超深立井井壁圍巖穩定性監測及控制技術研究

高長起 焦東

摘要：引用分布式光纖應變測試技術對深部井筒井壁變形進行監測，獲得了井壁豎向和環向應變量的實時數據，結果表明，井壁主要發生壓縮變形，結果能很好地反映井壁的受力狀態，監測系統能實現對井壁安全狀態的實時動態監控。并在此基礎上列舉了圍巖控制的基本原則，認為釋能錨桿支護系統在未來超深井建設過程中有一定潛力。

關鍵詞：超深立井 ?井壁圍巖 ?變形監測 ?圍巖控制

我國礦產資源的開采不斷向深部邁進，超深井礦床開拓已經成為目前礦山井巷工程施工的主要開拓方式，[1-2]。隨著井筒深度增加，面臨更為嚴重的地壓問題，一旦出現井壁破裂，其突然性更強，危害更大。因此，井筒的變形監測是一項有價值的工作，對井筒的安全評價有著重要意義[2-3]。

井筒本身的安全是保證整個地下活動正常運行的基礎。如果在井壁中使用有效的監測系統，及時識別開采過程中的變形，將提前發現井壁中的潛在危險，并采取有效措施避免嚴重事故的發生。作為光纖傳感技術發展的前沿，分布式光纖傳感技術通過感知應變、溫度或振動的變化來實現對結構體和巖土體的實時監測，目前這類技術已廣泛應用于地質工程、巖土工程結構的監測中[4]。本文利用BOTDR分布式光纖傳感技術，通過分析井壁豎向和環向變形，驗證了該技術的優越性，并基于上述研究探討了深井井壁圍巖控制原則和技術。

1 工程背景

中國華冶遼寧礦業分公司本溪項目部承建的本溪龍新礦業有限公司思山嶺鐵礦副井工程由中國恩菲工程公司設計。井口標高+215.200m，井底標高1140.00m（含封底600mm厚），井筒深度1355m，井筒凈直徑10.0m。井筒施工至深部時，地壓大、地溫高、節理裂隙發育、且無規律性變化，地壓顯現比較明顯，出現了局部巖爆等自然災害。

2 BOTDR分布式監測技術研究

基于BODTA的分布式光纖監控是目前國內應用最為廣泛的一種實用系統，分布式光纖傳感技術中，光纖既是傳感介質又是傳輸通道，具有體積小、重量輕、幾何結構適應性強、抗電磁干擾、絕緣性能好、靈敏度高、適用于遠距離觀測等優點。本文借助分布式光纖應變測試技術建立了井筒應變檢測系統，對井筒井壁變形進行了實時監測[5]。

2.1 分布式光纖監測技術的基本原理

BODTA監測技術是近年來較為流行的一項尖端監測技術，基本原理是利用光纖中的布里淵散射光的頻移變化量與光纖所受的軸向應變和溫度之間的關系[4-5]：

式中：νB（?，T）是光纖應變為?、溫度為T時的布里淵頻移;νB（0，T0）是光纖應變為0、溫度為T0時的布里淵頻移;T0、T分別為初始溫度和測量時的溫度;ε和ΔΤ分別為應變、溫度變化量;νB（ε，T）/ε為應變系數，約為493MHz;νB（ε，T）/T為溫度系數，約為1MHz/℃。

2.2 光纖傳感器布置

光纖傳感器的布局直接影響檢測性能。為了防止在井壁施工和運行期間損壞光纖傳感器，沿井壁制作了寬度為3mm、深度為5mm的U形槽。在U形槽中去除灰塵后，鋪設直徑為0.9mm的單模光纖。將粘合劑和水泥填充到凹槽中，以確保井壁和纖維的均勻變形。將傳感光纖連接到傳輸電纜。地面電纜的另一端與BOTDR連接，傳感光纖布局的相關示意圖如圖1所示。

2.3 監測結果分析

變形監測系統于2019年5月安裝試驗后開始運行，并在不同時間段進行了變形監測。為了分析測試系統安裝以來井壁的變形情況，評價監測系統的穩定性，對測試數據進行了處理，得到了井筒表面監測點-780米到800米豎向光纖應變和-800米環向光纖應變的監測數據，如圖2-圖3所示。

由圖2可以看出，井壁的豎向光纖應變為負值，說明井壁在縱向上發生的是壓縮變形，井壁變形較大，由圖3可以看出，環向井壁光纖應變為負值，說明井壁在環向上發生的也是壓縮變形，最大變形值接近800μ?，由此可見，井壁主要發生壓縮變形。分布式光纖應變測試技術可以用于井筒井壁變形監測，獲得井壁的實時應變量，可對井壁的變形性進行分析，對井壁的安全性進行評價。

3 深井井壁圍巖控制技術探討

通過井筒圍巖變形的分析可知，提高圍巖自承能力是巷修成功的關鍵;及時采取有效措施提高“圍巖–支護體”整體承載能力是豎井長期穩定的保證。據此，提出如下圍巖控制基本原則：（（1）超前加固圍巖原則;（2）超前支護及臨時支護松散體原則;（3）大剛度永久支護原則;（4）提高“圍巖–支護體”整體穩定性原則（5）選擇正確的施工程序和施工方法，按照設計尺寸開挖和支護。

對于超深井筒來講可采用釋能錨桿支護系統，以釋能錨桿為基礎，進行噴錨網支護結構設計，該釋能支護結構系統能及時封閉、充填圍巖裂隙、加固圍巖，同時又具有一定的柔性，既允許又限制圍巖變形，從而可以充分調動圍巖自承能力，釋能錨桿既加固了井筒圍巖內部松散破碎的巖體，提高其圍巖體內聚力，又能使井筒圍巖在動力沖擊作用下，快速釋能其產生的動力沖擊能。

4 結論

（1）基于BOTDR的檢測方法，通過環向和豎向鋪設傳感光纖，可以建立井筒變形監測網絡，分布式光纖井壁變形監測系統可以實現對深井井壁多點變形的監測，結果能很好地反映井壁的受力狀態。

（2）深井井壁圍巖控制控制的主要思想是盡快提高巷道圍巖強度，防止圍巖應力集中。列舉了圍巖控制的基本原則，認為釋能錨桿支護系統在未來超深井建設過程中有一定潛力。

參考文獻

[1]孫顯騰.思山嶺礦深豎井施工方法及井壁圍巖穩定性分析[D].東北大學，2015.

[2]崔秀平.豎井施工及井壁支護[J].科技傳播，2012，4（14）：145-146.

[3]高云喜，路增祥.建井過程中井壁的破壞原因分析與修復[J].有色金屬（礦山部分），2006（01）：33-35.

[4]祝嘉賀.光纖法井筒變形監測系統的應用研究[D].中國礦業大學，2019.

[5]周曉敏，謝琰珂，李德春，閻建國.磁西副立井超千米單層井壁受力變形實測與分析[J].煤炭學報，2015，40（05）：1015-1020