超深立井安全高效施工信息化監測監控

沈慰安，梁恒昌，趙光思

(1．中煤第五建設有限公司，江蘇徐州 221000;2．中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221008)

1 前言

經過幾十年的發展，我國深部資源開采問題日益突出，特別是20世紀90年代中期以來，深井建設的平均深度有加速增長的趨勢，進入21世紀，開始了千米井的興建。立井井筒工程是礦井建設的關鍵工程，施工安全問題隨著井筒的加深變得更為重要，同時立井的井壁安全是保證施工及長期運營安全的基礎［1～4］。目前井深超過700 m的井筒已占1/3以上，但深部礦產資源開發利用難度大、風險高，由此引發一系列關鍵問題急待解決。對于眾多技術難題的反饋信息，都要通過監測監控等信息化技術實現，因此掌握深立井建設的信息化施工成為解決技術難題并反饋信息的首要條件，國內外眾多立井施工的實踐經驗表明:對施工過程中的井壁安全、吊桶運行信息、施工實時信息等問題的及時掌握，是保證安全高效施工的基礎［5，6］。

信息化施工是將施工中各種數據進行定時檢測，特別是與施工安全有關的測試數據，凡是測試數據接近或超過規范要求的應及時報警，提醒施工人員采取有效技術措施來預防重大事故發生。超深立井的建設處于起步階段，還存在很多需要研究的地方，施工中經常會受到一些不確定因素的制約，往往存在潛在的危險，這時信息化施工就非常必要。同時信息化施工的數據為煤礦立井建設提供詳實的數據經驗，從而為施工技術的進一步發展提供了依據和保障［7，8］。

文章從深立井建設的實際情況出發，基于本溪大臺溝鐵礦直徑6．5 m、井深1640 m的超深立井井筒施工背景，分析對井筒施工和安全的重要影響因素，提出相應的監測、監控信息化集成措施，保證井筒施工安全［9～12］。

2 礦井信息化施工概況

信息化施工在其他領域中雖然取得了一些成績，但是在礦井建設中卻應用很少，主要是因為:a．之前的礦井建設中，沖積層較淺，而且地質構造并不復雜，粘土含量不多，可預計因素較多，憑借幾十年建井經驗完全可以應付;b．安全意識不夠，安全問題應該是一個建筑企業的首要問題，如果沒有了安全，則不管施工速度有多快，效益有多好，都將失去信譽和市場，尤其是對立井井筒這樣特殊部位的建設，它是建井工程的“咽喉”，應該特別注意;c．技術力量不夠，沒有專門的研究隊伍提供技術上的支持。

信息化施工在深凍結井中的應用可以起到如下的一些作用:

1)信息化施工可為加強設計單位、掘砌施工單位和凍結施工單位間的配合提供定量依據。

2)能達到既保證掘進工作面處的凍結壁和井壁的強度與穩定性又不浪費冷量的目的，從而可提高工程施工的經濟性和安全性，提高施工的速度。

隨著礦山開采的需求，需要建設的立井井筒呈現出超長超深的情況，導致出現許多未知的困難和問題，尤其是厚的沖積層和高的地應力，在很難詳細掌握工程地質及水文地質的情況下，采用信息化施工是非常重要的，也是必須的。

信息化施工的基本原理是，在施工過程中，以控制質量為目標，通過對大量工程檢測信息的分類、分析與處理，提取施工參數等影響施工質量的關鍵因素，通過最有效、最短的途徑不斷進行調整優化，指導施工全過程，同時依據前一步施工監測信息及施工參數的變化規律，推斷施工工況及其對施工質量的影響與控制，該過程貫穿于整個施工過程，是一個動態的過程。

3 施工信息化監測系統

與現有井深1000 m左右鑿井工程相比，1500～2000 m超深立井鑿井面臨的安全問題更為突出。超深立井鑿井全過程的監控系統和監控設施，通過攝像系統，激光掃描系統，溫度、應力、位移傳感器，視頻顯示等裝備，實現對超深立井鑿井全過程的監測與控制，內容包括井筒工作面施工現狀、工作面溫度狀況、提升容器的運行狀況，吊盤受力及運行狀態，鑿巖、抓巖、砌壁、排水設備性能狀態及運行過程，以及輔助施工設備、裝置安全性能的監控與分析。在吊盤和井上調度室實現并行檢測與控制。

