周永波(山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司,山東濟(jì)南 250101)

煤礦井架及井筒變形檢測(cè)方法及實(shí)現(xiàn)

周永波?
(山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司,山東濟(jì)南 250101)

摘 要:結(jié)合菜園生建煤礦井筒、井架及提升設(shè)備檢測(cè)項(xiàng)目,針對(duì)菜園生建煤礦的實(shí)際情況,進(jìn)行了檢測(cè)方案的設(shè)計(jì),并研究了一種井筒檢測(cè)的新設(shè)備,成功進(jìn)行了井筒、井架、井架變形檢測(cè)；通過對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析與研究,得出了井筒、井架以及提升設(shè)備的縱向變形、環(huán)向變形及徑向變形情況以及井架基礎(chǔ)的沉降情況；為設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)提供了可靠的數(shù)據(jù)資料,為確保地面建、構(gòu)筑物和礦井安全高效生產(chǎn)以及礦工、設(shè)備的安全提供了有力支持；同時(shí)為進(jìn)行同類條件下井筒、井架的安全檢測(cè)提供了參考。

關(guān)鍵詞:井筒及井架變形；井架及提升設(shè)備檢測(cè)；井筒有效橫斷面；地基塑性變形

1　引 言

菜園生建煤礦的井筒及井架已經(jīng)使用多年,井筒及井架均已出現(xiàn)較大的變形,為滿足井筒及井架改建的需要,急需對(duì)井筒及井架進(jìn)行檢測(cè),求定出井筒的有效橫斷面、井筒的縱剖面、各預(yù)安置罐梁處井筒的橫斷面圖及井架的偏斜程度等。

2　使用的儀器設(shè)備情況

在菜園生建煤礦井筒、井架及提升設(shè)備檢測(cè)項(xiàng)目中,基于成本、精度要求及礦井現(xiàn)狀考慮,井架變形檢測(cè)采用了常規(guī)測(cè)量的方法,井筒變形檢測(cè)則使用了新研發(fā)設(shè)計(jì)的井筒變形檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè)。其基本配置:瑞士Leica Axyz/ MTM工業(yè)測(cè)量系統(tǒng),包括2臺(tái)TM5100A電子經(jīng)緯儀(測(cè)角精度0．5″),1根標(biāo)準(zhǔn)尺(900．045 mm±0．003 mm)和配套的數(shù)據(jù)處理和分析軟件Axyz V1．40;Leica TCA2003全站儀(測(cè)角精度0．5″,測(cè)距精度1 mm+1 ppm);日本產(chǎn)TOPCON DL-101C自動(dòng)安平精密電子水準(zhǔn)儀(精度0．4 mm/ km),配以TOPCON S1-3條形碼銦鋼水準(zhǔn)尺;激光垂準(zhǔn)儀,精度1/100 000、井筒變形檢測(cè)儀。

根據(jù)國(guó)《工程測(cè)量規(guī)范GB50026-2007》,井架變形觀測(cè)的精度要求如表1所示:

變形監(jiān)測(cè)的等級(jí)劃分及精度要求 表1

3　井筒變形檢測(cè)

3．1井筒變形檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)

為了精確測(cè)定井筒變形,自行設(shè)計(jì)了井筒變形檢測(cè)儀:

(1)組合式測(cè)距系統(tǒng)。如圖1所示,該裝置由4個(gè)手持式激光測(cè)距儀、2個(gè)激光靶和鋁合金框架組合而成。4個(gè)手持式激光測(cè)距儀、激光靶與框架的幾何位置可以調(diào)節(jié),使用后用工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)定相對(duì)位置。

圖1　組合式測(cè)距裝置

(2)微動(dòng)裝置。如圖2所示,微動(dòng)裝置的底座上有2個(gè)垂直相交的絲杠和滑軌,滑軌上安裝有滑塊,通過轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在絲杠上的手輪,可使滑塊前后左右移動(dòng)。使用時(shí)將組合式測(cè)距系統(tǒng)固定在微動(dòng)裝置的滑塊上,通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)組合式測(cè)距裝置在前后左右4個(gè)方向上微動(dòng)。

圖2　微動(dòng)裝置

3．2井筒變形測(cè)量

如圖3所示,利用井筒變形檢測(cè)儀激光垂準(zhǔn)儀,罐籠自井筒底部向上,每隔4 m進(jìn)行一次井壁測(cè)量,完成整個(gè)井筒不同高度的測(cè)量。

