采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法与流程

本发明涉及采煤沉陷区深部岩土体监测技术领域，尤其涉及一种采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法。

背景技术：

煤矿采煤沉陷区在进行利用时，受采煤影响的覆岩内仍有一定的孔隙裂隙，覆岩移动变形与地表移动变形的相关数据有一定的差异；对于关闭矿井沉陷区覆岩内部的应力、残余移动和水位变化等均为未知。因此需要对煤矿采煤沉陷区覆岩内应力、残余移动变形和水位变化情况进行监测，为分析评价采煤沉陷区地基空间稳定性提供技术支撑。

覆岩内基岩移动变形是地表移动变形的本质，地表移动变形是覆岩移动变形的传播与反映。目前覆岩内部移动变形监测设备主要有钻孔倾斜仪、钻孔挠度仪、电阻式或电感式滑坡监测仪器、光纤传感器等。煤矿采煤沉陷区深部岩土体内的应力较为复杂，应力监测难以获取。深部岩土体的应力监测一般需要通过钻孔在岩土体中埋设应变计来监测岩土体周边的应力值。岩土体内水位的常用监测设备为水位计。

水位(含水温)监测一般通过渗压计来实现，该方法需通过监测静水压力来反算水位的变化；而应力监测一般将应力监测装置与岩土体充分接触，需要通过混凝土锚固或膨胀固定的方式来实现，膨胀固定方式不能实现长期的稳定固定，混凝土锚固对静水压力监测影响较大。因此水位和应力监测不相容，变形监测与水位监测或变形监测与应力监测二者的相容性较好。

目前对于移动变形、应力和水位三种监测通常采用专孔专用技术，即对于每种监测分别钻孔采用相应的设备进行监测。或者采用一孔两用技术，即应力与变形或者水位与变形使用一个钻孔进行监测，另外一种监测单独使用一个钻孔。对于深部岩土的监测，专控专用技术需要三个钻孔，钻孔的工程量大、费用高，且施工周期长。一孔两用技术虽然需要的钻孔数量减少为两个，但钻孔的时间成本和费用成本依然较高。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备安装方法，用以解决现有技术中专孔专用技术和一孔两用技术钻孔的时间成本和费用成本高的缺陷，实现一孔三用。

本发明实施例提供一种采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，包括：

将应力监测设备、测斜管和钢丝骨架注浆软管下放至采煤沉陷区的监测孔内；其中，所述应力监测设备位于监测孔的底部，且下放的深度大于所述测斜管预设深度，所述钢丝骨架注浆软管位于所述测斜管的外侧，所述测斜管的管体上设置有通孔并用土工布包裹；

通过所述钢丝骨架注浆软管对监测孔底部的应力监测设备进行注浆锚固；

在所述测斜管内下放安装多个固定测斜仪，并在所述测斜管内的底部区域安装渗压计；

将所述应力监测设备、固定测斜仪和渗压计是数据线缆与地面数据采集与传输系统进行连接；其中，所述地面数据采集与传输系统用于对所述应力监测设备监测的采煤沉陷区深部岩土体的应力、渗压计监测的岩土体的水位和所述固定测斜仪监测的岩土体的移动变形进行采集和传输。

根据本发明一个实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，将应力监测设备、测斜管和钢丝骨架注浆软管下放至采煤沉陷区的监测孔内的步骤之前还包括：

根据所述固定测斜仪和渗压计的安装确定所述测斜管的直径；

根据所述测斜管的直径和所述应力监测设备所在的注浆锚固段的施工确定所述监测孔的孔径；

对所述采煤沉陷区进行地面钻机的一次性成孔；

若所述一次性成孔的孔径小于所述监测孔的孔径，则对所述监测孔进行再次扩孔，以使所述再次扩孔的孔径达到所述监测孔的孔径。

根据本发明一个实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，所述应力监测设备为钢筋应力计；

所述钢筋应力计的配筋段的长度范围为0.8m至1.5m。

根据本发明一个实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，在所述钢筋应力计的顶端增加一对多孔法兰盘，将所述钢筋应力计的线缆穿过该对多孔法兰盘；其中，所述底端的多孔法兰盘用于限制所述钢筋应力计的线缆的位置；所述钢筋应力计的线缆穿过最上部法兰盘的中心孔。

