CN107389008A - 一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备及方法，所述设备包括设于孔底端的短钢管和孔上部的套筒，至少两个锚杆插设在孔中，锚杆一端固接有锚头，其另一端通过测线连接计算机，测线上安装直线位移传感器，锚头上安装双轴倾角传感器，其通过电缆连接计算机，在电缆上安装A/D转换器。采用该项技术方案对地下岩层进行监测，可以对地下横向与纵向位移进行测量，解决了现场监测岩层移动这一难题，可以根据关键岩层所在的位置，合理的调整锚头的位置和数量，数据记录及存储均由计算机进行监控，减少现场人员的工作量。整个技术方案其装备及方法简单，横向、纵向岩层位移量均可测出，而且测量精度高，可以极大促进对现场地下岩层移动监测的使用。
Description
技术领域：
本发明涉及采空区位移监测技术领域，具体涉及一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备及方法。
背景技术：
在现场进行施工作业，对地下岩层移动进行监测是十分重要的一部分。具有采空区及其复杂的工程地质条件的高速公路或其他建筑物，地下岩层受到重力及运动荷载的影响会发生塌落，由于各层位的岩石性质不同，所以在岩石塌落过程中每个岩层的下沉量是不同的，在此过程中岩石间的挤压还有可能产生横向位移。通过对这些变形量的观测，可以了解地下岩层的横纵向位移情况。
对于现场对地下岩层的监测，岩层的移动发生在地表以下，以往的观测方法无法直接获得岩层移动参数。通过查阅有关资料，目前也没有实际可行的方法解决这一问题，因此需要找到一种切实可行的方法对地表下岩层移动情况进行观测。
因此，需要研究一种更适用的用于现场的监测设备及方法，以解决上技术问题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备及方法，可以对现场地下岩层横纵向位移进行监测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，用于测量不同深度的岩层的位移，其安装于进行监测的采空区处挖设的孔中，包括：安装于所述孔底部的短钢管，所述短钢管内壁设置有凸台，所述凸台上嵌装有填充块，以将所述短钢管的底端封堵，所述填充块内部为空心结构，所述填充块与所述凸台相接触的位置上开设有与所述填充块内部相连通的溢流孔，所述填充块朝向所述孔开口的端面上开设有第一通孔，所述第一通孔与所述填充块内部相连通，所述孔底部岩层渗出的水通过所述溢流孔进入所述空心结构中，所述孔的上部安装有套筒，在所述孔中至少插设有两个锚杆，所述锚杆长度不同，所述锚杆的一端固定于所述孔的上方，其另一端贯穿所述套筒插设于所述孔中，所述锚杆位于所述孔上方的一端端部通过测线外接于计算机，且在所述测线上设置有直线位移传感器，所述锚杆插设于所述孔中的一端端部固设有锚头，在锚头上设置有双轴倾角传感器，所述双轴倾角传感器通过电缆外接于计算机，所述电缆上设置有A/D转换器，所述孔中还插设有注浆管，所述注浆管的一端贯穿所述套筒插设于所述孔中，且其端部靠近所述填充块朝向所述孔开口的端面。
所述锚杆外套设有锚杆护管，所述锚杆护管靠近所述锚头的一端端部设置有橡胶塞。
所述孔内还设置有分配盘，所述分配盘上开设有多个第二通孔，所述分配盘通过所述第二通孔套设于所述锚杆护管上，以将所述锚杆分隔开。
所述孔上方固定设置有滑轮组，所述电缆和测线均通过滑轮组与计算机相连。
所述注浆管的端部距离所述填充块朝向所述孔开口的端面3～5cm。
所述填充块为圆锥体结构，且其内部为空心，所述圆锥体的尖端嵌装在所述凸台上，所述凸台截面为三角形，其第一侧面与所述孔内壁相贴合，第二侧面与圆锥体的锥面相贴合，以封堵所述短钢管的底端，且所述第二侧面与所述圆锥体锥面相平行，所述圆锥体与所述第二侧面相接触的位置上开设溢流口，所述孔底部岩层渗出的水通过所述溢流孔进入所述空心中，所述圆锥体朝向所述孔开口的端面上开设有第一通孔，所述第一通孔与所述填充块内部相连通。
所述锚头的尖端设置有螺纹，在靠近所述螺纹的锚头上设置有倒刺，所述锚杆的直径为10～20mm，所述锚头的直径为20～30mm。
所述锚头靠近锚杆的一端锚固有连接板，在所述连接板上固接有所述双轴倾角传感器。
所述锚杆护管的内部涂抹有润滑剂，以减少锚杆与锚杆护管之间的摩擦。
