱上选定合适位置钻孔，所钻各孔孔深孔径相同，孔径较pvc管直径大50～100mm，孔距为10～15m，pvc管传感器组数以实际工程要求而定，传感器安装如图2所示，传感器安装在pvc管内且呈平行安装，每个pvc管内布设三组多点位移传感器以及压力传感器，如图3所示的pvc管内充填体采用环氧树脂材质。将组装好的装置按照(图1)方式装入钻孔中，为保证pvc管和孔壁煤体间的有效应力传递，采用孔内注浆方式进行耦合。

如图1、图2、图3和图4所示，该监测装置包括：pvc管、多点位移传感器、压力传感器、防水膜、导线、信号接收器、信号发射器、环氧树脂密实充填体，钻孔，注浆结石体，数据处理仪，电源。pvc管1内部中空，充填环氧树脂充填体8充填pvc管形成管体内部密实腔，导线5连接压力传感器3、多点位移传感器2、信号发射器7和电源12，信号发射器7与信号接收器6无线连接，传感器2、3安装在pvc管1内部，防水膜4是最外部结构，覆于整个pvc管1外部。其中，两段pvc管1之间通过榫卯结构连接。

采用图4所示流程，在实际实施例中，选择预留煤柱监测面，并选定预留煤柱监测点和监测间距；进行定向钻孔并安装预留煤柱稳定性监测装置，进行孔内注浆耦合；各钻孔监测点的应力状态随时间变化通过数据接收器进行可视化输出；确定预留煤柱监测孔内动态应力分布图。

具体施工流程如下：

(1)确定监测钻孔7位置；

(2)钻孔至设计深度；

(3)孔内规定位置放置该装置；

(4)钻孔7内注浆耦合，在pvc管外部形成注浆结石体10；

(5)连接信号发射器测试传感器2、3工作状况及仪器校准；

(6)进行正常监测工作。

本发明提供的预留煤柱稳定性监测装置及施工方法，能够利用填充pvc管不断适应预留煤柱的形变以保持pvc管的自身可用性，同时在预留煤柱变形过程中实时监测预留煤柱应力场分布状况，及时反映预留煤柱稳定性状况。且设计经济，结构简单，安装方便，不与煤柱直接接触，可根据不同煤柱环境调节长度，能够全面体现煤柱监测区各位置的动态应力变化，充填后的pvc管可在一定范围压缩形变，大大降低因煤柱变形而造成监测装置损坏的风险，减小应力测量误差，各传感器并联连接，相互无影响，监测数据稳定准确。

上述实施例中孔位选定、钻孔参数、传感器组数量、材料选择与布置形式依据具体地质条件、应力状态、开挖及支护要求等条件而定，本发明不做具体限制。以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。