煤礦立井井筒變形監(jiān)測方法

＊孫盛源

（國家能源集團(tuán)杭錦能源有限責(zé)任公司塔然高勒煤礦 內(nèi)蒙古 017400）

礦井建成從施工到投放，它將經(jīng)歷一個(gè)壓力平衡的過程。在礦山使用過程中，由于各種內(nèi)力和外力的相互作用，豎井的形狀會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。常見的現(xiàn)象有斜井頂?shù)装逑鲁痢⒂克孔兓?、井壁位移等。近年來，我國煤礦立井損壞的案例越來越多，其中一些是由表土和地表水排水引起的沉降，有的是不合理井壁設(shè)計(jì)造成的，還有的是因?yàn)檫^度采礦所造成的。由于煤礦井筒作業(yè)現(xiàn)場條件因素的影響，很難觀測到井筒變形，因此，有必要探索基于變形規(guī)律的井筒變形監(jiān)測技術(shù)和方法。針對(duì)煤礦立井井筒變形的特點(diǎn)，提出了立井井筒變形觀測場的理論基礎(chǔ)和具體方法。

1.變形監(jiān)測技術(shù)概述

變形監(jiān)測（將測得的物體或?qū)ο蠛喎Q為變形體進(jìn)行測量）根據(jù)變形體的時(shí)空變化特征、空間位置，測量物體內(nèi)部形狀、大小等，變形體由天然建筑物和人工建筑物組成，從很小的建筑塊到大的半球建筑塊都屬于變形體范疇。巖崩、地震、滑坡、水壩檢查、地基下沉、建筑物倒塌等都是典型的變形破壞現(xiàn)象。這些都給人們帶來巨大的困擾，嚴(yán)重影響人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。地質(zhì)學(xué)和巖土工程的變形屬于變形體。如果變形量不超過一定的范圍，就不會(huì)有損失，一旦變形量超過允許的范圍，就會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)難，甚至影響到人們的生活，因?yàn)樽冃瘟颗c人身安全有著密切的關(guān)系。國內(nèi)外對(duì)變形監(jiān)測方法、技術(shù)和設(shè)備的研究都十分重視，對(duì)變形信息的獲取和分析也十分深入。

變形監(jiān)測在國內(nèi)外普遍受到重視主要是把握形體的實(shí)際性狀，完成安全評(píng)價(jià)或變形預(yù)測。前者主要是測量控制地質(zhì)和立井變型的穩(wěn)定性，及時(shí)為安全診斷和治理提供重要的信息，為之后的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和施工以及后期運(yùn)行的安全做好充足的準(zhǔn)備。后者主要研究變形機(jī)構(gòu)以及工程設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證和變化，根據(jù)本文的研究背景，從地質(zhì)學(xué)和巖土工程的觀點(diǎn)出發(fā)，再通過多學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識(shí)的融合，變形監(jiān)測技術(shù)是典型的跨學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)視技術(shù)和巖土工程的概論。

2.立井設(shè)備變形與原因

（1）立井井筒設(shè)備。包括通道梁、通道、電纜、導(dǎo)管、樓梯、下部金屬支撐機(jī)構(gòu)、鋼制電纜終端安裝、電纜支架、通道支撐梁、防銹裝置（敷設(shè)上方）等。

（2）立井井筒的變形，破壞及成因。立井的變形破壞一般表現(xiàn)為局部井壁突然受壓，使罐道不穩(wěn)定，通過罐道梁的傳遞影響提升。嚴(yán)重情況下，大塊混凝土和罐道掉落，或損壞豎井設(shè)備或造成人員受傷。事故迫使煤礦停產(chǎn)、被動(dòng)救援，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。分析表明，客觀上，凍土融化沉降、疏水沉降、井筒溫度變化、地下水入滲等引起的豎向附加力作用于井壁，導(dǎo)致井壁豎向應(yīng)力變形，甚至破裂。主觀上，在施工過程中，由于巖石運(yùn)動(dòng)觀測不及時(shí)以及安全緩沖裝置（罐道差動(dòng)耦合裝置）安裝不當(dāng)，未能采取預(yù)防措施，從而導(dǎo)致事故發(fā)生。

3.立井井筒變形監(jiān)測方法以及監(jiān)測方式

目前，我國煤礦的總體趨勢是逐漸開發(fā)淺埋煤層。隨著開采的深度不斷增加，地質(zhì)條件也變得越來越復(fù)雜。礦井壓力的增加，井筒的成本也相應(yīng)增加。井中放置的設(shè)備也有所增加，井口壁上的壓力也相應(yīng)增加，特別是主副井承擔(dān)著礦井通風(fēng)和提升的任務(wù)，它是隧道的咽喉。礦井的穩(wěn)定性和安全性關(guān)系到礦山的發(fā)展。監(jiān)測井筒的變形，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)為合理維護(hù)的初步設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)。判斷支持的合理性和可靠性。井筒巖石滾動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性。進(jìn)一步根據(jù)監(jiān)測資料的變化逐漸趨于合理。《工程勘察規(guī)范》要求：大型或重要工程建、構(gòu)筑物工程設(shè)計(jì)時(shí)變形測量總體布置工程開始時(shí)進(jìn)行變形測量。軸變形的監(jiān)測受到觀測條件的限制。水平位移監(jiān)測網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測網(wǎng)配置困難。不同于以前的變形測量，有必要討論井壁變形監(jiān)測方法。需要合理的監(jiān)測方案。

