万福矿副井筒信息化监测设计及数据分析

高建政 高 祥 王 伟 邹久群

(1.兖煤菏泽能化有限公司万福煤矿筹备处，山东 菏泽 274900; 2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

0 引言

随着我国矿产资源开采深度加大，在特殊地质情况下，人工冻结地层法矿井建设已经是普遍使用的方法，且有很多的研究工作和工程数据作为依据[1,2]。井筒作为通往地下的咽喉要道，所以，对井筒受力及变形的监控直接关系到生产的安全，如果能够使得监测更加信息化、更加实时化，这将对隐患的预测和治理有着重要的意义。

巨野县柳林万福矿项目位于巨野煤田块的南端，项目距菏泽45 km，距巨野32 km。项目设计产能1.8 Mt/年，项目场地设计布置主副和风三个井，井口标高+45 m，井底车场水平设计标高-820 m。井筒穿过大约760 m的冲基层，远远超过我国以往冻结法建设的井筒所穿越的表土厚度，因此在该项目建设中并没有可参考的类似工程，增加项目建设中的不确定性。所穿越表土层中，第四系地层厚约100 m～200 m，第三系地层厚约540 m～640 m，而且第三系地层中粘土层的总厚度比例超过70%，但是该粘土层具有：含水量较低、膨胀性大、结冰温度低、冻结速度慢和冻土强度低的特点，这将是冻结施工项目的噩耗。万福项目下的冲积层下部的含水砂、砾层也可能会与煤系地层有很大的水力联系，可能引起的水分迁移对井壁形成不均匀附加力作用，从而可能致使井筒结构的异常现象。

特殊地质条件下冻结掘进施工，造成井壁破裂甚至破坏现象的案例，已有大量的研究。人们意识到其严重性，意识到井壁破坏严重威胁矿井的安全，国内外也鲜有灾难案件报道，一些专家也归纳其主要的原因为：冻胀力和附加力[3,4]等引起的井壁不均匀受力[5-8]；地下水分迁移所致的不均匀沉降；工程管理不合理及质量无保证等。

现代施工技术中，信息化施工[9]举足轻重，对施工过程中的情况能做到动态的监测分析，此类工程中信息化、现代化的监测手段应该得到较大的推广。

1 副井井壁情况

下文针对副井-130 m～-300 m之间的一段出现较多裂纹的井壁，描述如表1所示。

表1 副井-130 m～-300 m段裂纹描述

表2 万福煤矿副井内壁监测层位布置

2 信息化监测方案设计

方案设计采用数值软件ANSYS来确定相邻监测开槽点之间的间距，数值建模如图1所示，在井壁中间取多点路径提取数据分析沿井壁径向开槽后的影响区域，计算云图如图2所示。通过上述计算的数据处理(见图3)，得出竖槽的应力集中区域大概为11%，横槽的应力集中区域大概为整个周径的11.8%。通过计算可得300的横竖开槽间距为最佳距离。开槽后埋置传感元件，监测温度变化及应力应变等。其中5个监测层位包括3个可缩层压缩量监测层位和2个混凝土应变监测层位，具体层位如表2所示。沿顺时针方向在每层可缩层东、南、西、北4个方向依次布设编号为SA,SB,SC和SD的4个测点，每测点布置一支测缝计。井壁混凝土中应变监测层位将会按顺时针方向在每层可缩层的东南西北四个方向依次布设测点编号为HA,HB,HC和HD的4个测点。每个测点布置竖向、环向混凝土应变计各1支。为了校正测量数据，每监测层位在东、西方向各布置1支无应力混凝土应变计。各应变计封装有温度传感器，可测试测点位置的温度。

监测系统及组成：由于井筒内存在电磁干扰、振动、湿度大灯复杂环境，副井选用光纤式监测系统，各层传感器组通过主光缆连接至地面监测室解调仪，主光缆采用16芯铠装光缆，直径约13 mm，重量约200 kg/km，系统见图4。系统安装工序为：打眼开槽→光缆敷设→传感器安装→系统集成与调试。同层位的横竖槽具体布置见图5。鉴于数据较多，文章不在对所有的测点数据绘制曲线变化图，单列出CD测点应变曲线，如图6所示。

