何 磊(中國華冶科工集團(tuán)有限公司, 北京 101760)
傳統(tǒng)豎井施工普遍依靠經(jīng)驗(yàn),隨著豎井深度的增加,許多未知的困難和問題將不斷出現(xiàn),尤其是厚沖積層和高地應(yīng)力,在很難詳細(xì)掌握工程地質(zhì)及水文地質(zhì)的情況下,應(yīng)用信息化施工保障安全是必然的發(fā)展趨勢[1]。國內(nèi)外眾多立井施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:對施工過程中的井壁安全、吊桶運(yùn)行信息、施工實(shí)時信息等問題的及時掌握,是保證安全高效施工的基礎(chǔ)。完整的信息化豎井施工技術(shù)應(yīng)由鑿井全過程的監(jiān)控系統(tǒng)、井壁安全監(jiān)測系統(tǒng)、提升系統(tǒng)運(yùn)行安全監(jiān)測、工作面環(huán)境狀況監(jiān)測等系統(tǒng)組成。我國豎井施工信息化施工尚處于起步階段,目前尚無真正應(yīng)用完整的信息化施工的豎井工程。井筒安全監(jiān)測技術(shù)在我國的煤炭礦山應(yīng)用較多,也多在完成施工的豎井中應(yīng)用[2],目前還沒有超千米的井筒在鑿井期間進(jìn)行井壁監(jiān)測的報道。遼寧省本溪思山嶺鐵礦副井原設(shè)計(jì)井深1 503.9m,凈直徑10m,掘進(jìn)荒徑11.2m,為國內(nèi)井筒直徑10m以上的最深豎井,通過對施工環(huán)節(jié)各重要部位及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施能保障豎井施工安全,為超深豎井施工技術(shù)的優(yōu)化提供經(jīng)驗(yàn)。
由于目前定型的鑿井井架均不能適用思山嶺鐵礦副井工程[3],為保障超大超深豎井鑿井井架在施工過程中的安全性,基于電阻應(yīng)變量測的基本原理,采用DATATAKER測試系統(tǒng),對其關(guān)鍵構(gòu)件受力情況進(jìn)行測試,隨井筒深度不斷增加研究受力狀態(tài)的變化。井架關(guān)鍵構(gòu)件測點(diǎn)現(xiàn)場布置及數(shù)據(jù)采集儀系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 井架正常工況下荷載監(jiān)測
隨著豎井的施工,獲取了不同深度井架受力與變形的數(shù)據(jù)。以天輪平臺梁為例,其在40m、143m、223m、518m、762m和1 000m 6種鑿井深度工況現(xiàn)場井架天輪平臺梁工作狀態(tài)實(shí)測分析應(yīng)力變化曲線,如圖2所示。
圖2 天輪平臺梁不同工況實(shí)測應(yīng)力
分析數(shù)據(jù)可知,隨著鑿井深度的增大,四根天輪平臺梁的井架現(xiàn)場工作狀態(tài)實(shí)測分析應(yīng)力基本上呈線性增長。在鑿井深度1 000m工況時,天輪平臺邊梁的測點(diǎn)L08工作狀態(tài)實(shí)測分析計(jì)算的最大應(yīng)力為35.3MPa,遠(yuǎn)小于Q345鋼材的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度310MPa、比例極限σp和臨界應(yīng)力278.18MPa,說明在1 000m鑿井深度范圍內(nèi)的正常工作狀態(tài)天輪平臺梁符合設(shè)計(jì)要求、處于彈性受力階段且都不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。
通過井架應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)的監(jiān)測,新型鑿井井架關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力與應(yīng)變均被準(zhǔn)確監(jiān)測,保障了井架工作安全。
為掌握井筒深部地壓顯現(xiàn)特征及保障井壁安全,防止巖爆等災(zāi)害對施工安全構(gòu)成威脅,建立了鑿井期間井壁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。其方案是通過在井壁后埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì),在襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋上布置應(yīng)力計(jì)以實(shí)現(xiàn)井壁應(yīng)力監(jiān)測,數(shù)據(jù)采集應(yīng)用無線傳輸方式。井筒圍巖應(yīng)變監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)主要由鋼筋應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀及數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)組成。-602m水平為第一個監(jiān)測布置點(diǎn),井筒向下每60m布置一個監(jiān)測點(diǎn)。每一個監(jiān)測點(diǎn)布置2個多點(diǎn)位移計(jì)和2個應(yīng)力計(jì)。多點(diǎn)位移計(jì)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)如圖3所示。
