深厚表土井壁附加應變在線監測系統與工程應用

付長科 況聯飛 邵 謙

（1.山東能源集團魯西礦業有限公司李樓煤業，山東 鄆城 274700；2.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

作為我國華東地區深厚表土的腹地所在，魯西南巨野礦區具有煤層埋藏深、松散表土層厚（如李樓煤礦副井表土層厚達540 m[1]）、水文地質條件復雜、高地溫、高地壓等特點。在礦井開采等疏排水活動過程中，底含水位不斷下降，土層固結壓縮，引起上覆厚沖積層土體下沉，進而施加于井筒外表面一個豎直向下的附加力。該力累積到一定數值后，井壁混凝土將無法承受而遭受破壞。自1987年以來，我國因豎直附加力破壞的井筒達數百個，嚴重威脅著煤礦的安全生產[2]。

為實現對井壁附加應變的掌握，我國自上世紀末出現了不少井壁監測的報道。相關學者獲得了深厚表土地層井壁應變長期演變規律，且揭示出地層沉降與井壁附加應變之間存在耦合關系[3]，監測系統能夠有效指導井壁治理過程[4-5]。但這些研究普遍存在的問題包括研究對象表土深度普遍小于300 m；測試數據一般需后處理分析，無法實現在線預警預報；數據采集模塊安置于井口需要敷設大量通訊電纜，施工難度和保護難度大等。

本文通過優化測試手段，建立了深厚表土井壁附加應變在線監測系統，并應用于李樓煤業副井井筒觀測，獲得了其長期附加應變演化一般規律。

1 在線監測系統架構

1.1 系統硬件組成

深厚表土井壁附加應變在線監測系統由監測計算機（云服務器）、數據采集裝置和監測傳感器三部分設備及相應的通訊傳輸、電源設備等組成分布式自動化測量網絡，系統架構如圖1。

圖1 在線監測系統架構圖

其中監測傳感器視監測目標要求包含埋入式應變計、表面應變計、傾角計、位移計和溫度傳感器等。井壁附加應變監測通常選用振弦式或差阻式混凝土應變計，二者的耐久性均已通過工程驗證能夠滿足長期監測要求，但前者較后者精度更高（應變精度為1 με，溫度精度為0.1 ℃），相應地依據安裝層位傳感器的數量不同選定對應通道數的振弦式或智能數據采集模塊進行自動采集。李樓煤業副井井筒監測系統創新性地將采集模塊就近安裝在了井筒不同深度位置，實現了傳感器信息的就地采集。不同模塊間通過1 根2 芯電纜進行供電和1 根4 芯電纜進行信號有線傳輸，如圖2。此舉較傳統井壁監測系統能夠節省大量的通訊電纜采購，且安裝施工與后期保護難度均顯著降低。

圖2 井筒內模塊通訊網絡組成

井下所有模塊信號通過有線的形式傳輸至井口后，經集線器后由GPRS Modern 發送至遠程監測計算機，進而實現實時云計算與在線數據分析。

1.2 云在線服務平臺

井壁監測云在線服務平臺針對煤礦井筒安全監測這一特定需求而開發，其目的是實現整個礦區多個煤礦立井井筒受力與變形的統一管理與控制，并基于大數據破裂模型分析預測井壁受力未來發展趨勢。

云平臺的操作菜單還包括數據查詢、實時曲線、儀器參數和設備管理四大功能分區。其中數據查詢功能提供歷史數據的上傳與下載、工程量的重新計算以及條件刪除等。實時曲線菜單能夠對傳感器原始采集數據或經標定公式轉換的工程量數據進行曲線圖繪制，進而可以更為直觀地把握不同測點受力演化規律。儀器參數菜單提供了傳感器的身份信息上傳與下載功能，同時上、下限功能能夠實現對不同的傳感器的不同級別預警閾值設定（如李樓煤業副井井筒提供了紅、黃、藍三級預警指標）。設備管理菜單提供了對某一單體工程的所有接入模塊進行參數管理，通過該菜單可以查看模塊參數、設置模塊參數以及讀取存儲器內部數據等功能。