圖3　測(cè)量裝置立體結(jié)構(gòu)圖

3．3檢測(cè)數(shù)據(jù)可視化

為了獲取井筒有效使用斷面大小和井筒壁傾斜情況,通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理并繪制斷面圖實(shí)現(xiàn)井筒可視化。

(1)測(cè)量數(shù)據(jù)處理

在AutoCAD上確定激光靶中心位置,通過激光靶與手持式激光測(cè)距儀的位置關(guān)系和改正后的測(cè)量數(shù)據(jù),繪制水平井筒橫斷面綜合平面圖如圖4所示。

(2)井筒檢測(cè)結(jié)果可視化

①井筒有效使用斷面的可視化。如圖5所示,各層井筒內(nèi)壁區(qū)域繪制完成后,在CAD上將各層水平內(nèi)壁區(qū)域疊合,選取公共區(qū)域,在公共區(qū)域內(nèi)做最大圓,即井筒內(nèi)可以通過罐籠的有效使用斷面區(qū)域,最后完成各層的水平斷面圖的繪制,內(nèi)容包括:井筒內(nèi)壁區(qū)域、有效圓、有效圓心坐標(biāo)、現(xiàn)有鋼絲繩位置及坐標(biāo)、鋼梁位置。

②井筒壁傾斜可視化。通過井筒東西、南北縱斷面圖的繪制可實(shí)現(xiàn)井筒壁傾斜可視化,可以更加直觀的反應(yīng)和判斷井筒各高度處的傾斜情況。如圖5所示繪制東西、南北斷面圖,并標(biāo)注鋼梁及激光束位置,標(biāo)明各層位置與各層水平斷面一一對(duì)應(yīng)。

圖4　各水平井筒橫斷面綜合平面圖

圖5　井筒縱斷面圖

由圖4和圖5可以看出,在井筒測(cè)量的第8層上下,井筒變形較為嚴(yán)重,隨著時(shí)間的推移其變形還會(huì)繼續(xù),甚至有可能影響井筒的安全運(yùn)營(yíng),造成較大的損失。

4　井架豎直程度、天輪及提升中心偏斜檢測(cè)

4．1井架豎直程度的檢測(cè)

菜園煤礦副井井架為豎直井架,為檢查井架是否傾斜,在副井井架各選相互垂直的兩個(gè)側(cè)立面,從井架頂部可觀測(cè)部分開始到下部可觀測(cè)部分為止,對(duì)豎梁的外側(cè)邊緣利用TCA2003全站儀采用測(cè)小角法進(jìn)行精確測(cè)量,根據(jù)測(cè)定的小角差值和測(cè)站點(diǎn)到被測(cè)豎梁的距離L,按△s=L·δ/ρ″計(jì)算被測(cè)豎梁上下觀測(cè)點(diǎn)的水平偏差值,根據(jù)水平偏差值和高度確定井架的豎直程度。

根據(jù)實(shí)地情況,選取的觀測(cè)點(diǎn)情況分別如圖6和圖7所示。

圖6　副井井架西側(cè)觀測(cè)點(diǎn)示意圖 圖7 副井井架北側(cè)觀測(cè)點(diǎn)示意圖

4．2井架檢測(cè)結(jié)果可視化

以圖6和圖7為底圖,參照上表中的水平偏移值,根據(jù)觀測(cè)成果在AutoCAD中繪制的繪制井架傾斜變形的示意圖(如圖8所示,圖中豎直(井架高度)比例尺為1∶100,水平(水平偏離值)比例尺為1∶10,圖中實(shí)線為垂準(zhǔn)線,虛線為根據(jù)實(shí)測(cè)值繪制的井架豎梁豎直程度線)。

圖8　副井井架傾斜變形情況示意圖

由檢測(cè)結(jié)果可知:副井井架由北側(cè)面看,井架向東傾斜。由西側(cè)面看,井架向北傾斜。

4．3井架基礎(chǔ)變形測(cè)量

為檢測(cè)井架基礎(chǔ)是否變形或者沉降,在副井井架四根豎梁底腳處分別選擇了4個(gè)相同的鋼梁,利用TOPCON DL-101C電子水準(zhǔn)儀,由井口高程基點(diǎn)S1出發(fā),組成水準(zhǔn)路線進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量,聯(lián)測(cè)井架基礎(chǔ)變形觀測(cè)點(diǎn)。并以S1=34．854 m為起算數(shù)據(jù),求得各點(diǎn)的高程如表2所示:

井架基礎(chǔ)各點(diǎn)的高程 表2

由以上數(shù)據(jù)可知:西北角點(diǎn)、西南角點(diǎn)高程相同,東南角點(diǎn)相差較大,差值達(dá)到0．018 m。東北角點(diǎn)差值為0．004 m。由此可以推斷:由于井架基礎(chǔ)受力不均勻、地表不均勻沉降等原因,從而引起井架基礎(chǔ)的變形井架基礎(chǔ)東南角已發(fā)生沉降,應(yīng)盡早加以維護(hù)。

4．4天輪及提升中心偏斜檢測(cè)

(1)井筒十字中線的精確轉(zhuǎn)設(shè)

在對(duì)天輪平臺(tái)檢查測(cè)量前,首先在井筒十字中線點(diǎn)上,借助于TCA2003全站儀,將井筒十字中線精確地轉(zhuǎn)設(shè)到天輪平臺(tái)上。

(2)天輪大軸的水平度檢查

采用DL-101C電子水準(zhǔn)儀,直接測(cè)定天輪大軸頂面的兩端間的高差。由實(shí)測(cè)高差直接判定天輪大軸的水平程度。

圖9　副井天輪大軸水準(zhǔn)測(cè)量

如圖9所示,測(cè)定副井天輪大軸頂面兩端間的高差,得到天輪大軸的水平度檢測(cè)結(jié)果如下:

①副井北天輪大軸頂面兩端間的高差:

h12=H2-H1=4．3 mm

北天輪大軸北低南高,則副井北天輪大軸的傾斜率:

②副井南天輪大軸頂面兩端間的高差:

h34=H4-H3=–3．0 mm

南天輪大軸北高南低,則副井南天輪大軸的傾斜率:

(3)天輪中線平面位置及與提升中線的平行度檢查

①天輪軸線位置的檢測(cè)

在天輪平臺(tái)上用細(xì)鋼絲拉出十字中線,用小鋼尺量取井天輪大軸上4個(gè)點(diǎn)到十字中線的平距,以檢測(cè)天輪軸線位置的正確性,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示。由圖上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論:副井天輪大軸軸線與十字中線的平行度非常好。

圖10　副井天輪大軸軸線位置正確性示意圖(單位/ m)

②提升中心與井筒中心偏斜及天輪與提升中線平行度的檢測(cè)

如圖11所示,經(jīng)檢測(cè)提升中心與井筒中心的偏斜量為0．406 m,方向沿南北十字中線,位于井筒中心以南。

圖11　提升中心與井筒中心偏斜及天輪與提升中線平行度的檢測(cè)

由圖上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論:副井天輪中線與主十字中線的平行度均較好,體現(xiàn)了副井天輪中線與提升中線的平行度較好,較小的差值可能主要由十字中線的轉(zhuǎn)投誤差和天輪內(nèi)側(cè)邊緣的不十分規(guī)則引起的。

5　結(jié) 語

通過對(duì)井筒、井架及提升設(shè)備的檢測(cè),提供了翔實(shí)的井筒及井架變形數(shù)據(jù),及時(shí)了解、預(yù)測(cè)井筒、井架的變形趨勢(shì),為設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)提供了可靠的數(shù)據(jù),為確保地面建、構(gòu)筑物和礦井安全高效生產(chǎn)以及礦工、設(shè)備的安全提供了有力支持。

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Zhou Yongbo
(Shandong Zhengyuan Geophysical Information Technology Co．,Ltd,Ji′nan 250101,China)

Abstract:Based on the analysis and research of the large amount of observation data, this paper provided a reference for equipment maintenance and maintenance,and provided reliable data for equipment maintenance and maintenance,and provided a reference for equipment maintenance and maintenance．It provided reliable data for equipment maintenance and maintenance,and provided a reference for the safe and efficient production．

Key words:wellbore and derrick deformation;derrick and lifting equipment detection;shaft effective cross section; plastic deformation of foundation

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-124-04中圖分類號(hào):P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

收稿日期:?2015—06—08

作者簡(jiǎn)介:周永波(1975—),男,工程師,主要從事測(cè)量技術(shù)工作。