煤矿井架及井筒变形检测方法及实现

周永波(山东正元地球物理信息技术有限公司,山东济南 250101)

煤矿井架及井筒变形检测方法及实现

周永波∗
(山东正元地球物理信息技术有限公司,山东济南 250101)

摘 要:结合菜园生建煤矿井筒、井架及提升设备检测项目,针对菜园生建煤矿的实际情况,进行了检测方案的设计,并研究了一种井筒检测的新设备,成功进行了井筒、井架、井架变形检测；通过对大量观测数据的综合分析与研究,得出了井筒、井架以及提升设备的纵向变形、环向变形及径向变形情况以及井架基础的沉降情况；为设备维护保养提供了可靠的数据资料,为确保地面建、构筑物和矿井安全高效生产以及矿工、设备的安全提供了有力支持；同时为进行同类条件下井筒、井架的安全检测提供了参考。

关键词:井筒及井架变形；井架及提升设备检测；井筒有效横断面；地基塑性变形

1　引 言

菜园生建煤矿的井筒及井架已经使用多年,井筒及井架均已出现较大的变形,为满足井筒及井架改建的需要,急需对井筒及井架进行检测,求定出井筒的有效横断面、井筒的纵剖面、各预安置罐梁处井筒的横断面图及井架的偏斜程度等。

2　使用的仪器设备情况

在菜园生建煤矿井筒、井架及提升设备检测项目中,基于成本、精度要求及矿井现状考虑,井架变形检测采用了常规测量的方法,井筒变形检测则使用了新研发设计的井筒变形检测仪器进行检测。其基本配置:瑞士Leica Axyz/ MTM工业测量系统,包括2台TM5100A电子经纬仪(测角精度0．5″),1根标准尺(900．045 mm±0．003 mm)和配套的数据处理和分析软件Axyz V1．40;Leica TCA2003全站仪(测角精度0．5″,测距精度1 mm+1 ppm);日本产TOPCON DL-101C自动安平精密电子水准仪(精度0．4 mm/ km),配以TOPCON S1-3条形码铟钢水准尺;激光垂准仪,精度1/100 000、井筒变形检测仪。

根据国《工程测量规范GB50026-2007》,井架变形观测的精度要求如表1所示:

变形监测的等级划分及精度要求 表1

3　井筒变形检测

3．1井筒变形检测仪器设计

为了精确测定井筒变形,自行设计了井筒变形检测仪:

(1)组合式测距系统。如图1所示,该装置由4个手持式激光测距仪、2个激光靶和铝合金框架组合而成。4个手持式激光测距仪、激光靶与框架的几何位置可以调节,使用后用工业测量系统精确测定相对位置。

图1　组合式测距装置

(2)微动装置。如图2所示,微动装置的底座上有2个垂直相交的丝杠和滑轨,滑轨上安装有滑块,通过转动安装在丝杠上的手轮,可使滑块前后左右移动。使用时将组合式测距系统固定在微动装置的滑块上,通过转动手轮带动组合式测距装置在前后左右4个方向上微动。

图2　微动装置

3．2井筒变形测量

如图3所示,利用井筒变形检测仪激光垂准仪,罐笼自井筒底部向上,每隔4 m进行一次井壁测量,完成整个井筒不同高度的测量。

图3　测量装置立体结构图

3．3检测数据可视化

为了获取井筒有效使用断面大小和井筒壁倾斜情况,通过对测量数据处理并绘制断面图实现井筒可视化。

(1)测量数据处理

在AutoCAD上确定激光靶中心位置,通过激光靶与手持式激光测距仪的位置关系和改正后的测量数据,绘制水平井筒横断面综合平面图如图4所示。

(2)井筒检测结果可视化

①井筒有效使用断面的可视化。如图5所示,各层井筒内壁区域绘制完成后,在CAD上将各层水平内壁区域叠合,选取公共区域,在公共区域内做最大圆,即井筒内可以通过罐笼的有效使用断面区域,最后完成各层的水平断面图的绘制,内容包括:井筒内壁区域、有效圆、有效圆心坐标、现有钢丝绳位置及坐标、钢梁位置。

②井筒壁倾斜可视化。通过井筒东西、南北纵断面图的绘制可实现井筒壁倾斜可视化,可以更加直观的反应和判断井筒各高度处的倾斜情况。如图5所示绘制东西、南北断面图,并标注钢梁及激光束位置,标明各层位置与各层水平断面一一对应。

图4　各水平井筒横断面综合平面图

图5　井筒纵断面图

由图4和图5可以看出,在井筒测量的第8层上下,井筒变形较为严重,随着时间的推移其变形还会继续,甚至有可能影响井筒的安全运营,造成较大的损失。

4　井架竖直程度、天轮及提升中心偏斜检测

4．1井架竖直程度的检测

菜园煤矿副井井架为竖直井架,为检查井架是否倾斜,在副井井架各选相互垂直的两个侧立面,从井架顶部可观测部分开始到下部可观测部分为止,对竖梁的外侧边缘利用TCA2003全站仪采用测小角法进行精确测量,根据测定的小角差值和测站点到被测竖梁的距离L,按△s=L·δ/ρ″计算被测竖梁上下观测点的水平偏差值,根据水平偏差值和高度确定井架的竖直程度。

