郎 琦

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100013

2煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013

20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，我國(guó)黃淮地區(qū)近 100 個(gè)井筒發(fā)生破壞，給礦山安全生產(chǎn)造成極大威脅。井筒發(fā)生破壞的原因有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、施工質(zhì)量、地震和豎向附加應(yīng)力等各種假說(shuō)，目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為豎向附加應(yīng)力是井筒破壞的主要原因，即礦山開(kāi)采引起井筒周?chē)硗翆邮杷两?，從而產(chǎn)生附加在井筒上的豎向摩擦力，當(dāng)井壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足以抵抗該摩擦力時(shí)，井筒發(fā)生破壞[1-3]。對(duì)井筒的監(jiān)測(cè)方法主要有人工巡檢、機(jī)器人巡檢、激光指向儀測(cè)位移、懸繩測(cè)位移、傾角傳感器測(cè)位移、基于傳感器的井筒結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于視頻技術(shù)的井筒設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等[4-5]。其中基于傳感器的井筒結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于其可以實(shí)時(shí)自動(dòng)采集和分析數(shù)據(jù)，減少了人工工作量，在國(guó)內(nèi)外受到廣泛應(yīng)用[6-7]。目前，在井筒結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中廣泛采用預(yù)埋或后植入電阻式或光柵式應(yīng)變傳感器，但只能監(jiān)測(cè)到局部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，筆者提出了采用傾角傳感器測(cè)量井筒偏斜量，結(jié)合光纖光柵應(yīng)變傳感器測(cè)量井筒結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的井筒安全監(jiān)測(cè)方法，并在張集煤礦主立井進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。

張集煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 120 萬(wàn) t/a，服務(wù)年限為 50.1 a。主井凈直徑為 5.5 m，設(shè)計(jì)深度為 655 m，其中表土段為 452 m。井筒掘進(jìn)采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度為 583 m，是典型的厚表土薄基巖類(lèi)型。礦井投產(chǎn)后地面水位下降明顯，初步分析存在較大豎向附加應(yīng)力。附近相似地質(zhì)條件的井筒多處發(fā)生破壞或偏斜，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井筒安全狀態(tài)，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，確保井筒長(zhǎng)期安全穩(wěn)定，杜絕重大安全事故的發(fā)生，開(kāi)展了張集煤礦主井井筒安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

沿井筒內(nèi)壁設(shè)置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)井壁的豎向和環(huán)向應(yīng)變，分析監(jiān)測(cè)井壁混凝土的應(yīng)力情況，掌握井壁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。采用本安型雙軸傾角傳感器監(jiān)測(cè)井筒垂直和水平方向偏斜量，將井筒假定為一段固定的簡(jiǎn)支梁，選取基巖段布置基準(zhǔn)點(diǎn)，表土段布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝傾角傳感器，通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)校驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的偏斜量。當(dāng)井筒表土段發(fā)生偏斜時(shí)，通過(guò)傾角傳感器測(cè)得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傾角，最后通過(guò)最小二乘法或線性擬合得到整個(gè)井筒測(cè)量段的偏斜曲線。應(yīng)變傳感器和傾角傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線和電源線連接到地面監(jiān)測(cè)站的采集分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)和實(shí)時(shí)采集分析。立井井筒安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。

圖1 立井井筒安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of shaft safety monitoring system

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

張集煤礦主井凍結(jié)段為雙層井壁結(jié)構(gòu)，變直徑變強(qiáng)度設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如表 1 所列。分析井壁設(shè)計(jì)特點(diǎn)可知，在變截面位置會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，每個(gè)變截面最下端為本截面井筒的最大受力斷面[8-9]，應(yīng)在此處布設(shè)。為了安裝方便，光纖光柵應(yīng)變傳感器和傾角傳感器布置在一個(gè)層位監(jiān)測(cè)斷面。沿井筒軸向共設(shè)置 7 個(gè)水平監(jiān)測(cè)層位，分別在 -100、-160、-240、-290、-330、-420 和 -460 m 表土段層位布置光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)和傾角傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在 -10 m 層位增加傾角傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在 -560 m 基巖層位增加傾角傳感器基準(zhǔn)點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)測(cè)層位設(shè)置 5 個(gè)光纖光柵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在豎向和環(huán)向各布置 1 個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，每個(gè)傾角傳感器層位在東西南北 4 個(gè)方位各布置 1 個(gè)傾角傳感器，共計(jì) 70 個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和 36 個(gè)傾角傳感器，如圖 2 所示。