采用上述设备来监测采空区覆岩空间位移的方法，具体步骤如下：
步骤一：在待测区进行钻孔，在孔的上部安装套筒，并将钻好的孔进行清理；
步骤二：将短钢管安装在所述孔的底部，将填充块嵌装在所述短钢管内的凸台上，对所述短钢管的底端进行封堵；
步骤三：将设置有双轴倾角传感器的锚头固接至锚杆一端，其另一端连接有测线，测线上设置有直线位移传感器，将所述双轴倾角传感器连接电缆，电缆上安装有A/D转换器，将所述电缆和测线均连接于计算机；
步骤四：将至少两根长度不同的锚杆的锚头端插设在所述孔中，将注浆管也插设于所述孔中，且其端部位于所述锚杆端部的下方；
步骤五：通过所述注浆管向所述孔中注入砂浆，且砂浆沿所述第一通孔填充至所述填充块内部空心结构，使所述填充块封堵住所述孔的底端，以免跑浆，直至所述孔中开始回浆，停止注浆；
步骤六：待砂浆初凝后，剪去所述注浆管外露于所述孔外侧的部分，待砂浆完全凝固后，通过计算机读取得到不同深度岩层的竖向位移及岩层移动的倾角，通过计算得到岩层的横向位移。
所述砂浆采用砂子粒度小于1mm的清洁细砂与水泥，按水灰比0.5:1配置而成。
本发明一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备及方法的有益效果：采用该项技术方案对地下岩层进行监测，可以对地下横向与纵向位移进行测量，解决了现场监测岩层移动这一难题，可以根据关键岩层所在的位置，合理的调整锚头的位置和数量，数据记录及存储均由计算机进行监控，减少现场人员的工作量。整个技术方案其装备及方法简单，横向、纵向岩层位移量均可测出，而且测量精度高，可以极大促进对现场地下岩层移动监测的使用。
附图说明：
图1为本发明现场监测采空区覆岩空间位移的设备的整体结构示意图；
图2为锚头的局部结构示意图；
图3为凸台和填充块与短钢管组合的结构示意图；
1-计算机，2-A/D转换器，3-电缆，4-套筒，5-短钢管，6-圆锥体，7-注浆管，8-双轴倾角传感器，9-锚头，10-锚杆，11-锚杆护管，12-分配盘，13-滑轮组，14-橡胶塞，15-测线，16-直线位移传感器，17-溢流孔，18-第一通孔，19-孔，20-凸台。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，如在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
根据图1所示，一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，用于测量不同深度的岩层的位移，其安装于进行监测的采空区处挖设的孔19中，包括：安装于所述孔19底部的直径范围为110-140mm的短钢管5，所述短钢管5内壁设置有凸台20，所述凸台20上嵌装有填充块，以将所述短钢管5的底端封堵，在向所述孔19中放置所述短钢管5之前，可将所述凸台20焊接在所述短钢管5内壁上，所述填充块内部为空心结构，所述填充块与所述凸台20相接触的位置上开设有与所述填充块内部相连通的溢流孔17，所述填充块朝向所述孔19开口的端面上开设有第一通孔18，所述第一通孔18与所述填充块内部相连通，在将所述短钢管5放置到孔19底时，孔19底内渗出的水沿所述凸台20和填充块之间的接触面溢出，此时溢出的水可以通过所述溢流孔17进入所述空心结构中，可以顺利排出孔19内的水，减少短钢管5所受浮力，使得短钢管5顺利放置到孔19底部，在对孔19注入砂浆时，砂浆可以沿所述第一通孔18填充至所述填充块内部空心结构，进一步地使所述填充块封堵住所述孔19的底端，以免跑浆，所述孔19的上部安装有直径范围为120-150mm的套筒4，在所述孔19中至少插设有两个锚杆10，所述锚杆10长度不同，用以分布于所述孔19中不同的岩层深度处，每个所述锚杆10的一端固定于所述孔19的上方，其另一端贯穿所述套筒4插设于所述孔19中，每个所述锚杆10位于所述孔19上方的一端端部通过测线15外接于计算机1，且在所述测线15上设置有直线位移传感器16，每个所述锚杆10插设于所述孔19中的一端端部固设有锚头9，锚头9置于需要进行测量的岩层深度处，并保持锚头9竖直，在每个锚头9上设置有双轴倾角传感器8，其与锚杆10平行设置，每个所述双轴倾角传感器8通过电缆3外接于计算机1，每个所述电缆3上设置有尺寸长为80mm、宽为40、高20mm的A/D转换器2，所述孔19上方固定设置有滑轮组13，每个所述电缆3和测线15均通过滑轮组13与计算机1相连，所述孔19中还插设有注浆管7，所述注浆管7的一端贯穿所述套筒4插设于所述孔19中，且其端部靠近所述填充块的上端面，为保证注浆效果，工程实际中，其端部距离填充块的上端面为3～5cm。
