深厚砂層斜井井筒沉降變形與監(jiān)測技術分析

劉占斌

(陜西中能煤田有限公司，陜西省榆林市，719000)

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深厚砂層斜井井筒沉降變形與監(jiān)測技術分析

劉占斌

(陜西中能煤田有限公司，陜西省榆林市，719000)

近年來我國西部沖積層地區(qū)開始有大量礦井采用斜井井筒凍結法施工并運營，由于凍結作用和運營期間水位下降等原因，均產生一定的井筒沉降變形，導致大長度斜井因不均勻沉降而造成井壁破裂的現(xiàn)象時有發(fā)生。針對此問題，本文以在深厚砂層中采取凍結法施工的榆林袁大灘副斜井為例，對斜井凍結法施工和運營過程中產生的沉降展開分析，通過對常用監(jiān)測手段進行分析比選，進行監(jiān)測方案設計。研究成果對于了解凍結施工的斜井沉降變形機理、設計沉降監(jiān)測方案具有重要意義。

斜井井筒 沉降 深厚砂層 凍結法 監(jiān)測

我國西北地區(qū)礦井設計產量往往較大，大型礦井對原煤、下井設備和材料運輸要求較高，立井滿足不了要求，因此需要建設大量斜井，尤其是采用無軌膠輪車運輸?shù)母本湍z帶運輸?shù)闹骶?，由于設備性能的限制，只能采用小坡度，這樣造成斜井斜長較大，斜井建設面臨著越來越多的問題。西北地區(qū)地層大多上部為第三系、第四系地層，下部為侏羅系、白堊系地層；上部地層松散，單層砂層厚度大，許多地層含水豐富，多為層流或管狀流，局部地下水流速大；下部地層一般都含多個軟弱巖層，這些巖層具有強度低、遇水易崩解、膠結差、易軟化的特點。注漿等方法一般都不能徹底解決該地區(qū)的水害問題，因此凍結法鑿井已經成為該地區(qū)斜井建設中穿越含水松散層的首選方法。

在凍結法斜井施工和運營的井筒中，凍脹融沉作用和井筒開采抽降地下水的影響會導致井筒產生不均勻沉降，造成井壁開裂、破壞，嚴重時會出現(xiàn)滲漏甚至淹井，因此必須對斜井井筒進行實時沉降變形監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)預測井筒變形，并且根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，分析變形進一步的發(fā)展趨勢，確定采取的施工措施及保護措施，并以此建立預警機制，保證井筒安全。因此，在沖積層斜井井筒中進行實時沉降變形監(jiān)測尤為重要，具有一定的經濟價值和現(xiàn)實意義。

1 工程實例

袁大灘井田位于榆橫礦區(qū)北部，井田面積為184.64 km2，地質儲量為1214.3 Mt，可采存量為437.5 Mt，可采煤層有4層，生產規(guī)模為5.0 Mt/a。采用斜井立井綜合開拓，其中，袁大灘煤礦副斜井斜長為3558 m，坡度為5.5°，斷面為直墻半圓拱，凈斷面面積為21.8 m2。井筒開鑿分為明槽段、凍結段、基巖段，沖積層段斜長為931.3 m，其中明槽段全長250.3 m，凍結段全長681 m。副斜井施工地層為典型的富水性強松軟(散)圍巖，該地層易變形，遇水流變，易發(fā)生潰水潰砂事故，對礦井的生產安全威脅較大。

袁大灘井田開拓工程的重難點在于：

(1)沉降原因復雜。本工程凍結法施工段位于第四系連續(xù)粉砂、細砂地層，凍結法施工產生的溫度、凍脹、融沉等均會使井壁產生變形，且隨著井筒的掘進和開采，區(qū)內水位下降后還會進一步產生沉降，導致沉降變形原因復雜。

(2)井筒易破壞。斜井從上到下分別是上部原始粉細砂層、經歷凍融的粉細砂層和基巖層，因此井筒各段經歷凍結的粉細砂層融沉量與抽水量不等，很可能產生不均勻沉降，造成井壁破壞。

(3)沉降監(jiān)測無先例。由于井壁不均勻沉降很容易成為井壁破裂的原因，造成工程危害，甚至事故，因此必須對井壁內各處沉降進行監(jiān)測，而國內外在凍結斜井沉降變形監(jiān)測的研究尚未發(fā)現(xiàn)。該斜井對沉降監(jiān)測的精度、頻率、自動化都有較高要求，只有這樣才能把握井壁沉降趨勢，及時根據(jù)沉降量和變形分析采取相應保護措施，以預防事故的發(fā)生。