3 数据及裂纹机理分析

针对井筒外壁出现的裂纹状况，及监测数据的分析处理，初步确定井壁裂纹出现的原因主要有以下几个方面：

1)根据地质资料，地层倾向为西北至东南，东南向揭露土层比西北向晚，故压力下井壁受力便不均匀，从而致使井壁破裂。2)在裂纹出现的位置，粘土的膨胀性又造成二次冻胀压力。混凝土的水化作用生成大量热量，造成井帮粘土局部解冻，在回冻后发生较大的塑性变形和蠕变，回冻后膨胀系数较大，会对井壁造成更大的压力致使井壁的破坏。

通过数据的分析及表象的观测，结合该工程地质资料认为可从以下方面展开：在裂纹密集和宽度较大的井壁段增设井圈、背板进行联合支护方式，其之间采用硬连接，并在后背楔实，保证其具有足够的支撑力，该措施主要在于提高支护能力。在刷帮期间均匀增设布置卸压槽，用以抵消井帮解冻后，二次回冻时的高冻胀力。一般情况，卸压槽的布置间隔大约在1 m～1.5 m，宽度200 mm～300 mm之间，深度大约200 mm。同时，也要注重合理调整施工流程，注意主要的和关键的工艺节点，例如加强混凝土的振捣。

4 结语

1)从万福矿井副井井筒外井壁已出现的裂纹可以看出，井壁的破坏是呈现一定的规律性的，而根据其机理分析在后续施工中所采取的措施，是能够有效预防和控制井壁裂纹发展。

2)信息化的监测施工理念更应该在不确定性因素复杂的工程中得到很好的推广和应用，做到及时预测和预防隐患发生。

3)深部岩土工程遇到厚表土层情况时，冻结法掘砌施工是较为有效地掘进工艺，但是一般会存在因为地层结构、冻土回冻和大体积混凝土水化热以及不合理的施工管理所致的质量问题，从而引起井筒受较大的不均匀荷载，甚至实际承载力远远达不到设计要求，从而较早的出现井筒裂纹，然而在接下来的长期生产都面临着严重的隐患。

4)根据万福副井的监测数据分析可知，ANSYS的数值分析方法对监测方案的确定是可行的。

参考文献:

[1] 张 涛,杨维好,陈国华,等.大体积高性能混凝土冻结井壁水化热温度场实测与分析[J].采矿与安全工程学报,2016(2):290-296.

[2] 张 驰.富水岩层中新型单层冻结井壁关键施工技术与工艺研究[D].北京：中国矿业大学,2012.

[3] 杨维好,崔广心,周国庆，等.特殊地层条件下井壁破裂机理与防治技术的研究(之一)[J].中国矿业大学学报,1996(4):1-5.

[4] 骆念海,杨维好.井壁竖直附加力的影响因素分析[J].煤炭科学技术,2000,28(12):41-43.

[5] 姜国静,王建平,刘晓敏.超厚黏土层冻结压力实测研究[J].煤炭科学技术,2013,41(3):43-46.

[6] 张红晓.特厚冲积层冻结壁变形及冻结压力的研究[D].长沙：中南大学,2011.

[7] 李运来,汪仁和,姚兆明.深厚表土层冻结法凿井井壁冻结压力特征分析[J].煤炭工程,2006(10):35-37.

[8] 王衍森,黄家会,杨维好,等.特厚冲积层中冻结井外壁温度实测研究[J].中国矿业大学学报,2006,35(4):468-472.

[9] 宋 雷,杨维好,李海鹏.郭屯煤矿主井冻结法凿井信息化监测技术研究[J].采矿与安全工程学报,2010,27(1):19-23.