1.本实用新型涉及煤矿开采安全监测技术领域，具体为大面积悬顶采空区智能监测预警设备。
背景技术：
2.上个世纪八九十年代，全国煤炭开采实施“有水快流”政策，大多数地方煤矿采用落后的“房柱式”或“残柱式”打眼放炮采煤方法，技术装备水平低，生产工艺落后，以掘代采，采掘不分，留下了大量的房柱式采空区；近年来，随着开采深度的不断加大，很多矿井逐步进入房柱式采空区下方开采；榆林神府地区，所属矿井大多为资源整合矿井，整合前普遍采用房柱式(巷柱式)开采，老窑的无序开采形成了大量无规则的老空区，老空区内存在积水、积气、顶板、火区等众多隐患，且资料不明，严重威胁着矿井的安全生产；主要威胁为：在老空区下部或周边煤层回采期间，上覆煤层老空区顶板有可能突然大面积垮落而产生冲击地压甚至地震，损坏采煤设备，伤及人员；上覆老空区积水有可能突然涌入回采工作面，发生透水事故；老空区有毒有害气体还有可能涌入回采工作面，引起人员中毒事故；
3.并且现有的大面积悬顶采空区大多采用治理法、悬顶煤内部监测法和巷道内监测法：
4.1、治理法：包含强制放顶法、注水弱化法、定向水力压裂法等，优点是技术简单，效果明显直接；缺点是工程量和成本高，干扰回采工序，影响回采进度，弱化效果难以人为控制；
5.2、悬顶煤内部监测法：主要包括采空区内部布设的微振系统、顶板离层仪、锚杆索应力传感器、煤体应力计等设备，优点就是安装在悬顶煤采空区内部，监测手段直接准确，可直接测量煤体或岩体的垂直载荷应力；缺点为研究区域内多数煤矿大面积悬顶采空区已封闭，无法对采空区内实施监测，且安装过程存在安全隐患；
6.3、巷道内监测法：主要包含采煤巷道内布设的微振系统、顶板离层仪和锚杆索应力传感器等设备，优点是该监测手段针对现有采煤巷道更为直接准确，可以直接反应既有巷道的安全程度；缺点为井下所有设备需要具有防爆装置，信号传输、安装和供电均较为复杂，由于处在工作面内，严重影响回采进度鉴于此，针对上述问题深入研究，遂有本案产生。
技术实现要素：
7.为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：大面积悬顶采空区智能监测预警设备，包括工作层，工作层顶部安装有监测预警结构；
8.监测预警结构包含有：预埋件、监测立柱、支撑架、太阳能板、控制箱体、避雷装置、gnss监测主机、电池组件以及智能振动监测组件；
9.预埋件埋设于工作层内部，监测立柱通过螺钉安装于预埋件顶部，支撑架安装于监测立柱一侧，太阳能板安装于支撑架顶部，控制箱体安装于监测立柱一侧，避雷装置安装于监测立柱上侧，gnss监测主机安装于监测立柱顶部，电池组件埋设于工作层内部，智能振
动监测组件埋设于工作层内部。
10.优选的，电池组件包含有：地埋箱、蓄电池以及两个排线管；
11.地埋箱埋设于工作层内部，蓄电池安装于地埋箱内部，两个排线管一端与蓄电池连接，另一端贯穿地埋箱壁面，分别与立柱内部以及智能振动监测组件连接。
12.优选的，智能振动监测组件包含有：套管、智能测斜仪、震动传感器以及管接头；
13.套管埋设于工作层内部，智能测斜仪和震动传感器安装于套管内部，管接头安装于套管顶部，并且智能测斜仪与管接头之间采用螺丝固定后涂胶填缝密封，然后包上土工布进行防泥沙处理。
14.优选的，监测立柱上侧安装于雨量计，可以对悬顶采空区附近的降雨量数据进行收集。
15.优选的，控制箱体内部设有太阳能控制器、温度传感器以及远程监控器，可以对悬顶采空区附近的温度、影像信息进行收集，同时对太阳能板的充放电进行控制。
16.优选的，采用钻探机对工作层进行钻孔，并采用岩芯管冲击法干钻，在钻孔结束后，将套管放入到钻孔内部，在套管安装结束后既可进行回填，回填一般用膨润土球或原土沙。
17.有益效果
18.本实用新型提供了大面积悬顶采空区智能监测预警设备，具备以下有益效果：该智能监测预警设备专门为大面积悬顶采空区监测预警服务，同时为后期的调查评价、勘查和施工设计提供技术依据，具有以下优点：
19.(1)本技术方案能有效反映出灾害体的变化情况；
20.(2)本技术方案能精确、准确的反映出灾害体整体的动态变化过程；
21.(3)本技术方案具备长期使用条件；
22.(4)灾害体的监测网络布设应重点监控主变形区的变形方式和变形趋势，同时兼顾整个潜在变形区的稳定情况；
23.(5)全面与重点相结合、控制性监测与重点区段监测相结合、传统监测手段与精密监测技术相结合；