2 凍結斜井井筒沉降變形分析

2.1 沉降產生的機理

沖積層斜井井筒沉降的原因主要為凍土融沉和地下水開采下降兩方面：

(1)富冰凍土融化時，伴隨冰侵入物的消融，凍土將產生融化沉降和壓密沉降，土體結構被破壞，物理力學性質大大改變，承載能力降低，引起結構物不均勻沉降。融化后的土體由于體積減小，造成融化性沉降。融化區(qū)域產生排水固結變化，導致土層發(fā)生壓密沉降。壓密沉降與正壓力成正比，而融化沉降跟壓力無關。凍土的融化沉降量取決于融化過程中凍土的溫度、性質及其作用荷載。另外，凍土還會在其自身重力影響下發(fā)生融化性沉降。在工程上一般都是以融沉系數(shù)來描述凍土的融化沉降，用壓縮系數(shù)來描述融土的壓密沉降。

(2)開采導致井筒周圍地下水下降，進而引起土層發(fā)生沉降。地面土層是由水、空氣以及固體土顆粒三種物質組成，具有多孔和散粒的特點。由太沙基有效應力原理可知，由上覆地層荷載引起的總應力是由孔隙中的水和土顆粒骨架共同承擔的，即總應力等于孔隙水壓力與固體顆粒承擔的有效應力之和。開采造成地下水位下降，孔隙水壓力降低，而總應力不變，有效應力必然隨之增加，從而導致土層壓密固結，因此土層發(fā)生沉降變形。

2.2 沉降量的估算方法

2.2.1 融沉產生的沉降量

根據(jù)凍土力學推導出來的凍土融化沉降量s的計算公式為：

s=a0h+mvhΔp

(1)

式中：s——凍土融化沉降量，m；

a0——凍土的融沉系數(shù)；

h——凍土層的總厚度，m；

mv——融土的壓密系數(shù)；

Δp——土層上方的載荷，MPa。

2.2.2 地下水位下降引起的沉降量

抽水造成的滲透具有以下特點：基本上土體只有垂直變形，表面沉降的范圍比較大；孔隙水壓力在水位變化中其正負方向變化導致的固結效果是一樣的。

根據(jù)產生原因，進行地下水抽降時，土體中的應力主要包括滲透力(滲流引起)、附加應力(外荷重引起)以及自重應力。滲透力和有效應力增加是進行地下水抽降時地面沉降的主要原因。所以這種情況下計算地面沉降的關鍵是確定有效應力變化量Δσ′隨水位降深sw的分布特性。

對承壓水而言，地面總沉降量可由下式計算：

(2)

ψs——修正系數(shù)，一般取0.2～0.7；

Δσ′——有效應力的變化量，MPa；

Esi——單一土層的壓縮模量，MPa；

hi——土的單一分層厚度，m；

γwi——單一土層的干容重，kN/m3；

sw——水位降深，m。

對潛水而言，假設潛水層土質均勻，地面總沉降量可由下式計算：

(3)

式中：γ——土的干容重，kN/m3；

γ′——土的含水容重，kN/m3；

Es——壓縮模量，MPa；

H0——土層厚度，m。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測方法和儀器選取

根據(jù)以往測量工作經驗和相關文獻，目前測量沉降的方法主要有數(shù)字攝影測量、三維激光掃描技術、精密三角高程測量、靜力水準儀測量、精密水準儀測量以及電子水平監(jiān)測技術等。

過去的幾何水準測量周期較長、勞動強度大，并且容易對施工和正常通行產生影響。因此選取具有自動化監(jiān)測、自動化數(shù)據(jù)處理能力的監(jiān)測系統(tǒng)。

為了更好地保障井筒質量結構安全，需保證沉降觀測有較高的測量精度，并受環(huán)境以及溫差變化的影響較小或能對其進行補償，將誤差降低到最小值，同時對測點布置密度也有一定要求。數(shù)字攝影測量和精密三角高程測量受到車輛通行影響較大，而電子水平尺受成本和垂深變化限制較大，因此儀器的選擇往往更加傾向于量程大的水準儀。由于斜井沿長度方向有垂深變化，測點密度較密集，測試時間間隔小，宜采用具有較高自動化監(jiān)測和處理能力的監(jiān)測設備。

通過對比以上各種檢測方式的適應性和優(yōu)缺點，結合袁大灘副斜井工程實況，決定采用壓阻式靜力水準儀進行測量，并通過無線采集箱自動采集高差變化值，無線采集箱將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器，還可以通過遠程數(shù)據(jù)平臺實時自動處理數(shù)據(jù)并進行預警，極大地降低了沉降檢測中的工作量，減少對井筒施工和通行的影響，提高了數(shù)據(jù)反饋的實時性和有效性。

3.2 監(jiān)測方案實施

首先在各沉降監(jiān)測點安裝壓阻式靜力水準儀，并需要在一相對不動點安裝基準罐，傳感器之間通過高強度的氣壓管聯(lián)通到基準罐，每個水準儀內部都安裝有高精硅壓傳感器，在基準罐與傳感器之間充滿液壓液體，則水準儀內的壓力傳感器檢測到的是該點到基準罐液表的壓力，該壓力與液面高度有一定線性關系，儀器在生產之前做好標定且對溫度變化做好補償。

