基于多源信息監(jiān)測(cè)的鑿井信息化安全保障技術(shù)

何 磊(中國(guó)華冶科工集團(tuán)有限公司， 北京 101760)

1 前言

傳統(tǒng)豎井施工普遍依靠經(jīng)驗(yàn)，隨著豎井深度的增加，許多未知的困難和問題將不斷出現(xiàn)，尤其是厚沖積層和高地應(yīng)力，在很難詳細(xì)掌握工程地質(zhì)及水文地質(zhì)的情況下，應(yīng)用信息化施工保障安全是必然的發(fā)展趨勢(shì)[1]。國(guó)內(nèi)外眾多立井施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:對(duì)施工過程中的井壁安全、吊桶運(yùn)行信息、施工實(shí)時(shí)信息等問題的及時(shí)掌握，是保證安全高效施工的基礎(chǔ)。完整的信息化豎井施工技術(shù)應(yīng)由鑿井全過程的監(jiān)控系統(tǒng)、井壁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)、工作面環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)組成。我國(guó)豎井施工信息化施工尚處于起步階段，目前尚無真正應(yīng)用完整的信息化施工的豎井工程。井筒安全監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)的煤炭礦山應(yīng)用較多，也多在完成施工的豎井中應(yīng)用[2]，目前還沒有超千米的井筒在鑿井期間進(jìn)行井壁監(jiān)測(cè)的報(bào)道。遼寧省本溪思山嶺鐵礦副井原設(shè)計(jì)井深1 503.9m，凈直徑10m，掘進(jìn)荒徑11.2m，為國(guó)內(nèi)井筒直徑10m以上的最深豎井，通過對(duì)施工環(huán)節(jié)各重要部位及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施能保障豎井施工安全，為超深豎井施工技術(shù)的優(yōu)化提供經(jīng)驗(yàn)。

2 井架應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)

由于目前定型的鑿井井架均不能適用思山嶺鐵礦副井工程[3]，為保障超大超深豎井鑿井井架在施工過程中的安全性，基于電阻應(yīng)變量測(cè)的基本原理，采用DATATAKER測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)其關(guān)鍵構(gòu)件受力情況進(jìn)行測(cè)試，隨井筒深度不斷增加研究受力狀態(tài)的變化。井架關(guān)鍵構(gòu)件測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置及數(shù)據(jù)采集儀系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 井架正常工況下荷載監(jiān)測(cè)

隨著豎井的施工，獲取了不同深度井架受力與變形的數(shù)據(jù)。以天輪平臺(tái)梁為例，其在40m、143m、223m、518m、762m和1 000m 6種鑿井深度工況現(xiàn)場(chǎng)井架天輪平臺(tái)梁工作狀態(tài)實(shí)測(cè)分析應(yīng)力變化曲線，如圖2所示。

圖2 天輪平臺(tái)梁不同工況實(shí)測(cè)應(yīng)力

分析數(shù)據(jù)可知，隨著鑿井深度的增大，四根天輪平臺(tái)梁的井架現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)實(shí)測(cè)分析應(yīng)力基本上呈線性增長(zhǎng)。在鑿井深度1 000m工況時(shí)，天輪平臺(tái)邊梁的測(cè)點(diǎn)L08工作狀態(tài)實(shí)測(cè)分析計(jì)算的最大應(yīng)力為35.3MPa，遠(yuǎn)小于Q345鋼材的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度310MPa、比例極限σp和臨界應(yīng)力278.18MPa，說明在1 000m鑿井深度范圍內(nèi)的正常工作狀態(tài)天輪平臺(tái)梁符合設(shè)計(jì)要求、處于彈性受力階段且都不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

通過井架應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，新型鑿井井架關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力與應(yīng)變均被準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，保障了井架工作安全。

3 井壁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 井壁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)方案

為掌握井筒深部地壓顯現(xiàn)特征及保障井壁安全，防止巖爆等災(zāi)害對(duì)施工安全構(gòu)成威脅，建立了鑿井期間井壁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其方案是通過在井壁后埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)，在襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋上布置應(yīng)力計(jì)以實(shí)現(xiàn)井壁應(yīng)力監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集應(yīng)用無線傳輸方式。井筒圍巖應(yīng)變監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由鋼筋應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀及數(shù)據(jù)接收及處理系統(tǒng)組成。-602m水平為第一個(gè)監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)，井筒向下每60m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置2個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)和2個(gè)應(yīng)力計(jì)。多點(diǎn)位移計(jì)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)如圖3所示。

