基于傾角傳感器的立井井筒安全監測系統設計與應用

郎 琦

1煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013

2煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京 100013

3北京市煤礦安全工程技術研究中心 北京 100013

20 世紀 90 年代以來，我國黃淮地區近 100 個井筒發生破壞，給礦山安全生產造成極大威脅。井筒發生破壞的原因有構造運動、施工質量、地震和豎向附加應力等各種假說，目前多數學者認為豎向附加應力是井筒破壞的主要原因，即礦山開采引起井筒周圍表土層疏水沉降，從而產生附加在井筒上的豎向摩擦力，當井壁結構強度不足以抵抗該摩擦力時，井筒發生破壞[1-3]。對井筒的監測方法主要有人工巡檢、機器人巡檢、激光指向儀測位移、懸繩測位移、傾角傳感器測位移、基于傳感器的井筒結構監測系統和基于視頻技術的井筒設施監測系統等[4-5]。其中基于傳感器的井筒結構監測系統，由于其可以實時自動采集和分析數據，減少了人工工作量，在國內外受到廣泛應用[6-7]。目前，在井筒結構監測中廣泛采用預埋或后植入電阻式或光柵式應變傳感器，但只能監測到局部結構受力狀態，筆者提出了采用傾角傳感器測量井筒偏斜量，結合光纖光柵應變傳感器測量井筒結構應變值的井筒安全監測方法，并在張集煤礦主立井進行了試驗應用。

張集煤礦設計生產能力為 120 萬 t/a，服務年限為 50.1 a。主井凈直徑為 5.5 m，設計深度為 655 m，其中表土段為 452 m。井筒掘進采用凍結法施工，凍結深度為 583 m，是典型的厚表土薄基巖類型。礦井投產后地面水位下降明顯，初步分析存在較大豎向附加應力。附近相似地質條件的井筒多處發生破壞或偏斜，為了實時監測井筒安全狀態，及時采取補救措施，確保井筒長期安全穩定，杜絕重大安全事故的發生，開展了張集煤礦主井井筒安全監測系統的研究和設計。

1 總體方案設計

沿井筒內壁設置若干監測點，采用光纖光柵應變傳感器監測井壁的豎向和環向應變，分析監測井壁混凝土的應力情況，掌握井壁結構的實時狀態。采用本安型雙軸傾角傳感器監測井筒垂直和水平方向偏斜量，將井筒假定為一段固定的簡支梁，選取基巖段布置基準點，表土段布置監測點，在基準點和監測點安裝傾角傳感器，通過基準點校驗監測點的偏斜量。當井筒表土段發生偏斜時，通過傾角傳感器測得各監測點傾角，最后通過最小二乘法或線性擬合得到整個井筒測量段的偏斜曲線。應變傳感器和傾角傳感器通過數據線和電源線連接到地面監測站的采集分析系統，實現數據的自動和實時采集分析。立井井筒安全監測系統框圖如圖 1 所示。

圖1 立井井筒安全監測系統框圖Fig.1 Block diagram of shaft safety monitoring system

2 監測系統布設

2.1 監測點布置

張集煤礦主井凍結段為雙層井壁結構，變直徑變強度設計，具體參數如表 1 所列。分析井壁設計特點可知，在變截面位置會產生應力集中，每個變截面最下端為本截面井筒的最大受力斷面[8-9]，應在此處布設。為了安裝方便，光纖光柵應變傳感器和傾角傳感器布置在一個層位監測斷面。沿井筒軸向共設置 7 個水平監測層位，分別在 -100、-160、-240、-290、-330、-420 和 -460 m 表土段層位布置光纖光柵應變傳感器監測點和傾角傳感器監測點，在 -10 m 層位增加傾角傳感器監測點，在 -560 m 基巖層位增加傾角傳感器基準點。每個監測層位設置 5 個光纖光柵監測點，每個監測點在豎向和環向各布置 1 個光纖光柵應變傳感器，每個傾角傳感器層位在東西南北 4 個方位各布置 1 個傾角傳感器，共計 70 個光纖光柵應變傳感器和 36 個傾角傳感器，如圖 2 所示。

表1 主井井壁結構設計參數Tab.1 Design parameters of main shaft wall

圖2 監測點布置Fig.2 Layout of monitoring points

2.2 監測系統安裝

監測系統安裝的主要工作內容包括元件標定、外殼加工、電纜光纜下放、元件埋設、元件布線、接線盒安裝、密封保護和地面采集系統安裝等。每個監測層位的光纖光柵應變傳感器和傾角傳感器分別串聯形成 2 條獨立的線路，然后將每條線路的連接引入保護盒中，接入傳輸主光纜，其中保護盒安裝在立井梯子間主光纜附近。光纖光柵應變傳感器采用的主光纜為16 芯光纜，能滿足 100 個光纖光柵應變傳感器的正常采集工作。傾角傳感器技術參數為：分辨率 0.001°，滿量程精度±0.005°，溫漂 0.001°/℃，防護等級IP67，能夠在 -30～85 ℃ 環境下正常運轉。

安裝步驟如下：

(1)根據設計量程對所有埋設的傳感器進行物理量標定，并確定溫度補償系數[10-11]。

(2)埋點前的準備工作

①繪制各監測層位傳感器的埋設布置圖及表項。

②根據埋設截面的尺寸及位置進行傳感器的串接。

③對串接好的傳感器進行標號記錄。

④制作預埋設光纜接線盒的保護木框。

(3)光纖光柵應變傳感器的安裝

①將應變傳感器的兩端尾纜與連接光纜熔接，熔接頭穿管保護(在確定了 2 個傳感器具體安裝位置后，即獲知了 2 個傳感器連接光纜的長度，這部分工作可以在井上進行，以縮短在井下的工作時間)。

②待一個鏈路的所有傳感器全部連接完成后，記錄各傳感器所對應的安裝位置，并用儀器對傳感器進行測定，記下傳感器安裝后的原始數據，然后將傳感器串的連接光纜放入預埋設的光纜接線盒中。

(4)光纜接線盒的埋設

①光纜接線盒埋設在立井井壁梯子間及通信電纜架附近，以便日后維護修理。

②光纜接線盒的正面朝向井筒內壁，四周釘木框加以保護。

3 數據采集及分析

2018 年10 月6 日安裝完成，開始采集數據，采集頻率為每小時 1 次。截至 2020 年 6 月，采集光纖光柵應變傳感器數據近 100 萬份，傾角傳感器數據近50 萬份。以 6 號層位北向傾角傳感器每月 10 日采集數據為例，與同時段基準點數據校準差值后進行線性擬合分析[12]，如圖 3 所示。從圖 3 可以看到：x軸和y軸傾角差值擬合后線性平緩，在 0.001°～0.005°之間波動，屬于誤差范圍內，說明目前張集礦主井井筒無明顯偏斜。

圖3 6 號層位北向傾角傳感器測量數據與差值擬合曲線Fig.3 Curves of measured data and difference fitting of tilt angle sensor in north of level six

4 結論

筆者提出的采用傾角傳感器進行井筒偏斜監測，結合光纖光柵應變傳感器監測井壁結構受力狀態，對于深厚表土層覆蓋的立井井筒進行全壽命周期的安全監測具有較強的指導意義。通過受力分析和經驗合理選取監測層位，使監測數據更具有代表性和科學性。此外，在既有井筒中安裝監測系統的防護方法還可為類似礦山的井筒安裝施工提供參考。