基于傾角傳感器的立井井筒安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應用

郎 琦

1煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 北京 100013

2煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013

20 世紀 90 年代以來，我國黃淮地區(qū)近 100 個井筒發(fā)生破壞，給礦山安全生產(chǎn)造成極大威脅。井筒發(fā)生破壞的原因有構(gòu)造運動、施工質(zhì)量、地震和豎向附加應力等各種假說，目前多數(shù)學者認為豎向附加應力是井筒破壞的主要原因，即礦山開采引起井筒周圍表土層疏水沉降，從而產(chǎn)生附加在井筒上的豎向摩擦力，當井壁結(jié)構(gòu)強度不足以抵抗該摩擦力時，井筒發(fā)生破壞[1-3]。對井筒的監(jiān)測方法主要有人工巡檢、機器人巡檢、激光指向儀測位移、懸繩測位移、傾角傳感器測位移、基于傳感器的井筒結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)和基于視頻技術(shù)的井筒設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)等[4-5]。其中基于傳感器的井筒結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，由于其可以實時自動采集和分析數(shù)據(jù)，減少了人工工作量，在國內(nèi)外受到廣泛應用[6-7]。目前，在井筒結(jié)構(gòu)監(jiān)測中廣泛采用預埋或后植入電阻式或光柵式應變傳感器，但只能監(jiān)測到局部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，筆者提出了采用傾角傳感器測量井筒偏斜量，結(jié)合光纖光柵應變傳感器測量井筒結(jié)構(gòu)應變值的井筒安全監(jiān)測方法，并在張集煤礦主立井進行了試驗應用。

張集煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為 120 萬 t/a，服務年限為 50.1 a。主井凈直徑為 5.5 m，設(shè)計深度為 655 m，其中表土段為 452 m。井筒掘進采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度為 583 m，是典型的厚表土薄基巖類型。礦井投產(chǎn)后地面水位下降明顯，初步分析存在較大豎向附加應力。附近相似地質(zhì)條件的井筒多處發(fā)生破壞或偏斜，為了實時監(jiān)測井筒安全狀態(tài)，及時采取補救措施，確保井筒長期安全穩(wěn)定，杜絕重大安全事故的發(fā)生，開展了張集煤礦主井井筒安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究和設(shè)計。

1 總體方案設(shè)計

沿井筒內(nèi)壁設(shè)置若干監(jiān)測點，采用光纖光柵應變傳感器監(jiān)測井壁的豎向和環(huán)向應變，分析監(jiān)測井壁混凝土的應力情況，掌握井壁結(jié)構(gòu)的實時狀態(tài)。采用本安型雙軸傾角傳感器監(jiān)測井筒垂直和水平方向偏斜量，將井筒假定為一段固定的簡支梁，選取基巖段布置基準點，表土段布置監(jiān)測點，在基準點和監(jiān)測點安裝傾角傳感器，通過基準點校驗監(jiān)測點的偏斜量。當井筒表土段發(fā)生偏斜時，通過傾角傳感器測得各監(jiān)測點傾角，最后通過最小二乘法或線性擬合得到整個井筒測量段的偏斜曲線。應變傳感器和傾角傳感器通過數(shù)據(jù)線和電源線連接到地面監(jiān)測站的采集分析系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動和實時采集分析。立井井筒安全監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。

圖1 立井井筒安全監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of shaft safety monitoring system

2 監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

2.1 監(jiān)測點布置

張集煤礦主井凍結(jié)段為雙層井壁結(jié)構(gòu)，變直徑變強度設(shè)計，具體參數(shù)如表 1 所列。分析井壁設(shè)計特點可知，在變截面位置會產(chǎn)生應力集中，每個變截面最下端為本截面井筒的最大受力斷面[8-9]，應在此處布設(shè)。為了安裝方便，光纖光柵應變傳感器和傾角傳感器布置在一個層位監(jiān)測斷面。沿井筒軸向共設(shè)置 7 個水平監(jiān)測層位，分別在 -100、-160、-240、-290、-330、-420 和 -460 m 表土段層位布置光纖光柵應變傳感器監(jiān)測點和傾角傳感器監(jiān)測點，在 -10 m 層位增加傾角傳感器監(jiān)測點，在 -560 m 基巖層位增加傾角傳感器基準點。每個監(jiān)測層位設(shè)置 5 個光纖光柵監(jiān)測點，每個監(jiān)測點在豎向和環(huán)向各布置 1 個光纖光柵應變傳感器，每個傾角傳感器層位在東西南北 4 個方位各布置 1 個傾角傳感器，共計 70 個光纖光柵應變傳感器和 36 個傾角傳感器，如圖 2 所示。