根据本发明一个实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，所述钢丝骨架注浆管的孔径不大于24mm。

根据本发明一个实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，将应力监测设备、测斜管和钢丝骨架注浆软管下放至采煤沉陷区的监测孔内的步骤之前还包括：

将所述应力监测设备的线缆装入pvc管；

将所述测斜管用无纺布包裹；

将用无纺布包裹的测斜管、钢丝骨架注浆软管与装入pvc管的应力监测设备的线缆使用绑带固定。

根据本发明一个实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，将所述测斜管用无纺布包裹的步骤之前还包括：

对每段测斜管进行编号和计数；

根据每段测斜管的编号，基于依次将每段测斜管放入所述监测孔内，使放入的每段测斜管插入上次放入的测斜管的管接头内；

其中，在向所述监测孔内放入第一段测斜管之前，将所述第一段测斜管没有外接头的一端进行封口处理；

若所述测斜管在所述监测孔中水的作用下上浮，则向所述测斜管内注入清水；

在所述监测孔中的测斜管长度达到预设长度后，调整所述斜管内的凹槽方向，使得所述斜管内的一对凹槽垂直于测量面。

根据本发明一个实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，通过所述钢丝骨架注浆软管对所述应力监测设备采用排水注浆锚固法的步骤包括：

将所述钢丝骨架注浆软管与测斜管同时下放，插至所述监测孔的孔底；

使用地面注浆泵通过所述钢丝骨架注浆软管将砂浆由所述监测孔的孔底注入；其中，注入砂浆的压力范围为0.3至0.6兆帕。

根据本发明一个实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，在所述测斜管内下放安装多个固定测斜仪，并在所述测斜管内的底部区域安装渗压计的步骤包括：

将所述多个固定测斜仪使用连接杆连接后安装；

将所述渗压计安装在所述测斜管内倒数第二个测斜仪中部的高度。

根据本发明一个实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，通过所述钢丝骨架注浆软管对所述监测孔底部的应力监测设备进行注浆锚固的步骤之后还包括：

在所述监测孔的孔壁和测斜管之间应用中砂或粗砂进行回填，并向所述测斜管内注入清水；其中，回填的速度小于预设速度；

回填满后盖上所述测斜管的管盖，并固定所述固定测斜仪和渗压计，以及所述应力监测设备、固定测斜仪和渗压计的数据线缆；

隔预设时长后，若所述监测孔的孔壁和测斜管之间的回填料下沉和/或空隙压缩，则对所述监测孔的孔壁和测斜管之间进行再次回填。

本发明实施例提供的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法，通过使用注浆管将应力监测设备在监测孔的底部进行注浆锚固，将固定测斜仪和渗压计安装在测斜管内，并在测斜管的管体上设置有通孔为消除测斜管隔水性能，从而将采煤沉陷区深部岩土体移动变形、水文和应力监测设备集成在一个监测孔中进行安装，在保证对移动变形、水文和应力进行准确监测的基础上，降低了监测的时间和费用成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法中的一孔三用安装工艺示意图；

图3是本发明实施例提供的一种采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法中固定测斜仪安装示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明实施例的采煤沉陷区移动变形、水文及应力监测设备装设方法的流程示意图，包括：s101，将应力监测设备、测斜管和注浆管下放至采煤沉陷区的监测孔内；其中，所述应力监测设备位于监测孔的底部，且下放的深度大于所述测斜管预设深度，所述钢丝骨架注浆软管与测斜管同时安装，且所述钢丝骨架注浆软管位于所述测斜管外侧，所述测斜管的管体上设置有通孔并用土工布包裹；

具体地，本实施例在采煤沉陷区的一个深部监测孔内同时布置移动变形、应力和水位三种监测设备，达到一孔三用的目的。其中选择的移动变形监测设备为固定测斜仪，数量为7至12个，从而监测不同深度的岩土体变形。渗压计1只，应力监测设备1至2只。

