＊孫盛源

（國(guó)家能源集團(tuán)杭錦能源有限責(zé)任公司塔然高勒煤礦 內(nèi)蒙古 017400）

礦井建成從施工到投放，它將經(jīng)歷一個(gè)壓力平衡的過(guò)程。在礦山使用過(guò)程中，由于各種內(nèi)力和外力的相互作用，豎井的形狀會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。常見(jiàn)的現(xiàn)象有斜井頂?shù)装逑鲁?、涌水量變化、井壁位移等。近年?lái)，我國(guó)煤礦立井損壞的案例越來(lái)越多，其中一些是由表土和地表水排水引起的沉降，有的是不合理井壁設(shè)計(jì)造成的，還有的是因?yàn)檫^(guò)度采礦所造成的。由于煤礦井筒作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件因素的影響，很難觀測(cè)到井筒變形，因此，有必要探索基于變形規(guī)律的井筒變形監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法。針對(duì)煤礦立井井筒變形的特點(diǎn)，提出了立井井筒變形觀測(cè)場(chǎng)的理論基礎(chǔ)和具體方法。

1.變形監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

變形監(jiān)測(cè)（將測(cè)得的物體或?qū)ο蠛?jiǎn)稱為變形體進(jìn)行測(cè)量）根據(jù)變形體的時(shí)空變化特征、空間位置，測(cè)量物體內(nèi)部形狀、大小等，變形體由天然建筑物和人工建筑物組成，從很小的建筑塊到大的半球建筑塊都屬于變形體范疇。巖崩、地震、滑坡、水壩檢查、地基下沉、建筑物倒塌等都是典型的變形破壞現(xiàn)象。這些都給人們帶來(lái)巨大的困擾，嚴(yán)重影響人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。地質(zhì)學(xué)和巖土工程的變形屬于變形體。如果變形量不超過(guò)一定的范圍，就不會(huì)有損失，一旦變形量超過(guò)允許的范圍，就會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)難，甚至影響到人們的生活，因?yàn)樽冃瘟颗c人身安全有著密切的關(guān)系。國(guó)內(nèi)外對(duì)變形監(jiān)測(cè)方法、技術(shù)和設(shè)備的研究都十分重視，對(duì)變形信息的獲取和分析也十分深入。

變形監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外普遍受到重視主要是把握形體的實(shí)際性狀，完成安全評(píng)價(jià)或變形預(yù)測(cè)。前者主要是測(cè)量控制地質(zhì)和立井變型的穩(wěn)定性，及時(shí)為安全診斷和治理提供重要的信息，為之后的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和施工以及后期運(yùn)行的安全做好充足的準(zhǔn)備。后者主要研究變形機(jī)構(gòu)以及工程設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證和變化，根據(jù)本文的研究背景，從地質(zhì)學(xué)和巖土工程的觀點(diǎn)出發(fā)，再通過(guò)多學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識(shí)的融合，變形監(jiān)測(cè)技術(shù)是典型的跨學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)視技術(shù)和巖土工程的概論。

2.立井設(shè)備變形與原因

（1）立井井筒設(shè)備。包括通道梁、通道、電纜、導(dǎo)管、樓梯、下部金屬支撐機(jī)構(gòu)、鋼制電纜終端安裝、電纜支架、通道支撐梁、防銹裝置（敷設(shè)上方）等。

（2）立井井筒的變形，破壞及成因。立井的變形破壞一般表現(xiàn)為局部井壁突然受壓，使罐道不穩(wěn)定，通過(guò)罐道梁的傳遞影響提升。嚴(yán)重情況下，大塊混凝土和罐道掉落，或損壞豎井設(shè)備或造成人員受傷。事故迫使煤礦停產(chǎn)、被動(dòng)救援，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。分析表明，客觀上，凍土融化沉降、疏水沉降、井筒溫度變化、地下水入滲等引起的豎向附加力作用于井壁，導(dǎo)致井壁豎向應(yīng)力變形，甚至破裂。主觀上，在施工過(guò)程中，由于巖石運(yùn)動(dòng)觀測(cè)不及時(shí)以及安全緩沖裝置（罐道差動(dòng)耦合裝置）安裝不當(dāng)，未能采取預(yù)防措施，從而導(dǎo)致事故發(fā)生。