圖3 多點(diǎn)位移計(jì)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)
在馬頭門襯砌完成后,將傳感器電纜鑿出后連接到JM3850采集儀上,為不影響井筒施工,將采集儀安放在馬頭門里。查找平衡后,設(shè)置離線采集頻率一天采集一次,采集方式為單次采集,最高采集次數(shù)1 000次。-782m馬頭門處共安裝個兩個多點(diǎn)位移計(jì)和兩個測力計(jì),單個多點(diǎn)位移計(jì)3個測點(diǎn)對應(yīng)3個通道,單個測力計(jì)1個通道,共需8個通道,配備一臺JM3850采集儀即可。-782m馬頭門的位移監(jiān)測結(jié)果如圖4、圖5所示。
圖4 -782m馬頭門多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果
圖5 -782m馬頭門多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測結(jié)果
在近井壁表面變形最大,沿徑向向深部其位移變化逐漸減小,但其位移變形0.9mm后,其井筒圍巖變形逐漸減小直至其變形保持穩(wěn)定。在應(yīng)變監(jiān)測初期,其應(yīng)變在初始監(jiān)測階段隨時間變化其應(yīng)變變化大,其應(yīng)變變化速率較大,隨著時間的變化其應(yīng)變變化速率逐漸減小,直至圍巖趨于穩(wěn)定。
在-782m馬頭門的最大和最小主應(yīng)力方向安裝4個錨桿測力計(jì),其監(jiān)測結(jié)果如圖6、圖7所示。
圖6 馬頭門錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)
圖7 -782m馬頭門錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)
從圖6與圖7圍巖受力變化形式上看,其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向襯砌層徑向應(yīng)力變化趨勢基本相同,在井筒開挖后襯砌應(yīng)力逐漸增大并趨于穩(wěn)定,監(jiān)測數(shù)據(jù)表明襯砌圍巖再度平衡后襯砌層的徑向應(yīng)力大約為1.6kN,相對于混凝土的強(qiáng)度很小,說明600mm混凝土的井壁結(jié)構(gòu)是合理可行的,足以保證井壁圍巖的穩(wěn)定。
目前的鑿井工藝中,豎井施工所需的風(fēng)水管路及吊盤均通過穩(wěn)車鋼絲繩懸吊,鋼絲繩受力均衡至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)對懸吊鋼絲繩受力情況的實(shí)時監(jiān)測,研發(fā)了鋼絲繩張緊力在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案為整個系統(tǒng)由上位機(jī)(主機(jī))和下位機(jī)(監(jiān)控節(jié)點(diǎn))兩個部分組成,系統(tǒng)采用總線式結(jié)構(gòu),依據(jù)MODBUS通信協(xié)議而建設(shè)。懸吊吊盤的每根鋼絲繩都需配備一個監(jiān)控節(jié)點(diǎn),而各個分站節(jié)點(diǎn)時刻測量并存儲鋼絲繩拉力和入井深度,得到上位機(jī)的命令后,立刻向總線回傳測量數(shù)據(jù),完成整個監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)??傁到y(tǒng)框架如圖8所示。
圖8 總系統(tǒng)框圖
思山嶺鐵礦副井施工采用10臺25t穩(wěn)車提升吊盤,為保障每條鋼絲繩張緊力實(shí)時監(jiān)測,提供全面的數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)一套包含10組傳感器的吊盤鋼絲繩張緊力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用的壓力傳感器根據(jù)井架天輪平臺安裝的天輪軸承座尺寸進(jìn)行定做。天輪軸承座兩側(cè)的壓力傳感器對稱布置,采用高強(qiáng)螺栓固定,在受水平拉力方向焊接鑄鋼塊,減小水平拉力對軸承座的影響。旋轉(zhuǎn)編碼器通過齒輪、鏈條與天輪軸連接,從而實(shí)現(xiàn)鋼絲繩入井深度的計(jì)數(shù)。安裝完成的壓力傳感器及旋轉(zhuǎn)編碼器如圖9所示。