圖3 多點(diǎn)位移計(jì)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

3.2 井壁變形監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

在馬頭門襯砌完成后，將傳感器電纜鑿出后連接到JM3850采集儀上，為不影響井筒施工，將采集儀安放在馬頭門里。查找平衡后，設(shè)置離線采集頻率一天采集一次，采集方式為單次采集，最高采集次數(shù)1 000次。-782m馬頭門處共安裝個(gè)兩個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)和兩個(gè)測(cè)力計(jì)，單個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)3個(gè)通道，單個(gè)測(cè)力計(jì)1個(gè)通道，共需8個(gè)通道，配備一臺(tái)JM3850采集儀即可。-782m馬頭門的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 -782m馬頭門多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 -782m馬頭門多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

在近井壁表面變形最大，沿徑向向深部其位移變化逐漸減小，但其位移變形0.9mm后，其井筒圍巖變形逐漸減小直至其變形保持穩(wěn)定。在應(yīng)變監(jiān)測(cè)初期，其應(yīng)變?cè)诔跏急O(jiān)測(cè)階段隨時(shí)間變化其應(yīng)變變化大，其應(yīng)變變化速率較大，隨著時(shí)間的變化其應(yīng)變變化速率逐漸減小，直至圍巖趨于穩(wěn)定。

3.3 井壁襯砌應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在-782m馬頭門的最大和最小主應(yīng)力方向安裝4個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 馬頭門錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 -782m馬頭門錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

從圖6與圖7圍巖受力變化形式上看，其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向襯砌層徑向應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同，在井筒開挖后襯砌應(yīng)力逐漸增大并趨于穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明襯砌圍巖再度平衡后襯砌層的徑向應(yīng)力大約為1.6kN，相對(duì)于混凝土的強(qiáng)度很小，說明600mm混凝土的井壁結(jié)構(gòu)是合理可行的，足以保證井壁圍巖的穩(wěn)定。

4 吊盤鋼絲繩張緊力在線監(jiān)控警報(bào)系統(tǒng)

目前的鑿井工藝中，豎井施工所需的風(fēng)水管路及吊盤均通過穩(wěn)車鋼絲繩懸吊，鋼絲繩受力均衡至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)對(duì)懸吊鋼絲繩受力情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研發(fā)了鋼絲繩張緊力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案為整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)(主機(jī))和下位機(jī)(監(jiān)控節(jié)點(diǎn))兩個(gè)部分組成，系統(tǒng)采用總線式結(jié)構(gòu)，依據(jù)MODBUS通信協(xié)議而建設(shè)。懸吊吊盤的每根鋼絲繩都需配備一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，而各個(gè)分站節(jié)點(diǎn)時(shí)刻測(cè)量并存儲(chǔ)鋼絲繩拉力和入井深度，得到上位機(jī)的命令后，立刻向總線回傳測(cè)量數(shù)據(jù)，完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)。總系統(tǒng)框架如圖8所示。

圖8 總系統(tǒng)框圖

思山嶺鐵礦副井施工采用10臺(tái)25t穩(wěn)車提升吊盤，為保障每條鋼絲繩張緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提供全面的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一套包含10組傳感器的吊盤鋼絲繩張緊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用的壓力傳感器根據(jù)井架天輪平臺(tái)安裝的天輪軸承座尺寸進(jìn)行定做。天輪軸承座兩側(cè)的壓力傳感器對(duì)稱布置，采用高強(qiáng)螺栓固定，在受水平拉力方向焊接鑄鋼塊，減小水平拉力對(duì)軸承座的影響。旋轉(zhuǎn)編碼器通過齒輪、鏈條與天輪軸連接，從而實(shí)現(xiàn)鋼絲繩入井深度的計(jì)數(shù)。安裝完成的壓力傳感器及旋轉(zhuǎn)編碼器如圖9所示。

圖9 已安裝完成的壓力傳感器與終端顯示

鋼絲繩張力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩受力狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)?shù)醣P起降時(shí)可及時(shí)獲知鋼絲繩張力值，避免出現(xiàn)個(gè)別鋼絲繩長(zhǎng)時(shí)間處于過載狀態(tài)。使得吊盤提升20m用時(shí)不超過15min，較傳統(tǒng)吊盤提升節(jié)省用時(shí)1h以上，節(jié)約了工期，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，有力保障了豎井施工懸吊系統(tǒng)的安全，為今后大直徑井筒的施工提供了參考。

5 鑿井期間吊桶運(yùn)行擺幅監(jiān)測(cè)

