[发明专利]深部采空区光纤施工引导装置、工艺及全地层监测方法

权利要求书

1.深部采空区光纤施工引导装置，其特征在于：包括引导柱、移动式牵引扣、自张式防脱机构，移动式牵引扣与引导柱的上部同轴连接，在所述引导柱的上部外侧壁上自上而下设置有助推结构，在引导柱的下部外侧壁上自上而下间隔安装有若干个所述自张式防脱机构；所述移动式牵引扣的上部用于在使用时连接钢丝绳及光纤；

所述自张式防脱机构收纳状态下的外径小于引导柱的外径、张开状态下的外径大于引导柱的外径且在张开状态下实现防脱定位；

所述引导柱的底端部设置呈椭圆形端头；

所述自张式防脱机构包括若干个分别安装在对应位置处的引导柱外侧壁上的安装收纳腔内的自张防脱件，各安装收纳腔分别沿引导柱的圆周均匀分布，各所述自张防脱件分别沿引导柱的圆周均匀间隔分布；

所述助推结构包括若干个自上而下间隔紧固套接设置在引导柱上部外侧壁上的金属圆环、在各所述金属圆环之间的所述引导柱的外侧壁上分别安装有一胶塞，所述胶塞的上下两端分别与对应的金属圆环端部抵紧，胶塞底部的引导柱设置成粗径段、其余部位的引导柱设置成细径段；所述粗径段的外径大于收纳状态下的自张式防脱机构的外径，所述粗径段的外径小于张开状态下的自张式防脱机构的外径。

2.根据权利要求1所述的深部采空区光纤施工引导装置，其特征在于：所述自张防脱件包括一防脱倒刺，所述防脱倒刺的底部活动铰接安装在对应的安装收纳腔内，所述防脱倒刺的中部通过弹簧与所述引导柱连接，所述防脱倒刺的上部设置楔形倒刺结构。

3.利用引导装置实现超深近水平定向光纤引导安装的工艺方法，其特征在于：所述引导装置为如权利要求2中所述的引导装置，所述利用引导装置实现超深近水平定向光纤引导安装的工艺方法的具体步骤包括：

S1：前期准备：

成孔，根据监测方案与目的施工超深近水平定向钻孔，所述钻孔轨迹、钻孔直径根据设计与实际需监测的目标层位确定，钻孔结构分为二开或三开结构；

定向钻孔成孔后，灌注水泥浆液固孔，其中，浆液为与灌注层位等强度的水泥基浆液；

固孔完成待浆液凝固后进行扫孔；

为防止光纤安装期间钻孔塌孔，钻孔内灌满具有润滑功能的护壁泥浆；

S2：向超深近水平定向钻孔形成的超深近水平内下放专用光纤通道管柱；

下专用光纤通道管柱时待泥浆置换完毕，全孔下入光纤专用光纤通道管柱；

下管过程开泥浆泵，让润滑护壁泥浆不断循环；

S3：引导柱安装、光纤和引导柱连接、专用光纤通道管柱上部装置安装；

S4：钢丝绳和光纤绑扎并在引导柱的引导作用下进行压力下放输送光纤；

S4中下放输送光纤的具体操作步骤如下：

将钢丝绳、光纤与引导柱前端连接环相连，钢丝绳与光纤分别穿过滑轮导入孔口；

钢丝绳所连滑轮为主滑轮即承力滑轮，高度低于光纤所连滑轮；

主滑轮上方连接拉力器，实时观测下放过程中钢丝绳拉力；

光纤下入1-4根，根据功能和需求确定；

钢丝绳直径除满足承力外，不宜过粗、过重，需提前计算确定；

钢丝绳、光纤穿过盖板及密封圈与孔口器相连，盖板及密封圈预先打若干小孔，密封圈位于盖板和孔口器之间，用螺栓连接，经压缩后将光纤孔与钢丝绳孔挤密，防止高压液体喷出；

将引导柱带着光纤及钢丝绳，缓慢下入钻孔，垂直段尽可能自重下放，自重无法下放时，开泵孔内循环压入护壁泥浆，水压推动引导柱前进，所需泥浆量，应提前做好地面试验及进行相关理论计算；下放过程中严格控制钢丝绳受力在其抗拉强度范围内；

下放过程每前进20m-30m暂停一次，打开孔口密封装置，将密封胶垫下方钢丝绳、光纤固定在一起，再装好孔口密封装置，如此往复循环，直至距孔底10-20m，此时加大泵送泥浆量，增大压力推动引导柱冲出专用光纤通道管柱；

引导柱冲出专用光纤通道管柱后，其自身倒刺弹开，卡入孔内，用力上拉钢丝绳并保证钢丝绳顺直后，反作用力使得倒刺紧卡在孔内；

S5：光纤下放到位确认、引导柱出套管确认；

S6：提出套管并同步封孔注浆；

在确认引导柱冲出专用光纤通道管柱进入孔底后，上拔专用光纤通道管柱：待确定光纤成功下入孔内，上拔专用光纤通道管柱，因倒刺反作用力，引导柱及光纤不会被连同专用光纤通道管柱一起拉出；

将专用光纤通道管柱从钻孔内拔出，并同步灌注耦合剂封孔；

提出套管时采用措施保障光纤安全，实时关注拉力计数值，避免上提套管时拉力过大造成光纤损坏；

注浆封孔，在专用光纤通道管柱上拔过程中，同步开展孔内注浆，边提专用光纤通道管柱边灌注耦合剂，确保耦合剂将光纤固定，在孔内与岩层紧密耦合；

封孔结束后，测试光纤是否完好，并测取背景值；

S7：竣工验收。

4.利用引导装置实现深部采空区岩层全地层变形监测的方法，其特征在于：所述引导装置为如权利要求2中所述的引导装置，所述利用引导装置实现深部采空区岩层全地层变形监测的方法的具体步骤包括：

T1：利用定向钻进技术在拟监测地层布设钻孔，使定向钻孔沿着煤层倾向方向排布，长度需穿越采空区到达煤柱内10m位移，根据地层厚度设置定向钻孔岩层位布设宽度；

T2：使不同深度的地层上均形成网状监测点；

T3：将光纤通过引导柱输送至钻孔底部，将光纤布设成网状结构，一边撤出专用光纤通道管柱一边注浆，使光纤固定在地层中；

T4：从下至上布设位移实时监测光纤，实现采空区覆岩内定向钻孔排布三维网状监测结构；

T5：根据定向钻孔的倾斜角度和光纤监测数据，换算岩层移动变化的竖向位移，根据不同地层层位的网面内光纤监测数据，建立实时采空区覆岩位移变化三维监测系统；

T6：根据实时监测系统内地层位移随时间变化情况，推断地表变形，即可对既有建筑物附近地表下沉情况进行预计，在遇见险情前，干预治理或人员撤离；又可对拟建建筑物场地稳定性进行评价，为后续地上工程建设提供科学依据。