超深立井安全高效施工信息化監(jiān)測監(jiān)控

沈慰安，梁恒昌，趙光思

(1．中煤第五建設(shè)有限公司，江蘇徐州 221000;2．中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221008)

1 前言

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國深部資源開采問題日益突出，特別是20世紀(jì)90年代中期以來，深井建設(shè)的平均深度有加速增長的趨勢，進入21世紀(jì)，開始了千米井的興建。立井井筒工程是礦井建設(shè)的關(guān)鍵工程，施工安全問題隨著井筒的加深變得更為重要，同時立井的井壁安全是保證施工及長期運營安全的基礎(chǔ)［1～4］。目前井深超過700 m的井筒已占1/3以上，但深部礦產(chǎn)資源開發(fā)利用難度大、風(fēng)險高，由此引發(fā)一系列關(guān)鍵問題急待解決。對于眾多技術(shù)難題的反饋信息，都要通過監(jiān)測監(jiān)控等信息化技術(shù)實現(xiàn)，因此掌握深立井建設(shè)的信息化施工成為解決技術(shù)難題并反饋信息的首要條件，國內(nèi)外眾多立井施工的實踐經(jīng)驗表明:對施工過程中的井壁安全、吊桶運行信息、施工實時信息等問題的及時掌握，是保證安全高效施工的基礎(chǔ)［5，6］。

信息化施工是將施工中各種數(shù)據(jù)進行定時檢測，特別是與施工安全有關(guān)的測試數(shù)據(jù)，凡是測試數(shù)據(jù)接近或超過規(guī)范要求的應(yīng)及時報警，提醒施工人員采取有效技術(shù)措施來預(yù)防重大事故發(fā)生。超深立井的建設(shè)處于起步階段，還存在很多需要研究的地方，施工中經(jīng)常會受到一些不確定因素的制約，往往存在潛在的危險，這時信息化施工就非常必要。同時信息化施工的數(shù)據(jù)為煤礦立井建設(shè)提供詳實的數(shù)據(jù)經(jīng)驗，從而為施工技術(shù)的進一步發(fā)展提供了依據(jù)和保障［7，8］。

文章從深立井建設(shè)的實際情況出發(fā)，基于本溪大臺溝鐵礦直徑6．5 m、井深1640 m的超深立井井筒施工背景，分析對井筒施工和安全的重要影響因素，提出相應(yīng)的監(jiān)測、監(jiān)控信息化集成措施，保證井筒施工安全［9～12］。

2 礦井信息化施工概況

信息化施工在其他領(lǐng)域中雖然取得了一些成績，但是在礦井建設(shè)中卻應(yīng)用很少，主要是因為:a．之前的礦井建設(shè)中，沖積層較淺，而且地質(zhì)構(gòu)造并不復(fù)雜，粘土含量不多，可預(yù)計因素較多，憑借幾十年建井經(jīng)驗完全可以應(yīng)付;b．安全意識不夠，安全問題應(yīng)該是一個建筑企業(yè)的首要問題，如果沒有了安全，則不管施工速度有多快，效益有多好，都將失去信譽和市場，尤其是對立井井筒這樣特殊部位的建設(shè)，它是建井工程的“咽喉”，應(yīng)該特別注意;c．技術(shù)力量不夠，沒有專門的研究隊伍提供技術(shù)上的支持。

信息化施工在深凍結(jié)井中的應(yīng)用可以起到如下的一些作用:

1)信息化施工可為加強設(shè)計單位、掘砌施工單位和凍結(jié)施工單位間的配合提供定量依據(jù)。

2)能達到既保證掘進工作面處的凍結(jié)壁和井壁的強度與穩(wěn)定性又不浪費冷量的目的，從而可提高工程施工的經(jīng)濟性和安全性，提高施工的速度。

隨著礦山開采的需求，需要建設(shè)的立井井筒呈現(xiàn)出超長超深的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)許多未知的困難和問題，尤其是厚的沖積層和高的地應(yīng)力，在很難詳細掌握工程地質(zhì)及水文地質(zhì)的情況下，采用信息化施工是非常重要的，也是必須的。

