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上向大倾角钻孔内监测传感器安装固定装置研制与应用

2024-11-04 86 上传者：管理员

摘要：为确保监测传感器在上向大倾角钻孔内稳步推送与有效安装固定、提升监测效果并保障作业安全，研制了上向大倾角钻孔内监测传感器安装固定装置，采用子弹头式导向结构与弹簧+尖头倒爪的固定结构。应用结果表明：配置该装置后监测传感器在上向大倾角钻孔内实现了定向推送，推送过程中无下坠情况，确保了作业安全；传感器安装完成后最大滑动距离仅为0.06 m，实现了监测传感器全耦合式固定与有效安装。该装置优化了传感器孔内安装工艺并节约了生产成本，为确保煤岩动力灾害超前在线监测效果提供了支撑。

关键词：
安装固定
效果考察
监测传感器
矿井智能化建设
钻孔
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随着矿井智能化建设逐步实施，煤矿井下煤岩动力灾害监测技术手段逐渐增多且监测效果不断提升，灾害类监测传感器超前、大范围、多点安装需求增加，故需施工钻孔布设监测传感器；而传统监测传感器安装钻孔多为近水平且深度不大，对于个别倾角较大的钻孔安装传感器则采用水泥注浆固定法，这种方法安装工艺复杂且传感器在孔内遇水容易受到损害。受开采规模提升、开采深度增大及执行大区域监测监控等工程背景的影响，监测传感器安装钻孔的倾角、距离都需增大，钻孔内传感器安装与固定受到了一定的限制，尤其是在上向大倾角钻孔内监测传感器安装更加困难，致使监测效果及安装过程中人员安全性难以保证。另外，煤巷掘进工作面仍是煤矿井下灾害的高发区，为有效掌控煤巷掘进过程中的风险大小，对煤巷掘进工作面动力灾害进行超前在线监测尤为必要。煤巷掘进工作面存在着综掘机掘进、锚杆锚网支护及预测钻孔施工等多种作业，如果直接将监测传感器安装在掘进工作面或者在掘进工作面施工钻孔安装监测传感器，势必会对正常掘进产生影响，同时传感器易受损坏且维护困难，因此监测传感器宜通过下方已布设好且用于瓦斯抽采的底抽巷施工超前穿层钻孔来进行安装。基于此，亟需一种上向大倾角钻孔内监测传感器安装固定装置来保障传感器的有效安装。本文根据实际需求研制了一种上向大倾角钻孔内监测传感器安装固定装置，并在某煤矿进行了现场应用。

1、需求分析与设计思路

要实现监测传感器在上向大倾角钻孔内的有效安装，需保证传感器在孔内稳步推送，同时推送过程中应防止传感器下滑至孔口带来安全隐患及传感器损坏的风险。另外，当监测传感器推送至设计深度后，须保证其牢靠固定，以确保监测效果。基于此需求，拟采用子弹头式导向结构与弹簧+尖头倒爪固定结构相结合的方式，对传感器安装固定装置进行设计，如图1所示。

图1 传感器安装固定装置设计思路示意图

煤矿井下煤、岩层介质中钻孔成孔后，孔内形状存在差别，如在坚硬煤层或者岩层中钻孔呈现为规则的柱状空心体形态，对于软煤成孔后可能会出现孔径逐渐减小、孔壁内留有煤渣并呈现凹凸不平形状。因此采用子弹头式导向结构实现监测传感器在孔内的定向推送；同时推送过程中弹簧收缩、静止状态时弹簧张开，从而可以实现传感器在孔内的固定，故该装置的设计思路在理论上是可行的。

为了对监测传感器在孔内是否有效固定进行明确判断，对结果考察进行量化，引入考察物理量———滑动距离L，表示监测传感器安装完成24 h后在孔内的滑动距离，等于孔口信号线上标记点B与标记点E的距离，如图2所示。

图2 滑动距离L计算示意图

该装置拟采用弹性倒爪固定结构。由于弹簧本身具备一定的伸缩量，因此传感器有效固定的目标考察值设定为0.1 m，即当L≤0.1 m时，表示监测传感器在上向大倾角长钻孔内实现了有效安装固定。