根据实地情况,选取的观测点情况分别如图6和图7所示。

图6　副井井架西侧观测点示意图 图7 副井井架北侧观测点示意图

4．2井架检测结果可视化

以图6和图7为底图,参照上表中的水平偏移值,根据观测成果在AutoCAD中绘制的绘制井架倾斜变形的示意图(如图8所示,图中竖直(井架高度)比例尺为1∶100,水平(水平偏离值)比例尺为1∶10,图中实线为垂准线,虚线为根据实测值绘制的井架竖梁竖直程度线)。

图8　副井井架倾斜变形情况示意图

由检测结果可知:副井井架由北侧面看,井架向东倾斜。由西侧面看,井架向北倾斜。

4．3井架基础变形测量

为检测井架基础是否变形或者沉降,在副井井架四根竖梁底脚处分别选择了4个相同的钢梁,利用TOPCON DL-101C电子水准仪,由井口高程基点S1出发,组成水准路线进行精密水准测量,联测井架基础变形观测点。并以S1=34．854 m为起算数据,求得各点的高程如表2所示:

井架基础各点的高程 表2

由以上数据可知:西北角点、西南角点高程相同,东南角点相差较大,差值达到0．018 m。东北角点差值为0．004 m。由此可以推断:由于井架基础受力不均匀、地表不均匀沉降等原因,从而引起井架基础的变形井架基础东南角已发生沉降,应尽早加以维护。

4．4天轮及提升中心偏斜检测

(1)井筒十字中线的精确转设

在对天轮平台检查测量前,首先在井筒十字中线点上,借助于TCA2003全站仪,将井筒十字中线精确地转设到天轮平台上。

(2)天轮大轴的水平度检查

采用DL-101C电子水准仪,直接测定天轮大轴顶面的两端间的高差。由实测高差直接判定天轮大轴的水平程度。

图9　副井天轮大轴水准测量

如图9所示,测定副井天轮大轴顶面两端间的高差,得到天轮大轴的水平度检测结果如下:

①副井北天轮大轴顶面两端间的高差:

h12=H2-H1=4．3 mm

北天轮大轴北低南高,则副井北天轮大轴的倾斜率:

②副井南天轮大轴顶面两端间的高差:

h34=H4-H3=–3．0 mm

南天轮大轴北高南低,则副井南天轮大轴的倾斜率:

(3)天轮中线平面位置及与提升中线的平行度检查

①天轮轴线位置的检测

在天轮平台上用细钢丝拉出十字中线,用小钢尺量取井天轮大轴上4个点到十字中线的平距,以检测天轮轴线位置的正确性,实测数据如图10所示。由图上实测数据可得出如下结论:副井天轮大轴轴线与十字中线的平行度非常好。

图10　副井天轮大轴轴线位置正确性示意图(单位/ m)

②提升中心与井筒中心偏斜及天轮与提升中线平行度的检测

如图11所示,经检测提升中心与井筒中心的偏斜量为0．406 m,方向沿南北十字中线,位于井筒中心以南。

图11　提升中心与井筒中心偏斜及天轮与提升中线平行度的检测

由图上实测数据可得出如下结论:副井天轮中线与主十字中线的平行度均较好,体现了副井天轮中线与提升中线的平行度较好,较小的差值可能主要由十字中线的转投误差和天轮内侧边缘的不十分规则引起的。

5　结 语

通过对井筒、井架及提升设备的检测,提供了翔实的井筒及井架变形数据,及时了解、预测井筒、井架的变形趋势,为设备维护保养提供了可靠的数据,为确保地面建、构筑物和矿井安全高效生产以及矿工、设备的安全提供了有力支持。

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Detection Method and Realization of the Deformation of Coal Mine Derrick and Shaft

Zhou Yongbo
(Shandong Zhengyuan Geophysical Information Technology Co．,Ltd,Ji′nan 250101,China)

Abstract:Based on the analysis and research of the large amount of observation data, this paper provided a reference for equipment maintenance and maintenance,and provided reliable data for equipment maintenance and maintenance,and provided a reference for equipment maintenance and maintenance．It provided reliable data for equipment maintenance and maintenance,and provided a reference for the safe and efficient production．

Key words:wellbore and derrick deformation;derrick and lifting equipment detection;shaft effective cross section; plastic deformation of foundation

文章编号:1672-8262(2015)05-124-04中图分类号:P258

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—06—08

作者简介:周永波(1975—),男,工程师,主要从事测量技术工作。