煤矿采空区覆岩移动分布式光纤测量导头及监测方法与流程

1.本技术涉及煤矿技术与光纤传感技术领域，特别指地下煤层开采过程中，采空区覆岩变形和离层的实时监测方法。


背景技术：

2.煤炭作为我国重要能源，对于国民经济的发展起着重要的作用。随着煤炭的开采深度和开采强度不断增大，开采条件更加复杂，煤层开采工况增多，引发的安全问题也随之增多。因此，研究煤层覆岩变形特征和地表沉陷特征，对于煤炭资源安全开采和采空区土地资源有效利用方面具有重要的现实意义和巨大的社会经济效益。
3.地下煤层的开采导致覆岩岩体的应力将发生改变，当其内部拉应力超过岩层的极限抗拉强度时，岩层将出现断裂、滑移和离层等现象。大量的研究成果和工程经验证明，地下煤层开采引起的覆岩变形和离层问题将会影响地面稳定。因此，准确地测量覆岩变形和离层位置，及时掌握采矿区离层形变与时间的演化规律，逐渐成为保障煤矿开采安全的技术关键。
4.目前，常见的覆岩变形测试技术有钻孔冲洗液法、钻孔声速法、超声成像法、钻孔成像法、ct探测等现场实测技术。但是，根据不同地质和水文地质条件及采矿条件的差异，不同的探测方式各有优劣。随着光纤传感技术广泛地应用于众多领域，光纤传感技术结构简单，具有抗电磁干扰，抗腐蚀性，精度高，能够应用在复杂恶劣环境中对结构体进行变形监测的优点逐渐凸显出来。
5.将光纤传感技术应用于覆岩变形监测工作，得到采空区上覆岩层的竖向变形规律及上覆岩层“三带”发育特征，并获取离层大小和深度与煤层开采的时空变化规律，对制定注浆方案的优化以及采矿区稳定性预测具有重要意义。


技术实现要素：

6.本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
7.为了准确地测量覆岩变形和离层位置，及时掌握采矿区离层形变与时间的演化规律，同时获得实时全孔视频图像，本技术的一方面实施例提出一种煤矿采空区覆岩移动分布式光纤测量导头，包括：导头结构和推送结构。
8.所述导头结构包括保护罩、机壳和摄像头，摄像头设于保护罩内部，摄像头连接于机壳下方，摄像头自带有用于调节摄像头清晰度的光圈，保护罩可拆卸连接于机壳下方。
9.所述推送结构可拆卸连接于机壳上端，推送结构上连接光缆和承重钢丝绳。
10.在一些实施例中，所述机壳内置有存储防雾剂的第一仓室和存储清洁剂的第二仓室，第一仓室外侧连接去雾喷头，第二仓室外侧连接清污喷头，去雾喷头和清污喷头贴合保护罩设置且喷头指向于保护罩下端的方向。
11.在一些实施例中，所述去雾喷头与清污喷头分别位于保护罩两侧。
12.在一些实施例中，所述推送结构包括推送柱、套筒和定位堵头，所述定位堵头固定
于推送柱上端，定位堵头的下部围绕推送柱外侧固设有一圈上螺纹部，套筒上端通过上螺纹部旋合连接于定位堵头，套筒下端紧密顶住机壳上端，推送柱位于套筒内侧。
13.在一些实施例中，所述机壳上端固定有下螺纹部，推送柱下端旋合连接于下螺纹部。
14.在一些实施例中，所述定位堵头上开设有用于贯穿承重钢丝绳的上穿线孔，推送柱上开设有用于贯穿光缆的下穿线孔，套筒上开设有与下穿线孔位置相应的用于贯穿光缆的通孔。
15.根据本技术第二方面实施例的一种煤矿采空区覆岩移动分布式光纤监测方法，利用上述的煤矿采空区覆岩移动分布式光纤测量导头，包括如下步骤：
16.s1，将光纤插入到红光笔的接头上，检查光纤是否联通，如若联通，可正常使用；
17.s2，施工前，将由光纤组成的光缆穿过导头，形成u形回路，并将光缆与导头的衔接处固定，将光缆的两端分别绕在两台卷扬机上，将承重钢丝绳的一端固定于定位堵头的上穿线孔上，承重钢丝绳的另一端缠绕在第三台卷扬机上；