进一步地，在每个所述锚杆10外套设有锚杆护管11，对所述锚杆10起保护作用，所述锚杆护管11靠近所述锚头9的一端端部设置有橡胶塞14，以防止所述锚杆护管11内部进水，进而保护锚杆护管11中的其他部件。
进一步地，所述孔19内还设置有分配盘12，所述分配盘12上开设有多个第二通孔，所述分配盘12通过所述第二通孔套设于所述锚杆护管11上，所述锚杆护管11和所述第二通孔为过盈配合，使得所述分配盘12卡接在所述锚杆护管11外壁，使得分配盘12平稳设置在所述孔19内，通过所述分配盘12将所述锚杆10分隔开，以免锚杆10之间互相进行干扰。
进一步地，如图2所示，所述锚头9的尖端设置有螺纹，在靠近所述螺纹的锚头9上设置有倒刺，所述锚杆10的直径为10～20mm，所述锚头9的直径为20～30mm。
进一步地，在本实施例中，如图3所示，所述填充块为圆锥体6结构，且其内部为空心，所述圆锥体6的尖端嵌装在所述凸台20上，所述凸台20截面为三角形，其第一侧面与所述孔19内壁相贴合，第二侧面与圆锥体6的锥面相贴合，以封堵所述短钢管5的底端，且所述第二侧面与所述圆锥体6锥面相平行，所述圆锥体6与所述第二侧面相接触的位置上开设溢流口，所述孔19底部岩层渗出的水通过所述溢流孔17进入所述空心中，所述圆锥体6朝向所述孔19开口的端面上开设有第一通孔18，所述第一通孔18与所述填充块内部相连通。
进一步地，所述锚头9靠近锚杆10的一端锚固有连接板，在所述连接板上固接有所述双轴倾角传感器8，使得双轴倾角传感器8的安装面和被测面固定紧实，接触平整，避免作业过程中振动产生的误差。
进一步地，所述锚杆护管11的内部涂抹有润滑剂，以减少锚杆10与锚杆护管11之间的摩擦。
采用上述设备来监测采空区覆岩空间位移的方法，具体步骤如下：
步骤一：在待测区进行钻孔19，将套筒4安装在所述孔19的上部，并将钻好的孔19进行清理；
步骤二：将短钢管5安装在所述孔19的底部，将填充块嵌装在所述短钢管5内的凸台20上，对所述短钢管5的底端进行封堵；
步骤三：将设置有双轴倾角传感器8的锚头9固接至锚杆10一端，其另一端连接有测线15，测线15上设置有直线位移传感器16，将所述双轴倾角传感器8连接电缆3，电缆3上安装有A/D转换器2，将所述电缆3和测线15均连接于计算机1，并在电缆3和测线15上分别贴上序号标签；
步骤四：将至少两根长度不同的锚杆10的锚头9端插设在所述孔19中，将注浆管7也插设于所述孔19中，且其端部位于所述锚杆10端部的下方，且注浆管7的端部比插设在孔19中最深的锚头9长出1.5m的距离，并在注浆管7的出浆端的端部钻多个出浆孔，便于更好的出浆；
步骤五：通过所述注浆管7向所述孔19中注入砂浆，所述砂浆采用砂子粒度小于1mm的清洁细砂与水泥，按水灰比0.5:1配置而成，且砂浆沿所述第一通孔18填充至所述填充块内部空心结构，使所述填充块封堵住所述孔19的底端，以免跑浆，注浆过程中孔19内会不断有空气排出，直至所述孔19中开始回浆，停止注浆；
步骤六：待砂浆初凝后，剪去所述注浆管7外露于所述孔19外侧的部分，大概16小时后，砂浆完全凝固，通过计算机1对地下岩层的移动情况进行观测，即通过计算机1读取得到不同深度岩层的竖向位移H及岩层移动的倾角α，通过竖向位移H和岩层移动的倾角α计算得到岩层的横向位移L＝H×tanα，进而得到岩层的横、纵向位移。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，用于测量不同深度的岩层的位移，其安装于进行监测的采空区处挖设的孔中，其特征在于：包括：安装于所述孔底部的短钢管，所述短钢管内壁设置有凸台，所述凸台上嵌装有填充块，以将所述短钢管的底端封堵，所述填充块内部为空心结构，所述填充块与所述凸台相接触的位置上开设有与所述填充块内部相连通的溢流孔，所述填充块朝向所述孔开口的端面上开设有第一通孔，所述第一通孔与所述填充块内部相连通，所述孔底部岩层渗出的水通过所述溢流孔进入所述空心结构中，所述孔的上部安装有套筒，在所述孔中至少插设有两个锚杆，所述锚杆长度不同，所述锚杆的一端固定于所述孔的上方，其另一端贯穿所述套筒插设于所述孔中，所述锚杆位于所述孔上方的一端端部通过测线外接于计算机，且在所述测线上设置有直线位移传感器，所述锚杆插设于所述孔中的一端端部固设有锚头，在锚头上设置有双轴倾角传感器，所述双轴倾角传感器通过电缆外接于计算机，所述电缆上设置有A/D转换器，所述孔中还插设有注浆管，所述注浆管的一端贯穿所述套筒插设于所述孔中，且其端部靠近所述填充块朝向所述孔开口的端面。
