基于雙激光基準(zhǔn)的某礦井筒變形觀測及防范措施

岳亞敏

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司)

立井井筒在長期運(yùn)營過程中，井壁、罐梁、罐道及附屬設(shè)施會受到各種因素的影響而產(chǎn)生變形，了解井筒變形現(xiàn)狀、大小和規(guī)律對于進(jìn)一步進(jìn)行井筒受力分析以及維修支護(hù)具有重要意義[1-5]。某礦是一座現(xiàn)代化礦井，設(shè)有一立井井筒，井深約690 m，井筒直徑9 m，井筒內(nèi)設(shè)有1個(gè)大罐和1個(gè)小罐。該立井在近期運(yùn)行時(shí)罐籠時(shí)常出現(xiàn)顛簸、運(yùn)行不平穩(wěn)、卡罐等現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場考察和簡易測量，發(fā)現(xiàn)井筒在馬頭門上下產(chǎn)生了井壁變形和罐梁、罐道變形。為消除安全隱患，查找變形原因，為井筒、罐道加固維修提供可靠依據(jù)，本研究對基于雙激光基準(zhǔn)的井筒變形觀測方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對變形原因及變形防范措施進(jìn)行探討。

1 觀測方案

在井口附近建立了3個(gè)控制點(diǎn)(K1，K2，K3)，測量時(shí)按照順時(shí)針方向形成閉合導(dǎo)線，進(jìn)行平差得到點(diǎn)位坐標(biāo)，并進(jìn)行精度評定(圖1)。

首次建立雙激光基準(zhǔn)時(shí)，通過與地面已知控制點(diǎn)的連接得到激光中心的平面坐標(biāo)(X，Y)。通過進(jìn)行激光基準(zhǔn)坐標(biāo)傳遞，由特征點(diǎn)坐標(biāo)反算得到重新建立的激光基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)。取平均值作為兩激光基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)J1(886.395 m，992.217 m)，J2(889.408 m，991.882 m)。計(jì)算可知，由基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)反算得到兩基準(zhǔn)點(diǎn)的間距為3.032 m與實(shí)測值3.033 m相比僅相差1 mm，符合井筒變形觀測要求。

圖1 井筒變形監(jiān)測地面控制網(wǎng)

2 井筒變形分析

2.1 罐道變形

由于井筒在上部基本上未出現(xiàn)變形，故本研究測量坐標(biāo)系以第1層罐梁處大罐罐道上的2#、8#點(diǎn)連線的中點(diǎn)(O點(diǎn))為原點(diǎn)，連線為X軸，指向2#點(diǎn)方向?yàn)檎?，豎直向下為Z軸，Y軸垂直于X軸和Z軸指向東，工作坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 大罐罐道測量坐標(biāo)系

分別于2016年5月、2016年10月對井筒進(jìn)行了2次變形觀測。結(jié)果表明：①罐道在80～120層上存在明顯的變形，上部變形小，下部變形大，變形最大值出現(xiàn)在117層，分別為-42 mm(X方向)和39 mm(Y方向)；②在2次觀測期間，井筒出現(xiàn)了明顯變形，變形方向朝向X軸負(fù)方向和Y軸正方向。井筒中罐道變形特點(diǎn)為：①2#點(diǎn)和4#點(diǎn)的變形大于8#點(diǎn)和6#點(diǎn)，其中，2#點(diǎn)變形最大，6#點(diǎn)變形最小，罐道下部變形大于上部；②上述4個(gè)點(diǎn)的變形方向大體一致，都朝向X軸負(fù)方向和Y軸正方向變形，初步斷定井筒受到來自同一方向的壓力，使得罐道發(fā)生變形。

2.2 井壁變形

由于靠近地面附近的井簡未發(fā)生變形，因此本研究利用地面附近未變形或變形極小的井筒橫斷面擬合出1個(gè)基準(zhǔn)圓(圓心坐標(biāo)為886.864 m、993.956 m，半徑為4.535 m)，并據(jù)此分析井筒井壁變形。通過將每層井筒橫斷面上的測點(diǎn)與基準(zhǔn)圓圓心的水平距離與基準(zhǔn)圓半徑進(jìn)行比較，進(jìn)一步判斷井壁變形方向和變形大小。觀測表明：井壁80～120層(每層間隔5 m)出現(xiàn)了明顯變形，井筒變形由上至下逐漸變大，X方向最大變形為-41 mm，最小變形-9 mm，朝向X軸負(fù)方向；Y方向最大變形為33 mm，最小變形為8 mm，朝向Y軸正方向。

3 井筒變形防范措施

井壁發(fā)生變形主要是由于地質(zhì)因素造成的，構(gòu)造運(yùn)動造成地應(yīng)力增大，導(dǎo)致地層發(fā)生垂直升降和水平移動，致使井壁發(fā)生變形甚至破裂[6-9]。此外，地下水位下降導(dǎo)致軟弱地層發(fā)生沉降，地層在沉降過程中產(chǎn)生了作用于井壁并最終導(dǎo)致沖擊層下部井壁沿水平方向產(chǎn)生開裂破壞的縱向附加應(yīng)力[10-12]。井壁破壞時(shí)一般還伴有涌砂漏水現(xiàn)象。相應(yīng)的防治措施如下：

(1)井壁“豎讓”、“橫抗”處理。①“豎讓”，在井筒內(nèi)壁開切卸壓槽；②“橫抗”，通過提高井壁材料強(qiáng)度和剛度、加大井壁厚度、增強(qiáng)井壁承載力，抵抗水平荷載與豎直荷載的共同作用，常用措施是對井筒進(jìn)行套壁加固，即在井筒內(nèi)側(cè)井壁施工1層新混凝土井壁。2種措施可單獨(dú)或協(xié)同應(yīng)用。

(2)地層注漿加固。通過從地面向含水層注漿充填加固，以提高土層的整體強(qiáng)度和降低其固結(jié)壓縮量，從而減少地層下沉量及其引發(fā)的豎向附加應(yīng)力，降低井壁承受的外來附加力[13]，較常用的注漿技術(shù)有地面注漿和破壁注漿。

(3)水頭控制。為有效防止井筒發(fā)生變形，有必要降低因地層固結(jié)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，為此則需維持井筒周圍一定范圍內(nèi)含水層的水頭高度。但由于技術(shù)難度大和經(jīng)濟(jì)成本高等因素，水頭控制措施的實(shí)施難度較大。

4 結(jié) 語

為對某礦井筒變形進(jìn)行有效觀測，設(shè)計(jì)了基于雙激光基準(zhǔn)的觀測方案。分析了井筒變形原因，并提出了包含井壁處理、地層加固、水頭控制在內(nèi)的井筒變形防范措施，對于有效控制該礦井筒變形，確保安全生產(chǎn)有一定的借鑒價(jià)值。