18.s3，光缆下放：通过下放导头将光缆带入到钻孔深处；
19.s4，光缆固定和初步检测：待光缆下放到钻孔底部后，将承重钢丝绳和光缆的位置固定，固定后对光缆进行初步检测；
20.s5，钻孔回填：光缆固定和初步测试完成后，立即回填钻孔；
21.s6，光缆最终固定：在钻孔回填完毕后，在孔口位置建立支撑横杆，取下缠绕在卷扬机上的光缆，将光缆缠绕固定在支撑横杆上；
22.s7，钻孔回填后一周时间，孔口的光缆的两端接上跳线，接入到光纤测试仪，进行监测；
23.s8，监测站砌筑：在孔口浇筑井口保护台；
24.s9，分析数据：对地下煤层开采引起的覆岩变形监测结果进行分析。
25.在一些实施例中，所述步骤s2中，用抱箍将光缆固定在导头上。
26.在一些实施例中，所述步骤s5中，回填采用矿渣水泥注浆的方法。
27.在一些实施例中，所述步骤s8中，保护台为混凝土墩台，混凝土墩台上部固定有用于将冗余光缆盘绕在内的防护罩。
28.本技术实施例的导向前进型煤矿采空区覆岩移动分布式光纤测量导头，安装有清污喷头以及去雾喷头，清污喷头使得摄像头保护罩在出现脏污时可达到实时清洗的目的，去雾喷头可当摄像头保护罩起雾时喷出防雾剂以消除雾气。摄像头使用4d超高清全智能孔内电视成像仪，其稳定性好，图像清晰真实，测速快。测试过程中自动实现探头提升和下降，观测孔内的结构图，如破碎带的位置、厚度，各种裂隙的厚度、走向等，获得全孔视频图像的实时展开与拼接结果，完成编录地质柱状图。
29.本技术实施例的监测方法，将光纤传感技术应用于覆岩变形监测工作，不仅可满足成像功能，还可以准确地测量覆岩变形和离层位置，及时掌握采矿区离层形变与时间的演化规律，掌握覆岩动态演化过程。考虑了更多工程实际因素，更好保障达到监测要求。
30.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
31.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
32.图1为本技术实施例所提供的一种煤矿采空区覆岩移动分布式光纤测量导头的结构示意图；
33.图2为本技术实施例所提供的一种煤矿采空区覆岩移动分布式光纤监测方法的示意图；
34.附图标记：
35.1-上穿线孔；2-上螺纹部；3-推送柱；4-下穿线孔；5-下螺纹部；6-机壳；7-清污喷头；8-摄像头；9-定位堵头；10-套筒；11-通孔；12-去雾喷头；13-保护罩；14-卷扬机；15-光纤测试仪；16-承重钢丝绳；17-光缆；18-钻孔。
具体实施方式
36.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
37.为了准确地测量覆岩变形和离层位置，及时掌握采矿区离层形变与时间的演化规律，同时获得实时全孔视频图像，通过分布式光纤传感技术实现上覆岩层全方位实时监控，准确反映覆岩不同岩层中的形变程度，弥补传统监测方法的不足，发明了一种导向前进型煤矿采空区覆岩移动分布式光纤测量导头及监测方法。
38.下面参考附图1-2描述本技术实施例的煤矿采空区覆岩移动分布式光纤测量导头及监测方法。
39.如图1所示，本技术的一方面实施例提出一种煤矿采空区覆岩移动分布式光纤测量导头，包括：导头结构和推送结构。
40.所述导头结构包括保护罩13、机壳6和摄像头8，摄像头8设于保护罩13内部，摄像头8连接于机壳6下方，摄像头8自带有用于调节摄像头8清晰度的光圈，保护罩13可拆卸连接于机壳6下方，连接方式可以为螺纹连接。