3.立井井筒變形監(jiān)測(cè)方法以及監(jiān)測(cè)方式

目前，我國(guó)煤礦的總體趨勢(shì)是逐漸開(kāi)發(fā)淺埋煤層。隨著開(kāi)采的深度不斷增加，地質(zhì)條件也變得越來(lái)越復(fù)雜。礦井壓力的增加，井筒的成本也相應(yīng)增加。井中放置的設(shè)備也有所增加，井口壁上的壓力也相應(yīng)增加，特別是主副井承擔(dān)著礦井通風(fēng)和提升的任務(wù)，它是隧道的咽喉。礦井的穩(wěn)定性和安全性關(guān)系到礦山的發(fā)展。監(jiān)測(cè)井筒的變形，獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為合理維護(hù)的初步設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)。判斷支持的合理性和可靠性。井筒巖石滾動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性。進(jìn)一步根據(jù)監(jiān)測(cè)資料的變化逐漸趨于合理。《工程勘察規(guī)范》要求：大型或重要工程建、構(gòu)筑物工程設(shè)計(jì)時(shí)變形測(cè)量總體布置工程開(kāi)始時(shí)進(jìn)行變形測(cè)量。軸變形的監(jiān)測(cè)受到觀測(cè)條件的限制。水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)配置困難。不同于以前的變形測(cè)量，有必要討論井壁變形監(jiān)測(cè)方法。需要合理的監(jiān)測(cè)方案。

（1）斷面測(cè)量方法。根據(jù)不影響起吊和便于保護(hù)的原則，將兩根鋼絲繩放在豎井的相應(yīng)位置（如圖1），在馬頭門處對(duì)鋼絲繩進(jìn)行擺動(dòng)觀察，確定其穩(wěn)定位置，并將鋼絲繩作為垂直基準(zhǔn)點(diǎn)連接（形成雙垂直參考點(diǎn)）在鉆孔附近，在鉆孔頭部設(shè)置控制點(diǎn)，利用徠卡TM30精密檢測(cè)機(jī)器人精確測(cè)量附近鉆孔坐標(biāo)和鋼絲的坐標(biāo)，鉆孔處、鉆孔中部和井底的兩根鋼絲之間的距離為多倍精確測(cè)量以確定組合測(cè)量裝置框架線的尺寸。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察到的管道、電纜和導(dǎo)線在波浪中的分布，確定拆卸器在組合測(cè)量裝置上的位置（避免不同結(jié)構(gòu)物在波浪中受阻，并均勻設(shè)置測(cè)量點(diǎn)），然后借助工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)量組合測(cè)量裝置的比率。

圖1 鋼絲位置選擇示意圖

在測(cè)量過(guò)程中，儀表應(yīng)在保持架頂部使用專用組合測(cè)量裝置。首先將鋼絲夾緊并固定在測(cè)量裝置的鋼絲參考位置，然后通過(guò)安裝在裝置上的六個(gè)手套探測(cè)器測(cè)量到波長(zhǎng)的距離。橫截面測(cè)量基于馬頭門頂部現(xiàn)有罐梁的上邊緣，橫截面測(cè)量基于馬頭門頂部現(xiàn)有罐梁的上邊緣，依次測(cè)量六個(gè)手持式測(cè)距儀至井壁之間的水平距離沿井筒向上每隔五米測(cè)量一次（即罐梁的每一層）。線路測(cè)量數(shù)據(jù)處理：測(cè)量結(jié)束后，計(jì)算同一高度跨度數(shù)據(jù)的平均值，計(jì)算每個(gè)高度測(cè)得的六個(gè)波長(zhǎng)的水平坐標(biāo)，根據(jù)測(cè)得的水平距離和兩根鋼絲的水平坐標(biāo)，MATLAB軟件以六個(gè)鉆孔點(diǎn)的水平坐標(biāo)為圓心，確定孔的平面坐標(biāo)和每個(gè)橫截面中間的圓半徑。如果是圓組件，則必須消除因波壁凸起或下降而引起的波壁上測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的差，并消除其他原因，最后，根據(jù)圓心水平坐標(biāo)和圓半徑繪制X方向和Y方向的鉆孔縱斷面。