圖9 已安裝完成的壓力傳感器與終端顯示
鋼絲繩張力實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對鋼絲繩受力狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控,當(dāng)?shù)醣P起降時可及時獲知鋼絲繩張力值,避免出現(xiàn)個別鋼絲繩長時間處于過載狀態(tài)。使得吊盤提升20m用時不超過15min,較傳統(tǒng)吊盤提升節(jié)省用時1h以上,節(jié)約了工期,創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,有力保障了豎井施工懸吊系統(tǒng)的安全,為今后大直徑井筒的施工提供了參考。
隨著井筒深度的增加,吊桶在提升運(yùn)行過程中擺動幅度有增加趨勢,吊桶碰撞井壁等構(gòu)筑物的風(fēng)險增加。為監(jiān)測吊桶運(yùn)行擺動,把握超深豎井提升運(yùn)行規(guī)律,設(shè)計(jì)了一套基于激光位移傳感器和動態(tài)信號采集系統(tǒng)的提升吊桶運(yùn)行擺動測試系統(tǒng)方案。測試方案中通過在吊桶運(yùn)行滑架下方增設(shè)特殊設(shè)計(jì)的設(shè)備平臺,將激光位移傳感器等測試系統(tǒng)元件布置在設(shè)備平臺上,具體如圖10所示,現(xiàn)場實(shí)測測點(diǎn)(設(shè)備布置平臺上激光位移傳感器組)通過信號電纜與動態(tài)信號采集儀和PC機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸。
根據(jù)激光位移傳感器反饋,可獲得兩組吊桶運(yùn)行過程中滑架上固定點(diǎn)與井壁混凝土表面的實(shí)時相對位移數(shù)據(jù),利用數(shù)學(xué)關(guān)系即可獲得吊桶運(yùn)行過程中的橫向擺動量,這里假定托架的橫向擺動與吊桶相一致。由于方案中激光位移傳感器是以吊桶相對井壁的相對位移作為計(jì)算吊桶橫向擺動量的依據(jù),實(shí)際測試中應(yīng)盡量避免井筒內(nèi)壁上的結(jié)構(gòu)物或設(shè)備可能造成的干擾,同時在檢測數(shù)據(jù)處理時過濾掉失真數(shù)據(jù)。此外,在設(shè)備平臺下方安設(shè)了一部攝像機(jī),全程記錄吊桶升降過程,通過在吊桶不同位置布置反光測點(diǎn),后期通過數(shù)字圖像處理技術(shù),可以獲得吊桶相對滑架的擺動位移,對激光測距傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后可以準(zhǔn)確獲得提升吊桶的擺動數(shù)據(jù),同時作為輔助視頻信息有助于后期的測試數(shù)據(jù)處理。
圖10 吊桶運(yùn)行擺動監(jiān)測系統(tǒng)
利用設(shè)計(jì)的吊桶擺動測試系統(tǒng),進(jìn)行了-800m水平提升吊桶擺動的現(xiàn)場實(shí)測,獲得了不同吊桶裝載狀態(tài)及兩種提升速度下的吊桶擺動位移和豎向振動數(shù)據(jù),變化曲線如圖11所示。通過數(shù)據(jù)的初步整理分析表明:在測試條件下吊桶升降過程中一直處于頻率0.4~0.6Hz的豎向振動狀態(tài),其橫向擺動位移較小,最大擺動幅值約10cm。
圖11 不同裝載狀態(tài)下吊桶提升豎向加速度變化曲線
通過對測試數(shù)據(jù)的分析,得出:在測試條件下吊桶升降過程中一直處于頻率0.4~0.6Hz的豎向振動狀態(tài),其橫向擺動位移較小,最大擺動幅值約10cm。吊桶的橫向擺動位移隨著裝載重量、提升速度的增加而呈增加趨勢。吊桶運(yùn)行過程的擺幅數(shù)據(jù)為1500m以上深度豎井施工新標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了重要依據(jù)。
通過對大直徑超深豎井施工信息化安全保障體系的構(gòu)建與應(yīng)用實(shí)踐,得出以下結(jié)論:
(1)由井架載荷監(jiān)測系統(tǒng)、井壁應(yīng)力應(yīng)變無線監(jiān)測系統(tǒng)、鋼絲繩張緊力監(jiān)測系統(tǒng)及吊桶運(yùn)行擺動監(jiān)測構(gòu)成的鑿井信息化安全保障系統(tǒng)具有可行性,較傳統(tǒng)技術(shù)可明顯降低安全風(fēng)險,實(shí)現(xiàn)豎井的安全高效施工。
(2)鋼絲繩張緊力監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鑿井懸吊系統(tǒng)鋼絲繩張緊力實(shí)時監(jiān)測,在吊盤升降過程中可防止個別鋼絲繩長時間過載,吊盤提升時間減少了3/4。
(3)思山嶺鐵礦副井施工吊桶升降過程中一直處于頻率0.4~0.6Hz的豎向振動狀態(tài),其橫向擺動位移較小,最大擺動幅值約10cm。吊桶的橫向擺動位移隨著裝載重量、提升速度的增加而呈增加趨勢。