本发明属于煤矿保护层开采技术领域,特别提供了一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置及使用方法。
背景技术：
保护层开采技术是指，在煤层群条件下，通过开采保护煤层的卸压增透作用，降低邻近被保护高瓦斯或突出危险煤层的煤层瓦斯含量，消除其突出危险性的区域瓦斯治理技术。按照保护层与被保护层的相对位置关系，保护层又可分为上保护层和下保护层。我国多数矿区煤层群赋存的特征决定了保护层开采是我国需要长期采用的区域防突措施。煤层膨胀变形量是衡量保护层开采效果的一项重要指标。《防治煤与瓦斯突出细则》2019版本第五十五条规定：矿井首次开采某个保护层或者保护层与被保护层的层间距、岩性及保护层开采厚度等发生了较大变化时，应当对被保护层的保护效果及其有效保护范围进行实际考察。经保护效果考察有效的范围为无突出危险区。若经实际考察被保护层的最大膨胀变形量大于3‰，则检验和考察结果可适用于具有同一保护层和被保护层关系的其他区域。最大膨胀变形量未超过3‰的，必须对每个被保护工作面的保护效果进行检验：此外，若保护层与被保护层的层间距离、岩性及保护层开采厚度等发生了较大变化时，应当再次进行效果检验和保护范围考察。
目前对煤层膨胀变形量的测定多采用深部基点法，即在岩巷中向煤层施工穿透煤层的钻孔，在煤层顶板及底板各安装一对钢楔固定深部基点，由钢楔引出钢筋和钢管至孔外，通过测量钢筋和钢管的相对位移，并结合钻孔角度进行换算，得到煤层的膨胀变形量。如果钻孔距离较深可用钢丝绳代替钢筋和钢管。传统的测定方在实际操作中难度大，具有安全隐患。钢楔体积大，在钻孔内推送过程中易与孔壁碰撞发生错位，甚至卡在钻孔中途，造成安装失败；钢楔、钢筋被首先推送至煤层顶板固定，钢楔、钢管接着被推送至底板固定，安装不能一次性完成，底板基点的安装对顶板基点的稳定会产生影响；当测定地点距离被保护层较远时，钢管、钢筋长度增加，重量增大，人工推送困难，钢筋和钢管在自重作用下容易发生掉落，存在安全隐患；如果用钢丝绳代替钢筋和钢管，基点钢楔安装固定困难，且测量用的钢丝绳缺乏保护，可能卡在孔壁裂缝内，造成测量不准确。另外钻孔变形及钻屑影响钢楔很难安装至指定位置，由于采动影响即使安装良好的钢楔也极易产生松动滑落造成测定失败，失败率极高；被保护层膨胀变形量较小，往往只有几毫米，钻孔深度往往较大，通过上下两根钢丝绳相对位移直观读取，误差较大。
如专利号为cn202010972156.1的中国发明专利公开了一种被保护层膨胀变形量测定装置及方法，设在钻孔内的引导管、第一封孔囊袋、第一囊袋注浆管、套管、第二封孔囊袋、第二囊袋注浆管和钢丝绳；本发明利用施工钻孔的钻机、钻杆将钢丝绳、第一封孔囊袋、第一囊袋注浆管等送入钻孔被保护煤层顶板以上位置，注浆固定，测定被保护煤层顶板位移量；利用套管固定封孔部件后穿钢丝绳，送入钻孔被保护煤层底板下方，注浆固定，测定被保护煤层底板位移量；在保护层开采后，利用被保护煤层顶板位移量、底板位移量，进而计算保护层开采后被保护层膨胀变形量。该装置需要再保护煤层顶板和底板的位置分别通过封孔囊袋固定钢丝绳，并通过钢丝绳测定煤层顶板位移量和底板位移量，才可以实现被保护层膨胀变形量，该固定方式复杂，采用钢丝绳测定，测量误差较大。
现有技术中较少地有关于采用位移传感器进行保护层膨胀变形量测量的技术。如专利号为cn201610559046.6的中国发明专利公开了一种被保护层膨胀变形量的测量方法，该测量方法是要先进行钻机钻孔、扩孔，然后需要再钻孔和扩孔内分别放置顶板位移测量装置和底板位移测量装置，其顶板位移测量装置包括上部小托盘、下部小托盘、第一空心杆、第一弹簧、第一数据传输线、第一位移传感器和第一数显表；所述第一弹簧的上端连接上部小托盘，第一弹簧的下端通过第一位移传感器连接下部小托盘，所述第一位移传感器固定在下部小托盘的顶面上，所述第一空心杆的上端与下部小托盘的底面焊接；
底板位移测量装置包括上部大托盘、下部大托盘、第二空心杆、第二弹簧、第二数据传输线、第二位移传感器和第二数显表，所述第二弹簧的上端连接上部大托盘，第二弹簧的下端通过第二位移传感器连接下部大托盘，所述第二位移传感器固定在下部大托盘的顶面上，所述第二空心杆的上端焊接在下部大托盘的底面上；
该测量方法需要钻孔并进行扩孔，工艺复杂，并且需要在煤层顶板和底板均放置测量装置，下部托盘容易受到煤岩掉落体影响测量准确性，采用四组传感器，成本较高。