首先，将测斜管、应力监测设备和注浆软管同时下方至孔底。其中，应力监测设备超前于测斜管预设距离，如10至12米。应力监测设备的线缆用pvc(polyvinylchlorid，聚氯乙烯)管进行保护。由于涉及地下水位的监测，为消除测斜管隔水性能，保证测斜管内外的水位能迅速沟通，测斜管的管体上设置有通孔。其中通孔的设置可以用直接为ф6mm或ф8mm电钻，在测斜管的管体进行钻眼。用无纺布对测斜管进行包裹并固定，并对各类测斜管线缆长度做标记和计数。

s102，通过所述钢丝骨架注浆软管对监测孔底部的所述应力监测设备进行注浆锚固；

其中，对所述应力监测设备进行注浆锚固可以采用排水法或排气法注浆锚固，本实施例不作具体限定。

s103，在所述测斜管内下放安装多个固定测斜仪，并在所述测斜管内的底部区域安装渗压计；

其中，对于煤矿采煤沉陷区如果移动变形监测设备选用柔性测斜仪对深度150m范围内的煤岩体进行移动变形监测，成本太高。而光纤在煤矿采煤沉陷区移动变形监测中易受拉、压和剪的破坏，稳定性差。所以本实施例选择成本相对较低且稳定性较高的固定测斜仪。水文监测设备选择渗压计，渗压计是一种最常用、应用最广泛、技术最成熟、性能稳定、价格相对便宜且能实现采煤沉陷区水位和水温变化的监测设备。

待锚固段固结后，固定测斜管，并下放安装固定测斜仪若干个和渗压计1只。具体地安装工艺如图2所示。

s104，将所述应力监测设备、固定测斜仪和渗压计的数据线缆与地面数据采集与传输系统进行连接；其中，所述地面数据采集与传输系统用于对所述应力监测设备监测的采煤沉陷区深部岩土体的应力、渗压计监测的岩土体的水位和所述固定测斜仪监测的岩土体的移动变形进行采集和传输。

其中，地面数据采集与传输系统包括数据传输模块、太阳能电板、系统集成单元、pvc支架、传感器和基座。其中，传感器采集的数据包括水位和温度、应力与测斜数据三种类型。在应力监测设备、固定测斜仪和渗压计地面连接调试和试运行良好后，埋设地面数据采集与自动传输。

本实施例通过使用注浆管将应力监测设备在监测孔的底部进行注浆锚固，将测斜仪和渗压计安装在测斜管内，并在测斜管的管体上设置有通孔为消除测斜管隔水性能，从而将移动变形、水文和应力监测设备集成在一个监测孔中进行安装，在保证对移动变形、水文和应力进行准确监测的基础上，降低了监测的时间和费用成本。

在上述实施例的基础上，本实施例中将应力监测设备、测斜管和钢丝骨架注浆软管下放至采煤沉陷区的监测孔内步骤之前还包括：根据所述固定测斜仪和渗压计的安装确定所述测斜管的直径；

其中，一般测斜管的直径有ф85mm、ф70mm、ф65mm和ф53mm四种类型。ф53mm测斜管一般仅能安装一种设备，并且安装深度一般小于50m。所以本实施例根据固定测斜仪和渗压计的安装选择ф65mm及以上尺寸测斜管。

根据所述测斜管的直径和所述应力监测设备所在的注浆锚固段的施工确定所述监测孔的孔径；对所述采煤沉陷区进行地面钻机的一次性成孔；若所述一次性成孔的孔径小于所述监测孔的孔径，则对所述监测孔进行再次扩孔，以使所述再次扩孔的孔径达到所述监测孔的孔径。

煤矿地面监测孔一次成孔的最大孔径为95mm，更大尺寸的一次成孔设备不能保证孔的倾斜度)。而ф65mm及以上尺寸的测斜管安装在孔径为ф95mm的监测孔时，其孔径不能保证对应力监测设备进行注浆锚固的注浆锚固段的施工。