（2）視準(zhǔn)線法監(jiān)測(cè)。根據(jù)準(zhǔn)線法，主要用于監(jiān)視某個(gè)方向的水平位移量，如圖2所示，P點(diǎn)是監(jiān)視點(diǎn)，A、B兩點(diǎn)是工作基點(diǎn)，AB是瞄準(zhǔn)線。與AB線垂直方向的水平位移為：

其中，β從工作基點(diǎn)到監(jiān)視點(diǎn)和基準(zhǔn)線之間的角度；S是從監(jiān)視點(diǎn)到作業(yè)基點(diǎn)的距離。

根據(jù)誤差傳播的法則：

從公式（3）可以看出，準(zhǔn)線方法產(chǎn)生的點(diǎn)誤差主要來(lái)自距離S和水平角。β的觀測(cè)中誤差mβ的影響。其中的測(cè)角誤差主要來(lái)自兩個(gè)部分，一部分是中誤差引起的測(cè)角誤差，另一個(gè)是儀表自身的測(cè)角精度。根據(jù)誤差傳播理論，有：

在安裝裝置時(shí)，如果采用光學(xué)對(duì)（包括激光對(duì)）方式，則在光學(xué)對(duì)華器和水平管受到嚴(yán)格檢查和校正的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中誤差達(dá)到m1=±1mm。采用強(qiáng)制對(duì)中裝置設(shè)置裝置，對(duì)中誤差小，可忽略，此時(shí)取m1=0。

分別從不同的安裝儀器方法（m1）、不同標(biāo)稱精度（m2）的儀器、不同測(cè)距長(zhǎng)度（S）等方面結(jié)合式（3）和式（4）計(jì)算得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度m如圖2所示。

圖2 視準(zhǔn)線法工作原理

（3）監(jiān)測(cè)的方式。①進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測(cè)。開(kāi)展專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，由專家全面支持和幫助，聯(lián)合多專業(yè)開(kāi)展工作。需要諸多的專業(yè)人員才能進(jìn)行立井井筒變形破壞檢測(cè)，另外還需要經(jīng)驗(yàn)深厚的專業(yè)學(xué)者或者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的專家進(jìn)行指導(dǎo)，其中項(xiàng)目包括地質(zhì)、測(cè)量等相關(guān)專業(yè)的人員共同協(xié)作，分工要明確，各環(huán)節(jié)緊密配合，進(jìn)行詳細(xì)緊密的檢測(cè)。在各個(gè)環(huán)節(jié)上不含糊，不放過(guò)任何針對(duì)性的預(yù)防措施，杜絕任何安全隱患。②重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。厚表土層礦井應(yīng)視為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)其開(kāi)展縝密的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，對(duì)曾發(fā)生過(guò)井筒毀損的裝備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。③基建監(jiān)測(cè)。我們要從源頭上杜絕隱患，礦井要嚴(yán)格按照相關(guān)的文件進(jìn)行設(shè)計(jì)，要根據(jù)專家的意見(jiàn)對(duì)立井井筒等裝備部分進(jìn)行審核把關(guān)。工程要嚴(yán)格遵從設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工，加強(qiáng)重要施工步驟的監(jiān)測(cè)，施工中要靈活工作，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)要及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改變，變更設(shè)計(jì)內(nèi)容前應(yīng)進(jìn)行審查，經(jīng)批準(zhǔn)后方可繼續(xù)施工。監(jiān)管方要認(rèn)清自己的安全崗位責(zé)任，驗(yàn)收時(shí)建設(shè)各方務(wù)必各司其職，期間各方負(fù)責(zé)人變動(dòng)，必須將各項(xiàng)工作交接清楚，做到“三同時(shí)”。