被保护层在保护层开采的过程中会发生膨胀变形，且膨胀变形量较小，往往只有几个毫米，需要及时进行测量捕捉，对装置可靠性、准确性要求较高；被保护层膨胀变形量测量装置研究对保护层开采瓦斯抽采和效果检验工作具有十分重要的意义。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置及使用方法。本发明的测量装置考虑到钻孔固定稳定性，设计了膨胀固定器，考虑到被保护层变形膨胀量较小，通过位移传感器与压缩弹簧可灵敏的捕捉到保护层开采过程中被保护层膨胀变形的所有变化，使得监测数据及时、准确，精度更高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，该装置包括伸缩保护外套、压缩弹簧、位移传感器、连接杆、铠装电缆、膨胀固定器、直通单向阀、反扣高压接头、高压密封连接钻杆、注水接头、数显表；
所述位移传感器一端与伸缩保护外套内部端口铰接，位移传感器可沿伸缩保护外套轴向移动，另一端与连接杆一端相固定，在伸缩保护外套中设有压缩弹簧，压缩弹簧的一端与伸缩保护外套内部端口固定，另一端与位移传感器外壁相固定，所述连接杆的另一端与膨胀固定器的一端相固定，膨胀固定器的另一端通过直通单向阀、反扣高压接头与高压密封连接钻杆相连通，高压密封连接钻杆的末端与注水接头相连接，所述注水接头通过高压胶管与注水泵相连接；所述位移传感器另一端通过铠装电缆与外部数显表相连。
进一步地，所述膨胀固定器包括膨胀胶囊、固定器注液管和固定器中部管；所述膨胀胶囊两端分别扣押密封至固定器中部管外部，固定器注液管的出口端伸入至膨胀胶囊与固定器中部管之间的密封空间，固定器注液管的入口端与所述直通单向阀相连接，所述固定器中部管上设有斜孔，铠装电缆依次穿过连接杆和固定器中部管后自斜孔内穿出与外部数显表相连。
进一步地，所述连接杆与伸缩式位移传感器之间正向螺纹连接。
进一步地，所述反扣高压接头与高压密封连接钻杆反向螺纹相连接。
进一步地，所述连接杆的数量与高压密封连接钻杆的数量均为至少一个，所述连接杆或高压密封连接钻杆数量为两个或两个以上时，连接杆之间或高压密封连接钻杆之间正向螺纹连接。
进一步地，所述伸缩保护外套行程小于位移传感器量程。
进一步地，所述注水泵上设有安全溢流阀，且安全溢流阀阈值小于膨胀胶囊最大耐压值。
进一步地，所述位移传感器为伸缩式位移传感器、激光位移传感器、光纤位移传感器或光栅位移传感器。
进一步地，所述位移传感器、铠装电缆、数显表均为本安型。
本发明同时提供了一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置的使用方法，利用上述的注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，按照如下步骤进行：
步骤一，选择煤岩层赋存稳定的巷道，利用钻机施工预定尺寸钻孔穿过被保护层，穿过煤层1m后停止施工；
步骤二，注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置中的注水接头取下，通过高压密封连接钻杆将注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置推送至钻孔孔底，然后将铠装电缆与数显表相连，通过数显表显示位移传感器读数，继续推送测量装置，压缩伸缩保护外套内的压缩弹簧，并通过实时读取数显表的位移量读数，控制推送压缩量；
步骤三，将高压密封连接钻杆通过注水接头以及高压胶管与注水泵相连后，开启注水泵通过高压密封连接钻杆向测量装置膨胀固定器注水，高压水流经直通单向阀、固定器注液管至膨胀胶囊与固定器中部管中部空间，膨胀胶囊发生膨胀变形，挤压钻孔岩壁，实现测量装置固定；
步骤四，停止注水泵注水，去除注水接头与高压胶管，利用钻机反向旋转高压密封连接钻杆，实现反扣高压接头与高压密封连接钻杆分离，撤出高压密封连接钻杆；
步骤五，将数显表归零，保护层回采的过程中，实时监测记录数显表的位移读数，根据钻孔角度即可换算得到被保护层膨胀变形量。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用液压方式代替传统钢楔等固定方式，具有安装稳固，便于安装，抗干扰性强等特点；同时将位移传感器布置于测量装置内部替代长距离钢丝绳相对位移孔口测量，实现了对膨胀变形量的直接高精度实时测量，且仅需一组位移传感器系统，同时高压密封连接钻杆可回收，成本低，系统简单，可靠性高。
附图说明
图1是本发明的自动测量装置结构示意图；
图中：1伸缩保护外套，2压缩弹簧，3位移传感器，4连接杆，5铠装电缆，6膨胀固定器，7直通单向阀，8反扣高压接头，9高压密封连接钻杆，10注水接头，11注水泵，12高压软管，31数显表，61膨胀胶囊，62固定器注液管，63固定器中部管。
