劉占斌

(陜西中能煤田有限公司，陜西省榆林市，719000)

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深厚砂層斜井井筒沉降變形與監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

劉占斌

(陜西中能煤田有限公司，陜西省榆林市，719000)

近年來(lái)我國(guó)西部沖積層地區(qū)開(kāi)始有大量礦井采用斜井井筒凍結(jié)法施工并運(yùn)營(yíng)，由于凍結(jié)作用和運(yùn)營(yíng)期間水位下降等原因，均產(chǎn)生一定的井筒沉降變形，導(dǎo)致大長(zhǎng)度斜井因不均勻沉降而造成井壁破裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。針對(duì)此問(wèn)題，本文以在深厚砂層中采取凍結(jié)法施工的榆林袁大灘副斜井為例，對(duì)斜井凍結(jié)法施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的沉降展開(kāi)分析，通過(guò)對(duì)常用監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行分析比選，進(jìn)行監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)。研究成果對(duì)于了解凍結(jié)施工的斜井沉降變形機(jī)理、設(shè)計(jì)沉降監(jiān)測(cè)方案具有重要意義。

斜井井筒 沉降 深厚砂層 凍結(jié)法 監(jiān)測(cè)

我國(guó)西北地區(qū)礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)量往往較大，大型礦井對(duì)原煤、下井設(shè)備和材料運(yùn)輸要求較高，立井滿(mǎn)足不了要求，因此需要建設(shè)大量斜井，尤其是采用無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸?shù)母本湍z帶運(yùn)輸?shù)闹骶捎谠O(shè)備性能的限制，只能采用小坡度，這樣造成斜井斜長(zhǎng)較大，斜井建設(shè)面臨著越來(lái)越多的問(wèn)題。西北地區(qū)地層大多上部為第三系、第四系地層，下部為侏羅系、白堊系地層；上部地層松散，單層砂層厚度大，許多地層含水豐富，多為層流或管狀流，局部地下水流速大；下部地層一般都含多個(gè)軟弱巖層，這些巖層具有強(qiáng)度低、遇水易崩解、膠結(jié)差、易軟化的特點(diǎn)。注漿等方法一般都不能徹底解決該地區(qū)的水害問(wèn)題，因此凍結(jié)法鑿井已經(jīng)成為該地區(qū)斜井建設(shè)中穿越含水松散層的首選方法。

在凍結(jié)法斜井施工和運(yùn)營(yíng)的井筒中，凍脹融沉作用和井筒開(kāi)采抽降地下水的影響會(huì)導(dǎo)致井筒產(chǎn)生不均勻沉降，造成井壁開(kāi)裂、破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)滲漏甚至淹井，因此必須對(duì)斜井井筒進(jìn)行實(shí)時(shí)沉降變形監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)井筒變形，并且根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，分析變形進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)，確定采取的施工措施及保護(hù)措施，并以此建立預(yù)警機(jī)制，保證井筒安全。因此，在沖積層斜井井筒中進(jìn)行實(shí)時(shí)沉降變形監(jiān)測(cè)尤為重要，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程實(shí)例

袁大灘井田位于榆橫礦區(qū)北部，井田面積為184.64 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量為1214.3 Mt，可采存量為437.5 Mt，可采煤層有4層，生產(chǎn)規(guī)模為5.0 Mt/a。采用斜井立井綜合開(kāi)拓，其中，袁大灘煤礦副斜井斜長(zhǎng)為3558 m，坡度為5.5°，斷面為直墻半圓拱，凈斷面面積為21.8 m2。井筒開(kāi)鑿分為明槽段、凍結(jié)段、基巖段，沖積層段斜長(zhǎng)為931.3 m，其中明槽段全長(zhǎng)250.3 m，凍結(jié)段全長(zhǎng)681 m。副斜井施工地層為典型的富水性強(qiáng)松軟(散)圍巖，該地層易變形，遇水流變，易發(fā)生潰水潰砂事故，對(duì)礦井的生產(chǎn)安全威脅較大。

袁大灘井田開(kāi)拓工程的重難點(diǎn)在于：

(1)沉降原因復(fù)雜。本工程凍結(jié)法施工段位于第四系連續(xù)粉砂、細(xì)砂地層，凍結(jié)法施工產(chǎn)生的溫度、凍脹、融沉等均會(huì)使井壁產(chǎn)生變形，且隨著井筒的掘進(jìn)和開(kāi)采，區(qū)內(nèi)水位下降后還會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生沉降，導(dǎo)致沉降變形原因復(fù)雜。

