郭屯煤礦主井井筒運營期受力變形監測研究

關鍵詞：煤礦井筒；井筒變形；特厚表土層；井壁應力；監測系統

中圖分類號：TD745 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）11-0039-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.009

Study on the Monitoring of Force and Deformation During the Operation Period of the Main Shaft ofGuotun Coal Mine

HOU Jialiang1FANG Jianghua12CAI Haibing' （1.School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Scienceand Technology，Huainan 232001，China; 2.Beijing Zhuzong Group Co.，Ltd.，Beijing 100101， China）

Abstract： [Purposes] The coal mine shaft， as an important channel connecting the surface and underground，concerns the safety of transporting personnel，materials and equipment. With the increase in coal mining depth，the problems faced by the shaft become more complicated. Therefore，effective and realtime monitoring of shaft walldeformation and judgement of the safety status of the shaft wallbased on the monitoring data are important measures to ensure the safety of deep coal mining.[Methods] Taking the main shaft of Guotun Coal Mine in Juye Coalfield，Shandong as an example，based on the principle of vibrating string sensing test technology，long-term online monitoring was carried out on the force deformation of vertical shafts under the condition of thick topsoil and thin bedrock.The annular and vertical deformation of the shaft wall was analysed according to the monitoring results，and compared with the established early warning values at the same time，so as to assessthe safety status of the shaft. [Findings] The results show that the shaft walldeformation monitoring system can realize real-time monitoring and warning，with good stability.Themaximum circumferential strainand vertical strain of the shaft wall are both lowerthan theearly warning value of the shaft wall strain，indicating that the shaft wallis in a stable stage at present.[Conclusions] The research results have important reference value for the study of the deformation law of the shaft wall in the deep topsoil layer of the Juye Coalfield. Keywords： coal mine shaft; shaft deformation; extra-thick topsoil; shaft wallstress; monitoring system

0 引言

煤炭作為我國重要的基礎能源和工業原料，其開采和利用是我國社會經濟發展的重要保障[2]。在開采過程中，立井井筒作為煤礦開采中的核心部分，在運營期的安全是煤礦生產的重要保障[3]。隨著中國煤礦開采技術的不斷進步，煤礦開采深度不斷增加，井筒的深度也隨之增加，對于深部煤炭的開采也將成為主要的開采方向。而煤炭開采所要面臨的問題將更加復雜，所產生的工程事故也更為嚴重，一旦發生將會造成嚴重的經濟損失與人員傷亡[4]。因此，為確保井筒在運營期的安全，應采用合適的監測系統實時監測井壁變形情況，判斷井壁的安全狀態，將危險消除在萌芽之中。

當前，井壁變形監測的方法主要有GPS監測法[5、鋼絲基準線法、三維變形監測法[、倒垂法[8、位移法[9等。而這些方法各有優缺點，致使其不能實時監測井壁的受力變形情況。而振弦式傳感器是一種可以測量外界物理量的傳感器，其具有抗干擾能力強、準確度高、結構簡單、堅固耐用、傳輸距離遠、節能、惡劣環境下可靠等特點，可以實時監測井壁的變形情況并判斷井壁是否處于安全狀態。振弦式傳感器以監測精度高、信號穩定、適用性強等優點被廣泛應用于各類工程及科學研究中[10]。基于此，本研究利用振弦式傳感器監測系統，對山東省巨野煤田郭屯煤礦運營期井筒井壁進行受力變形監測，以確保井筒安全。

1傳感器工作原理

振弦傳感器的工作原理是通過一根兩端固定并預緊的金屬弦，如果傳感器受到外界作用，弦拉伸應力的變化會引起其自振頻率的變化，根據弦的自振頻率與其受力的關系、頻率的變化，可以得出引起弦的拉伸應力變化的物理量。

弦的振動原理如圖1所示，弦在拉力 T 和自重的作用下與 x 軸重合，處于力平衡狀態。當弦在橫向力作用下擺動時，某一瞬間弦的形狀為 ocp ，取微弧段 ds 為分離體，則 ds 微弧段在 x 方向上的受力平衡方程見式（1）。

