一种采空塌陷区沉陷监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种采空区塌陷区沉陷监测系统及方法，属于矿区环境治理领域。从地面打监测孔洞直至采空区底板，在孔洞底部布置钢基座护筒，并通过环形凸起在结构胶或水泥砂浆作用下锚固于围岩；常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒和微速沉陷层护筒分别通过密封圈和滚珠与钢基座护筒层层相互嵌套，并通过环形凸起与所属层锚固；然后通过第一固定端和第一卷尺、第二固定端和第二卷尺、第三固定端和第三卷尺，借助地面滑轮和配重秤砣组合结构来读取各层的沉陷数值，实现对采空塌陷区的监测。本发明专利技术能实时、连续、小尺度地监测采空塌陷区的沉陷发展，对矿区环境治理提供有力支持。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种采空区塌陷区沉陷监测系统及方法，属于矿区环境治理领域。从地面打监测孔洞直至采空区底板，在孔洞底部布置钢基座护筒，并通过环形凸起在结构胶或水泥砂浆作用下锚固于围岩；常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒和微速沉陷层护筒分别通过密封圈和滚珠与钢基座护筒层层相互嵌套，并通过环形凸起与所属层锚固；然后通过第一固定端和第一卷尺、第二固定端和第二卷尺、第三固定端和第三卷尺，借助地面滑轮和配重秤砣组合结构来读取各层的沉陷数值，实现对采空塌陷区的监测。本专利技术能实时、连续、小尺度地监测采空塌陷区的沉陷发展，对矿区环境治理提供有力支持。【专利说明】
本专利技术涉及矿区环境治理领域，尤其是涉及一种采空区塌陷区沉陷监测系统及方法。
技术介绍
我国煤炭矿产资源十分丰富，在煤炭资源开发为社会经济发展做出巨大贡献的同时，对矿区环境也造成了非常重大的影响乃至破坏。特别是井工开采形成的采空塌陷区，是导致矿区环境问题的主要原因，严重危害着矿区人民生命财产安全，制约着地方社会经济的可持续发展，是矿区环境治理的主要内容。由于我国煤炭产量的95%来自井工开采，井工开采的采空区顶板冒落后会形成“三带”，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，冒落带和裂隙带又合称为冒落裂隙带，其变形在工作面回采后很快完成，一般情况下，软弱岩石形成的冒落裂隙带高度为采厚的9?12倍，中硬岩石为采厚的12?18倍，坚硬岩石为采厚的18?28倍。而弯曲下沉带为冒落裂隙带至地面的所有部分，其变形要历经相当长的一段时间，按其下沉速度相对不同又可分为三层，即常速沉陷层、慢速沉陷层和微速沉陷层。可见，采空塌陷区是通过弯曲下沉带来体现的，即通过对弯曲下沉带的监测可实现对采空塌陷区的监测。目前，关于采空塌陷区沉陷监测的方法主要有激光测量、水准测量、全站仪测量、GPS测量以及D-1nSAR测量等，所有这些监测方法，如吴立新专利技术的矿区沉陷车载式激光测量方法(申请号:CN201110026660.3)，其不足均在于:它仅能监测地表现已形成的沉陷情况，而无法实时、连续地对地层以下各层沉陷发展情况进行监测。另外，GPS (GlobalPositioning System)测量的不足还体现在其只能反映个别井下监测点的变形情况，而不能整体体现沉陷的变化；D_InSAR (Differential Interferometric SyntheticAperture Radar)测量虽整体反映了矿区的沉陷情况,但不能实时连续监测，且还需要国外技术支持。又如吴张中等专利技术的一种采空塌陷区土体水平变形监测系统(申请号:CN201010242650.9)，它主要是对地表土体在水平方向上的不同变形进行监测，从而得到变形对预埋油气管道的影响，其不足在于只是对表土层的局部层位进行沉陷监测。所以，要详细掌握采空塌陷区的沉陷规律，需要专利技术一种能够在采空塌陷区整体上进行实时连续监测的系统和方法。通过对采空塌陷区各层位的监测，得到详细的数据资料，进而研究采空塌陷区沉陷规律，可预测塌陷区沉陷情况，从而及时地对可能影响的地表构筑物进行保护，预防事故发生；并且可根据采空塌陷区的具体沉陷规律有针对性的采取对应措施，为矿区环境治理提供有力支持。