(2)井筒易破壞。斜井從上到下分別是上部原始粉細(xì)砂層、經(jīng)歷凍融的粉細(xì)砂層和基巖層，因此井筒各段經(jīng)歷凍結(jié)的粉細(xì)砂層融沉量與抽水量不等，很可能產(chǎn)生不均勻沉降，造成井壁破壞。

(3)沉降監(jiān)測(cè)無(wú)先例。由于井壁不均勻沉降很容易成為井壁破裂的原因，造成工程危害，甚至事故，因此必須對(duì)井壁內(nèi)各處沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而國(guó)內(nèi)外在凍結(jié)斜井沉降變形監(jiān)測(cè)的研究尚未發(fā)現(xiàn)。該斜井對(duì)沉降監(jiān)測(cè)的精度、頻率、自動(dòng)化都有較高要求，只有這樣才能把握井壁沉降趨勢(shì)，及時(shí)根據(jù)沉降量和變形分析采取相應(yīng)保護(hù)措施，以預(yù)防事故的發(fā)生。

2 凍結(jié)斜井井筒沉降變形分析

2.1 沉降產(chǎn)生的機(jī)理

沖積層斜井井筒沉降的原因主要為凍土融沉和地下水開(kāi)采下降兩方面：

(1)富冰凍土融化時(shí)，伴隨冰侵入物的消融，凍土將產(chǎn)生融化沉降和壓密沉降，土體結(jié)構(gòu)被破壞，物理力學(xué)性質(zhì)大大改變，承載能力降低，引起結(jié)構(gòu)物不均勻沉降。融化后的土體由于體積減小，造成融化性沉降。融化區(qū)域產(chǎn)生排水固結(jié)變化，導(dǎo)致土層發(fā)生壓密沉降。壓密沉降與正壓力成正比，而融化沉降跟壓力無(wú)關(guān)。凍土的融化沉降量取決于融化過(guò)程中凍土的溫度、性質(zhì)及其作用荷載。另外，凍土還會(huì)在其自身重力影響下發(fā)生融化性沉降。在工程上一般都是以融沉系數(shù)來(lái)描述凍土的融化沉降，用壓縮系數(shù)來(lái)描述融土的壓密沉降。

(2)開(kāi)采導(dǎo)致井筒周?chē)叵滤陆?，進(jìn)而引起土層發(fā)生沉降。地面土層是由水、空氣以及固體土顆粒三種物質(zhì)組成，具有多孔和散粒的特點(diǎn)。由太沙基有效應(yīng)力原理可知，由上覆地層荷載引起的總應(yīng)力是由孔隙中的水和土顆粒骨架共同承擔(dān)的，即總應(yīng)力等于孔隙水壓力與固體顆粒承擔(dān)的有效應(yīng)力之和。開(kāi)采造成地下水位下降，孔隙水壓力降低，而總應(yīng)力不變，有效應(yīng)力必然隨之增加，從而導(dǎo)致土層壓密固結(jié)，因此土層發(fā)生沉降變形。

2.2 沉降量的估算方法

2.2.1 融沉產(chǎn)生的沉降量

根據(jù)凍土力學(xué)推導(dǎo)出來(lái)的凍土融化沉降量s的計(jì)算公式為：

s=a0h+mvhΔp

(1)

式中：s——凍土融化沉降量，m；

a0——凍土的融沉系數(shù)；

h——凍土層的總厚度，m；

mv——融土的壓密系數(shù)；

Δp——土層上方的載荷，MPa。

2.2.2 地下水位下降引起的沉降量

抽水造成的滲透具有以下特點(diǎn)：基本上土體只有垂直變形，表面沉降的范圍比較大；孔隙水壓力在水位變化中其正負(fù)方向變化導(dǎo)致的固結(jié)效果是一樣的。

根據(jù)產(chǎn)生原因，進(jìn)行地下水抽降時(shí)，土體中的應(yīng)力主要包括滲透力(滲流引起)、附加應(yīng)力(外荷重引起)以及自重應(yīng)力。滲透力和有效應(yīng)力增加是進(jìn)行地下水抽降時(shí)地面沉降的主要原因。所以這種情況下計(jì)算地面沉降的關(guān)鍵是確定有效應(yīng)力變化量Δσ′隨水位降深sw的分布特性。

