萬福礦副井筒信息化監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

高建政 高 祥 王 偉 鄒久群

(1.兗煤菏澤能化有限公司萬福煤礦籌備處，山東 菏澤 274900; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

0 引言

隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源開采深度加大，在特殊地質(zhì)情況下，人工凍結(jié)地層法礦井建設(shè)已經(jīng)是普遍使用的方法，且有很多的研究工作和工程數(shù)據(jù)作為依據(jù)[1,2]。井筒作為通往地下的咽喉要道，所以，對(duì)井筒受力及變形的監(jiān)控直接關(guān)系到生產(chǎn)的安全，如果能夠使得監(jiān)測(cè)更加信息化、更加實(shí)時(shí)化，這將對(duì)隱患的預(yù)測(cè)和治理有著重要的意義。

巨野縣柳林萬福礦項(xiàng)目位于巨野煤田塊的南端，項(xiàng)目距菏澤45 km，距巨野32 km。項(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)能1.8 Mt/年，項(xiàng)目場(chǎng)地設(shè)計(jì)布置主副和風(fēng)三個(gè)井，井口標(biāo)高+45 m，井底車場(chǎng)水平設(shè)計(jì)標(biāo)高-820 m。井筒穿過大約760 m的沖基層，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我國(guó)以往凍結(jié)法建設(shè)的井筒所穿越的表土厚度，因此在該項(xiàng)目建設(shè)中并沒有可參考的類似工程，增加項(xiàng)目建設(shè)中的不確定性。所穿越表土層中，第四系地層厚約100 m～200 m，第三系地層厚約540 m～640 m，而且第三系地層中粘土層的總厚度比例超過70%，但是該粘土層具有：含水量較低、膨脹性大、結(jié)冰溫度低、凍結(jié)速度慢和凍土強(qiáng)度低的特點(diǎn)，這將是凍結(jié)施工項(xiàng)目的噩耗。萬福項(xiàng)目下的沖積層下部的含水砂、礫層也可能會(huì)與煤系地層有很大的水力聯(lián)系，可能引起的水分遷移對(duì)井壁形成不均勻附加力作用，從而可能致使井筒結(jié)構(gòu)的異常現(xiàn)象。

特殊地質(zhì)條件下凍結(jié)掘進(jìn)施工，造成井壁破裂甚至破壞現(xiàn)象的案例，已有大量的研究。人們意識(shí)到其嚴(yán)重性，意識(shí)到井壁破壞嚴(yán)重威脅礦井的安全，國(guó)內(nèi)外也鮮有災(zāi)難案件報(bào)道，一些專家也歸納其主要的原因?yàn)椋簝雒浟透郊恿3,4]等引起的井壁不均勻受力[5-8]；地下水分遷移所致的不均勻沉降；工程管理不合理及質(zhì)量無保證等。

現(xiàn)代施工技術(shù)中，信息化施工[9]舉足輕重，對(duì)施工過程中的情況能做到動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)分析，此類工程中信息化、現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)手段應(yīng)該得到較大的推廣。