技术实现思路
针对目前在采空塌陷区监测方面存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种采空区塌陷区沉陷监测系统及方法，以实现对采空塌陷区各层位的实时、连续、小尺度(毫米级)地监测，得到详细的数据资料，进一步实现预测采空塌陷区沉陷情况、及时保护采空塌陷区可能影响的地表构筑物、有针对性地对采空塌陷区采取治理措施。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案:，系统由监测孔洞、钢基座护筒、环形凸起、防护片、密封圈、滚珠、常速沉陷层护筒、垫片、第一固定端、第一卷尺、慢速沉陷层护筒、第二固定端、第二卷尺、微速沉陷层护筒、第三固定端、第三卷尺、支撑钢杆、滑轮、小指针、配重秤砣、环形钢圈、圆锥顶盖组成；其中，所述监测孔洞位于煤矿采空区底板上，钢基座护筒位于监测孔洞底部；所述环形凸起分别焊接在钢基座护筒、常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒和微速沉陷层护筒上，并通过结构胶或水泥砂浆作用分别锚固于各自对应的层位中；所述钢基座护筒、常速沉陷层护筒和慢速沉陷层护筒顶部有防护片；所述常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒和微速沉陷层护筒通过密封圈和滚珠分别嵌套于钢基座护筒、常速沉陷层护筒和慢速沉陷层护筒中；所述常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒和微速沉陷层护筒底部设有垫片；所述第一固定端和第二固定端分别焊接在常速沉陷层护筒和慢速沉陷层护筒底部，第三固定端焊接在微速沉陷层护筒的中上部；第一卷尺、第二卷尺、第三卷尺一端分别固定在第一固定端、第二固定端和第三固定端上，另一端通过滑轮与配重秤砣连接；所述小指针固定于配重秤砣上面的滑轮旁边；所述微速沉陷层护筒顶端焊接支撑钢杆，在支撑钢杆顶部焊接环形钢圈，圆锥顶盖置于环形钢圈上。所述监测方法为:I)从地面打监测孔洞直至采空区底板，在监测孔洞底部布置钢基座护筒，并通过焊接于其上的环形凸起在结构胶或水泥砂浆作用下锚固在围岩中；2)常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒和微速沉陷层护筒分别通过密封圈和滚珠与钢基座护筒之间层层相互嵌套，并各自通过环形凸起与所属层锚固；3)分别通过第一固定端和第一卷尺、第二固定端和第二卷尺、第三固定端和第三卷尺，借助地面滑轮和配重秤砣组合结构实现实时、连续、小尺度(毫米级)地读取采空塌陷区中常速沉陷层、慢速沉陷层及微速沉陷层的沉陷数值，得到沉陷变化趋势图和不同时间间隔的沉陷量等监测资料。进一步，所述监测孔洞的直径要大于等于300mm;所述钢基座护筒的直径为200mm，高度为冒落带和裂隙带之和；所述常速沉陷层护筒的直径为195mm，慢速沉陷层护筒的直径为190_，微速沉陷层护筒的直径为185_，各护筒均由不锈钢材料制成。进一步，所述钢基座护筒、常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒及微速沉陷层护筒外侧焊接的环形凸起至少为3圈，以便通过结构胶或水泥砂浆作用增加护筒与周围各层的锚固力；所述钢基座护筒、常速沉陷层护筒、慢速沉陷层护筒及微速沉陷层护筒外侧除环形凸起之外与监测孔洞之间的空间填充细沙或浙青，用以防止局部变形折断；所述密封圈为橡胶密封圈，起护筒密封作用，滚珠是直径为2.5mm的不锈钢珠，以便各护筒之间的相对滑动；所述防护片焊接于各护筒顶部内缘，用以防止周边杂物对密封圈产生的磨损破坏；所述垫片焊接于各护筒底部外缘，防止滚珠意外滑脱。