深厚表土井壁附加應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)與工程應(yīng)用

付長科 況聯(lián)飛 邵 謙

（1.山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)有限公司李樓煤業(yè)，山東 鄆城 274700；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 221116）

作為我國華東地區(qū)深厚表土的腹地所在，魯西南巨野礦區(qū)具有煤層埋藏深、松散表土層厚（如李樓煤礦副井表土層厚達(dá)540 m[1]）、水文地質(zhì)條件復(fù)雜、高地溫、高地壓等特點。在礦井開采等疏排水活動過程中，底含水位不斷下降，土層固結(jié)壓縮，引起上覆厚沖積層土體下沉，進(jìn)而施加于井筒外表面一個豎直向下的附加力。該力累積到一定數(shù)值后，井壁混凝土將無法承受而遭受破壞。自1987年以來，我國因豎直附加力破壞的井筒達(dá)數(shù)百個，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)[2]。

為實現(xiàn)對井壁附加應(yīng)變的掌握，我國自上世紀(jì)末出現(xiàn)了不少井壁監(jiān)測的報道。相關(guān)學(xué)者獲得了深厚表土地層井壁應(yīng)變長期演變規(guī)律，且揭示出地層沉降與井壁附加應(yīng)變之間存在耦合關(guān)系[3]，監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效指導(dǎo)井壁治理過程[4-5]。但這些研究普遍存在的問題包括研究對象表土深度普遍小于300 m；測試數(shù)據(jù)一般需后處理分析，無法實現(xiàn)在線預(yù)警預(yù)報；數(shù)據(jù)采集模塊安置于井口需要敷設(shè)大量通訊電纜，施工難度和保護(hù)難度大等。

本文通過優(yōu)化測試手段，建立了深厚表土井壁附加應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)，并應(yīng)用于李樓煤業(yè)副井井筒觀測，獲得了其長期附加應(yīng)變演化一般規(guī)律。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

深厚表土井壁附加應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測計算機(jī)（云服務(wù)器）、數(shù)據(jù)采集裝置和監(jiān)測傳感器三部分設(shè)備及相應(yīng)的通訊傳輸、電源設(shè)備等組成分布式自動化測量網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中監(jiān)測傳感器視監(jiān)測目標(biāo)要求包含埋入式應(yīng)變計、表面應(yīng)變計、傾角計、位移計和溫度傳感器等。井壁附加應(yīng)變監(jiān)測通常選用振弦式或差阻式混凝土應(yīng)變計，二者的耐久性均已通過工程驗證能夠滿足長期監(jiān)測要求，但前者較后者精度更高（應(yīng)變精度為1 με，溫度精度為0.1 ℃），相應(yīng)地依據(jù)安裝層位傳感器的數(shù)量不同選定對應(yīng)通道數(shù)的振弦式或智能數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行自動采集。李樓煤業(yè)副井井筒監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)新性地將采集模塊就近安裝在了井筒不同深度位置，實現(xiàn)了傳感器信息的就地采集。不同模塊間通過1 根2 芯電纜進(jìn)行供電和1 根4 芯電纜進(jìn)行信號有線傳輸，如圖2。此舉較傳統(tǒng)井壁監(jiān)測系統(tǒng)能夠節(jié)省大量的通訊電纜采購，且安裝施工與后期保護(hù)難度均顯著降低。

圖2 井筒內(nèi)模塊通訊網(wǎng)絡(luò)組成

井下所有模塊信號通過有線的形式傳輸至井口后，經(jīng)集線器后由GPRS Modern 發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測計算機(jī)，進(jìn)而實現(xiàn)實時云計算與在線數(shù)據(jù)分析。

1.2 云在線服務(wù)平臺

井壁監(jiān)測云在線服務(wù)平臺針對煤礦井筒安全監(jiān)測這一特定需求而開發(fā)，其目的是實現(xiàn)整個礦區(qū)多個煤礦立井井筒受力與變形的統(tǒng)一管理與控制，并基于大數(shù)據(jù)破裂模型分析預(yù)測井壁受力未來發(fā)展趨勢。

云平臺的操作菜單還包括數(shù)據(jù)查詢、實時曲線、儀器參數(shù)和設(shè)備管理四大功能分區(qū)。其中數(shù)據(jù)查詢功能提供歷史數(shù)據(jù)的上傳與下載、工程量的重新計算以及條件刪除等。實時曲線菜單能夠?qū)鞲衅髟疾杉瘮?shù)據(jù)或經(jīng)標(biāo)定公式轉(zhuǎn)換的工程量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖繪制，進(jìn)而可以更為直觀地把握不同測點受力演化規(guī)律。儀器參數(shù)菜單提供了傳感器的身份信息上傳與下載功能，同時上、下限功能能夠?qū)崿F(xiàn)對不同的傳感器的不同級別預(yù)警閾值設(shè)定（如李樓煤業(yè)副井井筒提供了紅、黃、藍(lán)三級預(yù)警指標(biāo)）。設(shè)備管理菜單提供了對某一單體工程的所有接入模塊進(jìn)行參數(shù)管理，通過該菜單可以查看模塊參數(shù)、設(shè)置模塊參數(shù)以及讀取存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)等功能。

