超深立井井壁圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)研究

高長(zhǎng)起 焦東

摘要：引用分布式光纖應(yīng)變測(cè)試技術(shù)對(duì)深部井筒井壁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了井壁豎向和環(huán)向應(yīng)變量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，井壁主要發(fā)生壓縮變形，結(jié)果能很好地反映井壁的受力狀態(tài)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)井壁安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。并在此基礎(chǔ)上列舉了圍巖控制的基本原則，認(rèn)為釋能錨桿支護(hù)系統(tǒng)在未來超深井建設(shè)過程中有一定潛力。

關(guān)鍵詞：超深立井 ?井壁圍巖 ?變形監(jiān)測(cè) ?圍巖控制

我國礦產(chǎn)資源的開采不斷向深部邁進(jìn)，超深井礦床開拓已經(jīng)成為目前礦山井巷工程施工的主要開拓方式，[1-2]。隨著井筒深度增加，面臨更為嚴(yán)重的地壓?jiǎn)栴}，一旦出現(xiàn)井壁破裂，其突然性更強(qiáng)，危害更大。因此，井筒的變形監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)有價(jià)值的工作，對(duì)井筒的安全評(píng)價(jià)有著重要意義[2-3]。

井筒本身的安全是保證整個(gè)地下活動(dòng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。如果在井壁中使用有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)識(shí)別開采過程中的變形，將提前發(fā)現(xiàn)井壁中的潛在危險(xiǎn)，并采取有效措施避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。作為光纖傳感技術(shù)發(fā)展的前沿，分布式光纖傳感技術(shù)通過感知應(yīng)變、溫度或振動(dòng)的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)體和巖土體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，目前這類技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)工程、巖土工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)中[4]。本文利用BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)，通過分析井壁豎向和環(huán)向變形，驗(yàn)證了該技術(shù)的優(yōu)越性，并基于上述研究探討了深井井壁圍巖控制原則和技術(shù)。

1 工程背景

中國華冶遼寧礦業(yè)分公司本溪項(xiàng)目部承建的本溪龍新礦業(yè)有限公司思山嶺鐵礦副井工程由中國恩菲工程公司設(shè)計(jì)。井口標(biāo)高+215.200m，井底標(biāo)高1140.00m（含封底600mm厚），井筒深度1355m，井筒凈直徑10.0m。井筒施工至深部時(shí)，地壓大、地溫高、節(jié)理裂隙發(fā)育、且無規(guī)律性變化，地壓顯現(xiàn)比較明顯，出現(xiàn)了局部巖爆等自然災(zāi)害。

2 BOTDR分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

基于BODTA的分布式光纖監(jiān)控是目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一種實(shí)用系統(tǒng)，分布式光纖傳感技術(shù)中，光纖既是傳感介質(zhì)又是傳輸通道，具有體積小、重量輕、幾何結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁干擾、絕緣性能好、靈敏度高、適用于遠(yuǎn)距離觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。本文借助分布式光纖應(yīng)變測(cè)試技術(shù)建立了井筒應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)井筒井壁變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5]。

2.1 分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理

BODTA監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來較為流行的一項(xiàng)尖端監(jiān)測(cè)技術(shù)，基本原理是利用光纖中的布里淵散射光的頻移變化量與光纖所受的軸向應(yīng)變和溫度之間的關(guān)系[4-5]：

式中：νB（?，T）是光纖應(yīng)變?yōu)?、溫度為T時(shí)的布里淵頻移;νB（0，T0）是光纖應(yīng)變?yōu)?、溫度為T0時(shí)的布里淵頻移;T0、T分別為初始溫度和測(cè)量時(shí)的溫度;ε和ΔΤ分別為應(yīng)變、溫度變化量;νB（ε，T）/ε為應(yīng)變系數(shù)，約為493MHz;νB（ε，T）/T為溫度系數(shù)，約為1MHz/℃。