表1 主井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of main shaft wall

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of monitoring points

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝的主要工作內(nèi)容包括元件標(biāo)定、外殼加工、電纜光纜下放、元件埋設(shè)、元件布線、接線盒安裝、密封保護(hù)和地面采集系統(tǒng)安裝等。每個(gè)監(jiān)測(cè)層位的光纖光柵應(yīng)變傳感器和傾角傳感器分別串聯(lián)形成 2 條獨(dú)立的線路，然后將每條線路的連接引入保護(hù)盒中，接入傳輸主光纜，其中保護(hù)盒安裝在立井梯子間主光纜附近。光纖光柵應(yīng)變傳感器采用的主光纜為16 芯光纜，能滿足 100 個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器的正常采集工作。傾角傳感器技術(shù)參數(shù)為：分辨率 0.001°，滿量程精度±0.005°，溫漂 0.001°/℃，防護(hù)等級(jí)IP67，能夠在 -30～85 ℃ 環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

安裝步驟如下：

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)量程對(duì)所有埋設(shè)的傳感器進(jìn)行物理量標(biāo)定，并確定溫度補(bǔ)償系數(shù)[10-11]。

(2)埋點(diǎn)前的準(zhǔn)備工作

①繪制各監(jiān)測(cè)層位傳感器的埋設(shè)布置圖及表項(xiàng)。

②根據(jù)埋設(shè)截面的尺寸及位置進(jìn)行傳感器的串接。

③對(duì)串接好的傳感器進(jìn)行標(biāo)號(hào)記錄。

④制作預(yù)埋設(shè)光纜接線盒的保護(hù)木框。

(3)光纖光柵應(yīng)變傳感器的安裝

①將應(yīng)變傳感器的兩端尾纜與連接光纜熔接，熔接頭穿管保護(hù)(在確定了 2 個(gè)傳感器具體安裝位置后，即獲知了 2 個(gè)傳感器連接光纜的長(zhǎng)度，這部分工作可以在井上進(jìn)行，以縮短在井下的工作時(shí)間)。

②待一個(gè)鏈路的所有傳感器全部連接完成后，記錄各傳感器所對(duì)應(yīng)的安裝位置，并用儀器對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)定，記下傳感器安裝后的原始數(shù)據(jù)，然后將傳感器串的連接光纜放入預(yù)埋設(shè)的光纜接線盒中。

(4)光纜接線盒的埋設(shè)

①光纜接線盒埋設(shè)在立井井壁梯子間及通信電纜架附近，以便日后維護(hù)修理。

②光纜接線盒的正面朝向井筒內(nèi)壁，四周釘木框加以保護(hù)。

3 數(shù)據(jù)采集及分析

2018 年10 月6 日安裝完成，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，采集頻率為每小時(shí) 1 次。截至 2020 年 6 月，采集光纖光柵應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)近 100 萬(wàn)份，傾角傳感器數(shù)據(jù)近50 萬(wàn)份。以 6 號(hào)層位北向傾角傳感器每月 10 日采集數(shù)據(jù)為例，與同時(shí)段基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)差值后進(jìn)行線性擬合分析[12]，如圖 3 所示。從圖 3 可以看到：x軸和y軸傾角差值擬合后線性平緩，在 0.001°～0.005°之間波動(dòng)，屬于誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明目前張集礦主井井筒無(wú)明顯偏斜。

圖3 6 號(hào)層位北向傾角傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)與差值擬合曲線Fig.3 Curves of measured data and difference fitting of tilt angle sensor in north of level six

4 結(jié)論

筆者提出的采用傾角傳感器進(jìn)行井筒偏斜監(jiān)測(cè)，結(jié)合光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)井壁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對(duì)于深厚表土層覆蓋的立井井筒進(jìn)行全壽命周期的安全監(jiān)測(cè)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。通過(guò)受力分析和經(jīng)驗(yàn)合理選取監(jiān)測(cè)層位，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更具有代表性和科學(xué)性。此外，在既有井筒中安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防護(hù)方法還可為類(lèi)似礦山的井筒安裝施工提供參考。