阅读说明：本技术 一种采空区的应力监测方法及装置 (Stress monitoring method and device for goaf ) 是由 程利兴 姜鹏飞 杨建威 吴志刚 郑仰发 张振峰 刘畅 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及煤矿巷道支护领域,提供一种采空区的应力监测方法及装置。采空区应力监测方法包括：在液压支架靠近工作面推进方向一侧的底板岩层中开挖安装槽；将可升降的应力监测装置放置于安装槽当中；在应力监测装置上方及周边缝隙内填充覆盖物；朝着工作面推进方向移动液压支架,直到液压支架底座经过应力监测装置,且应力监测装置位于液压支架的掩护梁下方；升起应力监测装置,使得应力监测装置上表面凸出于底板岩层。该种采空区应力监测方法,应力监测装置放置快速方便。此外,将应力监测装置升高,促使应力监测装置上表面直接承载顶板掉落的矸石,有效避免了安装槽周边底板岩层对监测数据的影响,可获取采空区顶板垮落造成的真实应力变化。(The invention relates to the field of coal mine roadway support, and provides a method and a device for monitoring stress of a goaf. The goaf stress monitoring method comprises the following steps: digging a mounting groove in a bottom plate rock layer on one side of the hydraulic support close to the propelling direction of the working surface; placing a liftable stress monitoring device in the mounting groove; filling covering materials above the stress monitoring device and in the peripheral gap; moving the hydraulic support towards the propelling direction of the working face until a base of the hydraulic support passes through the stress monitoring device, wherein the stress monitoring device is positioned below a shield beam of the hydraulic support; and lifting the stress monitoring device so that the upper surface of the stress monitoring device protrudes out of the bottom plate rock stratum. According to the goaf stress monitoring method, the stress monitoring device is placed quickly and conveniently. In addition, the stress monitoring device is lifted, so that the upper surface of the stress monitoring device is directly loaded with the gangue falling from the top plate, the influence of the bottom plate rock stratum at the periphery of the installation groove on monitoring data is effectively avoided, and the real stress change caused by the caving of the top plate of the goaf can be obtained.)

一种采空区的应力监测方法及装置

技术领域

本发明涉及煤矿巷道支护领域，提供一种采空区的应力监测方法及装置。

背景技术

在煤矿巷道围岩控制技术中，矿山压力是巷道围岩控制的研究重点，它主要是巷道开挖、工作面回采等活动造成围岩应力重新分布以及围岩结构变形破坏所引起的，巷道顶板是分析矿压显现的主要指标之一，掌握巷道顶板及其上覆岩层的活动状况对研究矿山压力分布及矿压显现特征具有重要指导意义。

现阶段，对煤矿巷道的矿压监测技术手段日趋完善，但是针对采煤工作面后方采空区的观测手段却较少。采空区应力监测数据对研究采空区上覆岩层的垮落、破断以及翻转状况具有一定的指导作用，对形成煤矿巷道和工作面全方位矿山压力数据具有重要意义。通过在采空区安装应力监测装置是监测采空区上方顶板压力以及顶板活动规律的一种重要方式。

现阶段在采空区应力监测方面主要存在以下问题：

监测仪器部分采用埋设应力监测球，通过内置应变片的变形来计算采空区应力监测数据，采空区内地质条件差，精密监测仪器易损坏，并且埋设过程要求比较苛刻，否则易造成数据不准确。

埋设方法采用穿煤柱布线法，回采巷道进行双巷布置时，监测线路需要通过液压支架推杆下方引入到另外一条巷道，安装过程比较复杂、费时费力，并且监测线路需要经过多台液压支架碾压，易造成监测线路损坏。

现阶段埋设的监测仪器为防止被液压支架损坏，埋设深度较大，顶板垮落后的破碎岩块砸落在底板上，很一大部分压力被监测装置周边的实体底板围岩分散掉，获取的并不是采空区真实压力数据。

综上，现阶段对采空区应力监测缺乏有效的监测手段。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种采空区的应力监测方法，可有效获得采煤工作面采空区顶板垮落特征以及应力演化规律，且可结合常规监测数据形成工作面全方位应力监测数据，对研究顶板覆岩活动就有重要指导意义，且对丰富和完善矿压监测数据、指导巷道围岩控制具有重要研究意义。