4.監(jiān)測(cè)方法研究

研究順序?yàn)閺牡乇淼降孛?，先整體再局部，前提是對(duì)變形的原因分析后再進(jìn)行的。

（1）井塔偏斜測(cè)量。在普遍的情況下，礦井井塔在進(jìn)行施工前，都要對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行嚴(yán)格的審核，審核通過(guò)后嚴(yán)格根據(jù)圖紙要求進(jìn)行，進(jìn)行施工的工程標(biāo)準(zhǔn)是按照要求的垂直度進(jìn)行的，但是目前施工隊(duì)伍，在垂直度的標(biāo)準(zhǔn)上往往不能達(dá)到合格，大多數(shù)都忽視了井塔偏斜的問(wèn)題，導(dǎo)致在施工到一半才發(fā)現(xiàn)建筑不夠垂直，在發(fā)現(xiàn)異常后才建立建筑偏斜的觀測(cè)站。

（2）井塔偏斜長(zhǎng)期觀測(cè)站。建筑方在施工前應(yīng)設(shè)立觀測(cè)站，對(duì)建筑立井過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，所以，設(shè)計(jì)觀測(cè)站的作用之一就是可以對(duì)井塔的偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立觀測(cè)站嚴(yán)格按照《煤礦測(cè)量規(guī)范》中的站位布置和觀測(cè)方法，可根據(jù)《建筑物位置和垂直度監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求進(jìn)行。選擇與傾斜方向正交的基準(zhǔn)線上為測(cè)量站的點(diǎn)位，固定在目標(biāo)1.5～2倍高度的位置：全站儀或使用Ge的光學(xué)經(jīng)緯儀的準(zhǔn)確度或在觀測(cè)點(diǎn)頂部，用垂直線對(duì)準(zhǔn)上方向點(diǎn)，將透鏡垂直轉(zhuǎn)動(dòng)到下目標(biāo)點(diǎn)，用鋼線測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)到垂直線的距離，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期定期跟蹤，即可得到井塔在垂直觀測(cè)方向上的偏斜情況，測(cè)量前必須校準(zhǔn)測(cè)量裝置，并盡可能觀察員為同一人，以避免發(fā)生誤差。

（3）工業(yè)廣場(chǎng)沉降測(cè)量。豎井和井塔的變形一般發(fā)生原因是局部區(qū)域沉降。嚴(yán)重的甚至在豎井的大范圍都會(huì)出現(xiàn)伴隨性塌陷。因此，建立沉降觀測(cè)站在場(chǎng)地內(nèi)是十分有必要的，可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，對(duì)多年以來(lái)整體礦區(qū)的地表沉降情況進(jìn)行記錄。

建站方式：首先基準(zhǔn)應(yīng)選擇境外國(guó)家的基準(zhǔn)（確認(rèn)基準(zhǔn)內(nèi)是否有沉降情況）；其次觀測(cè)站之間距離25m至30m為宜，觀測(cè)站應(yīng)設(shè)置縱橫向的，沿礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)主干道進(jìn)行建設(shè)。另外可以增加觀測(cè)點(diǎn)在重要的建筑物監(jiān)測(cè)上。

觀測(cè)方法：從礦外水準(zhǔn)點(diǎn)開(kāi)始，采用電子水準(zhǔn)儀，按四等水準(zhǔn)要求進(jìn)行定期觀測(cè)。沉降觀測(cè)可每季度進(jìn)行一次，平面坐標(biāo)觀測(cè)周期可適當(dāng)延長(zhǎng)至1～2次/a。