（1）斷面測量方法。根據(jù)不影響起吊和便于保護(hù)的原則，將兩根鋼絲繩放在豎井的相應(yīng)位置（如圖1），在馬頭門處對(duì)鋼絲繩進(jìn)行擺動(dòng)觀察，確定其穩(wěn)定位置，并將鋼絲繩作為垂直基準(zhǔn)點(diǎn)連接（形成雙垂直參考點(diǎn)）在鉆孔附近，在鉆孔頭部設(shè)置控制點(diǎn)，利用徠卡TM30精密檢測機(jī)器人精確測量附近鉆孔坐標(biāo)和鋼絲的坐標(biāo)，鉆孔處、鉆孔中部和井底的兩根鋼絲之間的距離為多倍精確測量以確定組合測量裝置框架線的尺寸。根據(jù)現(xiàn)場觀察到的管道、電纜和導(dǎo)線在波浪中的分布，確定拆卸器在組合測量裝置上的位置（避免不同結(jié)構(gòu)物在波浪中受阻，并均勻設(shè)置測量點(diǎn)），然后借助工業(yè)測量系統(tǒng)精確測量組合測量裝置的比率。

圖1 鋼絲位置選擇示意圖

在測量過程中，儀表應(yīng)在保持架頂部使用專用組合測量裝置。首先將鋼絲夾緊并固定在測量裝置的鋼絲參考位置，然后通過安裝在裝置上的六個(gè)手套探測器測量到波長的距離。橫截面測量基于馬頭門頂部現(xiàn)有罐梁的上邊緣，橫截面測量基于馬頭門頂部現(xiàn)有罐梁的上邊緣，依次測量六個(gè)手持式測距儀至井壁之間的水平距離沿井筒向上每隔五米測量一次（即罐梁的每一層）。線路測量數(shù)據(jù)處理：測量結(jié)束后，計(jì)算同一高度跨度數(shù)據(jù)的平均值，計(jì)算每個(gè)高度測得的六個(gè)波長的水平坐標(biāo)，根據(jù)測得的水平距離和兩根鋼絲的水平坐標(biāo)，MATLAB軟件以六個(gè)鉆孔點(diǎn)的水平坐標(biāo)為圓心，確定孔的平面坐標(biāo)和每個(gè)橫截面中間的圓半徑。如果是圓組件，則必須消除因波壁凸起或下降而引起的波壁上測量點(diǎn)坐標(biāo)的差，并消除其他原因，最后，根據(jù)圓心水平坐標(biāo)和圓半徑繪制X方向和Y方向的鉆孔縱斷面。

（2）視準(zhǔn)線法監(jiān)測。根據(jù)準(zhǔn)線法，主要用于監(jiān)視某個(gè)方向的水平位移量，如圖2所示，P點(diǎn)是監(jiān)視點(diǎn)，A、B兩點(diǎn)是工作基點(diǎn)，AB是瞄準(zhǔn)線。與AB線垂直方向的水平位移為：

其中，β從工作基點(diǎn)到監(jiān)視點(diǎn)和基準(zhǔn)線之間的角度；S是從監(jiān)視點(diǎn)到作業(yè)基點(diǎn)的距離。

根據(jù)誤差傳播的法則：

從公式（3）可以看出，準(zhǔn)線方法產(chǎn)生的點(diǎn)誤差主要來自距離S和水平角。β的觀測中誤差mβ的影響。其中的測角誤差主要來自兩個(gè)部分，一部分是中誤差引起的測角誤差，另一個(gè)是儀表自身的測角精度。根據(jù)誤差傳播理論，有：

在安裝裝置時(shí)，如果采用光學(xué)對(duì)（包括激光對(duì)）方式，則在光學(xué)對(duì)華器和水平管受到嚴(yán)格檢查和校正的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中誤差達(dá)到m1=±1mm。采用強(qiáng)制對(duì)中裝置設(shè)置裝置，對(duì)中誤差小，可忽略，此時(shí)取m1=0。

分別從不同的安裝儀器方法（m1）、不同標(biāo)稱精度（m2）的儀器、不同測距長度（S）等方面結(jié)合式（3）和式（4）計(jì)算得到監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位精度m如圖2所示。