41.由于重力作用，导头下放过程中会紧贴孔壁，保护罩13的设置可有效缓冲导头与岩体冲击碰撞，保护摄像头8正常工作。
42.保护罩13采用高强度低密度透明的航空玻璃材料制成，航空玻璃不但具有优异的光学性能、热塑和加工性能、抗老化性，而且具有比重小、高力学强度、抗冲击性能突出等特点。此外材质光滑，在前移过程中附于保护罩13上的煤岩屑都可以顺着该锥形玻璃保护罩13滑落下去。
43.所述推送结构可拆卸连接于机壳6上端，推送结构上连接光缆17和承重钢丝绳16。
44.在一些实施例中，所述机壳6内置有存储防雾剂的第一仓室和存储清洁剂的第二仓室，第一仓室外侧连接去雾喷头12，第二仓室外侧连接清污喷头7，去雾喷头12和清污喷头7贴合保护罩13设置且喷头指向于保护罩13下端的方向。去雾喷头12为自动去雾喷头，清污喷头7为自动清污喷头，并配备和连接相应的传感器。钻孔18孔壁周围存在岩屑或流水，这样易造成保护壳沾满岩屑或水，导致摄像头成像模糊甚至无法得到探测结果，通过清污喷头7的设置，实现实时清洗目的。随着导头下放距离变化，温度会发生变化，引起摄像头8
起雾，去雾喷头12喷出防雾剂以消除雾气。对于去雾喷头12的自动去雾功能以及清污喷头7的自动清污功能具体如何实现均为现有技术，在本案中不再赘述。
45.在一些实施例中，所述去雾喷头12与清污喷头7分别位于保护罩13两侧。
46.在一些实施例中，所述推送结构包括推送柱3、套筒10和定位堵头9，所述定位堵头9固定于推送柱3上端，定位堵头9的下部围绕推送柱3外侧固设有一圈上螺纹部2，套筒10上端通过上螺纹部2旋合连接于定位堵头9，套筒10下端紧密顶住机壳6上端，推送柱3位于套筒10内侧。套筒10环绕于推送柱3外侧，以起到保护内部结构与支撑作用。
47.定位堵头9内置位置传感器，准确记录所在位置深度，以对岩芯柱状实物图绘制提供位置参数。
48.在一些实施例中，所述机壳6上端固定有下螺纹部5，推送柱3下端旋合连接于下螺纹部5。
49.在一些实施例中，所述定位堵头9上开设有用于贯穿承重钢丝绳16的上穿线孔1，推送柱3上开设有用于贯穿光缆17的下穿线孔4，套筒10上开设有与下穿线孔4位置相应的用于贯穿光缆17的通孔11。光缆17和承重钢丝绳16通过穿线孔与卷扬机14相连接，控制导头升降。穿线孔与套筒10的设置可将光缆置于导头内部，从而有效避免光缆17在下放过程中挂壁，折断现象。
50.保护罩13，摄像头8，光圈，推送柱3，定位堵头9，套筒10的中心位于同一铅垂线上。
51.摄像头使用4d超高清全智能孔内电视成像仪，其稳定性好，图像清晰真实，测速快。采用先进的图像采集与处理技术，且摄像头可以360
°
全孔观测，可实现倾斜观测定量。测试过程中自动实现探头提升和下降，观测孔内的结构图，如破碎带的位置、厚度，各种裂隙的厚度、走向等，获得全孔视频图像的实时展开与拼接结果，完成编录地质柱状图。
52.摄像头8采用先进的图像采集与处理技术，系统集成度高，内存大。摄像头8可以360
°
全孔观测(垂直孔\水平孔\斜孔\俯、仰角孔)。解决了以前的窥视仪在水平孔和斜孔中对有关地质参数观测定量难的这一技术难题。
53.如图2所示，根据本技术第二方面实施例的一种煤矿采空区覆岩移动分布式光纤监测方法，利用上述的煤矿采空区覆岩移动分布式光纤测量导头。
54.施工前，提前串联好光缆，检查光路是否联通、是否可以采集数据。然后将光缆17和承重钢丝绳16通过穿线孔连接到导头上，启动卷扬机14，将导头下放至钻孔18内目标深度。孔口的光缆17的引线两端接上跳线，接入到光纤测试仪15，进行监测。