5.井筒采動(dòng)時(shí)的變形與井筒的破壞

（1）井筒變形的特征。一般在建井初期容易造成井筒的變形，或者在開(kāi)采生產(chǎn)過(guò)程造成破壞井筒，發(fā)生變形。由于豎井一般通過(guò)上層，包括沖積層、基巖、軟弱中間層，甚至部分地段通過(guò)構(gòu)造破碎帶，堅(jiān)硬圍巖結(jié)合混凝土的井壁，足以對(duì)外界壓力進(jìn)行支撐，此時(shí)圍巖和波墻的變形非常小，相對(duì)安全。當(dāng)波浪通過(guò)軟巖結(jié)構(gòu)時(shí)，由于軟巖的低粘聚力和大變形，波浪被圍巖變形的摩擦力包圍，將波墻推到一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)上，如果波墻太大，很容易拉下。如果其太大且超過(guò)防波堤的承載能力，則防波堤會(huì)造成不可恢復(fù)的破壞。在施工或生產(chǎn)的過(guò)程中，井筒壁很容易遭受損壞，井筒一般由以下部件組成，深部土、巖接觸地下水較多的地段：上、下部為硬巖層，中部為較厚的軟泥巖層：軟泥巖、破碎、大量水流地段等。

我們將強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)不良的松散、軟弱、松散的巖體結(jié)構(gòu)稱之為軟弱巖體結(jié)構(gòu)，損傷的主要形式有：變形、開(kāi)裂、剝落、側(cè)鉤、波浪內(nèi)部鋼筋和漏水，導(dǎo)致立井橫向的磨損和漏水，最終導(dǎo)致罐梁以及罐道的變形，影響正常工作進(jìn)度。

（2）井筒的徑向變形與井壁的附加壓力。在特殊地質(zhì)的狀況下，附加荷載是波墻變形和倒塌的重要原因，因?yàn)榈叵虏傻V會(huì)在圍巖和波墻中產(chǎn)生額外的張力場(chǎng)。根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，圍巖的水平應(yīng)力影響波墻附加電壓場(chǎng)的分布規(guī)律，即一個(gè)水平的二維應(yīng)力狀態(tài)。

（3）采動(dòng)影響下井筒的變形與破壞。礦井啟動(dòng)后，如果豎井內(nèi)煤柱不合理，會(huì)對(duì)豎井造成破壞，在開(kāi)采影響下，主要有4種變形和波浪破壞形式：

①水平壓縮誤差通常發(fā)生在波壁處，而波壁處的圍巖為軟巖，這主要是由軟巖的壓實(shí)和橫向膨脹引起的。②擠壓或拉伸井筒沿軸向發(fā)生變形。主要因?yàn)閹r石垂直方向的不規(guī)律收縮狀況，引起井筒的變形。③中心線在井筒中發(fā)生偏斜與彎曲。由不同深度的不均勻水平運(yùn)動(dòng)值引起的這種變形。如果泥炭位于波浪一側(cè)或波浪兩側(cè)不對(duì)稱開(kāi)采，巖石運(yùn)動(dòng)將影響波浪位置，波浪壁將隨圍巖移動(dòng)。原始垂直波中心將造成偏移，通常閘門的重心為偏轉(zhuǎn)主要方向。④井壁錯(cuò)動(dòng)。有兩個(gè)情況，都會(huì)引起波長(zhǎng)降低：其一是因?yàn)椴傻V造成的上下層錯(cuò)位，導(dǎo)致層沿層移動(dòng)，波長(zhǎng)降低；另一種是沿軟弱層移動(dòng)巖體引起的波墻。

6.結(jié)束語(yǔ)

由于針對(duì)解決厚表土中波浪變形和破壞的監(jiān)測(cè)裝置方面的規(guī)范性文件不夠完善，因此只能在可行性研究的基礎(chǔ)上，利用科學(xué)研究項(xiàng)目，科研機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)單位的專家論證和實(shí)用新型專利，這些科技手段可以有效的解決許多技術(shù)上的問(wèn)題，發(fā)揮理想的效果。本文旨在通過(guò)分析，結(jié)合理論知識(shí)的科學(xué)應(yīng)用，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)立井，為煤礦開(kāi)采提供有用的信息。期待國(guó)家考慮和發(fā)布相關(guān)的規(guī)范性文件，如有針對(duì)性地法律、法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)，從而為建設(shè)、生產(chǎn)和安全監(jiān)測(cè)打下基礎(chǔ)，促進(jìn)安全生產(chǎn)。