2、结构设计

(1）外径参数确立

该装置的使用场景为上向大倾角钻孔内，结合目前矿井施工钻孔的类别，考虑通用性与钻孔施工便捷性，以煤矿井下主流穿层钻孔孔径参数为依据对该装置的外径参数进行设计。通过对西南、西北及华中地区智能化水平较高的生产矿井进行了穿层钻孔参数调研，发现φ94 mm穿层钻孔的占比最大。

另外，监测传感器安装固定装置直径越大则重量越重，不利于装置在上向孔内的推送及安装。结合监测传感器体积大小，最终确立可伸缩倒爪固定结构在收缩、扩张状态下直径范围为φ75～125 mm，导向机构与尾部联接结构最大直径为φ64 mm。

(2）结构设计

监测传感器安装固定装置分为前端与后端，中间部分为预留传感器安装腔体；前端设置有导向结构，前后两端均设置有固定机构，后端需要与推送杆件联接以实现该装置整体在孔内推送。因此需要对装置与传感器外壳组装结构、后端与推送杆件的连接方式、子弹头式导向结构及弹簧+尖头倒爪固定结构进行设计。

为减轻该装置与传感器整体重量并简化井下安装工艺，设计了装置与传感器壳体间重叠式组装结构，即将装置前端的底部与装置后端顶部分别设计为传感器壳体的上盖与下盖，如图3所示。此设计可降低重量，利于孔内推送，同时可节约材料，在组装传感器时即可完成装置组装，有利于井下直接安装。

图3 重叠式组装结构示意图

在装置后端要实现与推送杆件便携式联接，考虑了螺纹联接方式与公母头式快速插接方式。为方便安装与拆卸，选用公母头式快速插接的方式，如图4所示，在装置后端焊接实心铁杆作为公头，采用中空铁管为推送杆件作为母头，可实现快速插接，便于现场快速联接、安装与拆卸。

图4 公母头快速插接结构示意图

为确保监测传感器与孔壁的完全耦合以提升监测效果，在固定结构中设置了4个倒爪分支，结合子弹头式导向结构及弹簧+尖头倒爪固定结构，最终完成装置整体设计，如图5所示。

图5 安装固定装置结构设计图

3、现场应用

(1）钻孔施工与传感器安装

在贵州小屯煤矿对该装置进行现场应用，在16中13运输顺槽底板巷（以下简称13运底）向16中13运输顺槽（以下简称13运顺）煤巷掘进工作面前方施工穿层钻孔，考察监测传感器安装固定装置的安装效果。试验钻孔布置如图6所示。

图6 试验钻孔布置示意图

现场应用期间，在13运底向13运顺煤巷掘进工作面前方共施工试验钻孔8个，钻孔竣工参数如表1所示。

(2）传感器安装固定效果分析

钻孔施工完成后，采用钢管将传感器与固定装置推送至孔底，推送过程中无卡顿及下坠现象。由表1可知，传感器推送距离与钻孔深度保持一致，实现了传感器在孔内顺利推送，最终完成了8组监测传感器的推送安装。

表1 钻孔竣工参数

在每个钻孔完成监测传感器安装24 h后，测定了每个试验钻孔内监测传感器的滑动距离L，并与目标考察值进行对比，如图7所示。

图7 孔内监测传感器滑动距离与目标考察值对比

由图7可知，监测传感器安装钻孔内，8组传感器滑动距离L最大值为0.06 m，均未超过设定目标值0.1 m，由此说明安装固定装置实现了监测传感器在上向大倾角钻孔内的牢靠固定。传感器安装过程不再需要用注浆方式对传感器进行固定耦合，优化了安装工艺，并建立了孔内监测传感器全耦合式安装方法；同时该装置可提升传感器在孔内推送过程中的安全性，实现了推送杆件回收再利用，具有现场应用推广价值。

4、结语

(1）结合子弹头式导向结构与弹簧+尖头倒爪的固定结构，采取重叠式传感器壳体组装及后端公母头式快速插接方式，研制了一种上向大倾角钻孔内监测传感器安装固定装置；

(2）在某煤矿进行了现场应用，该装置确保了监测传感器在上向大倾角钻孔内的稳步推送，且试验钻孔内传感器最大滑动距离仅为0.06 m，实现了传感器在孔内的有效安装固定；

(3）该装置优化了上向大倾角钻孔内监测传感器安装工艺，提升了作业人员的安全性，节约了生产成本，实现了传感器与孔壁间的完全耦合，为确保矿井煤岩动力灾害超前在线监测效果提供了支撑，具有一定的推广应用价值。

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