3．1 鑿井全過程視頻監控系統

該系統利用光纖通訊技術、數字視頻技術和多媒體計算機等高新技術，對重要設備、礦井人員出入井口、存在安全隱患的地點、井下工作面、裝卸礦點等地點進行實時的視頻監控。

視頻監控系統主要由4部分組成:

1)前端攝像設備，包括攝像機、云臺、防護罩、電源、光發射機等，負責采集監控點的圖像信號。

2)視頻控制設備，主要由光接收器、視頻矩陣控制切換主機、云臺控制器等組成，完成視頻圖像的接收與處理，遙控云臺的轉動，調節鏡頭焦距的變化以及各種輸出信息的控制。

3)光纖傳輸設備，用于遠距離傳輸圖像信號。考慮到礦山工業場所分布距離遠，井下環境惡劣，采用光纖傳輸。光纖具有不受電磁干擾，抗化學腐蝕，傳輸距離長，通訊容量大，信號損耗低等突出優點，符合礦山視頻監控信號傳輸特點和要求。

4)視頻輸出設備，主要包括監視器、電視墻、網絡硬盤錄像機等。用于顯示監控圖像和保存圖像記錄。

視頻控制設備和輸出設備安裝在生產調度中心，該系統還支持網絡分控。將網絡硬盤錄像機接入礦山局域網后，登陸系統的用戶可通過瀏覽器遠程控制監控系統。

該系統建成后，通過監控重要設備運行情況和主要場所的工作情況，管理層能全面、快速掌握生產情況，及時發現各種違章違紀，減少事故的發生;減輕保衛人員工作量;通過回放硬盤錄像機的錄像，能為分析事故原因和明確責任提供證據。

3．2 吊盤關鍵點荷載監控系統

立井施工時，需要在井內設置一系列的鑿井工作盤。如封口盤、固定盤、吊盤、穩繩盤及其他特殊用途的作業盤等。

鑿井吊盤通常隨著井筒掘進工作面的向下推進而不斷下放，因此吊盤一般采用鋼絲繩進行懸吊，懸吊方式可采用單繩單絞車、雙繩雙絞車和多繩多絞車等方式;隨著超深立井的興建，立井井筒施工中，掘進工作面隨著井筒深度變化而不斷下移，無繩邁步式行走吊盤吊掛技術顯示出了其特有的優越性。

基于目前吊盤懸吊技術的現狀，超深立井鑿井施工吊盤的結構形式主要考慮兩種，一是采用地面絞車懸吊，二是井內無絞車吊掛。無論采用哪種結構，鑒于超深立井施工條件下穩繩張緊力的需要，吊盤需要采用井壁固定，因此必須對吊盤與井壁的支撐點、吊盤與懸吊鋼絲繩之間等關鍵部位的荷載和受力進行監測。考慮到吊盤采用液壓集成結構，對關鍵液壓部件的液壓壓力進行監測。吊盤關鍵點荷載監測監控系統主要由4部分組成:

1)各類荷載傳感器。a．穩繩荷載傳感器，研制合適量程和規格的穩繩傳感器，和穩繩及吊盤之間有可靠的連接方式，可靠的信號傳輸，實現穩繩荷載大小的測試和監控。b．基于邁步吊盤的超深立井鑿井設備吊掛技術關鍵部位的荷載監測傳感器:實現鑿井關鍵設備吊掛荷載的監控。c．基于邁步吊盤與井壁接觸荷載的監測傳感器，實現吊盤與井壁接觸荷載大小的測試。d．基于邁步吊盤與井壁接觸點的溫度監測傳感器:通過監測井壁混凝土溫度變化來反應混凝土強度的增長，控制邁步吊盤對井壁荷載的大小。e．液壓集成系統壓力監控傳感器:鑿井設備液壓系統集成系統實現鑿巖設備、抓巖設備、伸縮式液壓模板控制、吊盤的固定及行走、穩繩張緊力控制等液壓系統的集成管理，并共用液壓源，簡化井內設備布置。需要對各個子系統的液壓壓力進行監控，在管理上布置適合量程和規格的液壓傳感器進行壓力監控。f．工作面溫度傳感器:通過激光溫度傳感器測試工作面的溫度狀況。g．鑿井深度監測傳感器:通過激光測距等測試傳感器實現鑿井深度的監控。