具体实施方式
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做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。
参照图1，一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，一般用于推送深度大于10m以上时，该装置包括伸缩保护外套1，压缩弹簧2，位移传感器3，连接杆4，铠装电缆5，膨胀固定器6，直通单向阀7，反扣高压接头8，高压密封连接钻杆9，注水接头10，数显表31；
所述位移传感器3一端与伸缩保护外套1内部端口铰接，另一端与连接杆4一端相固定，位移传感器3可沿伸缩保护外套1轴向移动，在伸缩保护外套1中设有压缩弹簧2，压缩弹簧2的一端与伸缩保护外套内部端口固定，另一端与位移传感器3外壁相固定，所述连接杆4的另一端与膨胀固定器6的一端相固定，膨胀固定器6的另一端通过直通单向阀7、反扣高压接头8与高压密封连接钻杆9相连通，高压密封连接钻杆9的末端与注水接头10相连接，注水接头10通过高压胶管12与注水泵11相连接；所述位移传感器3另一端通过铠装电缆5与外部数显表31相连。
所述膨胀固定器6包括包括膨胀胶囊61、固定器注液管62和固定器中部管63；所述膨胀胶囊61两端分别扣押密封至固定器中部管63外部，固定器注液管62的出口端伸入至膨胀胶囊61与固定器中部管63之间的密封空间，固定器注液管62的入口端与所述直通单向阀7相连接，所述固定器中部管63上设有斜孔631，铠装电缆5依次穿过连接杆4和固定器中部管63后自斜孔631内穿出与外部数显表31相连。固定器注液管62的出口端为弯曲结构，并自固定器中部管63设置的通孔内穿入膨胀胶囊61与固定器中部管63之间的密封空间。
所述连接杆4与位移传感器3之间正向螺纹连接。
所述连接杆4的数量与高压密封连接钻杆9的数量均为至少一个，所述连接杆4与固定器中部管63之间正向螺纹连接。根据实际需要，所述连接杆4或高压密封连接钻杆9数量为两个或两个以上时，连接杆4之间或高压密封连接钻杆9之间正向螺纹连接。
所述反扣高压接头8与高压密封连接钻杆9反向螺纹相连接。
所述位移传感器3为伸缩式位移传感器、激光位移传感器、光纤位移传感器或光栅位移传感器。
所述伸缩保护外套1相对于位移传感器3的轴向移动行程小于位移传感器3量程。
所述注水泵11上设有安全溢流阀，且安全溢流阀阈值小于膨胀胶囊61最大耐压值。
所述位移传感器3、铠装电缆5、数显表31均为本安型。
本发明同时提供了一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置的使用方法，利用上述的注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，按照如下步骤进行：
步骤一，选择煤岩层赋存稳定的巷道，利用钻机施工预定尺寸钻孔穿过被保护层，穿过煤层1m后停止施工；
步骤二，注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置中的注水接头取下，通过高压密封连接钻杆9将注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置推送至钻孔孔底(根据推送深度需要，可采用多个高压密封连接钻杆9相连接，各高压密封连接钻杆9之间正向螺纹连接)，然后将铠装电缆5与数显表31相连，通过数显表31显示位移传感器3读数，继续微量推送测量装置，压缩伸缩保护外套1内的压缩弹簧2，并通过实时读取数显表31的位移量读数，控制推送压缩量；
步骤三，将高压密封连接钻杆9通过注水接头10以及高压胶管12与注水泵11相连后，开启注水泵11通过高压密封连接钻杆9向测量装置膨胀固定器6注水，高压水流经直通单向阀7、固定器注液管62至膨胀胶囊61与固定器中部管63中部空间，膨胀胶囊61发生膨胀变形，挤压钻孔岩壁，实现测量装置固定；
步骤四，停止注水泵注水，去除注水接头10与高压胶管12，利用钻机反向旋转高压密封连接钻杆9，实现反扣高压接头8与高压密封连接钻杆9分离，撤出高压密封连接钻杆9；
步骤五，将数显表31归零，保护层回采的过程中，实时监测记录数显表31的位移读数，根据钻孔角度即可换算得到被保护层膨胀变形量。