对于采煤沉陷区，岩层较破碎，岩性软硬交替，地面监测孔成孔的倾斜度是不能保障的，最好的设备成孔理论偏斜率为1m/100m。若监测孔深度为150m，孔口与孔底偏斜量为1.5m。监测孔需要中间过1至3层采煤层，需要注浆法通过，岩性软硬交替，依次为孔口、煤层a、煤层b、煤层c和孔底，很可能不是一条直线，而是拐了若干个弯的折线。沉陷区监测孔的孔隙和采动裂隙较为发育，孔壁不是光滑的，监测孔的孔壁与测斜管及应力监测设备之间需要留有一定的孔隙尺寸。

为保证深部采煤沉陷区移动变形、应力和水文一孔三用，需要对钻机进行二次扩孔，成孔孔径设计为φ146mm。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述应力监测设备为钢筋应力计；所述钢筋应力计的配筋段的长度范围为0.8m至1.5m。

具体地，对于煤矿采煤沉陷区相对稳定的应力监测设备为埋入式应力计与钢筋应力计。其中，埋入式应力计的量程一般不大，对于采煤沉陷区的大变形和非连续性变形，锚固在岩体中的应力计容易超出其量程而损坏；同时埋入式应力计需要周边岩土体的弹性模量，对于排水法注浆体的弹性模量与实验室取得的弹性模量差异较大，给测量工作带来困难。钢筋应力计量程一般可满足采煤沉陷区的大变形和非连续性变形；同时钢筋的弹性模量差异较小、对于沉陷区煤岩体的应力监测误差影响小。因此，本实施例采用钢筋应力计。本实施例在监测孔中布置钢筋应力计1到2只。

由于监测孔较深，不能保证钢筋应力计绝对竖直。钢筋应力计的配筋段长度一般约20mm，为了减少钢筋应力计安装倾斜度造成的误差，本实施例中的钢筋应力计的配筋段长度设置为0.8米至1.5米。

在上述实施例的基础上，本实施例中在所述钢筋应力计的顶端增加一对多孔法兰盘，将所述钢筋应力计的线缆穿过该对多孔法兰盘；其中，所述底端的多孔法兰盘用于限制所述钢筋应力计的线缆的位置；所述钢筋应力计的线缆穿过最上部法兰盘的中心孔。

具体地，在钢筋应力计的顶端增加一对多孔法兰盘，将钢筋应力计的线缆分别穿过这对多孔法兰盘。其中线缆要穿过最上部法兰盘的中心孔，增大钢筋应力计的摩擦，抗拉、拔、压的整体性，从而保证下设钢筋应力计的过程中，钢筋应力计尽量竖直，减小钢筋应力计倾斜度的影响。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述钢丝骨架注浆软管的孔径不大于24mm。

具体地，常规的注浆管直径尺寸约ф48mm，占用监测孔空间较大，不利于一孔三用监测设备的安装。收到监测孔内设备布设及孔径的限制，为减小孔内注浆管的尺寸占比，本实施例选用直径为ф24mm的钢丝骨架注浆管。

在上述实施例的基础上，本实施例中将应力监测设备、测斜管和钢丝骨架注浆软管下放至采煤沉陷区的监测孔内的步骤之前还包括：将所述应力监测设备的线缆装入pvc管；将所述测斜管用无纺布包裹；将用无纺布包裹的测斜管、注浆管与装入pvc管的应力监测设备的线缆使用绑带固定。

具体地，使用应力监测设备1至2只，将应力监测设备的线缆用pvc管保护，并且应力监测设备超前于测斜管预设距离，如10至12米。将测斜管、注浆管与应力监测设备的线缆使用绑带固定。

在上述实施例的基础上，本实施例中将所述测斜管用无纺布包裹的步骤之前还包括：对每段测斜管进行编号和计数；根据每段测斜管的编号，基于依次将每段测斜管放入所述监测孔内，使放入的每段测斜管插入上次放入的测斜管的管接头内；其中，在向所述监测孔内放入第一段测斜管之前，将所述第一段测斜管没有外接头的一端进行封口处理；若所述测斜管在所述监测孔中水的作用下上浮，则向所述测斜管内注入清水；在所述监测孔中的测斜管长度达到预设长度后，调整所述斜管内的凹槽方向，使得所述斜管内的一对凹槽垂直于测量面。