本发明还提出一种采空区的应力监测装置。

根据本发明一方面实施例的采空区应力监测方法，包括：

在液压支架靠近工作面推进方向一侧的底板岩层中开挖安装槽；

将可升降的应力监测装置放置于安装槽当中；

在安装槽当中位于应力监测装置上方及周边缝隙内填充覆盖物；

朝着工作面推进方向移动液压支架，直到液压支架底座经过应力监测装置，且应力监测装置位于液压支架的掩护梁下方；

升起应力监测装置，使得应力监测装置上表面凸出于底板岩层。

该种采空区应力监测方法，可有效解决采空区应力监测中的技术难题。其中，将应力监测装置放置于靠近工作面推进方向一侧的安装槽中，应力监测装置放置快速方便。此外，将应力监测装置升高，促使应力监测装置上表面直接承载顶板掉落的矸石，有效避免了安装槽周边底板岩层对监测数据的影响，可以直接获取采空区顶板垮落造成的真实应力变化及应力演化规律。在此基础上，结合常规监测数据形成工作面全方位应力监测数据，对研究顶板覆岩活动有重要指导意义，且对丰富和完善矿压监测数据、指导巷道围岩控制具有重要研究意义。

根据本发明的一个实施例，所述将可升降的应力监测装置放置于安装槽当中的步骤，包括：

将安装有应力传感器的承载板放置于升降驱动单元上方，通过装配形成可升降的应力监测装置；

将升降驱动单元的底部固定在安装槽当中。

根据本发明的一个实施例，所述将安装有应力传感器的承载板放置于升降驱动单元上方，通过装配形成可升降的应力监测装置的步骤中，采用液压缸作为驱动单元；

所述升起应力监测装置，使得应力监测装置上表面凸出于底板岩层的步骤，包括：

采用手动液压泵通过液压管路连接液压缸；

通过手动液压泵给液压缸加压，将承载板升起，使得承载板凸出于底板岩层。

根据本发明的一个实施例，还包括：

将液压管路沿着相邻液压支架之间的间隙敷设。

根据本发明的一个实施例，所述通过手动液压泵给液压缸加压，将承载板升起，使得承载板凸出于底板岩层的步骤之后，包括：

撤去手动液压泵和液压管路；

回采工作面。

根据本发明的一个实施例，所述在安装槽当中位于应力监测装置上方及周边缝隙内填充覆盖物的步骤，包括：

在应力监测装置上方及周边缝隙内填充棉纱；

在棉纱上方填充浮煤。

根据本发明的一个实施例，还包括：

将监测分站和电源箱固定在液压支架上；

采用数据线连接应力监测装置和监测分站，数据线悬挂在液压支架的液压支柱一侧；

采用电源线连接监测分站和电源箱。

根据本发明的一个实施例，还包括：

将监测数据线芯***空心螺纹金属软管当中得到数据线；

将数据线沿着相邻液压支架之间的间隙敷设。

根据本发明另一方面实施例的应力监测装置，包括：

升降驱动单元；

应力传感器，固定于承载板上；

承载板，固定于所述升降驱动单元上端。

根据本发明的一个实施例，所述升降驱动单元为液压缸，且数量为多个，所有所述液压缸沿着所述承载板的外缘分布，所有所述液压缸通过液控阀组连通手动液压泵，所述液控阀组包括液压控制阀和单向阀，所述单向阀沿着所述手动液压泵向所述液压缸的方向单向导通。

本发明的附加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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的采空区中第一状态下应力监测状态示意图；

图2是本发明实施例的采空区中第二状态下应力监测状态示意图；

图3是本发明实施例的采空区中第三状态下应力监测状态示意图；

图4是本发明实施例的应力监测装置的立体结构示意图；

图5是本发明实施例的应力监测装置的局部结构示意图；

图6是本发明实施例的数据线的结构示意图；

图中：1：应力传感器；2：液压缸；3：液控阀组；4：均压管路；5：液压管路；6：数据线；7：承载板；8：安装板；9：监测数据线芯；10：液压支架；11：液压支柱；12：线缆钩；13：电源箱；14：监测分站；15：电源线；16：工作面；17：矸石；18：浮煤；19：手动液压泵；20：底板岩层；21：安装槽；22：第一线路；23：第二线路；24：掩护梁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述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意一个或者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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1至图3，根据本发明实施例的采空区应力监测方法，包括：

