超深立井井壁围岩稳定性监测及控制技术研究

高长起 焦东

摘要：引用分布式光纤应变测试技术对深部井筒井壁变形进行监测，获得了井壁竖向和环向应变量的实时数据，结果表明，井壁主要发生压缩变形，结果能很好地反映井壁的受力状态，监测系统能实现对井壁安全状态的实时动态监控。并在此基础上列举了围岩控制的基本原则，认为释能锚杆支护系统在未来超深井建设过程中有一定潜力。

关键词：超深立井  井壁围岩  变形监测  围岩控制

我国矿产资源的开采不断向深部迈进，超深井矿床开拓已经成为目前矿山井巷工程施工的主要开拓方式，[1-2]。随着井筒深度增加，面临更为严重的地压问题，一旦出现井壁破裂，其突然性更强，危害更大。因此，井筒的变形监测是一项有价值的工作，对井筒的安全评价有着重要意义[2-3]。

井筒本身的安全是保证整个地下活动正常运行的基础。如果在井壁中使用有效的监测系统，及时识别开采过程中的变形，将提前发现井壁中的潜在危险，并采取有效措施避免严重事故的发生。作为光纤传感技术发展的前沿，分布式光纤传感技术通过感知应变、温度或振动的变化来实现对结构体和岩土体的实时监测，目前这类技术已广泛应用于地质工程、岩土工程结构的监测中[4]。本文利用BOTDR分布式光纤传感技术，通过分析井壁竖向和环向变形，验证了该技术的优越性，并基于上述研究探讨了深井井壁围岩控制原则和技术。

1 工程背景

中国华冶辽宁矿业分公司本溪项目部承建的本溪龙新矿业有限公司思山岭铁矿副井工程由中国恩菲工程公司设计。井口标高+215.200m，井底标高1140.00m（含封底600mm厚），井筒深度1355m，井筒凈直径10.0m。井筒施工至深部时，地压大、地温高、节理裂隙发育、且无规律性变化，地压显现比较明显，出现了局部岩爆等自然灾害。

2 BOTDR分布式监测技术研究

基于BODTA的分布式光纤监控是目前国内应用最为广泛的一种实用系统，分布式光纤传感技术中，光纤既是传感介质又是传输通道，具有体积小、重量轻、几何结构适应性强、抗电磁干扰、绝缘性能好、灵敏度高、适用于远距离观测等优点。本文借助分布式光纤应变测试技术建立了井筒应变检测系统，对井筒井壁变形进行了实时监测[5]。

2.1 分布式光纤监测技术的基本原理

BODTA监测技术是近年来较为流行的一项尖端监测技术，基本原理是利用光纤中的布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变和温度之间的关系[4-5]：

式中：νB（Ɛ，T）是光纤应变为Ɛ、温度为T时的布里渊频移;νB（0，T0）是光纤应变为0、温度为T0时的布里渊频移;T0、T分别为初始温度和测量时的温度;ε和ΔΤ分别为应变、温度变化量;νB（ε，T）/ε为应变系数，约为493MHz;νB（ε，T）/T为温度系数，约为1MHz/℃。

2.2 光纤传感器布置

光纤传感器的布局直接影响检测性能。为了防止在井壁施工和运行期间损坏光纤传感器，沿井壁制作了宽度为3mm、深度为5mm的U形槽。在U形槽中去除灰尘后，铺设直径为0.9mm的单模光纤。将粘合剂和水泥填充到凹槽中，以确保井壁和纤维的均匀变形。将传感光纤连接到传输电缆。地面电缆的另一端与BOTDR连接，传感光纤布局的相关示意图如图1所示。

2.3 监测结果分析

变形监测系统于2019年5月安装试验后开始运行，并在不同时间段进行了变形监测。为了分析测试系统安装以来井壁的变形情况，评价监测系统的稳定性，对测试数据进行了处理，得到了井筒表面监测点-780米到800米竖向光纤应变和-800米环向光纤应变的监测数据，如图2-图3所示。

由图2可以看出，井壁的竖向光纤应变为负值，说明井壁在纵向上发生的是压缩变形，井壁变形较大，由图3可以看出，环向井壁光纤应变为负值，说明井壁在环向上发生的也是压缩变形，最大变形值接近800µƐ，由此可见，井壁主要发生压缩变形。分布式光纤应变测试技术可以用于井筒井壁变形监测，获得井壁的实时应变量，可对井壁的变形性进行分析，对井壁的安全性进行评价。

3 深井井壁围岩控制技术探讨

通过井筒围岩变形的分析可知，提高围岩自承能力是巷修成功的关键;及时采取有效措施提高“围岩–支护体”整体承载能力是竖井长期稳定的保证。据此，提出如下围岩控制基本原则：（（1）超前加固围岩原则;（2）超前支护及临时支护松散体原则;（3）大刚度永久支护原则;（4）提高“围岩–支护体”整体稳定性原则（5）选择正确的施工程序和施工方法，按照设计尺寸开挖和支护。

对于超深井筒来讲可采用释能锚杆支护系统，以释能锚杆为基础，进行喷锚网支护结构设计，该释能支护结构系统能及时封闭、充填围岩裂隙、加固围岩，同时又具有一定的柔性，既允许又限制围岩变形，从而可以充分调动围岩自承能力，释能锚杆既加固了井筒围岩内部松散破碎的岩体，提高其围岩体内聚力，又能使井筒围岩在动力冲击作用下，快速释能其产生的动力冲击能。

4 结论

（1）基于BOTDR的检测方法，通过环向和竖向铺设传感光纤，可以建立井筒变形监测网络，分布式光纤井壁变形监测系统可以实现对深井井壁多点变形的监测，结果能很好地反映井壁的受力状态。

（2）深井井壁围岩控制控制的主要思想是尽快提高巷道围岩强度，防止围岩应力集中。列举了围岩控制的基本原则，认为释能锚杆支护系统在未来超深井建设过程中有一定潜力。

参考文献

[1]孙显腾.思山岭矿深竖井施工方法及井壁围岩稳定性分析[D].东北大学，2015.

[2]崔秀平.竖井施工及井壁支护[J].科技传播，2012，4（14）：145-146.

[3]高云喜，路增祥.建井过程中井壁的破坏原因分析与修复[J].有色金属（矿山部分），2006（01）：33-35.

[4]祝嘉贺.光纤法井筒变形监测系统的应用研究[D].中国矿业大学，2019.

[5]周晓敏，谢琰珂，李德春，阎建国.磁西副立井超千米单层井壁受力变形实测与分析[J].煤炭学报，2015，40（05）：1015-1020