进一步，所述第一固定端为常速沉陷层固定端、第二固定端为慢速沉陷层固定端，分别焊接在常速沉陷层护筒和慢速沉陷层护筒底部，且要求第一固定端至慢速沉陷层护筒、第二固定端至微速沉陷层护筒底部垫片的距离要分别大于慢速沉陷层和微速沉陷层的沉陷长度；所述第三固定端为微速沉陷层固定端，焊接在微速沉陷层护筒中上部，可节约一定的材料。进一步，常速沉陷层护筒初始布置于钢基座护筒顶部，两护筒的重叠区能安放一定滚珠即可；所述慢速沉陷层护筒初始布置时要伸入常速沉陷层护筒一定距离，该延伸长度要大于常速沉陷层护筒和慢速沉陷层护筒因沉陷速度不同所产生的相对滑移距离；所述微速沉陷层护筒初始布置时要伸入慢速沉陷层护筒一定距离，该延伸长度要大于慢速沉陷层护筒和微速沉陷层护筒因沉陷速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采空塌陷区沉陷监测系统及方法，其特征在于，该系统由监测孔洞（1）、钢基座护筒（2）、环形凸起（3）、防护片（4）、密封圈（5）、滚珠（6）、常速沉陷层护筒（7）、垫片（8）、第一固定端（9）、第一卷尺（10）、慢速沉陷层护筒（11）、第二固定端（12）、第二卷尺（13）、微速沉陷层护筒（14）、第三固定端（15）、第三卷尺（16）、支撑钢杆（17）、滑轮（18）、小指针（19）、配重秤砣（20）、环形钢圈（21）、圆锥顶盖（22）组成。所述监测孔洞（1）位于煤矿采空区底板上，钢基座护筒（2）位于监测孔洞（1）底部；所述环形凸起（3）分别焊接在钢基座护筒（2）、常速沉陷层护筒（7）、慢速沉陷层护筒（11）和微速沉陷层护筒（14）上，并通过结构胶或水泥砂浆作用分别锚固于各自对应的层位中；所述钢基座护筒（2）、常速沉陷层护筒（7）和慢速沉陷层护筒（11）顶部有防护片（4）；所述常速沉陷层护筒（7）、慢速沉陷层护筒（11）和微速沉陷层护筒（14）通过密封圈（5）和滚珠（6）分别嵌套于钢基座护筒（2）、常速沉陷层护筒（7）和慢速沉陷层护筒（11）中；所述常速沉陷层护筒（7）、慢速沉陷层护筒（11）和微速沉陷层护筒（14）底部设有垫片（8）；所述第一固定端（9）和第二固定端（12）分别焊接在常速沉陷层护筒（7）和慢速沉陷层护筒（11）底部，第三固定端（15）焊接在微速沉陷层护筒（14）的中上部；所述第一卷尺（10）、第二卷尺（13）、第三卷尺（16）一端分别固定在第一固定端（9）、第二固定端（12）和第三固定端（15）上，另一端通过滑轮（18）与配重秤砣（20）连接；所述小指针（19）固定于配重秤砣（20）上面的滑轮（18）旁边；所述微速沉陷层护筒（14）顶端焊接支撑钢杆（17），在支撑钢杆（17）顶部焊接环形钢圈（21），圆锥顶盖（22）置于环形钢圈（21）上。所述监测方法为：1）从地面打监测孔洞（1）直至采空区底板，在监测孔洞（1）底部布置钢基座护筒（2），并通过焊接于其上的环形凸起（3）在结构胶或水泥砂浆作用下锚固在围岩中；2）常速沉陷层护筒（7）、慢速沉陷层护筒（11）和微速沉陷层护筒（14）分别通过密封圈（5）和滚珠（6）与钢基座护筒（2）之间层层相互嵌套，并各自通过环形凸起（3）与所属层锚固；3）分别通过第一固定端（9）和第一卷尺（10）、第二固定端（12）和第二卷尺（13）、第三固定端（15）和第三卷尺（16），借助地面滑轮（18）和配重秤砣（20）组合结构实现实时、连续、小尺度（毫米级）地读取采空塌陷区中常速沉陷层、慢速沉陷层及微速沉陷层的沉陷数值，得到沉陷变化趋势图和不同时间间隔的沉陷量等监测资料。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李重情，刘泽功，刘健，盛恒，郭忠凯，王祥春，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：