由于井下模塊采集到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r遠(yuǎn)程傳輸至云服務(wù)器平臺，進(jìn)而實現(xiàn)了對井筒變形數(shù)據(jù)在線分析，進(jìn)一步依據(jù)既有模型分析能夠?qū)参磥戆l(fā)展趨勢做出預(yù)判，為礦井安全提供保障。

2 工程應(yīng)用效果分析

2.1 工程概況

山東李樓煤業(yè)位于巨野礦區(qū)的最北端，鄆城縣城的東北部，設(shè)計年生產(chǎn)能力240 萬t，采用主、副、風(fēng)三個立井井筒單水平開拓。井筒穿越的地層依次為第四系、新近系和二疊系，其中0～143.4 m 為第四系，巖性主要由粘土、砂質(zhì)粘土和粉、粗砂組成。143.4～541.5 m 為新近系，巖性主要以粘土、砂質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂和中砂為主。同時，據(jù)鉆孔揭露礦井含水層自上而下主要有第四系砂礫層、新近系砂礫層和二疊系砂巖含水層等。

含水豐富深厚表土層帶來的極大風(fēng)險是井壁破裂，且近年來副井井筒內(nèi)各類管路變形跡象明顯。為實時把握井筒的受力演化狀態(tài)，2019 年聯(lián)合中國礦業(yè)大學(xué)建立了副井井筒安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。井壁附加應(yīng)變傳感器采用埋入式振弦應(yīng)變計通過開槽的形式進(jìn)行安裝，安裝的層位選定在-132 m、-230 m、-390 m、-540 m 和-658 m 共計5 個層位進(jìn)行，每個層位沿東南、東北、西北和西南4 個方位各安裝2 支呈正交布置的應(yīng)變計，分別監(jiān)測井筒豎向和環(huán)向應(yīng)變演化。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析

實測獲得的表土層不同層位附加應(yīng)變長期演化規(guī)律如圖3。

圖3 典型層位豎向應(yīng)變演化規(guī)律

分析圖3 可知，表土層所有豎向應(yīng)變傳感器均表現(xiàn)為壓縮累積發(fā)展趨勢，說明副井井筒在豎直附加力作用下產(chǎn)生了壓縮變形。同一層位不同方位間存在差異，且多數(shù)層位在西南方位應(yīng)變累積量值最大。在所有層位中-540 m 表土與基巖交界面位置豎向附加應(yīng)變累積量值最大。

進(jìn)一步對埋設(shè)的5 個層位不同方位豎向應(yīng)變?nèi)∑骄M(jìn)行對比分析如圖4?？梢?，受季節(jié)溫度影響不同深度位置豎向應(yīng)變均呈正弦波動變化，但在表土段隨深度增加正弦波動曲線還表現(xiàn)出向下累積發(fā)展的趨勢，而-658 m 基巖段則基本僅與環(huán)境氣溫呈負(fù)相關(guān)正弦波動變化。

圖4 豎向平均附加應(yīng)變演化規(guī)律

擬合得出李樓煤業(yè)副井井筒的最大附加應(yīng)變累積系數(shù)b出現(xiàn)在-540 m 表土與基巖交界面位置，定量數(shù)值為-0.246 4 με/d，該數(shù)值約為文獻(xiàn)[3]統(tǒng)計得出的大屯礦區(qū)最大累積數(shù)值-0.068 με/d 的3.6 倍，可見井壁受力形勢嚴(yán)峻。顯然這與巨野礦區(qū)540 m厚表土遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大屯礦區(qū)的140 m 厚表土直接相關(guān)。

依據(jù)長期附加應(yīng)變累積速率及發(fā)展演變一般規(guī)律可進(jìn)一步判定副井井筒的安全，而實時在線系統(tǒng)能夠保證測試數(shù)據(jù)與預(yù)警閾值進(jìn)行及時比對，進(jìn)而對井筒的安全做出預(yù)判預(yù)報。

3 結(jié)論

（1）構(gòu)建了深厚表土井壁附加應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)，在硬件層面上通過模塊下井節(jié)省了大量通訊主電纜，且便于安裝與后期保護(hù)，軟件層面上實現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線在線數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)為井筒受力安全研判奠定了基礎(chǔ)。

（2）基于在線監(jiān)測系統(tǒng)，獲得了李樓煤業(yè)副井井筒附加應(yīng)變長期演化一般規(guī)律。其中表土段附加應(yīng)變除隨溫度呈正弦波動變化，還受豎直附加力影響而不斷累積，可采用正弦曲線疊加負(fù)斜率直線函數(shù)進(jìn)行規(guī)律描述。

（3）實測獲得的李樓煤業(yè)副井長期附加應(yīng)變最大累積速率位于-540 m 表土與基巖交界面位置，其定量數(shù)值為-0.246 4 με/d，約為大屯礦區(qū)統(tǒng)計最大數(shù)值的3.6 倍。