對(duì)承壓水而言，地面總沉降量可由下式計(jì)算：

(2)

ψs——修正系數(shù)，一般取0.2～0.7；

Δσ′——有效應(yīng)力的變化量，MPa；

Esi——單一土層的壓縮模量，MPa；

hi——土的單一分層厚度，m；

γwi——單一土層的干容重，kN/m3；

sw——水位降深，m。

對(duì)潛水而言，假設(shè)潛水層土質(zhì)均勻，地面總沉降量可由下式計(jì)算：

(3)

式中：γ——土的干容重，kN/m3；

γ′——土的含水容重，kN/m3；

Es——壓縮模量，MPa；

H0——土層厚度，m。

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)方法和儀器選取

根據(jù)以往測(cè)量工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)，目前測(cè)量沉降的方法主要有數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、三維激光掃描技術(shù)、精密三角高程測(cè)量、靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量、精密水準(zhǔn)儀測(cè)量以及電子水平監(jiān)測(cè)技術(shù)等。

過(guò)去的幾何水準(zhǔn)測(cè)量周期較長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且容易對(duì)施工和正常通行產(chǎn)生影響。因此選取具有自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理能力的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為了更好地保障井筒質(zhì)量結(jié)構(gòu)安全，需保證沉降觀測(cè)有較高的測(cè)量精度，并受環(huán)境以及溫差變化的影響較小或能對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，將誤差降低到最小值，同時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)布置密度也有一定要求。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和精密三角高程測(cè)量受到車(chē)輛通行影響較大，而電子水平尺受成本和垂深變化限制較大，因此儀器的選擇往往更加傾向于量程大的水準(zhǔn)儀。由于斜井沿長(zhǎng)度方向有垂深變化，測(cè)點(diǎn)密度較密集，測(cè)試時(shí)間間隔小，宜采用具有較高自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和處理能力的監(jiān)測(cè)設(shè)備。

通過(guò)對(duì)比以上各種檢測(cè)方式的適應(yīng)性和優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合袁大灘副斜井工程實(shí)況，決定采用壓阻式靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)無(wú)線采集箱自動(dòng)采集高差變化值，無(wú)線采集箱將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)自動(dòng)處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)警，極大地降低了沉降檢測(cè)中的工作量，減少對(duì)井筒施工和通行的影響，提高了數(shù)據(jù)反饋的實(shí)時(shí)性和有效性。

3.2 監(jiān)測(cè)方案實(shí)施

首先在各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝壓阻式靜力水準(zhǔn)儀，并需要在一相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)安裝基準(zhǔn)罐，傳感器之間通過(guò)高強(qiáng)度的氣壓管聯(lián)通到基準(zhǔn)罐，每個(gè)水準(zhǔn)儀內(nèi)部都安裝有高精硅壓傳感器，在基準(zhǔn)罐與傳感器之間充滿(mǎn)液壓液體，則水準(zhǔn)儀內(nèi)的壓力傳感器檢測(cè)到的是該點(diǎn)到基準(zhǔn)罐液表的壓力，該壓力與液面高度有一定線性關(guān)系，儀器在生產(chǎn)之前做好標(biāo)定且對(duì)溫度變化做好補(bǔ)償。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體示意圖

由圖1可知，如果壓力傳感器感測(cè)到壓力發(fā)生變化，說(shuō)明該點(diǎn)與基準(zhǔn)液面之間的高差發(fā)生變化；根據(jù)生產(chǎn)前的壓力與液面高差的標(biāo)定線性表，靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)部的單片機(jī)可以計(jì)算出高差變化值，并通過(guò)通信協(xié)議將高差變化值以及其他有效數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，總線終端的無(wú)線采集箱可以通過(guò)多種方式將數(shù)據(jù)再發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)庫(kù)并構(gòu)成全景系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)平臺(tái)可以對(duì)超出預(yù)警信息的傳感器可做出報(bào)警，報(bào)警方式有短信報(bào)警以及聲光報(bào)警，并且可以出數(shù)據(jù)的月報(bào)表。

3.4 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，沿井筒垂深方向，從井口開(kāi)始每隔10 m埋設(shè)一套靜力水準(zhǔn)儀(一個(gè)基準(zhǔn)罐和若干個(gè)傳感器，每個(gè)基準(zhǔn)罐位置都設(shè)置一個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn))，測(cè)得測(cè)點(diǎn)與壓阻式靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)沉降，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得出各測(cè)點(diǎn)以地面井口為基準(zhǔn)的真實(shí)沉降。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置現(xiàn)場(chǎng)圖