S1、在液压支架10靠近工作面16推进方向一侧的底板岩层20中开挖安装槽21；

S2、将可升降的应力监测装置放置于安装槽21当中；

S3、在安装槽21当中位于应力监测装置上方填充覆盖物；

S4、朝着工作面16推进方向移动液压支架10，直到液压支架10底座经过应力监测装置，且应力监测装置位于液压支架10的掩护梁24下方；

S5、升起应力监测装置，使得应力监测装置上表面凸出于底板岩层20。

需要说明的是，以上S1至S5只是为了便于后续的说明，并不构成对采空区应力监测方法的步骤先后顺序的限制。

该种采空区应力监测方法，可有效解决采空区应力监测中的技术难题。其中，将应力监测装置放置于靠近工作面16推进方向一侧的安装槽21中，应力监测装置放置快速方便。此外，将应力监测装置升高，促使应力监测装置上表面承载顶板掉落的矸石17，有效避免了安装槽21周边底板岩层20对监测数据的影响，可以直接获取采空区顶板垮落造成的真实应力变化及应力演化规律。在此基础上，结合常规监测数据形成工作面16全方位应力监测数据，对研究顶板覆岩活动有重要指导意义，且对丰富和完善矿压监测数据、指导巷道围岩控制具有重要研究意义。

S1中，“液压支架10靠近工作面16推进方向一侧”也即图1至图3当中的左侧。图1至图3中，工作面16朝着远离采空区的方向推进，也即朝向左侧推进。

此外，S1中，安装槽21的形状和结构不受限制，只要满足应力监测装置的放置需求即可。其中一个实施例，安装槽21采用600mm×600mm×700mm的规格。

S2中，将可升降的应力监测装置放置于安装槽21当中，包括：

将安装有应力传感器1的承载板7放置于升降驱动单元上方，通过装配形成可升降的应力监测装置；

将升降驱动单元的底部固定在安装槽21当中。

也即，S2中，可升降的应力监测装置包括应力传感器1、承载板7和升降驱动单元等部件。当然，可升降的应力监测装置的结构不受此处举例的限制，只要满足升降要求，并且可以对应力进行监测即可。

进一步的，S2中采用液压缸2作为驱动单元。在此基础上，为了升起应力监测装置，可以将手动液压泵19通过液压管路5连接液压缸2，通过手动液压泵19给液压缸2加压，将承载板7升起，使得承载板7凸出于底板岩层20。

当然，在采用液压缸2作为驱动单元的时候，除了通过手动液压泵19给液压缸2加压，也可以通过任何现有技术公开的方式给液压缸2加压。并且，驱动单元也并非一定要采用液压缸2的形式，其还可以采用气缸、直线电机或者任何其他现有技术当中公开的并且可以带动承载板7升降的结构形式。

其中，液压缸2可以但是不局限为油缸。

其中一个实施例中，应力监测装置的结构如图4和图5所示。

进一步的，为了便于应力监测装置的安装，在升降驱动单元的底部还设置有安装板8，将所有升降驱动单元的底端均固定在安装板8上。

为了防止液压管路5被液压支架10损坏，将液压管路5沿着相邻液压支架10之间的间隙敷设。并且需要说明的是，当液压支架10沿着工作面16推进的过程当中，可以将液压管路5也沿着工作面16推进方向敷设。

其中，敷设液压管路5的时候，可以在液压管路5的上方覆盖上顶板掉落的破碎岩块和/或浮煤18。破碎岩块和/或浮煤18此时可以看成是液压管路5的保护层。

进一步的，根据本发明实施例的采空区应力监测方法，步骤S5，所述通过手动液压泵19给液压缸2加压，将承载板7升起，使得承载板7凸出于底板岩层20，之后包括：

撤去手动液压泵19和液压管路5；

回采工作面16。

根据本发明实施例的采空区应力监测方法，S3中，在安装槽21当中位于应力监测装置上方填充覆盖物的步骤，包括：

在应力监测装置上方以及与安装槽21之间的缝隙内填充覆盖物；

在棉纱上方填充浮煤18。

之所以在应力监测装置上方覆盖棉纱和浮煤18，除了因为棉纱和浮煤18较软，块度小，在压力作用下不会因为块体尖锐的棱角损坏监测线路，还因为棉纱和浮煤18均较为容易获得且成本较低。当然，此处除了采用棉纱和浮煤18填充安装槽21，还可以采用其它质软且容易对应力监测装置形成保护的覆盖物。

S4中，工作面16进行正常回采，液压支架10沿工作面16推进方向移动，当工作面16回采一个液压支架10底座长度后，此时应力监测装置位于液压支架10掩护梁24下方岩层中。当液压支架10向工作面16推进方向移动一个截割深度后，将数据线6路沿两架液压支架10之间的间隙放一次线。

并且，S4中应力监测装置位于液压支架10的掩护梁24下方岩层中指代的是：图2中，掩护梁24的延长线与底板岩层20相交于交线，而应力监测装置位于液压支架10底座的右侧，并且位于交线的左侧，进而在掩护梁24的作用下，仅仅只有部分垮落矸石17落在应力监测装置上。而该部分的矸石17并不密实并且产生的压力较小。