2.根据权利要求1所述的一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，其特征在于：所述锚杆外套设有锚杆护管，所述锚杆护管靠近所述锚头的一端端部设置有橡胶塞。
3.根据权利要求1所述的一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，其特征在于：所述孔内还设置有分配盘，所述分配盘上开设有多个第二通孔，所述分配盘通过所述第二通孔套设于所述锚杆护管上，以将所述锚杆分隔开。
4.根据权利要求1所述的一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，其特征在于：所述孔上方固定设置有滑轮组，所述电缆和测线均通过滑轮组与计算机相连。
5.根据权利要求1所述的一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，其特征在于：所述注浆管的端部距离所述填充块朝向所述孔开口的端面3～5cm。
6.根据权利要求1所述的一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，其特征在于：所述填充块为圆锥体结构，且其内部为空心，所述圆锥体的尖端嵌装在所述凸台上，所述凸台截面为三角形，其第一侧面与所述孔内壁相贴合，第二侧面与圆锥体的锥面相贴合，以封堵所述短钢管的底端，且所述第二侧面与所述圆锥体锥面相平行，所述圆锥体与所述第二侧面相接触的位置上开设溢流口，所述孔底部岩层渗出的水通过所述溢流孔进入所述空心中，所述圆锥体朝向所述孔开口的端面上开设有第一通孔，所述第一通孔与所述填充块内部相连通。
7.根据权利要求1所述的一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，其特征在于：所述锚头的尖端设置有螺纹，在靠近所述螺纹的锚头上设置有倒刺，所述锚杆的直径为10～20mm，所述锚头的直径为20～30mm。
8.根据权利要求2所述的一种现场监测采空区覆岩空间位移的设备，其特征在于：所述锚头靠近锚杆的一端锚固有连接板，在所述连接板上固接有所述双轴倾角传感器，所述锚杆护管的内部涂抹有润滑剂，以减少锚杆与锚杆护管之间的摩擦。
9.采用权利要求1所述的设备来监测采空区覆岩空间位移的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：在待测区进行钻孔，在孔的上部安装套筒，并将钻好的孔进行清理；
步骤二：将短钢管安装在所述孔的底部，将填充块嵌装在所述短钢管内的凸台上，对所述短钢管的底端进行封堵；
步骤三：将设置有双轴倾角传感器的锚头固接至锚杆一端，其另一端连接有测线，测线上设置有直线位移传感器，将所述双轴倾角传感器连接电缆，电缆上安装有A/D转换器，将所述电缆和测线均连接于计算机；
步骤四：将至少两根长度不同的锚杆的锚头端插设在所述孔中，将注浆管也插设于所述孔中，且其端部位于所述锚杆端部的下方；
步骤五：通过所述注浆管向所述孔中注入砂浆，且砂浆沿所述第一通孔填充至所述填充块内部空心结构，使所述填充块封堵住所述孔的底端，以免跑浆，直至所述孔中开始回浆，停止注浆；
步骤六：待砂浆初凝后，剪去所述注浆管外露于所述孔外侧的部分，待砂浆完全凝固后，通过计算机读取得到不同深度岩层的竖向位移及岩层移动的倾角，通过计算得到岩层的横向位移。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述砂浆采用砂子粒度小于1mm的清洁细砂与水泥，按水灰比0.5:1配置而成。
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