圖2 視準(zhǔn)線法工作原理

（3）監(jiān)測的方式。①進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測。開展專項(xiàng)監(jiān)測，由專家全面支持和幫助，聯(lián)合多專業(yè)開展工作。需要諸多的專業(yè)人員才能進(jìn)行立井井筒變形破壞檢測，另外還需要經(jīng)驗(yàn)深厚的專業(yè)學(xué)者或者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的專家進(jìn)行指導(dǎo)，其中項(xiàng)目包括地質(zhì)、測量等相關(guān)專業(yè)的人員共同協(xié)作，分工要明確，各環(huán)節(jié)緊密配合，進(jìn)行詳細(xì)緊密的檢測。在各個(gè)環(huán)節(jié)上不含糊，不放過任何針對(duì)性的預(yù)防措施，杜絕任何安全隱患。②重點(diǎn)監(jiān)測。厚表土層礦井應(yīng)視為重點(diǎn)監(jiān)測對(duì)象，對(duì)其開展縝密的重點(diǎn)監(jiān)測，對(duì)曾發(fā)生過井筒毀損的裝備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。③基建監(jiān)測。我們要從源頭上杜絕隱患，礦井要嚴(yán)格按照相關(guān)的文件進(jìn)行設(shè)計(jì)，要根據(jù)專家的意見對(duì)立井井筒等裝備部分進(jìn)行審核把關(guān)。工程要嚴(yán)格遵從設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工，加強(qiáng)重要施工步驟的監(jiān)測，施工中要靈活工作，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)要及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改變，變更設(shè)計(jì)內(nèi)容前應(yīng)進(jìn)行審查，經(jīng)批準(zhǔn)后方可繼續(xù)施工。監(jiān)管方要認(rèn)清自己的安全崗位責(zé)任，驗(yàn)收時(shí)建設(shè)各方務(wù)必各司其職，期間各方負(fù)責(zé)人變動(dòng)，必須將各項(xiàng)工作交接清楚，做到“三同時(shí)”。

4.監(jiān)測方法研究

研究順序?yàn)閺牡乇淼降孛?，先整體再局部，前提是對(duì)變形的原因分析后再進(jìn)行的。

（1）井塔偏斜測量。在普遍的情況下，礦井井塔在進(jìn)行施工前，都要對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行嚴(yán)格的審核，審核通過后嚴(yán)格根據(jù)圖紙要求進(jìn)行，進(jìn)行施工的工程標(biāo)準(zhǔn)是按照要求的垂直度進(jìn)行的，但是目前施工隊(duì)伍，在垂直度的標(biāo)準(zhǔn)上往往不能達(dá)到合格，大多數(shù)都忽視了井塔偏斜的問題，導(dǎo)致在施工到一半才發(fā)現(xiàn)建筑不夠垂直，在發(fā)現(xiàn)異常后才建立建筑偏斜的觀測站。

（2）井塔偏斜長期觀測站。建筑方在施工前應(yīng)設(shè)立觀測站，對(duì)建筑立井過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，所以，設(shè)計(jì)觀測站的作用之一就是可以對(duì)井塔的偏差進(jìn)行監(jiān)測，建立觀測站嚴(yán)格按照《煤礦測量規(guī)范》中的站位布置和觀測方法，可根據(jù)《建筑物位置和垂直度監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求進(jìn)行。選擇與傾斜方向正交的基準(zhǔn)線上為測量站的點(diǎn)位，固定在目標(biāo)1.5～2倍高度的位置：全站儀或使用Ge的光學(xué)經(jīng)緯儀的準(zhǔn)確度或在觀測點(diǎn)頂部，用垂直線對(duì)準(zhǔn)上方向點(diǎn)，將透鏡垂直轉(zhuǎn)動(dòng)到下目標(biāo)點(diǎn)，用鋼線測量目標(biāo)點(diǎn)到垂直線的距離，經(jīng)過長期定期跟蹤，即可得到井塔在垂直觀測方向上的偏斜情況，測量前必須校準(zhǔn)測量裝置，并盡可能觀察員為同一人，以避免發(fā)生誤差。

（3）工業(yè)廣場沉降測量。豎井和井塔的變形一般發(fā)生原因是局部區(qū)域沉降。嚴(yán)重的甚至在豎井的大范圍都會(huì)出現(xiàn)伴隨性塌陷。因此，建立沉降觀測站在場地內(nèi)是十分有必要的，可通過長時(shí)間的觀測，對(duì)多年以來整體礦區(qū)的地表沉降情況進(jìn)行記錄。

建站方式：首先基準(zhǔn)應(yīng)選擇境外國家的基準(zhǔn)（確認(rèn)基準(zhǔn)內(nèi)是否有沉降情況）；其次觀測站之間距離25m至30m為宜，觀測站應(yīng)設(shè)置縱橫向的，沿礦區(qū)工業(yè)廣場主干道進(jìn)行建設(shè)。另外可以增加觀測點(diǎn)在重要的建筑物監(jiān)測上。