本发明提出的被保护层膨胀变形量测量装置，考虑到钻孔固定稳定性，设计了膨胀固定器，考虑到被保护层变形膨胀量较小，通过位移传感器与弹簧组件可灵敏的捕捉到保护层开采过程中被保护层膨胀变形的所有变化，使得监测数据及时、准确，精度更高。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，其特征在于，该装置包括伸缩保护外套、压缩弹簧、位移传感器、连接杆、铠装电缆、膨胀固定器、直通单向阀、反扣高压接头、高压密封连接钻杆、注水接头、数显表；
所述位移传感器一端与伸缩保护外套内部端口铰接，位移传感器可沿伸缩保护外套轴向移动，另一端与连接杆一端相固定，在伸缩保护外套中设有压缩弹簧，压缩弹簧的一端与伸缩保护外套内部端口固定，另一端与位移传感器外壁相固定，所述连接杆的另一端与膨胀固定器的一端相固定，膨胀固定器的另一端通过直通单向阀、反扣高压接头与高压密封连接钻杆相连通，高压密封连接钻杆的末端与注水接头相连接，所述注水接头通过高压胶管与注水泵相连接；所述位移传感器另一端通过铠装电缆与外部数显表相连。
2.如权利要求1所述的一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，其特征在于，所述膨胀固定器包括膨胀胶囊、固定器注液管和固定器中部管；所述膨胀胶囊两端分别扣押密封至固定器中部管外部，固定器注液管的出口端伸入至膨胀胶囊与固定器中部管之间的密封空间，固定器注液管的入口端与所述直通单向阀相连接，所述固定器中部管上设有斜孔，铠装电缆依次穿过连接杆和固定器中部管后自斜孔内穿出与外部数显表相连。
3.如权利要求1所述的一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，其特征在于，所述连接杆与伸缩式位移传感器之间正向螺纹连接。
4.如权利要求1所述的一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，其特征在于，所述反扣高压接头与高压密封连接钻杆反向螺纹相连接。
5.如权利要求1所述的一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，其特征在于，所述连接杆的数量与高压密封连接钻杆的数量均为至少一个，所述连接杆或高压密封连接钻杆数量为两个或两个以上时，连接杆之间或高压密封连接钻杆之间正向螺纹连接。
6.如权利要求1所述的一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，其特征在于，所述位移传感器为伸缩式位移传感器、激光位移传感器、光纤位移传感器或光栅位移传感器。
7.如权利要求1所述的一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，其特征在于，所述注水泵上设有安全溢流阀，且安全溢流阀阈值小于膨胀胶囊最大耐压值。
8.如权利要求1所述的一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，其特征在于，所述位移传感器、铠装电缆、数显表均为本安型。
9.一种注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置的使用方法，利用如权利要求1-8任意一项所述的注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置，按照如下步骤进行：
步骤一，选择煤岩层赋存稳定的巷道，利用钻机施工预定尺寸钻孔穿过被保护层，穿过煤层1m后停止施工；
步骤二，注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置中的注水接头取下，通过高压密封连接钻杆将注液式被保护层膨胀变形量自动测量装置推送至钻孔孔底，然后将铠装电缆与外部数显表相连，通过数显表显示位移传感器读数，继续推送测量装置，压缩伸缩保护外套内的压缩弹簧，并通过实时读取数显表的位移量读数，控制推送压缩量；
步骤三，将高压密封连接钻杆通过注水接头以及高压胶管与注水泵相连后，开启注水泵通过高压密封连接钻杆向测量装置膨胀固定器注水，高压水流经直通单向阀、固定器注液管至膨胀胶囊与固定器中部管中部空间，膨胀胶囊发生膨胀变形，挤压钻孔岩壁，实现测量装置固定；
步骤四，停止注水泵注水，去除注水接头与高压胶管，利用钻机反向旋转高压密封连接钻杆，实现反扣高压接头与高压密封连接钻杆分离，撤出高压密封连接钻杆；
步骤五，将数显表归零，保护层回采的过程中，实时监测记录数显表的位移读数，根据钻孔角度即可换算得到被保护层膨胀变形量。
技术总结