2)信號傳輸電纜及二次儀表:通過信號傳輸電纜及二次儀表轉換，實現現場測量信號和傳輸信號之間的轉換和控制。

3)信號傳輸電纜:用于遠距離傳輸測量信號。考慮到礦山工業場所分布距離遠，井下環境惡劣等條件，選用合適可靠的傳輸方式。

4)信號處理及輸出設備:主要包括計算機系統和數據處理系統。實現測試信號的分析和測試數據的記錄。

3．3 提升吊桶運行過程監測及控制系統

制約超深立井井筒施工發展的關鍵技術是井筒鑿井提升能力的提高及其安全性，以及鑿井施工設備的吊掛問題。要提高深立井井筒施工的平均速度，必須提高井筒深部的鑿井效率。

吊桶在提升過程中，穩繩的長度、提升的速度、穩繩的張緊力是影響吊桶運行的關鍵因素，同樣也是影響吊桶安全運行的關鍵，因此有必要監測一定深度下的吊桶運行擺動幅度，當吊桶幅度超過一定量程支護，及時調整張緊力以改變吊桶運行安全，因此應合理考慮吊桶運行監測點的布設。

針對吊桶在某一運行位置的隨機擺動幅度精確監測難度比較大，基于目前的監測技術水平，通過布設監控攝像頭并配合數字照相技術可實現吊桶擺動幅度的監測。因此提升吊桶運行過程監測系統考慮以下布置方式:

1)前端攝像設備及其固定:包括攝像機、云臺、防護罩、電源、光發射機等，負責采集監控點的圖像信號。

2)視頻控制設備，主要由光接收器、視頻矩陣控制切換主機、云臺控制器等組成。完成視頻圖像的接收與處理，遙控云臺的轉動，調節鏡頭焦距的變化以及各種輸出信息的控制。

3)光纖傳輸設備，用于遠距離傳輸圖像信號。考慮到礦山工業場所分布距離遠，井下環境惡劣，采用光纖傳輸。光纖具有不受電磁干擾，抗化學腐蝕，傳輸距離長，通訊容量大，信號損耗低等突出優點，符合礦山視頻監控信號傳輸特點和要求。

4)視頻輸出設備，主要包括監視器、電視墻、網絡硬盤錄像機等，用于顯示監控圖像和保存圖像記錄。

5)數據分析系統，針對監控的圖像實施圖像分析，計算吊桶擺動幅度。

6)吊桶張緊力控制系統，通過分析系統，調整穩繩張緊力，實現吊桶運行控制。

為了確保觀測系統長期的穩定性和可靠性，監測時應該采用精度高、抗干擾性強、穩定性好的傳感元件進行監測，測試二次儀表布置于吊盤合適位置，轉換后的信號傳輸至地面監控調度室，形成鑿井全過程視頻、吊盤關鍵點荷載、提升吊桶運行過程的監測及控制系統。

4 監控系統的難點和問題

1)環境惡劣。礦建過程井下監控系統傳感器面臨的工作環境比較惡劣，傳感器的使用壽命和保護之間存在密切關系，但保護難度較大，造成傳感器的工作精度、安全度、壽命及成本會產生相當大的影響，監測過程應充分考慮。

2)維護困難。井下各類傳感器基本采用有線傳輸方式，礦井建設的過程中難免被粗重的東西砸傷或破損，因此線纜的合理布設、保護和維修就十分重要。

3)信號紛雜。綜合監測涉及各類傳感器，一次傳感器的信號有電信號、視頻信號、振弦式信號、溫度信號等，這些信號的二次轉換儀表要求難度比較高，信號傳輸也比較復雜。

4)安裝困難。傳感器的安裝應不影響各類設備儀器的正常使用和方便，傳感器的安裝位置要經過充分考慮和可靠性分析。監測吊桶運行傳感器的安裝和信號傳輸要經過充分的分析和選擇。

5 結語

超深立井鑿井全過程的監測與控制系統內容包括井筒工作面施工現狀、工作面溫度狀況、提升容器的運行狀況，吊盤受力及運行狀態，鑿巖、抓巖、砌壁、排水設備性能狀態及運行過程，以及輔助施工設備、裝置安全性能的監控與分析，整個監控系統可以分為鑿井施工過程視頻監控系統、吊盤關鍵點荷載監控系統、提升吊桶運行監控系統。

超深立井鑿井全過程的監測與控制系統是超深立井安全高效施工的保證措施。

超深立井安全高效信息化施工是今后立井井筒施工技術的發展方向和必不可少的生產條件，對深部資源的開發具有十分重大的意義。

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