基于雙激光基準的某礦井筒變形觀測及防范措施

岳亞敏

(山西汾西礦業集團南關煤業有限責任公司)

立井井筒在長期運營過程中，井壁、罐梁、罐道及附屬設施會受到各種因素的影響而產生變形，了解井筒變形現狀、大小和規律對于進一步進行井筒受力分析以及維修支護具有重要意義[1-5]。某礦是一座現代化礦井，設有一立井井筒，井深約690 m，井筒直徑9 m，井筒內設有1個大罐和1個小罐。該立井在近期運行時罐籠時常出現顛簸、運行不平穩、卡罐等現象，經現場考察和簡易測量，發現井筒在馬頭門上下產生了井壁變形和罐梁、罐道變形。為消除安全隱患，查找變形原因，為井筒、罐道加固維修提供可靠依據，本研究對基于雙激光基準的井筒變形觀測方案進行設計，并對變形原因及變形防范措施進行探討。

1 觀測方案

在井口附近建立了3個控制點(K1，K2，K3)，測量時按照順時針方向形成閉合導線，進行平差得到點位坐標，并進行精度評定(圖1)。

首次建立雙激光基準時，通過與地面已知控制點的連接得到激光中心的平面坐標(X，Y)。通過進行激光基準坐標傳遞，由特征點坐標反算得到重新建立的激光基準點坐標。取平均值作為兩激光基準點的坐標J1(886.395 m，992.217 m)，J2(889.408 m，991.882 m)。計算可知，由基準點坐標反算得到兩基準點的間距為3.032 m與實測值3.033 m相比僅相差1 mm，符合井筒變形觀測要求。

圖1 井筒變形監測地面控制網

2 井筒變形分析

2.1 罐道變形

由于井筒在上部基本上未出現變形，故本研究測量坐標系以第1層罐梁處大罐罐道上的2#、8#點連線的中點(O點)為原點，連線為X軸，指向2#點方向為正，豎直向下為Z軸，Y軸垂直于X軸和Z軸指向東，工作坐標系如圖2所示。

圖2 大罐罐道測量坐標系

分別于2016年5月、2016年10月對井筒進行了2次變形觀測。結果表明：①罐道在80～120層上存在明顯的變形，上部變形小，下部變形大，變形最大值出現在117層，分別為-42 mm(X方向)和39 mm(Y方向)；②在2次觀測期間，井筒出現了明顯變形，變形方向朝向X軸負方向和Y軸正方向。井筒中罐道變形特點為：①2#點和4#點的變形大于8#點和6#點，其中，2#點變形最大，6#點變形最小，罐道下部變形大于上部；②上述4個點的變形方向大體一致，都朝向X軸負方向和Y軸正方向變形，初步斷定井筒受到來自同一方向的壓力，使得罐道發生變形。

2.2 井壁變形

由于靠近地面附近的井簡未發生變形，因此本研究利用地面附近未變形或變形極小的井筒橫斷面擬合出1個基準圓(圓心坐標為886.864 m、993.956 m，半徑為4.535 m)，并據此分析井筒井壁變形。通過將每層井筒橫斷面上的測點與基準圓圓心的水平距離與基準圓半徑進行比較，進一步判斷井壁變形方向和變形大小。觀測表明：井壁80～120層(每層間隔5 m)出現了明顯變形，井筒變形由上至下逐漸變大，X方向最大變形為-41 mm，最小變形-9 mm，朝向X軸負方向；Y方向最大變形為33 mm，最小變形為8 mm，朝向Y軸正方向。

3 井筒變形防范措施

井壁發生變形主要是由于地質因素造成的，構造運動造成地應力增大，導致地層發生垂直升降和水平移動，致使井壁發生變形甚至破裂[6-9]。此外，地下水位下降導致軟弱地層發生沉降，地層在沉降過程中產生了作用于井壁并最終導致沖擊層下部井壁沿水平方向產生開裂破壞的縱向附加應力[10-12]。井壁破壞時一般還伴有涌砂漏水現象。相應的防治措施如下：

(1)井壁“豎讓”、“橫抗”處理。①“豎讓”，在井筒內壁開切卸壓槽；②“橫抗”，通過提高井壁材料強度和剛度、加大井壁厚度、增強井壁承載力，抵抗水平荷載與豎直荷載的共同作用，常用措施是對井筒進行套壁加固，即在井筒內側井壁施工1層新混凝土井壁。2種措施可單獨或協同應用。

(2)地層注漿加固。通過從地面向含水層注漿充填加固，以提高土層的整體強度和降低其固結壓縮量，從而減少地層下沉量及其引發的豎向附加應力，降低井壁承受的外來附加力[13]，較常用的注漿技術有地面注漿和破壁注漿。

(3)水頭控制。為有效防止井筒發生變形，有必要降低因地層固結而產生的附加應力，為此則需維持井筒周圍一定范圍內含水層的水頭高度。但由于技術難度大和經濟成本高等因素，水頭控制措施的實施難度較大。

4 結 語

為對某礦井筒變形進行有效觀測，設計了基于雙激光基準的觀測方案。分析了井筒變形原因，并提出了包含井壁處理、地層加固、水頭控制在內的井筒變形防范措施，對于有效控制該礦井筒變形，確保安全生產有一定的借鑒價值。