2.2 光纖傳感器布置

光纖傳感器的布局直接影響檢測(cè)性能。為了防止在井壁施工和運(yùn)行期間損壞光纖傳感器，沿井壁制作了寬度為3mm、深度為5mm的U形槽。在U形槽中去除灰塵后，鋪設(shè)直徑為0.9mm的單模光纖。將粘合劑和水泥填充到凹槽中，以確保井壁和纖維的均勻變形。將傳感光纖連接到傳輸電纜。地面電纜的另一端與BOTDR連接，傳感光纖布局的相關(guān)示意圖如圖1所示。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2019年5月安裝試驗(yàn)后開始運(yùn)行，并在不同時(shí)間段進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)。為了分析測(cè)試系統(tǒng)安裝以來井壁的變形情況，評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到了井筒表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)-780米到800米豎向光纖應(yīng)變和-800米環(huán)向光纖應(yīng)變的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2-圖3所示。

由圖2可以看出，井壁的豎向光纖應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，說明井壁在縱向上發(fā)生的是壓縮變形，井壁變形較大，由圖3可以看出，環(huán)向井壁光纖應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，說明井壁在環(huán)向上發(fā)生的也是壓縮變形，最大變形值接近800μ?，由此可見，井壁主要發(fā)生壓縮變形。分布式光纖應(yīng)變測(cè)試技術(shù)可以用于井筒井壁變形監(jiān)測(cè)，獲得井壁的實(shí)時(shí)應(yīng)變量，可對(duì)井壁的變形性進(jìn)行分析，對(duì)井壁的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 深井井壁圍巖控制技術(shù)探討

通過井筒圍巖變形的分析可知，提高圍巖自承能力是巷修成功的關(guān)鍵;及時(shí)采取有效措施提高“圍巖–支護(hù)體”整體承載能力是豎井長(zhǎng)期穩(wěn)定的保證。據(jù)此，提出如下圍巖控制基本原則：（（1）超前加固圍巖原則;（2）超前支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)松散體原則;（3）大剛度永久支護(hù)原則;（4）提高“圍巖–支護(hù)體”整體穩(wěn)定性原則（5）選擇正確的施工程序和施工方法，按照設(shè)計(jì)尺寸開挖和支護(hù)。

對(duì)于超深井筒來講可采用釋能錨桿支護(hù)系統(tǒng)，以釋能錨桿為基礎(chǔ)，進(jìn)行噴錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該釋能支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能及時(shí)封閉、充填圍巖裂隙、加固圍巖，同時(shí)又具有一定的柔性，既允許又限制圍巖變形，從而可以充分調(diào)動(dòng)圍巖自承能力，釋能錨桿既加固了井筒圍巖內(nèi)部松散破碎的巖體，提高其圍巖體內(nèi)聚力，又能使井筒圍巖在動(dòng)力沖擊作用下，快速釋能其產(chǎn)生的動(dòng)力沖擊能。

4 結(jié)論

（1）基于BOTDR的檢測(cè)方法，通過環(huán)向和豎向鋪設(shè)傳感光纖，可以建立井筒變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，分布式光纖井壁變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)深井井壁多點(diǎn)變形的監(jiān)測(cè)，結(jié)果能很好地反映井壁的受力狀態(tài)。

（2）深井井壁圍巖控制控制的主要思想是盡快提高巷道圍巖強(qiáng)度，防止圍巖應(yīng)力集中。列舉了圍巖控制的基本原則，認(rèn)為釋能錨桿支護(hù)系統(tǒng)在未來超深井建設(shè)過程中有一定潛力。

參考文獻(xiàn)

[1]孫顯騰.思山嶺礦深豎井施工方法及井壁圍巖穩(wěn)定性分析[D].東北大學(xué)，2015.

[2]崔秀平.豎井施工及井壁支護(hù)[J].科技傳播，2012，4（14）：145-146.

[3]高云喜，路增祥.建井過程中井壁的破壞原因分析與修復(fù)[J].有色金屬（礦山部分），2006（01）：33-35.

[4]祝嘉賀.光纖法井筒變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2019.

[5]周曉敏，謝琰珂，李德春，閻建國.磁西副立井超千米單層井壁受力變形實(shí)測(cè)與分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，40（05）：1015-1020