基于倾角传感器的立井井筒安全监测系统设计与应用

郎 琦

1煤炭科学技术研究院有限公司 北京 100013

2煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 北京 100013

3北京市煤矿安全工程技术研究中心 北京 100013

20 世纪 90 年代以来，我国黄淮地区近 100 个井筒发生破坏，给矿山安全生产造成极大威胁。井筒发生破坏的原因有构造运动、施工质量、地震和竖向附加应力等各种假说，目前多数学者认为竖向附加应力是井筒破坏的主要原因，即矿山开采引起井筒周围表土层疏水沉降，从而产生附加在井筒上的竖向摩擦力，当井壁结构强度不足以抵抗该摩擦力时，井筒发生破坏[1-3]。对井筒的监测方法主要有人工巡检、机器人巡检、激光指向仪测位移、悬绳测位移、倾角传感器测位移、基于传感器的井筒结构监测系统和基于视频技术的井筒设施监测系统等[4-5]。其中基于传感器的井筒结构监测系统，由于其可以实时自动采集和分析数据，减少了人工工作量，在国内外受到广泛应用[6-7]。目前，在井筒结构监测中广泛采用预埋或后植入电阻式或光栅式应变传感器，但只能监测到局部结构受力状态，笔者提出了采用倾角传感器测量井筒偏斜量，结合光纤光栅应变传感器测量井筒结构应变值的井筒安全监测方法，并在张集煤矿主立井进行了试验应用。

张集煤矿设计生产能力为 120 万 t/a，服务年限为 50.1 a。主井净直径为 5.5 m，设计深度为 655 m，其中表土段为 452 m。井筒掘进采用冻结法施工，冻结深度为 583 m，是典型的厚表土薄基岩类型。矿井投产后地面水位下降明显，初步分析存在较大竖向附加应力。附近相似地质条件的井筒多处发生破坏或偏斜，为了实时监测井筒安全状态，及时采取补救措施，确保井筒长期安全稳定，杜绝重大安全事故的发生，开展了张集煤矿主井井筒安全监测系统的研究和设计。

1 总体方案设计

沿井筒内壁设置若干监测点，采用光纤光栅应变传感器监测井壁的竖向和环向应变，分析监测井壁混凝土的应力情况，掌握井壁结构的实时状态。采用本安型双轴倾角传感器监测井筒垂直和水平方向偏斜量，将井筒假定为一段固定的简支梁，选取基岩段布置基准点，表土段布置监测点，在基准点和监测点安装倾角传感器，通过基准点校验监测点的偏斜量。当井筒表土段发生偏斜时，通过倾角传感器测得各监测点倾角，最后通过最小二乘法或线性拟合得到整个井筒测量段的偏斜曲线。应变传感器和倾角传感器通过数据线和电源线连接到地面监测站的采集分析系统，实现数据的自动和实时采集分析。立井井筒安全监测系统框图如图 1 所示。

图1 立井井筒安全监测系统框图Fig.1 Block diagram of shaft safety monitoring system

2 监测系统布设

2.1 监测点布置

张集煤矿主井冻结段为双层井壁结构，变直径变强度设计，具体参数如表 1 所列。分析井壁设计特点可知，在变截面位置会产生应力集中，每个变截面最下端为本截面井筒的最大受力断面[8-9]，应在此处布设。为了安装方便，光纤光栅应变传感器和倾角传感器布置在一个层位监测断面。沿井筒轴向共设置 7 个水平监测层位，分别在 -100、-160、-240、-290、-330、-420 和 -460 m 表土段层位布置光纤光栅应变传感器监测点和倾角传感器监测点，在 -10 m 层位增加倾角传感器监测点，在 -560 m 基岩层位增加倾角传感器基准点。每个监测层位设置 5 个光纤光栅监测点，每个监测点在竖向和环向各布置 1 个光纤光栅应变传感器，每个倾角传感器层位在东西南北 4 个方位各布置 1 个倾角传感器，共计 70 个光纤光栅应变传感器和 36 个倾角传感器，如图 2 所示。

表1 主井井壁结构设计参数Tab.1 Design parameters of main shaft wall

图2 监测点布置Fig.2 Layout of monitoring points

2.2 监测系统安装

监测系统安装的主要工作内容包括元件标定、外壳加工、电缆光缆下放、元件埋设、元件布线、接线盒安装、密封保护和地面采集系统安装等。每个监测层位的光纤光栅应变传感器和倾角传感器分别串联形成 2 条独立的线路，然后将每条线路的连接引入保护盒中，接入传输主光缆，其中保护盒安装在立井梯子间主光缆附近。光纤光栅应变传感器采用的主光缆为16 芯光缆，能满足 100 个光纤光栅应变传感器的正常采集工作。倾角传感器技术参数为：分辨率 0.001°，满量程精度±0.005°，温漂 0.001°/℃，防护等级IP67，能够在 -30～85 ℃ 环境下正常运转。

安装步骤如下：

(1)根据设计量程对所有埋设的传感器进行物理量标定，并确定温度补偿系数[10-11]。

(2)埋点前的准备工作

①绘制各监测层位传感器的埋设布置图及表项。

②根据埋设截面的尺寸及位置进行传感器的串接。

③对串接好的传感器进行标号记录。

④制作预埋设光缆接线盒的保护木框。

(3)光纤光栅应变传感器的安装

①将应变传感器的两端尾缆与连接光缆熔接，熔接头穿管保护(在确定了 2 个传感器具体安装位置后，即获知了 2 个传感器连接光缆的长度，这部分工作可以在井上进行，以缩短在井下的工作时间)。

②待一个链路的所有传感器全部连接完成后，记录各传感器所对应的安装位置，并用仪器对传感器进行测定，记下传感器安装后的原始数据，然后将传感器串的连接光缆放入预埋设的光缆接线盒中。

(4)光缆接线盒的埋设

①光缆接线盒埋设在立井井壁梯子间及通信电缆架附近，以便日后维护修理。

②光缆接线盒的正面朝向井筒内壁，四周钉木框加以保护。

3 数据采集及分析

2018 年10 月6 日安装完成，开始采集数据，采集频率为每小时 1 次。截至 2020 年 6 月，采集光纤光栅应变传感器数据近 100 万份，倾角传感器数据近50 万份。以 6 号层位北向倾角传感器每月 10 日采集数据为例，与同时段基准点数据校准差值后进行线性拟合分析[12]，如图 3 所示。从图 3 可以看到：x轴和y轴倾角差值拟合后线性平缓，在 0.001°～0.005°之间波动，属于误差范围内，说明目前张集矿主井井筒无明显偏斜。

图3 6 号层位北向倾角传感器测量数据与差值拟合曲线Fig.3 Curves of measured data and difference fitting of tilt angle sensor in north of level six

4 结论

笔者提出的采用倾角传感器进行井筒偏斜监测，结合光纤光栅应变传感器监测井壁结构受力状态，对于深厚表土层覆盖的立井井筒进行全寿命周期的安全监测具有较强的指导意义。通过受力分析和经验合理选取监测层位，使监测数据更具有代表性和科学性。此外，在既有井筒中安装监测系统的防护方法还可为类似矿山的井筒安装施工提供参考。