信息化施工的基本原理是，在施工過程中，以控制質(zhì)量為目標(biāo)，通過對大量工程檢測信息的分類、分析與處理，提取施工參數(shù)等影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，通過最有效、最短的途徑不斷進行調(diào)整優(yōu)化，指導(dǎo)施工全過程，同時依據(jù)前一步施工監(jiān)測信息及施工參數(shù)的變化規(guī)律，推斷施工工況及其對施工質(zhì)量的影響與控制，該過程貫穿于整個施工過程，是一個動態(tài)的過程。

3 施工信息化監(jiān)測系統(tǒng)

與現(xiàn)有井深1000 m左右鑿井工程相比，1500～2000 m超深立井鑿井面臨的安全問題更為突出。超深立井鑿井全過程的監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)控設(shè)施，通過攝像系統(tǒng)，激光掃描系統(tǒng)，溫度、應(yīng)力、位移傳感器，視頻顯示等裝備，實現(xiàn)對超深立井鑿井全過程的監(jiān)測與控制，內(nèi)容包括井筒工作面施工現(xiàn)狀、工作面溫度狀況、提升容器的運行狀況，吊盤受力及運行狀態(tài)，鑿巖、抓巖、砌壁、排水設(shè)備性能狀態(tài)及運行過程，以及輔助施工設(shè)備、裝置安全性能的監(jiān)控與分析。在吊盤和井上調(diào)度室實現(xiàn)并行檢測與控制。

3．1 鑿井全過程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用光纖通訊技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)和多媒體計算機等高新技術(shù)，對重要設(shè)備、礦井人員出入井口、存在安全隱患的地點、井下工作面、裝卸礦點等地點進行實時的視頻監(jiān)控。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由4部分組成:

1)前端攝像設(shè)備，包括攝像機、云臺、防護罩、電源、光發(fā)射機等，負責(zé)采集監(jiān)控點的圖像信號。

2)視頻控制設(shè)備，主要由光接收器、視頻矩陣控制切換主機、云臺控制器等組成，完成視頻圖像的接收與處理，遙控云臺的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)鏡頭焦距的變化以及各種輸出信息的控制。

3)光纖傳輸設(shè)備，用于遠距離傳輸圖像信號?？紤]到礦山工業(yè)場所分布距離遠，井下環(huán)境惡劣，采用光纖傳輸。光纖具有不受電磁干擾，抗化學(xué)腐蝕，傳輸距離長，通訊容量大，信號損耗低等突出優(yōu)點，符合礦山視頻監(jiān)控信號傳輸特點和要求。

4)視頻輸出設(shè)備，主要包括監(jiān)視器、電視墻、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機等。用于顯示監(jiān)控圖像和保存圖像記錄。

視頻控制設(shè)備和輸出設(shè)備安裝在生產(chǎn)調(diào)度中心，該系統(tǒng)還支持網(wǎng)絡(luò)分控。將網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機接入礦山局域網(wǎng)后，登陸系統(tǒng)的用戶可通過瀏覽器遠程控制監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)建成后，通過監(jiān)控重要設(shè)備運行情況和主要場所的工作情況，管理層能全面、快速掌握生產(chǎn)情況，及時發(fā)現(xiàn)各種違章違紀(jì)，減少事故的發(fā)生;減輕保衛(wèi)人員工作量;通過回放硬盤錄像機的錄像，能為分析事故原因和明確責(zé)任提供證據(jù)。

3．2 吊盤關(guān)鍵點荷載監(jiān)控系統(tǒng)

立井施工時，需要在井內(nèi)設(shè)置一系列的鑿井工作盤。如封口盤、固定盤、吊盤、穩(wěn)繩盤及其他特殊用途的作業(yè)盤等。

鑿井吊盤通常隨著井筒掘進工作面的向下推進而不斷下放，因此吊盤一般采用鋼絲繩進行懸吊，懸吊方式可采用單繩單絞車、雙繩雙絞車和多繩多絞車等方式;隨著超深立井的興建，立井井筒施工中，掘進工作面隨著井筒深度變化而不斷下移，無繩邁步式行走吊盤吊掛技術(shù)顯示出了其特有的優(yōu)越性。