根据本发明实施例的采空区应力监测方法，还包括：

将监测分站14和电源箱13固定在液压支架10上；

采用数据线6连接应力监测装置和监测分站14，数据线6悬挂在液压支柱11一侧；

采用电源线15连接监测分站14和电源箱13。

其中，应力监测装置、监测分站14和电源箱13连接好之后，可以先对应力监测装置进行调试。

监测分站14可以采用市售矿用防爆本安型监测分站14，型号为KJ25-F，将监测分站14通过第二线路23与液压支架10掩护梁24连接。并且，监测分站14固定在掩护梁24下方，监测分站14与液压支架10可以同步移动。

此外，电源箱13可以采用市售矿用隔爆兼本安型不间断电源箱13，型号为KDW660/21B，电源箱13通过第一线路22与液压支架10掩护梁24连接，确保电源箱13与液压支架10保持同步运动。

其中，电源箱13可以接入采煤工作面16照明电。

此外，将监测数据线芯9***空心螺纹金属软管当中得到数据线6，数据线6的结构可以参考图6。例如，空心螺纹金属软管的内径为16mm，监测数据线芯9位于空心螺纹金属软管内部，进而监测数据线芯9在空心螺纹金属软管保护下不易受到采空区破碎矸石17的影响。

数据线6可以悬挂在与液压支架10的液压支柱11连接的线缆钩12上，并沿两架液压支架10之间的间隙敷设，在液压支架10移动过程中只需要提前放出液压支架10移动距离的数据线6路长度即可，液压支架10间顶板掉落的碎块以及工作面16浮煤18即可将数据线6路覆盖，避免了数据线6进入采空区后直接受顶板垮落大块矸石17的影响。并且随着液压支架10移动进行有序放线，极大地缩短了应力监测装置的安装时间，保证了数据监测的准确性，对丰富和完善矿压监测数据、指导巷道围岩控制具有重要研究意义。

根据本发明的实施例，提供应力监测装置，包括：

升降驱动单元；

应力传感器1，固定于承载板7上；

承载板7，固定于所述升降驱动单元上端。

其中，应力监测装置的结构请参见图4和图5。

其中，应力传感器1可以通过螺栓固定在承载板7上。

图4和图5中，升降驱动单元为液压缸2，且数量为四个。当然，升降驱动单元的种类、数量和安装位置均不受附图限制。

图4和图5中，液压缸2沿着所述承载板7的外缘分布，所有液压缸2通过液控阀组3连通手动液压泵19，液控阀组3包括液压控制阀和单向阀，单向阀沿着手动液压泵19向液压缸2的方向单向导通。

其中，通过单向阀的设置，可以防止液压油回流造成卸压。液压控制阀和液压缸2之间通过均压管路4连接，控制液压缸2液压均衡。液压控制阀通过均压管路4向四个液压缸2提供相等压力，推动液压缸2伸出设定量程，带动应力传感器1的承载板7朝着安装槽21的槽口方向运动。其中，均压管路4保证各个液压缸2同步运动，确保承载板7保持水平，避免承载板7及应力传感器1倾斜。

承载板7可以采用400mm×400mm×20mm平面铁板，应力传感器1可以采用市售矿用本安型压力表，压力表型号为MC-500。当然，应力传感器1的类型不受此处举例的限制，例如其还可以采用应变片的结构形式。

根据本发明实施例，提供一种采空区应力监测设备，包括上述应力监测装置，此外还包括液压支架10，液压支架10上固定有监测分站14，监测分站14和应力监测装置之间连接，进而应力监测装置可以将测得的应力发送给监测分站。

通过图1和图3发现，液压支架10包括用于实现支撑固定功能的液压支柱11。

其中，监测分站14可以固定在掩护梁24上，进而监测分站14与液压支架10同步移动。

此外，采空区应力监测设备还包括电源箱13，电源箱13固定在掩护梁24上。电源箱13除了向监测分站14供电，还向采空区应力监测设备的其他用电部件供电。

根据本发明的其中一个实施例，监测分站14和应力监测装置之间可以数据线6连接。当然，监测分站和应力监测装置之间还可以通过无线方式连接。

数据线可以采用监测数据线芯9和空心螺纹金属软管的结构形式。

此外，采空区应力监测设备还包括手动液压泵19，手动液压泵19通过液压管路连接液压缸2，进而通过手动液压泵19向液压缸2加压。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。