24.(6)监控方法既要切实真实地反映灾害整体动态变化，又要考虑仪器维护方便和节省投资；
25.(7)监测仪器应与治理区所处环境相适应，抗干扰强，灵敏度高。
附图说明
26.图1为本实用新型所述大面积悬顶采空区智能监测预警设备的整体结构示意图。
27.图2为本实用新型所述大面积悬顶采空区智能监测预警设备的主视结构示意图。
28.图3为本实用新型所述大面积悬顶采空区智能监测预警设备的智能振动测斜仪整体结构示意图。
29.图中：1、工作层，2、预埋件，3、监测立柱，4、支撑架，5、太阳能板，6、控制箱体，7、避雷装置，8、gnss监测主机，9、地埋箱，10、蓄电池，11、排线管，12、套管，13、振动测斜仪，14、管接头，15、雨量计。
具体实施方式
30.基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
31.请参阅图1-3，实施例：大面积悬顶采空区智能监测预警设备，包括工作层1，工作层1顶部安装有监测预警结构；
32.需要说明的是，在使用过程中，监测预警结构用于对监测体水平、垂直两个方向的位移进行监测，能够很好地分析监测体的位移变形趋势，做到预防、预警的目的以及三维空间内进行全方位倾角测量和振动(频率、振幅)测量，实现了对煤矿中大面积悬顶采空区进行实时监测，在发生危险时，可以操作人员进行发出预警，具有能有效反映出灾害体的变化情况等优点；
33.在具体实施过程中，监测预警结构包含有：预埋件2、监测立柱3、支撑架4、太阳能板5、控制箱体6、避雷装置7、gnss监测主机8、电池组件以及智能振动监测组件；
34.预埋件2埋设于工作层1内部，监测立柱3通过螺钉安装于预埋件2顶部，支撑架4安装于监测立柱3一侧，太阳能板5安装于支撑架4顶部，控制箱体6安装于监测立柱3一侧，避雷装置7安装于监测立柱3上侧，gnss监测主机8安装于监测立柱3顶部，电池组件埋设于工作层1内部，智能振动监测组件埋设于工作层1内部；
35.需要说明的是，gnss监测主机8利用gnss技术，连续、自动、实时地采集被监测体的监测数据，通过通信链路发送给数据处理中心进行高精度数据处理与分析，再将数据结果上传至web服务器，使用户可通过电脑、手机等终端随时随地了解被监测体的实时形变情况，并且，gnss监测主机8应远离大功率无线电发射源(如高压电线、移动信号塔电台、微波站)其距离不小于200m，监测立柱3采用直径不小于140mm直径镀锌钢管，线路走线在监测立柱3内部实现，预埋件2可以对装置整体进行支撑，支撑架4可以对太阳能板5进行支撑，并且太阳能板5通过监测立柱3内部走线与电池组件内部连接，操作人员可以远程通过控制箱体6内部的太阳能控制器对太阳能板5的充放电进行控制，避雷装置7可以对gnss监测主机8、雨量计15以及控制箱体6进行保护，防止以上零件受到雷击而发生损坏，同时，避雷装置7采用长40～60cm，直径10mm的圆钢，顶端磨尖做防腐处理后，避雷装置7安装在立杆顶端上，用铜绞线作为引下线，接地电阻要小于10ω，接牢并做好防腐处理，电池组件可以将太阳能板5产生电能尽心储存，并可以同时为gnss监测主机8以及智能振动监测组件提供电能，智能振动监测组件可以对三维空间内进行全方位倾角测量和振动(频率、振幅)测量，并可以将采样频率上传至平台端，实现了对矿中大面积悬顶采空区进行实时监测，在发生危险时，可以操作人员进行发出预警。
36.在具体实施过程中，进一步的，电池组件包含有：地埋箱9、蓄电池10以及两个排线管11；
37.地埋箱9埋设于工作层1内部，蓄电池10安装于地埋箱9内部，两个排线管11一端与蓄电池10连接，另一端贯穿地埋箱9壁面，分别与立柱内部以及智能振动监测组件连接；
38.需要说明的是，蓄电池10采用
磷酸铁锂高性能电池，一般都是采用地埋的方式进行安装，可以防止蓄电池10受到太阳的暴晒，减少蓄电池10的寿命，并且地埋箱9防护等级为ip68，地埋箱9顶部设有透气孔，同时蓄电池10与gnss监测主机8以及智能振动监测组件连接的线路通过排线管11进行排线。
39.在具体实施过程中，进一步的，智能振动监测组件包含有：套管12、振动测斜仪13以及管接头14；
40.套管12埋设于工作层1内部，振动测斜仪13安装于套管12内部，管接头14安装于套管12顶部，并且振动测斜仪13与管接头14之间采用螺丝固定后涂胶填缝密封，然后包上土工布进行防泥沙处理；