5.1 監(jiān)測(cè)方案

隨著井筒深度的增加，吊桶在提升運(yùn)行過程中擺動(dòng)幅度有增加趨勢(shì)，吊桶碰撞井壁等構(gòu)筑物的風(fēng)險(xiǎn)增加。為監(jiān)測(cè)吊桶運(yùn)行擺動(dòng)，把握超深豎井提升運(yùn)行規(guī)律，設(shè)計(jì)了一套基于激光位移傳感器和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的提升吊桶運(yùn)行擺動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方案。測(cè)試方案中通過在吊桶運(yùn)行滑架下方增設(shè)特殊設(shè)計(jì)的設(shè)備平臺(tái)，將激光位移傳感器等測(cè)試系統(tǒng)元件布置在設(shè)備平臺(tái)上，具體如圖10所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)(設(shè)備布置平臺(tái)上激光位移傳感器組)通過信號(hào)電纜與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀和PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)激光位移傳感器反饋，可獲得兩組吊桶運(yùn)行過程中滑架上固定點(diǎn)與井壁混凝土表面的實(shí)時(shí)相對(duì)位移數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)關(guān)系即可獲得吊桶運(yùn)行過程中的橫向擺動(dòng)量，這里假定托架的橫向擺動(dòng)與吊桶相一致。由于方案中激光位移傳感器是以吊桶相對(duì)井壁的相對(duì)位移作為計(jì)算吊桶橫向擺動(dòng)量的依據(jù)，實(shí)際測(cè)試中應(yīng)盡量避免井筒內(nèi)壁上的結(jié)構(gòu)物或設(shè)備可能造成的干擾，同時(shí)在檢測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)過濾掉失真數(shù)據(jù)。此外，在設(shè)備平臺(tái)下方安設(shè)了一部攝像機(jī)，全程記錄吊桶升降過程，通過在吊桶不同位置布置反光測(cè)點(diǎn)，后期通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以獲得吊桶相對(duì)滑架的擺動(dòng)位移，對(duì)激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后可以準(zhǔn)確獲得提升吊桶的擺動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)作為輔助視頻信息有助于后期的測(cè)試數(shù)據(jù)處理。

圖10 吊桶運(yùn)行擺動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

利用設(shè)計(jì)的吊桶擺動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了-800m水平提升吊桶擺動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得了不同吊桶裝載狀態(tài)及兩種提升速度下的吊桶擺動(dòng)位移和豎向振動(dòng)數(shù)據(jù)，變化曲線如圖11所示。通過數(shù)據(jù)的初步整理分析表明：在測(cè)試條件下吊桶升降過程中一直處于頻率0.4～0.6Hz的豎向振動(dòng)狀態(tài)，其橫向擺動(dòng)位移較小，最大擺動(dòng)幅值約10cm。

圖11 不同裝載狀態(tài)下吊桶提升豎向加速度變化曲線

通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，得出：在測(cè)試條件下吊桶升降過程中一直處于頻率0.4～0.6Hz的豎向振動(dòng)狀態(tài)，其橫向擺動(dòng)位移較小，最大擺動(dòng)幅值約10cm。吊桶的橫向擺動(dòng)位移隨著裝載重量、提升速度的增加而呈增加趨勢(shì)。吊桶運(yùn)行過程的擺幅數(shù)據(jù)為1500m以上深度豎井施工新標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了重要依據(jù)。

6 結(jié)論

通過對(duì)大直徑超深豎井施工信息化安全保障體系的構(gòu)建與應(yīng)用實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

(1)由井架載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、井壁應(yīng)力應(yīng)變無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、鋼絲繩張緊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及吊桶運(yùn)行擺動(dòng)監(jiān)測(cè)構(gòu)成的鑿井信息化安全保障系統(tǒng)具有可行性，較傳統(tǒng)技術(shù)可明顯降低安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)豎井的安全高效施工。

(2)鋼絲繩張緊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鑿井懸吊系統(tǒng)鋼絲繩張緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在吊盤升降過程中可防止個(gè)別鋼絲繩長(zhǎng)時(shí)間過載，吊盤提升時(shí)間減少了3/4。

(3)思山嶺鐵礦副井施工吊桶升降過程中一直處于頻率0.4～0.6Hz的豎向振動(dòng)狀態(tài)，其橫向擺動(dòng)位移較小，最大擺動(dòng)幅值約10cm。吊桶的橫向擺動(dòng)位移隨著裝載重量、提升速度的增加而呈增加趨勢(shì)。