煤矿立井井筒变形监测方法

＊孙盛源

（国家能源集团杭锦能源有限责任公司塔然高勒煤矿 内蒙古 017400）

矿井建成从施工到投放，它将经历一个压力平衡的过程。在矿山使用过程中，由于各种内力和外力的相互作用，竖井的形状会发生相应的变化。常见的现象有斜井顶底板下沉、涌水量变化、井壁位移等。近年来，我国煤矿立井损坏的案例越来越多，其中一些是由表土和地表水排水引起的沉降，有的是不合理井壁设计造成的，还有的是因为过度采矿所造成的。由于煤矿井筒作业现场条件因素的影响，很难观测到井筒变形，因此，有必要探索基于变形规律的井筒变形监测技术和方法。针对煤矿立井井筒变形的特点，提出了立井井筒变形观测场的理论基础和具体方法。

1.变形监测技术概述

变形监测（将测得的物体或对象简称为变形体进行测量）根据变形体的时空变化特征、空间位置，测量物体内部形状、大小等，变形体由天然建筑物和人工建筑物组成，从很小的建筑块到大的半球建筑块都属于变形体范畴。岩崩、地震、滑坡、水坝检查、地基下沉、建筑物倒塌等都是典型的变形破坏现象。这些都给人们带来巨大的困扰，严重影响人们的生命和财产安全。地质学和岩土工程的变形属于变形体。如果变形量不超过一定的范围，就不会有损失，一旦变形量超过允许的范围，就会造成严重的灾难，甚至影响到人们的生活，因为变形量与人身安全有着密切的关系。国内外对变形监测方法、技术和设备的研究都十分重视，对变形信息的获取和分析也十分深入。

变形监测在国内外普遍受到重视主要是把握形体的实际性状，完成安全评价或变形预测。前者主要是测量控制地质和立井变型的稳定性，及时为安全诊断和治理提供重要的信息，为之后的图纸设计和施工以及后期运行的安全做好充足的准备。后者主要研究变形机构以及工程设计理论的验证和变化，根据本文的研究背景，从地质学和岩土工程的观点出发，再通过多学科相关专业知识的融合，变形监测技术是典型的跨学科领域技术，进行地质灾害变形监视技术和岩土工程的概论。

2.立井设备变形与原因

（1）立井井筒设备。包括通道梁、通道、电缆、导管、楼梯、下部金属支撑机构、钢制电缆终端安装、电缆支架、通道支撑梁、防锈装置（敷设上方）等。

（2）立井井筒的变形，破坏及成因。立井的变形破坏一般表现为局部井壁突然受压，使罐道不稳定，通过罐道梁的传递影响提升。严重情况下，大块混凝土和罐道掉落，或损坏竖井设备或造成人员受伤。事故迫使煤矿停产、被动救援，造成巨大的经济损失。分析表明，客观上，冻土融化沉降、疏水沉降、井筒温度变化、地下水入渗等引起的竖向附加力作用于井壁，导致井壁竖向应力变形，甚至破裂。主观上，在施工过程中，由于岩石运动观测不及时以及安全缓冲装置（罐道差动耦合装置）安装不当，未能采取预防措施，从而导致事故发生。

3.立井井筒变形监测方法以及监测方式

目前，我国煤矿的总体趋势是逐渐开发浅埋煤层。随着开采的深度不断增加，地质条件也变得越来越复杂。矿井压力的增加，井筒的成本也相应增加。井中放置的设备也有所增加，井口壁上的压力也相应增加，特别是主副井承担着矿井通风和提升的任务，它是隧道的咽喉。矿井的稳定性和安全性关系到矿山的发展。监测井筒的变形，获取监测数据为合理维护的初步设计提供可靠数据。判断支持的合理性和可靠性。井筒岩石滚动的稳定性和安全性。进一步根据监测资料的变化逐渐趋于合理。《工程勘察规范》要求：大型或重要工程建、构筑物工程设计时变形测量总体布置工程开始时进行变形测量。轴变形的监测受到观测条件的限制。水平位移监测网和垂直位移监测网配置困难。不同于以前的变形测量，有必要讨论井壁变形监测方法。需要合理的监测方案。