T^′cosα^′-Tcosα=0

由于弦的擺動非常小，因此擺動時弦上切線的傾斜角也非常小，即 α≈0 ！ α^′≈0 ，故 cosα≈cosα^′ ≈1 ，則式（1）可變為式（2）。

T=T^′

如果沿 y 軸的位移為 u ，且 u=f（x，t） 。則在微段ds處沿 y 軸的總力為 T^′sinα^′-Tsinα-ρ₁gds ，根據牛頓第二定理可知式（3）。

T^′sinα^′-Tsinα-ρ₁gds=ρ₁ads

式中： ρ₁ 為弦的線密度， kg/m;g 為重力加速度，m/s²;a 為弦所具有的運動加速度， m/s² 。

當 α≈α^′≈0 時，則有式（4）。

弦沿 y 軸的加速度可以表示為 χ_t 時刻位移的函數，即 ?²u（x，t）/?²t ，聯立式（2）和式（4），則式（3）可寫為式（5）。

式（5）左邊括號中表達式可用二階微分代替，見式（6）。

因弦在振動時張力較大，則 ?²u/?²tgt;gt;g ，可忽略

Π_g 的影響，得到一維波動方程，見式（7）。

采用分離變量法求解波動方程，則有式（8）。

u（x，t）=u（x）sinωt

將式（8）代人式（7），可得式（9）。

微分式（9）的通解見式（10）。

在一般的振弦式傳感器中，弦兩端固定，則邊界條件 U_|x=0=0，U∣_x=1=0 。因此，有式（11）。

顯然 C₁≠0 ，則有式（12）。

即式（13）。

當 n=1 時，由式（8）可得振弦頻率的表達式，見式（14）。

將 T 及 ρ₁ 各除以振弦的橫截面積 A ，即式（15）。

式中： σ 為弦的拉應力， N/mm²;ρ 為弦的密度，kg/m³ 。由式（15）可得式（16）。

式（16）是弦的應力和頻率之間的關系，振弦傳感器也是基于這一原理，其中 f 與 σ 是非線性的。在實際測量中 ，f 和 σ 并不是換算的基礎，而是根據所測頻率值，再按照標定曲線直接換算出所測物理量的變化。

2工程概況及監測方案

2.1 工程概況

郭屯煤礦位于巨野煤田中北部，為全隱蔽的華北型石炭二疊系煤田，屬山東省郛城縣。該煤礦地處黃河沖積平原，地勢平坦，略呈西高東低之勢，坡度較小。上覆表土層包括3個含水層和2個隔水層，而基巖層有2個含水層。

該煤礦主井自上而下穿過第四系、新近系和二疊系上石盒子組，厚度分別為 136.1，451.3 和293.0m 。井筒凈直徑為 5.0m ，垂深 853.0m 。上部采用凍結法施工，凍深 702.0m ，并采用雙層鋼筋混凝土井壁，內壁厚 1000mm ，外壁厚 1150mm ，內外壁之間鋪設兩層厚 1.5mm 的塑料層；下部采用普通法施工，井壁厚 450mm 。

因該煤礦底部含水層長期疏放，含水層水位下降，使土體有效應力增加，松散層固結沉降，并壁所受縱向附加力不斷增大，井筒局部受力增大。根據《煤礦安全規程》及專家的井筒治理意見，建立基于振弦傳感測試技術的井筒受力變形監測系統，對井壁受力變形結果進行分析，實時評估井筒受力狀態，實現井筒的健康狀態安全預警，確保井筒安全運營。

2.2 監測方案

2.2.1井壁傳感器布設。本研究根據地層信息、井壁結構及相關行業標準等，確定在井壁上設置6個監測層位，監測水平見表1。元件布設示意如圖2所示，在內層井壁外表面等間距設置4個監測點位，每個監測點位沿豎向和環向各布設1個振弦式應變計，共布設振弦式應變計48個。

2.2.2監測系統安裝方法。在振弦式傳感器安裝前，先對其進行標定和標記，并對接頭進行密封處理。將其運至井下后，用粗砂布磨平安裝位置的混凝土表面，利用膨脹螺栓將夾具固定在混凝土結構上，裝入應變計，將應變計線頭通過防水接線盒與通信主電纜相連，接頭嚴格密封在環氧樹脂筒中，元件及線路采用黑膠皮防護。安裝完畢后，在井口處按編號將單芯電纜接入自動化頻率采集箱，在監測平臺設置好各元件參數和采集頻率即可。應變計的現場安裝如圖3所示。