41.需要说明的是，首先采用钻探机对工作层1进行钻孔，并采用岩芯管冲击法干钻，在钻孔结束后，将套管12放入到钻孔内部，在套管12安装结束后既可进行回填，回填一般用膨润土球或原土沙，实现对振动测斜仪13的安装，振动测斜仪13可以实时对三维空间内进行全方位倾角测量和振动(频率、振幅)测量，并可以将采样频率上传至平台端。
42.在具体实施过程中，进一步的，监测立柱3上侧安装于雨量计15，可以对悬顶采空区附近的降雨量数据进行收集。
43.在具体实施过程中，进一步的，控制箱体6内部设有太阳能控制器、温度传感器以及远程监控器，可以对悬顶采空区附近的温度、影像信息进行收集，同时对太阳能板5的充放电进行控制。
44.在具体实施过程中，进一步的，采用钻探机对工作层1进行钻孔，并采用岩芯管冲击法干钻，在钻孔结束后，将套管12放入到钻孔内部，在套管12安装结束后既可进行回填，回填一般用膨润土球或原土沙。
45.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。技术特征：
1.大面积悬顶采空区智能监测预警设备，包括工作层，其特征在于，工作层顶部安装有监测预警结构；监测预警结构包含有：预埋件、监测立柱、支撑架、太阳能板、控制箱体、避雷装置、gnss监测主机、电池组件以及智能振动监测组件；预埋件埋设于工作层内部，监测立柱通过螺钉安装于预埋件顶部，支撑架安装于监测立柱一侧，太阳能板安装于支撑架顶部，控制箱体安装于监测立柱一侧，避雷装置安装于监测立柱上侧，gnss监测主机安装于监测立柱顶部，电池组件埋设于工作层内部，智能振动监测组件埋设于工作层内部。2.根据权利要求1所述的大面积悬顶采空区智能监测预警设备，其特征在于，电池组件包含有：地埋箱、蓄电池以及两个排线管；地埋箱埋设于工作层内部，蓄电池安装于地埋箱内部，两个排线管一端与蓄电池连接，另一端贯穿地埋箱壁面，分别与立柱内部以及智能振动监测组件连接。3.根据权利要求1所述的大面积悬顶采空区智能监测预警设备，其特征在于，智能振动监测组件包含有：套管、智能测斜仪、震动传感器以及管接头；套管埋设于工作层内部，振动测斜仪安装于套管内部，管接头安装于套管顶部，并且振动测斜仪与管接头之间采用螺丝固定后涂胶填缝密封，然后包上土工布进行防泥沙处理。4.根据权利要求1所述的大面积悬顶采空区智能监测预警设备，其特征在于，监测立柱上侧安装于雨量计，可以对悬顶采空区附近的降雨量数据进行收集。5.根据权利要求1所述的大面积悬顶采空区智能监测预警设备，其特征在于，控制箱体内部设有太阳能控制器、温度传感器以及远程监控器，可以对悬顶采空区附近的温度、影像信息进行收集，同时对太阳能板的充放电进行控制。6.根据权利要求3所述的大面积悬顶采空区智能监测预警设备，其特征在于，采用钻探机对工作层进行钻孔，并采用岩芯管冲击法干钻，在钻孔结束后，将套管放入到钻孔内部，在套管安装结束后既可进行回填，回填一般用膨润土球或原土沙。
技术总结
本实用新型公开了大面积悬顶采空区智能监测预警设备，包括工作层，工作层顶部安装有监测预警结构；监测预警结构包含有：预埋件、监测立柱、支撑架、太阳能板、控制箱体、避雷装置、GNSS监测主机、电池组件以及智能振动监测组件，本实用新型涉及煤矿开采安全监测技术领域，本案的有益效果为：能有效反映出大面积悬顶采空区岩体或煤体的变化情况，能精确、准确的反映出灾害体整体的动态变化过程，具备长期使用条件，灾害体的监测网络布设应重点监控主变形区的变形方式和变形趋势，同时兼顾整个潜在变形区的稳定情况，监测仪器应与治理区所处环境相适应，抗干扰强，灵敏度高等优点。灵敏度高等优点。灵敏度高等优点。
技术研发人员：吕远强 杨军 曹冬冬 高瑞强 杨晓军
受保护的技术使用者：中煤西安设计工程有限责任公司
技术研发日：2021.10.29
技术公布日：2022/4/13
声明：
“大面积悬顶采空区智能监测预警设备的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中煤西安设计工程有限责任公司
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2024年08月01日 ~ 03日 