1 副井井壁情況

下文針對(duì)副井-130 m～-300 m之間的一段出現(xiàn)較多裂紋的井壁，描述如表1所示。

表1 副井-130 m～-300 m段裂紋描述

表2 萬福煤礦副井內(nèi)壁監(jiān)測(cè)層位布置

2 信息化監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)采用數(shù)值軟件ANSYS來確定相鄰監(jiān)測(cè)開槽點(diǎn)之間的間距，數(shù)值建模如圖1所示，在井壁中間取多點(diǎn)路徑提取數(shù)據(jù)分析沿井壁徑向開槽后的影響區(qū)域，計(jì)算云圖如圖2所示。通過上述計(jì)算的數(shù)據(jù)處理(見圖3)，得出豎槽的應(yīng)力集中區(qū)域大概為11%，橫槽的應(yīng)力集中區(qū)域大概為整個(gè)周徑的11.8%。通過計(jì)算可得300的橫豎開槽間距為最佳距離。開槽后埋置傳感元件，監(jiān)測(cè)溫度變化及應(yīng)力應(yīng)變等。其中5個(gè)監(jiān)測(cè)層位包括3個(gè)可縮層壓縮量監(jiān)測(cè)層位和2個(gè)混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)層位，具體層位如表2所示。沿順時(shí)針方向在每層可縮層?xùn)|、南、西、北4個(gè)方向依次布設(shè)編號(hào)為SA,SB,SC和SD的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每測(cè)點(diǎn)布置一支測(cè)縫計(jì)。井壁混凝土中應(yīng)變監(jiān)測(cè)層位將會(huì)按順時(shí)針方向在每層可縮層的東南西北四個(gè)方向依次布設(shè)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為HA,HB,HC和HD的4個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置豎向、環(huán)向混凝土應(yīng)變計(jì)各1支。為了校正測(cè)量數(shù)據(jù)，每監(jiān)測(cè)層位在東、西方向各布置1支無應(yīng)力混凝土應(yīng)變計(jì)。各應(yīng)變計(jì)封裝有溫度傳感器，可測(cè)試測(cè)點(diǎn)位置的溫度。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及組成：由于井筒內(nèi)存在電磁干擾、振動(dòng)、濕度大燈復(fù)雜環(huán)境，副井選用光纖式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，各層傳感器組通過主光纜連接至地面監(jiān)測(cè)室解調(diào)儀，主光纜采用16芯鎧裝光纜，直徑約13 mm，重量約200 kg/km，系統(tǒng)見圖4。系統(tǒng)安裝工序?yàn)椋捍蜓坶_槽→光纜敷設(shè)→傳感器安裝→系統(tǒng)集成與調(diào)試。同層位的橫豎槽具體布置見圖5。鑒于數(shù)據(jù)較多，文章不在對(duì)所有的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制曲線變化圖，單列出CD測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線，如圖6所示。

3 數(shù)據(jù)及裂紋機(jī)理分析

針對(duì)井筒外壁出現(xiàn)的裂紋狀況，及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，初步確定井壁裂紋出現(xiàn)的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1)根據(jù)地質(zhì)資料，地層傾向?yàn)槲鞅敝翓|南，東南向揭露土層比西北向晚，故壓力下井壁受力便不均勻，從而致使井壁破裂。2)在裂紋出現(xiàn)的位置，粘土的膨脹性又造成二次凍脹壓力。混凝土的水化作用生成大量熱量，造成井幫粘土局部解凍，在回凍后發(fā)生較大的塑性變形和蠕變，回凍后膨脹系數(shù)較大，會(huì)對(duì)井壁造成更大的壓力致使井壁的破壞。

通過數(shù)據(jù)的分析及表象的觀測(cè)，結(jié)合該工程地質(zhì)資料認(rèn)為可從以下方面展開：在裂紋密集和寬度較大的井壁段增設(shè)井圈、背板進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)方式，其之間采用硬連接，并在后背楔實(shí)，保證其具有足夠的支撐力，該措施主要在于提高支護(hù)能力。在刷幫期間均勻增設(shè)布置卸壓槽，用以抵消井幫解凍后，二次回凍時(shí)的高凍脹力。一般情況，卸壓槽的布置間隔大約在1 m～1.5 m，寬度200 mm～300 mm之間，深度大約200 mm。同時(shí)，也要注重合理調(diào)整施工流程，注意主要的和關(guān)鍵的工藝節(jié)點(diǎn)，例如加強(qiáng)混凝土的振搗。

4 結(jié)語

1)從萬福礦井副井井筒外井壁已出現(xiàn)的裂紋可以看出，井壁的破壞是呈現(xiàn)一定的規(guī)律性的，而根據(jù)其機(jī)理分析在后續(xù)施工中所采取的措施，是能夠有效預(yù)防和控制井壁裂紋發(fā)展。

2)信息化的監(jiān)測(cè)施工理念更應(yīng)該在不確定性因素復(fù)雜的工程中得到很好的推廣和應(yīng)用，做到及時(shí)預(yù)測(cè)和預(yù)防隱患發(fā)生。

3)深部巖土工程遇到厚表土層情況時(shí)，凍結(jié)法掘砌施工是較為有效地掘進(jìn)工藝，但是一般會(huì)存在因?yàn)榈貙咏Y(jié)構(gòu)、凍土回凍和大體積混凝土水化熱以及不合理的施工管理所致的質(zhì)量問題，從而引起井筒受較大的不均勻荷載，甚至實(shí)際承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，從而較早的出現(xiàn)井筒裂紋，然而在接下來的長(zhǎng)期生產(chǎn)都面臨著嚴(yán)重的隱患。

4)根據(jù)萬福副井的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，ANSYS的數(shù)值分析方法對(duì)監(jiān)測(cè)方案的確定是可行的。

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