表1 主井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of main shaft wall

圖2 監(jiān)測點布置Fig.2 Layout of monitoring points

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)安裝

監(jiān)測系統(tǒng)安裝的主要工作內(nèi)容包括元件標定、外殼加工、電纜光纜下放、元件埋設(shè)、元件布線、接線盒安裝、密封保護和地面采集系統(tǒng)安裝等。每個監(jiān)測層位的光纖光柵應變傳感器和傾角傳感器分別串聯(lián)形成 2 條獨立的線路，然后將每條線路的連接引入保護盒中，接入傳輸主光纜，其中保護盒安裝在立井梯子間主光纜附近。光纖光柵應變傳感器采用的主光纜為16 芯光纜，能滿足 100 個光纖光柵應變傳感器的正常采集工作。傾角傳感器技術(shù)參數(shù)為：分辨率 0.001°，滿量程精度±0.005°，溫漂 0.001°/℃，防護等級IP67，能夠在 -30～85 ℃ 環(huán)境下正常運轉(zhuǎn)。

安裝步驟如下：

(1)根據(jù)設(shè)計量程對所有埋設(shè)的傳感器進行物理量標定，并確定溫度補償系數(shù)[10-11]。

(2)埋點前的準備工作

①繪制各監(jiān)測層位傳感器的埋設(shè)布置圖及表項。

②根據(jù)埋設(shè)截面的尺寸及位置進行傳感器的串接。

③對串接好的傳感器進行標號記錄。

④制作預埋設(shè)光纜接線盒的保護木框。

(3)光纖光柵應變傳感器的安裝

①將應變傳感器的兩端尾纜與連接光纜熔接，熔接頭穿管保護(在確定了 2 個傳感器具體安裝位置后，即獲知了 2 個傳感器連接光纜的長度，這部分工作可以在井上進行，以縮短在井下的工作時間)。

②待一個鏈路的所有傳感器全部連接完成后，記錄各傳感器所對應的安裝位置，并用儀器對傳感器進行測定，記下傳感器安裝后的原始數(shù)據(jù)，然后將傳感器串的連接光纜放入預埋設(shè)的光纜接線盒中。

(4)光纜接線盒的埋設(shè)

①光纜接線盒埋設(shè)在立井井壁梯子間及通信電纜架附近，以便日后維護修理。

②光纜接線盒的正面朝向井筒內(nèi)壁，四周釘木框加以保護。

3 數(shù)據(jù)采集及分析

2018 年10 月6 日安裝完成，開始采集數(shù)據(jù)，采集頻率為每小時 1 次。截至 2020 年 6 月，采集光纖光柵應變傳感器數(shù)據(jù)近 100 萬份，傾角傳感器數(shù)據(jù)近50 萬份。以 6 號層位北向傾角傳感器每月 10 日采集數(shù)據(jù)為例，與同時段基準點數(shù)據(jù)校準差值后進行線性擬合分析[12]，如圖 3 所示。從圖 3 可以看到：x軸和y軸傾角差值擬合后線性平緩，在 0.001°～0.005°之間波動，屬于誤差范圍內(nèi)，說明目前張集礦主井井筒無明顯偏斜。

圖3 6 號層位北向傾角傳感器測量數(shù)據(jù)與差值擬合曲線Fig.3 Curves of measured data and difference fitting of tilt angle sensor in north of level six

4 結(jié)論

筆者提出的采用傾角傳感器進行井筒偏斜監(jiān)測，結(jié)合光纖光柵應變傳感器監(jiān)測井壁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對于深厚表土層覆蓋的立井井筒進行全壽命周期的安全監(jiān)測具有較強的指導意義。通過受力分析和經(jīng)驗合理選取監(jiān)測層位，使監(jiān)測數(shù)據(jù)更具有代表性和科學性。此外，在既有井筒中安裝監(jiān)測系統(tǒng)的防護方法還可為類似礦山的井筒安裝施工提供參考。