監(jiān)測系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體示意圖

由圖1可知，如果壓力傳感器感測到壓力發(fā)生變化，說明該點與基準液面之間的高差發(fā)生變化；根據(jù)生產前的壓力與液面高差的標定線性表，靜力水準儀內部的單片機可以計算出高差變化值，并通過通信協(xié)議將高差變化值以及其他有效數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，總線終端的無線采集箱可以通過多種方式將數(shù)據(jù)再發(fā)送到服務器，服務器將數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)庫并構成全景系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)平臺可以對超出預警信息的傳感器可做出報警，報警方式有短信報警以及聲光報警，并且可以出數(shù)據(jù)的月報表。

3.4 測點布置

測點布置現(xiàn)場如圖2所示，沿井筒垂深方向，從井口開始每隔10 m埋設一套靜力水準儀(一個基準罐和若干個傳感器，每個基準罐位置都設置一個傳感器測點)，測得測點與壓阻式靜力水準儀基準點的相對沉降，經過數(shù)據(jù)處理后得出各測點以地面井口為基準的真實沉降。

圖2 測點布置現(xiàn)場圖

3.5 信息處理與預報預測

斷面測點布置好后，即可通過各種監(jiān)控測量儀表進行數(shù)據(jù)的采集工作。數(shù)據(jù)檢查分析由專業(yè)人員負責，處理分析數(shù)據(jù)后制作當日分析報表，及時交于相關單位，對于數(shù)據(jù)超出警報線的結果及時報告上級，若存在數(shù)據(jù)異常，應及時檢查儀器設備并進行修正。采集數(shù)據(jù)的頻率按照監(jiān)控量測方法中提到的頻率操作。

運用有限元分析，根據(jù)施工現(xiàn)場實際狀況，結合在監(jiān)控測量數(shù)據(jù)，建立具有信息反饋預測作用的數(shù)學模型，并結合監(jiān)控量測和施工過程，通過對井壁變形、井壁受力、裂縫擴展監(jiān)測的綜合數(shù)據(jù)，對井壁安全性能進行預測，以保障井筒的安全運行。

該數(shù)據(jù)平臺可以對超出預警信息的傳感器做出報警，報警方式有短信報警和聲光報警兩種方式，并且可以打出數(shù)據(jù)的月報表。此外監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)平臺后期將接入煤礦的數(shù)字化系統(tǒng)。

4 結論與展望

本文通過對沖積層凍結斜井井筒在施工和運營過程中沉降的分析、沉降監(jiān)測方法的比較，并結合袁大灘副斜井沉降變形監(jiān)測的具體情況進行研究和設計，得出如下結論：

(1)斜井井筒的沉降變形主要由于凍結法施工產生融沉和礦井開采時抽降地下水產生的砂層沉降兩部分組成。

(2)對于不同沉降，目前有適用于工程的公式進行估算，便于選取監(jiān)測系統(tǒng)，但工程實際沉降還需通過監(jiān)測手段及各種數(shù)據(jù)分析進行預測。

(3)當前常用的監(jiān)測手段，主要包括精密三角高程測量、精密水準儀測量、數(shù)字攝影測量、靜力水準儀測量、三維激光掃描技術以及電水平尺監(jiān)測技術等幾種方法，應根據(jù)工程情況的具體要求來選擇，而對于采取凍結法的斜井井筒，宜優(yōu)先考慮通過靜力水準儀進行自動監(jiān)測的方法。袁大灘凍結副斜井井筒的監(jiān)測方案，作為斜井沉降變形高精度自動化監(jiān)測的先例，可為同類工程作參考。

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(責任編輯 陶 賽)

Analysis on settlement and monitoring technology of inclined shaft in deep thick sand layer

Liu Zhanbin

(Shaanxi Zhongneng Coalfield Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719000, China)

In recent years, the alluvial area of Western China began to emerge a large number of mines that adopt inclined shaft freezing method for construction and operation. There were certain settlement deformation occurred at shaft due to decreasing groundwater table during the time of freezing and operation. The phenomenon of shaft-wall ruptures was caused by the uneven settlement of large-diameter inclined shaft. In order to solve this problem, this paper analyzed the settlement of inclined shaft during construction and operation by taking the example of Yulin Yuandatan sub-inclined shaft which adopt freezing method for construction in deep thick sand layer, designing monitor program by analyzing and comparing the common monitoring means. The research results are important for understanding the mechanism of inclined shaft settlement during freezing construction and designing for settlement monitoring plan.

mine inclined shaft, settlement, thick sand layer, freezing sinking, monitoring

劉占斌. 深厚砂層斜井井筒沉降變形與監(jiān)測技術分析 [J]. 中國煤炭，2017，43(5)：66-69. Liu Zhanbin.Analysis on settlement and monitoring technology of inclined shaft in deep thick sand layer [J]. China Coal，2017，43(5)：66-69.

TD262

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劉占斌(1976-)，男，陜西府谷人，碩士，高級工程師，現(xiàn)任陜西中能煤田有限公司總經理。