55.具体包括如下步骤：
56.s1，将光纤插入到红光笔的接头上，检查光纤是否联通，是否可以采集数据，若是光纤另一端没有出现红光泄露，则表示此光纤完好，可以进行下一步工作。
57.s2，施工前，将由光纤组成的光缆17穿过导头，并且熔接组成u形回路，并将光缆17与导头的衔接处固定，将光缆17的两端分别绕在两台卷扬机14上，将承重钢丝绳16的一端固定于定位堵头9的上穿线孔1上，承重钢丝绳16的另一端缠绕在第三台卷扬机14上，置放在钻机钻塔正对面。
58.卷扬机14实现下放速度快慢可控可调。速度可以自由设定，改变了以前人工操作，下放速度不均匀，造成图像时好时坏的现象。
59.s3，光缆下放：通过下放导头将光缆17带入到钻孔18深处。下放时，只能让承重钢
丝绳16受力，一边下放一边用扎带将光缆17与承重钢丝绳16扎紧，每隔3m绑一个扎带。
60.s4，光缆固定和初步检测：待光缆17下放到钻孔18底部后，将承重钢丝绳16和光缆17的位置固定，拉紧光缆，使得孔口光缆的引线部分处于绷直状态。固定后使用红光笔和解调仪对光缆进行初步检测，红光笔检测回路是否联通，解调仪检测光缆下放后的初始应变值用以判断光缆拉伸情况。
61.s5，钻孔回填：光缆固定和初步测试完成后，立即回填钻孔18。
62.s6，光缆最终固定：在钻孔18回填完毕后，在孔口位置建立支撑横杆，取下缠绕在卷扬机14上的光缆17，将光缆17缠绕固定在支撑横杆上。光缆绷紧，避免在封孔材料固结过程中，光缆发生回缩，影响光纤后续测试。
63.s7，钻孔18回填后一周时间，孔口的光缆17的两端接上跳线，接入到光纤测试仪15，进行监测。
64.s8，监测站砌筑：在孔口浇筑井口保护台。沿孔口开挖深度300mm，直径500mm的圆柱形槽，浇筑高度600mm，直径500mm的混凝土墩台，地面以下光缆浇筑于混凝土中固定。
65.s9，分析数据：对地下煤层开采引起的覆岩变形监测结果进行分析。获取上部岩层应力、应变演化特征，判断三带高度和确定离层衍生位置，掌握覆岩动态演化过程。
66.对光缆采用不同调制解调技术，可以实现对应变、温度、以及震动等多变量感测，从压力、温度、震动、变形等多角度进行监测。
67.在一些实施例中，所述步骤s2中，用抱箍将光缆固定在导头上。
68.在一些实施例中，所述步骤s5中，回填采用矿渣水泥注浆的方法。拟采用pr42.5矿渣水泥，采用水灰比为0.6：1，0.8：1，1：1，2：1四个级别。
69.在一些实施例中，所述步骤s8中，保护台为混凝土墩台，混凝土墩台上部固定直径400mm，高度300mm圆柱形防护罩，冗余光缆盘绕于防护罩中，防止光缆因浅表回填岩土体压缩固结而产生压缩异常变形。
70.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
71.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
72.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
73.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
74.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
75.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。