由于井下模塊采集到的數據能夠實時遠程傳輸至云服務器平臺，進而實現了對井筒變形數據在線分析，進一步依據既有模型分析能夠對井筒未來發展趨勢做出預判，為礦井安全提供保障。

2 工程應用效果分析

2.1 工程概況

山東李樓煤業位于巨野礦區的最北端，鄆城縣城的東北部，設計年生產能力240 萬t，采用主、副、風三個立井井筒單水平開拓。井筒穿越的地層依次為第四系、新近系和二疊系，其中0～143.4 m 為第四系，巖性主要由粘土、砂質粘土和粉、粗砂組成。143.4～541.5 m 為新近系，巖性主要以粘土、砂質粘土、粉砂、細砂和中砂為主。同時，據鉆孔揭露礦井含水層自上而下主要有第四系砂礫層、新近系砂礫層和二疊系砂巖含水層等。

含水豐富深厚表土層帶來的極大風險是井壁破裂，且近年來副井井筒內各類管路變形跡象明顯。為實時把握井筒的受力演化狀態，2019 年聯合中國礦業大學建立了副井井筒安全動態監測系統。井壁附加應變傳感器采用埋入式振弦應變計通過開槽的形式進行安裝，安裝的層位選定在-132 m、-230 m、-390 m、-540 m 和-658 m 共計5 個層位進行，每個層位沿東南、東北、西北和西南4 個方位各安裝2 支呈正交布置的應變計，分別監測井筒豎向和環向應變演化。

2.2 監測數據與分析

實測獲得的表土層不同層位附加應變長期演化規律如圖3。

圖3 典型層位豎向應變演化規律

分析圖3 可知，表土層所有豎向應變傳感器均表現為壓縮累積發展趨勢，說明副井井筒在豎直附加力作用下產生了壓縮變形。同一層位不同方位間存在差異，且多數層位在西南方位應變累積量值最大。在所有層位中-540 m 表土與基巖交界面位置豎向附加應變累積量值最大。

進一步對埋設的5 個層位不同方位豎向應變取平均進行對比分析如圖4。可見，受季節溫度影響不同深度位置豎向應變均呈正弦波動變化，但在表土段隨深度增加正弦波動曲線還表現出向下累積發展的趨勢，而-658 m 基巖段則基本僅與環境氣溫呈負相關正弦波動變化。

圖4 豎向平均附加應變演化規律

擬合得出李樓煤業副井井筒的最大附加應變累積系數b出現在-540 m 表土與基巖交界面位置，定量數值為-0.246 4 με/d，該數值約為文獻[3]統計得出的大屯礦區最大累積數值-0.068 με/d 的3.6 倍，可見井壁受力形勢嚴峻。顯然這與巨野礦區540 m厚表土遠遠大于大屯礦區的140 m 厚表土直接相關。

依據長期附加應變累積速率及發展演變一般規律可進一步判定副井井筒的安全，而實時在線系統能夠保證測試數據與預警閾值進行及時比對，進而對井筒的安全做出預判預報。

3 結論

（1）構建了深厚表土井壁附加應變在線監測系統，在硬件層面上通過模塊下井節省了大量通訊主電纜，且便于安裝與后期保護，軟件層面上實現了遠程無線在線數據分析。該系統為井筒受力安全研判奠定了基礎。

（2）基于在線監測系統，獲得了李樓煤業副井井筒附加應變長期演化一般規律。其中表土段附加應變除隨溫度呈正弦波動變化，還受豎直附加力影響而不斷累積，可采用正弦曲線疊加負斜率直線函數進行規律描述。

（3）實測獲得的李樓煤業副井長期附加應變最大累積速率位于-540 m 表土與基巖交界面位置，其定量數值為-0.246 4 με/d，約為大屯礦區統計最大數值的3.6 倍。