（1）断面测量方法。根据不影响起吊和便于保护的原则，将两根钢丝绳放在竖井的相应位置（如图1），在马头门处对钢丝绳进行摆动观察，确定其稳定位置，并将钢丝绳作为垂直基准点连接（形成双垂直参考点）在钻孔附近，在钻孔头部设置控制点，利用徕卡TM30精密检测机器人精确测量附近钻孔坐标和钢丝的坐标，钻孔处、钻孔中部和井底的两根钢丝之间的距离为多倍精确测量以确定组合测量装置框架线的尺寸。根据现场观察到的管道、电缆和导线在波浪中的分布，确定拆卸器在组合测量装置上的位置（避免不同结构物在波浪中受阻，并均匀设置测量点），然后借助工业测量系统精确测量组合测量装置的比率。

图1 钢丝位置选择示意图

在测量过程中，仪表应在保持架顶部使用专用组合测量装置。首先将钢丝夹紧并固定在测量装置的钢丝参考位置，然后通过安装在装置上的六个手套探测器测量到波长的距离。横截面测量基于马头门顶部现有罐梁的上边缘，横截面测量基于马头门顶部现有罐梁的上边缘，依次测量六个手持式测距仪至井壁之间的水平距离沿井筒向上每隔五米测量一次（即罐梁的每一层）。线路测量数据处理：测量结束后，计算同一高度跨度数据的平均值，计算每个高度测得的六个波长的水平坐标，根据测得的水平距离和两根钢丝的水平坐标，MATLAB软件以六个钻孔点的水平坐标为圆心，确定孔的平面坐标和每个横截面中间的圆半径。如果是圆组件，则必须消除因波壁凸起或下降而引起的波壁上测量点坐标的差，并消除其他原因，最后，根据圆心水平坐标和圆半径绘制X方向和Y方向的钻孔纵断面。

（2）视准线法监测。根据准线法，主要用于监视某个方向的水平位移量，如图2所示，P点是监视点，A、B两点是工作基点，AB是瞄准线。与AB线垂直方向的水平位移为：

其中，β从工作基点到监视点和基准线之间的角度；S是从监视点到作业基点的距离。

根据误差传播的法则：

从公式（3）可以看出，准线方法产生的点误差主要来自距离S和水平角。β的观测中误差mβ的影响。其中的测角误差主要来自两个部分，一部分是中误差引起的测角误差，另一个是仪表自身的测角精度。根据误差传播理论，有：

在安装装置时，如果采用光学对（包括激光对）方式，则在光学对华器和水平管受到严格检查和校正的情况下，可以实现对中误差达到m1=±1mm。采用强制对中装置设置装置，对中误差小，可忽略，此时取m1=0。

分别从不同的安装仪器方法（m1）、不同标称精度（m2）的仪器、不同测距长度（S）等方面结合式（3）和式（4）计算得到监测点点位精度m如图2所示。

图2 视准线法工作原理

（3）监测的方式。①进行专项监测。开展专项监测，由专家全面支持和帮助，联合多专业开展工作。需要诸多的专业人员才能进行立井井筒变形破坏检测，另外还需要经验深厚的专业学者或者实践经验丰富的专家进行指导，其中项目包括地质、测量等相关专业的人员共同协作，分工要明确，各环节紧密配合，进行详细紧密的检测。在各个环节上不含糊，不放过任何针对性的预防措施，杜绝任何安全隐患。②重点监测。厚表土层矿井应视为重点监测对象，对其开展缜密的重点监测，对曾发生过井筒毁损的装备进行重点监测，实时跟踪监测，发现问题及时处理。③基建监测。我们要从源头上杜绝隐患，矿井要严格按照相关的文件进行设计，要根据专家的意见对立井井筒等装备部分进行审核把关。工程要严格遵从设计图纸进行施工，加强重要施工步骤的监测，施工中要灵活工作，发现问题时要及时对设计进行改变，变更设计内容前应进行审查，经批准后方可继续施工。监管方要认清自己的安全岗位责任，验收时建设各方务必各司其职，期间各方负责人变动，必须将各项工作交接清楚，做到“三同时”。

4.监测方法研究

研究顺序为从地表到地面，先整体再局部，前提是对变形的原因分析后再进行的。

（1）井塔偏斜测量。在普遍的情况下，矿井井塔在进行施工前，都要对设计图纸进行严格的审核，审核通过后严格根据图纸要求进行，进行施工的工程标准是按照要求的垂直度进行的，但是目前施工队伍，在垂直度的标准上往往不能达到合格，大多数都忽视了井塔偏斜的问题，导致在施工到一半才发现建筑不够垂直，在发现异常后才建立建筑偏斜的观测站。