具体地，测斜管的长度一般为2m每根或4m每根两种，需要一根一根地连接到预设长度。因此在对测斜管进行安装前，对各段测斜管进行编号，根据编号依次将各段测斜管进行连接。

连接的方法是采用边向孔内插入边连接的方法。首先将第一根测斜管在没有外接头的一端套上底盖，用三只ф4mm×10mm自攻螺钉拧紧封口，封口是为防缝隙漏浆，可用土工布裹扎。然后插入监测孔中慢慢向下放。放完一段，再向刚放入的测斜管的管接头内插入下一节测斜管。需要注意的是，一定要插到管子端面相接为止，按此方法一直连接到预设长度。当监测孔较深，测斜管重量较大时，可用尼龙绳吊住测斜管往下放。若监测孔内有水测斜管向上浮，导致测斜管放不下去时，应向测斜管内注入清水，边下放边注水；或用钻机辅助下放。

当测斜管长度安装到位后，需要调正凹槽的方向，先把最后一节测斜管上的接头取下，看清管内凹槽方向，把管子向上提起少许，转动测斜管，使测斜管内的一对凹槽垂直于测量面。

在上述各实施例的基础上，本实施例中通过所述钢丝骨架注浆软管对所述监测孔底部的应力监测设备进行注浆锚固的步骤包括：将所述钢丝骨架注浆软管与所述测斜管同时下放，插至所述监测孔的孔底；使用地面注浆泵通过所述注浆管将砂浆由所述监测孔的孔底注入；其中，注入砂浆的压力范围为0.3到0.6mpa。

具体地，在对应力监测设备注浆锚固时，采用的材料为水泥浆或水泥砂浆。要求注浆充实，不能有太多气泡。如有条件采用排气注浆法施工，即将注浆管插至孔底，砂浆由孔底注入，自孔底开始向孔口方向注浆。若遇裂隙必须保证注浆长度。强度等级不得小于10，宁稀不稠。监测孔注浆采用注浆机，注浆压力保持在0.3至0.6兆帕。

在上述各实施例的基础上，本实施例中在所述测斜管内下放安装多个固定测斜仪，并在所述测斜管内的底部区域安装渗压计的步骤包括：将所述多个固定测斜仪使用连接杆连接后安装；将所述渗压计安装在所述测斜管内倒数第二个测斜仪中部的高度。

具体地，将渗压计布置在倒数第二个测斜仪中部的高度。渗压计与测斜仪同时安装。把渗压计放置在测斜管内部底端，通过测量渗压计的压力，再转化为水头高程，结合安装深度以及孔口高程即可得到监测孔内地下水高程。测量精度取决于渗压计的精度，误差小于10mm。

测斜仪用连接杆连接并安装，如图3所示。串联式固定测斜仪的工作原理是测量测斜管轴线与铅垂线之间的夹角变化，从而计算被测结构在不同深度的水平位移。长期监测过程中，若串联式固定测斜仪从初始位置偏移至新的位置，则可以通过初始测量角度与当前实时测量角度自动计算出内部位移大小。

在上述各实施例的基础上，本实施例中通过所述钢丝骨架注浆软管对所述监测孔底部的应力监测设备进行注浆锚固的步骤之后还包括：在所述监测孔的孔壁和测斜管之间应用中砂或粗砂进行回填；其中，回填的速度小于预设速度；回填满后盖上所述测斜管的管盖，并固定所述固定测斜仪和渗压计，以及所述应力监测设备、固定测斜仪和渗压计的数据线缆；隔预设时长后，若所述监测孔的孔壁和测斜管之间的回填料下沉和/或空隙压缩，则对所述监测孔的孔壁和测斜管之间进行再次回填。

具体地，在进行回填时，不断向测斜管内注入清水，注满并保持满管清水，以防回填时浆液渗入测斜管内。回填的原料视监测孔确定。岩石监测孔用水泥沙浆、纯水泥浆或中粗砂回填。土中监测孔可用中粗砂或原状土或膨胀泥球等回填。回填速度不能太快，以免塞孔后回填料下不去形成空隙。填满后盖上管盖，用自攻螺丝上紧。一天后再去检查，回填料若有下沉再补充填满。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。