2.2.3安全監測預警值。根據井壁結構和相關設計規范等計算各監測層位井壁的應變預警值，結果見表2。

3監測結果及分析

郭屯煤礦主井井筒變形在線監測系統于2021年12月4日搭建完成，為評估監測系統運行的穩定性及井筒的變形狀況，本研究分別選擇井筒上部、中部和下部位置上幾個有代表性的監測點位進行數據分析及評價。

3.1井壁環向應變監測結果及分析

各監測水平498d井壁環向應變監測結果如圖4所示。其中，第二水平（深度 504m 井壁環向最大壓應變為 -222.256με ，最大拉應變為 35.034με 第四水平（深度 545m ）環向最大壓應變為-385.649με ，環向最大拉應變為 130.464με ，第六水平（深度 588m ）最大壓應變為 -338.07με ，最大拉應變為 69.181με ，各水平井壁環向應變值均遠小于預警值。

由監測結果可知，井壁環向應變隨時間波動變化，最大拉應變為 130.464με ，最大壓應變為-385.649με ，整體趨勢變化較緩。井筒自上而下穿過多系土體，受周圍復雜土體壓力影響，環向壓力隨深度增加變化復雜，各水平監測結果變化趨勢也不盡相同。如第四水平，不同方位的數據有拉應變也有壓應變，同一方位不同水平數據大小也不同。由監測結果還可知，并壁環向受力主要以壓縮形變為主，各水平都處于安全彈性形變范圍之內，但是井筒中下部受力明顯增大，是監測的重點部位。

3.2井壁豎向應變監測結果及分析

各監測水平498d井壁豎向應變監測結果如圖5所示。其中，第二水平（深度 504m 井壁豎向最大壓應變為 -161.376με ，最大拉應變為 49.455με 0第四水平（深度 545m 井壁最大壓應變為-230.347με ，最大拉應變為 52.148με ，第六水平（深度 588m ）井壁最大壓應變為 -730.539με ，最大拉應變為 179.059με ，各水平井壁豎向應變值均遠小于預警值。

由上述各水平監測結果可知，最下層的第六水平應變值要大于其他兩個水平的應變值，并呈現隨著深度的增加，應變值也隨之加大的趨勢，井壁豎向最大拉應變為 179.059μg ，最大壓應變為-730.539με ，均未超出井壁應變預警值。井筒底部含水層發生疏水，土體有效應力增加，導致地層發生不均勻沉降，使井筒在一定程度上發生變形。同時由于井筒下沉與土體相對運動，使井壁受拉。

從4月到7月，井壁的豎向和環向應變較1月到3月變化幅度明顯增加，這是由于溫度升高，井壁混凝土遇熱膨脹，應力發生變化，從而反映在混凝土井壁的應變上，表明溫度變化對井壁變形的影響不可忽視。

綜上分析可知，井壁長期處于彈性變形階段，其應變在一定范圍內波動，呈非線性變化特征。由井壁應變監測結果可知，第二水平處井壁環向和豎向應變最大值分別占對應黃色預警值的 28.6% （環向）和 15.5% （豎向），第四水平處井壁環向和豎向應變最大值分別占對應黃色預警值的 52.9% （環向和 22.8% （豎向），第六水平處井壁環向和豎向應變最大值分別占對應黃色預警值的 44.1% （環向）和 68.6% （豎向），井壁處于安全狀態。

4結論

本研究闡述了振弦式傳感器的監測特點及工作原理，介紹了監測系統的安裝方法，通過在井壁表面布設傳感器對井筒受力狀態進行實時監測，并對預警值與實際應變值進行對比，從而判定井壁的安全狀態。

研究結果表明，井壁的環、豎向應變隨時間和深度不斷增大，整個井筒的井壁主要受壓應力，且下部受力明顯大于中上部。另外，溫度的變化也會引起井壁受力，呈現拉、壓應變來回交替變化的趨勢，但均在允許范圍之內。

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