觀測方法：從礦外水準(zhǔn)點(diǎn)開始，采用電子水準(zhǔn)儀，按四等水準(zhǔn)要求進(jìn)行定期觀測。沉降觀測可每季度進(jìn)行一次，平面坐標(biāo)觀測周期可適當(dāng)延長至1～2次/a。

5.井筒采動(dòng)時(shí)的變形與井筒的破壞

（1）井筒變形的特征。一般在建井初期容易造成井筒的變形，或者在開采生產(chǎn)過程造成破壞井筒，發(fā)生變形。由于豎井一般通過上層，包括沖積層、基巖、軟弱中間層，甚至部分地段通過構(gòu)造破碎帶，堅(jiān)硬圍巖結(jié)合混凝土的井壁，足以對(duì)外界壓力進(jìn)行支撐，此時(shí)圍巖和波墻的變形非常小，相對(duì)安全。當(dāng)波浪通過軟巖結(jié)構(gòu)時(shí)，由于軟巖的低粘聚力和大變形，波浪被圍巖變形的摩擦力包圍，將波墻推到一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)上，如果波墻太大，很容易拉下。如果其太大且超過防波堤的承載能力，則防波堤會(huì)造成不可恢復(fù)的破壞。在施工或生產(chǎn)的過程中，井筒壁很容易遭受損壞，井筒一般由以下部件組成，深部土、巖接觸地下水較多的地段：上、下部為硬巖層，中部為較厚的軟泥巖層：軟泥巖、破碎、大量水流地段等。

我們將強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)不良的松散、軟弱、松散的巖體結(jié)構(gòu)稱之為軟弱巖體結(jié)構(gòu)，損傷的主要形式有：變形、開裂、剝落、側(cè)鉤、波浪內(nèi)部鋼筋和漏水，導(dǎo)致立井橫向的磨損和漏水，最終導(dǎo)致罐梁以及罐道的變形，影響正常工作進(jìn)度。

（2）井筒的徑向變形與井壁的附加壓力。在特殊地質(zhì)的狀況下，附加荷載是波墻變形和倒塌的重要原因，因?yàn)榈叵虏傻V會(huì)在圍巖和波墻中產(chǎn)生額外的張力場。根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，圍巖的水平應(yīng)力影響波墻附加電壓場的分布規(guī)律，即一個(gè)水平的二維應(yīng)力狀態(tài)。

（3）采動(dòng)影響下井筒的變形與破壞。礦井啟動(dòng)后，如果豎井內(nèi)煤柱不合理，會(huì)對(duì)豎井造成破壞，在開采影響下，主要有4種變形和波浪破壞形式：

①水平壓縮誤差通常發(fā)生在波壁處，而波壁處的圍巖為軟巖，這主要是由軟巖的壓實(shí)和橫向膨脹引起的。②擠壓或拉伸井筒沿軸向發(fā)生變形。主要因?yàn)閹r石垂直方向的不規(guī)律收縮狀況，引起井筒的變形。③中心線在井筒中發(fā)生偏斜與彎曲。由不同深度的不均勻水平運(yùn)動(dòng)值引起的這種變形。如果泥炭位于波浪一側(cè)或波浪兩側(cè)不對(duì)稱開采，巖石運(yùn)動(dòng)將影響波浪位置，波浪壁將隨圍巖移動(dòng)。原始垂直波中心將造成偏移，通常閘門的重心為偏轉(zhuǎn)主要方向。④井壁錯(cuò)動(dòng)。有兩個(gè)情況，都會(huì)引起波長降低：其一是因?yàn)椴傻V造成的上下層錯(cuò)位，導(dǎo)致層沿層移動(dòng)，波長降低；另一種是沿軟弱層移動(dòng)巖體引起的波墻。

6.結(jié)束語

由于針對(duì)解決厚表土中波浪變形和破壞的監(jiān)測裝置方面的規(guī)范性文件不夠完善，因此只能在可行性研究的基礎(chǔ)上，利用科學(xué)研究項(xiàng)目，科研機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)單位的專家論證和實(shí)用新型專利，這些科技手段可以有效的解決許多技術(shù)上的問題，發(fā)揮理想的效果。本文旨在通過分析，結(jié)合理論知識(shí)的科學(xué)應(yīng)用，實(shí)時(shí)監(jiān)測立井，為煤礦開采提供有用的信息。期待國家考慮和發(fā)布相關(guān)的規(guī)范性文件，如有針對(duì)性地法律、法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)，從而為建設(shè)、生產(chǎn)和安全監(jiān)測打下基礎(chǔ)，促進(jìn)安全生產(chǎn)。