（2）井塔偏斜长期观测站。建筑方在施工前应设立观测站，对建筑立井过程进行实时的监测，所以，设计观测站的作用之一就是可以对井塔的偏差进行监测，建立观测站严格按照《煤矿测量规范》中的站位布置和观测方法，可根据《建筑物位置和垂直度监测技术规范》的相关要求进行。选择与倾斜方向正交的基准线上为测量站的点位，固定在目标1.5～2倍高度的位置：全站仪或使用Ge的光学经纬仪的准确度或在观测点顶部，用垂直线对准上方向点，将透镜垂直转动到下目标点，用钢线测量目标点到垂直线的距离，经过长期定期跟踪，即可得到井塔在垂直观测方向上的偏斜情况，测量前必须校准测量装置，并尽可能观察员为同一人，以避免发生误差。

（3）工业广场沉降测量。竖井和井塔的变形一般发生原因是局部区域沉降。严重的甚至在竖井的大范围都会出现伴随性塌陷。因此，建立沉降观测站在场地内是十分有必要的，可通过长时间的观测，对多年以来整体矿区的地表沉降情况进行记录。

建站方式：首先基准应选择境外国家的基准（确认基准内是否有沉降情况）；其次观测站之间距离25m至30m为宜，观测站应设置纵横向的，沿矿区工业广场主干道进行建设。另外可以增加观测点在重要的建筑物监测上。

观测方法：从矿外水准点开始，采用电子水准仪，按四等水准要求进行定期观测。沉降观测可每季度进行一次，平面坐标观测周期可适当延长至1～2次/a。

5.井筒采动时的变形与井筒的破坏

（1）井筒变形的特征。一般在建井初期容易造成井筒的变形，或者在开采生产过程造成破坏井筒，发生变形。由于竖井一般通过上层，包括冲积层、基岩、软弱中间层，甚至部分地段通过构造破碎带，坚硬围岩结合混凝土的井壁，足以对外界压力进行支撑，此时围岩和波墙的变形非常小，相对安全。当波浪通过软岩结构时，由于软岩的低粘聚力和大变形，波浪被围岩变形的摩擦力包围，将波墙推到一个稳定的结构上，如果波墙太大，很容易拉下。如果其太大且超过防波堤的承载能力，则防波堤会造成不可恢复的破坏。在施工或生产的过程中，井筒壁很容易遭受损坏，井筒一般由以下部件组成，深部土、岩接触地下水较多的地段：上、下部为硬岩层，中部为较厚的软泥岩层：软泥岩、破碎、大量水流地段等。

我们将强度低、孔隙度大、胶结不良的松散、软弱、松散的岩体结构称之为软弱岩体结构，损伤的主要形式有：变形、开裂、剥落、侧钩、波浪内部钢筋和漏水，导致立井横向的磨损和漏水，最终导致罐梁以及罐道的变形，影响正常工作进度。

（2）井筒的径向变形与井壁的附加压力。在特殊地质的状况下，附加荷载是波墙变形和倒塌的重要原因，因为地下采矿会在围岩和波墙中产生额外的张力场。根据相关的研究发现，围岩的水平应力影响波墙附加电压场的分布规律，即一个水平的二维应力状态。

（3）采动影响下井筒的变形与破坏。矿井启动后，如果竖井内煤柱不合理，会对竖井造成破坏，在开采影响下，主要有4种变形和波浪破坏形式：

①水平压缩误差通常发生在波壁处，而波壁处的围岩为软岩，这主要是由软岩的压实和横向膨胀引起的。②挤压或拉伸井筒沿轴向发生变形。主要因为岩石垂直方向的不规律收缩状况，引起井筒的变形。③中心线在井筒中发生偏斜与弯曲。由不同深度的不均匀水平运动值引起的这种变形。如果泥炭位于波浪一侧或波浪两侧不对称开采，岩石运动将影响波浪位置，波浪壁将随围岩移动。原始垂直波中心将造成偏移，通常闸门的重心为偏转主要方向。④井壁错动。有两个情况，都会引起波长降低：其一是因为采矿造成的上下层错位，导致层沿层移动，波长降低；另一种是沿软弱层移动岩体引起的波墙。

6.结束语

由于针对解决厚表土中波浪变形和破坏的监测装置方面的规范性文件不够完善，因此只能在可行性研究的基础上，利用科学研究项目，科研机构和设计单位的专家论证和实用新型专利，这些科技手段可以有效的解决许多技术上的问题，发挥理想的效果。本文旨在通过分析，结合理论知识的科学应用，实时监测立井，为煤矿开采提供有用的信息。期待国家考虑和发布相关的规范性文件，如有针对性地法律、法规或标准，从而为建设、生产和安全监测打下基础，促进安全生产。