3.5 信息處理與預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)

斷面測(cè)點(diǎn)布置好后，即可通過(guò)各種監(jiān)控測(cè)量?jī)x表進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作。數(shù)據(jù)檢查分析由專(zhuān)業(yè)人員負(fù)責(zé)，處理分析數(shù)據(jù)后制作當(dāng)日分析報(bào)表，及時(shí)交于相關(guān)單位，對(duì)于數(shù)據(jù)超出警報(bào)線的結(jié)果及時(shí)報(bào)告上級(jí)，若存在數(shù)據(jù)異常，應(yīng)及時(shí)檢查儀器設(shè)備并進(jìn)行修正。采集數(shù)據(jù)的頻率按照監(jiān)控量測(cè)方法中提到的頻率操作。

運(yùn)用有限元分析，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，結(jié)合在監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)，建立具有信息反饋預(yù)測(cè)作用的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合監(jiān)控量測(cè)和施工過(guò)程，通過(guò)對(duì)井壁變形、井壁受力、裂縫擴(kuò)展監(jiān)測(cè)的綜合數(shù)據(jù)，對(duì)井壁安全性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，以保障井筒的安全運(yùn)行。

該數(shù)據(jù)平臺(tái)可以對(duì)超出預(yù)警信息的傳感器做出報(bào)警，報(bào)警方式有短信報(bào)警和聲光報(bào)警兩種方式，并且可以打出數(shù)據(jù)的月報(bào)表。此外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)平臺(tái)后期將接入煤礦的數(shù)字化系統(tǒng)。

4 結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)沖積層凍結(jié)斜井井筒在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中沉降的分析、沉降監(jiān)測(cè)方法的比較，并結(jié)合袁大灘副斜井沉降變形監(jiān)測(cè)的具體情況進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論：

(1)斜井井筒的沉降變形主要由于凍結(jié)法施工產(chǎn)生融沉和礦井開(kāi)采時(shí)抽降地下水產(chǎn)生的砂層沉降兩部分組成。

(2)對(duì)于不同沉降，目前有適用于工程的公式進(jìn)行估算，便于選取監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但工程實(shí)際沉降還需通過(guò)監(jiān)測(cè)手段及各種數(shù)據(jù)分析進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(3)當(dāng)前常用的監(jiān)測(cè)手段，主要包括精密三角高程測(cè)量、精密水準(zhǔn)儀測(cè)量、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量、三維激光掃描技術(shù)以及電水平尺監(jiān)測(cè)技術(shù)等幾種方法，應(yīng)根據(jù)工程情況的具體要求來(lái)選擇，而對(duì)于采取凍結(jié)法的斜井井筒，宜優(yōu)先考慮通過(guò)靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法。袁大灘凍結(jié)副斜井井筒的監(jiān)測(cè)方案，作為斜井沉降變形高精度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的先例，可為同類(lèi)工程作參考。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Analysis on settlement and monitoring technology of inclined shaft in deep thick sand layer

Liu Zhanbin

(Shaanxi Zhongneng Coalfield Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719000, China)

In recent years, the alluvial area of Western China began to emerge a large number of mines that adopt inclined shaft freezing method for construction and operation. There were certain settlement deformation occurred at shaft due to decreasing groundwater table during the time of freezing and operation. The phenomenon of shaft-wall ruptures was caused by the uneven settlement of large-diameter inclined shaft. In order to solve this problem, this paper analyzed the settlement of inclined shaft during construction and operation by taking the example of Yulin Yuandatan sub-inclined shaft which adopt freezing method for construction in deep thick sand layer, designing monitor program by analyzing and comparing the common monitoring means. The research results are important for understanding the mechanism of inclined shaft settlement during freezing construction and designing for settlement monitoring plan.

mine inclined shaft, settlement, thick sand layer, freezing sinking, monitoring

劉占斌. 深厚砂層斜井井筒沉降變形與監(jiān)測(cè)技術(shù)分析 [J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(5)：66-69. Liu Zhanbin.Analysis on settlement and monitoring technology of inclined shaft in deep thick sand layer [J]. China Coal，2017，43(5)：66-69.

TD262

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劉占斌(1976-)，男，陜西府谷人，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任陜西中能煤田有限公司總經(jīng)理。