基于目前吊盤懸吊技術(shù)的現(xiàn)狀，超深立井鑿井施工吊盤的結(jié)構(gòu)形式主要考慮兩種，一是采用地面絞車懸吊，二是井內(nèi)無絞車吊掛。無論采用哪種結(jié)構(gòu)，鑒于超深立井施工條件下穩(wěn)繩張緊力的需要，吊盤需要采用井壁固定，因此必須對吊盤與井壁的支撐點、吊盤與懸吊鋼絲繩之間等關(guān)鍵部位的荷載和受力進行監(jiān)測。考慮到吊盤采用液壓集成結(jié)構(gòu)，對關(guān)鍵液壓部件的液壓壓力進行監(jiān)測。吊盤關(guān)鍵點荷載監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要由4部分組成:

1)各類荷載傳感器。a．穩(wěn)繩荷載傳感器，研制合適量程和規(guī)格的穩(wěn)繩傳感器，和穩(wěn)繩及吊盤之間有可靠的連接方式，可靠的信號傳輸，實現(xiàn)穩(wěn)繩荷載大小的測試和監(jiān)控。b．基于邁步吊盤的超深立井鑿井設(shè)備吊掛技術(shù)關(guān)鍵部位的荷載監(jiān)測傳感器:實現(xiàn)鑿井關(guān)鍵設(shè)備吊掛荷載的監(jiān)控。c．基于邁步吊盤與井壁接觸荷載的監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)吊盤與井壁接觸荷載大小的測試。d．基于邁步吊盤與井壁接觸點的溫度監(jiān)測傳感器:通過監(jiān)測井壁混凝土溫度變化來反應(yīng)混凝土強度的增長，控制邁步吊盤對井壁荷載的大小。e．液壓集成系統(tǒng)壓力監(jiān)控傳感器:鑿井設(shè)備液壓系統(tǒng)集成系統(tǒng)實現(xiàn)鑿巖設(shè)備、抓巖設(shè)備、伸縮式液壓模板控制、吊盤的固定及行走、穩(wěn)繩張緊力控制等液壓系統(tǒng)的集成管理，并共用液壓源，簡化井內(nèi)設(shè)備布置。需要對各個子系統(tǒng)的液壓壓力進行監(jiān)控，在管理上布置適合量程和規(guī)格的液壓傳感器進行壓力監(jiān)控。f．工作面溫度傳感器:通過激光溫度傳感器測試工作面的溫度狀況。g．鑿井深度監(jiān)測傳感器:通過激光測距等測試傳感器實現(xiàn)鑿井深度的監(jiān)控。

2)信號傳輸電纜及二次儀表:通過信號傳輸電纜及二次儀表轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)現(xiàn)場測量信號和傳輸信號之間的轉(zhuǎn)換和控制。

3)信號傳輸電纜:用于遠距離傳輸測量信號?？紤]到礦山工業(yè)場所分布距離遠，井下環(huán)境惡劣等條件，選用合適可靠的傳輸方式。

4)信號處理及輸出設(shè)備:主要包括計算機系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。實現(xiàn)測試信號的分析和測試數(shù)據(jù)的記錄。

3．3 提升吊桶運行過程監(jiān)測及控制系統(tǒng)

制約超深立井井筒施工發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)是井筒鑿井提升能力的提高及其安全性，以及鑿井施工設(shè)備的吊掛問題。要提高深立井井筒施工的平均速度，必須提高井筒深部的鑿井效率。

吊桶在提升過程中，穩(wěn)繩的長度、提升的速度、穩(wěn)繩的張緊力是影響吊桶運行的關(guān)鍵因素，同樣也是影響吊桶安全運行的關(guān)鍵，因此有必要監(jiān)測一定深度下的吊桶運行擺動幅度，當(dāng)?shù)跬胺瘸^一定量程支護，及時調(diào)整張緊力以改變吊桶運行安全，因此應(yīng)合理考慮吊桶運行監(jiān)測點的布設(shè)。

