[发明专利]煤矿深立井井壁安全监测装置及其监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿监测技术，尤其是一种煤矿深立井井壁安全监测装置及其监测方法。

背景技术

在我国煤炭开发建设过程中，开采深度超过400m的煤层多采用立井开拓，如中东部深厚表土煤矿立井比例达到98%以上，而西部煤矿立井比例也达到80%以上。无论是中东部深厚表土底层还是西部巨厚软岩地层立井施工，冻结法凿井是目前首选方案，但是经过几十年的使用，采用冻结法施工的立井井壁结构大多出现井壁开裂、压碎等破坏，严重影响煤矿生产与安全，自2000年以来仅华东地区就有70多对矿井先后出现井壁破坏，仅维修费用一项就达近10亿元人民币，而耽误生产带来的损失更大。

采用冻结法施工的立井井壁结构，井壁除承受各种不同地层的岩（土）压力外，还要承受温差应力、施工附加应力（例如，冻结应力、融沉应力等）、井筒泄漏水引起地层沉降而产生的负摩擦力、井壁与围岩（土）变形不协调而产生的约束力等，受力状态和加载和过程都非常复杂。由于设计安全系数偏大，这类井壁结构在施工期间一般不会发生破坏，而在使用一段时间后（3-5年左右）相继出现破坏，从力学机理上分析，这类破坏如果能提前获知，可尽早采取措施，防止井壁破坏，因此，采用合理的安全监测方案对井壁使用过程中的关键参量进行监测显得尤为重要。

从目前的研究文献看，煤矿立井安全监测方案多为受力及位移变化测试，但均为施工期间安全监测，未见有效的长期监测方案。而传统测试手段在煤矿立井使用期间进行监测，存在线路信号不易传输、线路已发生破坏等问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种煤矿深立井井壁安全监测装置及其监测方法，该监测装置构造简单，操作方便，采用该监测方法能实现长期连续监测。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种煤矿深立井井壁安全监测装置，包括井壁内力监测装置、井壁竖向位移监测装置和计算机处理系统，所述井壁内力监测装置包括在深立井同一安装层的井壁的内壁中水平均布的若干内力测试传感器，每一安装层的内力测试传感器的数据由数据采集线经采集总线传输至地面计算机处理系统中；

所述井壁竖向位移监测装置包括在深立井中沿井壁竖向安装的竖向位移传感器，竖向位移传感器的数据由数据采集线经采集总线传输至地面计算机处理系统中；

所述竖向位移传感器包括分别上、下固定安装于井壁的内壁中的铰支座和滑动支座，铰支座和滑动支座分别与电位器的可动电刷相连，铰支座的外部的末端固定设置有一竖直向下的杆，杆的下端为中空结构，滑动支座外部末端固定设置有一竖直向上的芯柱，芯柱上半部分伸入到杆的下端的中空结构中，且芯柱与杆的中空结构内壁之间有间隙，芯柱在杆的中空结构中能够上下自由移动。当井壁竖向位移发生变化时，铰支座和滑动支座发生相对位移，表现为杆下部与芯柱的相对滑动，导致可动电刷移动，引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向，通过电位器元件将杆下部与芯柱的相对滑动转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出，从而监测井壁的竖向位移的变化。

所述深立井中有多个安装层。设置多个安装层，能够使测量结果更加准确，深立井横向局部改变，也能有效监测到，整体起到更加安全监测目的。

每一层安装层的井壁内壁中分别对称布置四个内力测试传感器。内力测试传感器采用对称布置，是为了测量结果准确，增加整体监测效果。

所述内力测试传感器安装于井壁内壁的孔中，并用环氧树脂胶将内力测试传感器与孔壁紧密连接在一起，实现应变片与混凝土内壁的协同变形，从而掌握内壁的应力状态。

所述内力测试传感器包括一圆柱形内筒，内筒外圆周上靠近两端处分别设置有应变片，监测井壁内壁不同位置处的内力变化。使用时通过应变片记录孔壁混凝土的应变值，并利用混凝土的室内试验测试混凝土的弹性模量，进而计算井壁的内力变化。

所述内力测试传感器包括上内力测试传感器和下内力测试传感器。

所述杆为刚性杆，该杆在自重应力作用下变形微小，可以忽略不计，通过刚性杆与芯柱的相对位移变化监测井壁的竖向位移变化，对于测量数据更加准确，有利于监测的实施。

所述铰支座和滑动支座均垂直安装于井壁的内壁中。

一种利用煤矿深立井井壁安全监测装置的监测方法，包括以下步骤：