針對吊桶在某一運行位置的隨機擺動幅度精確監(jiān)測難度比較大，基于目前的監(jiān)測技術(shù)水平，通過布設(shè)監(jiān)控攝像頭并配合數(shù)字照相技術(shù)可實現(xiàn)吊桶擺動幅度的監(jiān)測。因此提升吊桶運行過程監(jiān)測系統(tǒng)考慮以下布置方式:

1)前端攝像設(shè)備及其固定:包括攝像機、云臺、防護罩、電源、光發(fā)射機等，負責(zé)采集監(jiān)控點的圖像信號。

2)視頻控制設(shè)備，主要由光接收器、視頻矩陣控制切換主機、云臺控制器等組成。完成視頻圖像的接收與處理，遙控云臺的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)鏡頭焦距的變化以及各種輸出信息的控制。

3)光纖傳輸設(shè)備，用于遠距離傳輸圖像信號。考慮到礦山工業(yè)場所分布距離遠，井下環(huán)境惡劣，采用光纖傳輸。光纖具有不受電磁干擾，抗化學(xué)腐蝕，傳輸距離長，通訊容量大，信號損耗低等突出優(yōu)點，符合礦山視頻監(jiān)控信號傳輸特點和要求。

4)視頻輸出設(shè)備，主要包括監(jiān)視器、電視墻、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機等，用于顯示監(jiān)控圖像和保存圖像記錄。

5)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，針對監(jiān)控的圖像實施圖像分析，計算吊桶擺動幅度。

6)吊桶張緊力控制系統(tǒng)，通過分析系統(tǒng)，調(diào)整穩(wěn)繩張緊力，實現(xiàn)吊桶運行控制。

為了確保觀測系統(tǒng)長期的穩(wěn)定性和可靠性，監(jiān)測時應(yīng)該采用精度高、抗干擾性強、穩(wěn)定性好的傳感元件進行監(jiān)測，測試二次儀表布置于吊盤合適位置，轉(zhuǎn)換后的信號傳輸至地面監(jiān)控調(diào)度室，形成鑿井全過程視頻、吊盤關(guān)鍵點荷載、提升吊桶運行過程的監(jiān)測及控制系統(tǒng)。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的難點和問題

1)環(huán)境惡劣。礦建過程井下監(jiān)控系統(tǒng)傳感器面臨的工作環(huán)境比較惡劣，傳感器的使用壽命和保護之間存在密切關(guān)系，但保護難度較大，造成傳感器的工作精度、安全度、壽命及成本會產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，監(jiān)測過程應(yīng)充分考慮。

2)維護困難。井下各類傳感器基本采用有線傳輸方式，礦井建設(shè)的過程中難免被粗重的東西砸傷或破損，因此線纜的合理布設(shè)、保護和維修就十分重要。

3)信號紛雜。綜合監(jiān)測涉及各類傳感器，一次傳感器的信號有電信號、視頻信號、振弦式信號、溫度信號等，這些信號的二次轉(zhuǎn)換儀表要求難度比較高，信號傳輸也比較復(fù)雜。

4)安裝困難。傳感器的安裝應(yīng)不影響各類設(shè)備儀器的正常使用和方便，傳感器的安裝位置要經(jīng)過充分考慮和可靠性分析。監(jiān)測吊桶運行傳感器的安裝和信號傳輸要經(jīng)過充分的分析和選擇。

5 結(jié)語

超深立井鑿井全過程的監(jiān)測與控制系統(tǒng)內(nèi)容包括井筒工作面施工現(xiàn)狀、工作面溫度狀況、提升容器的運行狀況，吊盤受力及運行狀態(tài)，鑿巖、抓巖、砌壁、排水設(shè)備性能狀態(tài)及運行過程，以及輔助施工設(shè)備、裝置安全性能的監(jiān)控與分析，整個監(jiān)控系統(tǒng)可以分為鑿井施工過程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、吊盤關(guān)鍵點荷載監(jiān)控系統(tǒng)、提升吊桶運行監(jiān)控系統(tǒng)。

超深立井鑿井全過程的監(jiān)測與控制系統(tǒng)是超深立井安全高效施工的保證措施。

超深立井安全高效信息化施工是今后立井井筒施工技術(shù)的發(fā)展方向和必不可少的生產(chǎn)條件，對深部資源的開發(fā)具有十分重大的意義。

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