關(guān)鍵詞：煤礦井筒；井筒變形；特厚表土層；井壁應(yīng)力；監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TD745 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）11-0039-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.009

Study on the Monitoring of Force and Deformation During the Operation Period of the Main Shaft ofGuotun Coal Mine

HOU Jialiang1FANG Jianghua12CAI Haibing' （1.School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Scienceand Technology，Huainan 232001，China; 2.Beijing Zhuzong Group Co.，Ltd.，Beijing 100101， China）

Abstract： [Purposes] The coal mine shaft， as an important channel connecting the surface and underground，concerns the safety of transporting personnel，materials and equipment. With the increase in coal mining depth，the problems faced by the shaft become more complicated. Therefore，effective and realtime monitoring of shaft walldeformation and judgement of the safety status of the shaft wallbased on the monitoring data are important measures to ensure the safety of deep coal mining.[Methods] Taking the main shaft of Guotun Coal Mine in Juye Coalfield，Shandong as an example，based on the principle of vibrating string sensing test technology，long-term online monitoring was carried out on the force deformation of vertical shafts under the condition of thick topsoil and thin bedrock.The annular and vertical deformation of the shaft wall was analysed according to the monitoring results，and compared with the established early warning values at the same time，so as to assessthe safety status of the shaft. [Findings] The results show that the shaft walldeformation monitoring system can realize real-time monitoring and warning，with good stability.Themaximum circumferential strainand vertical strain of the shaft wall are both lowerthan theearly warning value of the shaft wall strain，indicating that the shaft wallis in a stable stage at present.[Conclusions] The research results have important reference value for the study of the deformation law of the shaft wall in the deep topsoil layer of the Juye Coalfield. Keywords： coal mine shaft; shaft deformation; extra-thick topsoil; shaft wallstress; monitoring system

0 引言

煤炭作為我國重要的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料，其開采和利用是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要保障[2]。在開采過程中，立井井筒作為煤礦開采中的核心部分，在運營期的安全是煤礦生產(chǎn)的重要保障[3]。隨著中國煤礦開采技術(shù)的不斷進步，煤礦開采深度不斷增加，井筒的深度也隨之增加，對于深部煤炭的開采也將成為主要的開采方向。而煤炭開采所要面臨的問題將更加復(fù)雜，所產(chǎn)生的工程事故也更為嚴重，一旦發(fā)生將會造成嚴重的經(jīng)濟損失與人員傷亡[4]。因此，為確保井筒在運營期的安全，應(yīng)采用合適的監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測井壁變形情況，判斷井壁的安全狀態(tài)，將危險消除在萌芽之中。

當前，井壁變形監(jiān)測的方法主要有GPS監(jiān)測法[5、鋼絲基準線法、三維變形監(jiān)測法[、倒垂法[8、位移法[9等。而這些方法各有優(yōu)缺點，致使其不能實時監(jiān)測井壁的受力變形情況。而振弦式傳感器是一種可以測量外界物理量的傳感器，其具有抗干擾能力強、準確度高、結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、傳輸距離遠、節(jié)能、惡劣環(huán)境下可靠等特點，可以實時監(jiān)測井壁的變形情況并判斷井壁是否處于安全狀態(tài)。振弦式傳感器以監(jiān)測精度高、信號穩(wěn)定、適用性強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各類工程及科學(xué)研究中[10]?；诖?，本研究利用振弦式傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，對山東省巨野煤田郭屯煤礦運營期井筒井壁進行受力變形監(jiān)測，以確保井筒安全。

1傳感器工作原理

振弦傳感器的工作原理是通過一根兩端固定并預(yù)緊的金屬弦，如果傳感器受到外界作用，弦拉伸應(yīng)力的變化會引起其自振頻率的變化，根據(jù)弦的自振頻率與其受力的關(guān)系、頻率的變化，可以得出引起弦的拉伸應(yīng)力變化的物理量。

弦的振動原理如圖1所示，弦在拉力 T 和自重的作用下與 x 軸重合，處于力平衡狀態(tài)。當弦在橫向力作用下擺動時，某一瞬間弦的形狀為 ocp ，取微弧段 ds 為分離體，則 ds 微弧段在 x 方向上的受力平衡方程見式（1）。

T^′cosα^′-Tcosα=0

由于弦的擺動非常小，因此擺動時弦上切線的傾斜角也非常小，即 α≈0 ！ α^′≈0 ，故 cosα≈cosα^′ ≈1 ，則式（1）可變?yōu)槭剑?）。

T=T^′

如果沿 y 軸的位移為 u ，且 u=f（x，t） 。則在微段ds處沿 y 軸的總力為 T^′sinα^′-Tsinα-ρ₁gds ，根據(jù)牛頓第二定理可知式（3）。

T^′sinα^′-Tsinα-ρ₁gds=ρ₁ads

式中： ρ₁ 為弦的線密度， kg/m;g 為重力加速度，m/s²;a 為弦所具有的運動加速度， m/s² 。

當 α≈α^′≈0 時，則有式（4）。

弦沿 y 軸的加速度可以表示為 χ_t 時刻位移的函數(shù)，即 ?²u（x，t）/?²t ，聯(lián)立式（2）和式（4），則式（3）可寫為式（5）。

式（5）左邊括號中表達式可用二階微分代替，見式（6）。

因弦在振動時張力較大，則 ?²u/?²tgt;gt;g ，可忽略

Π_g 的影響，得到一維波動方程，見式（7）。

采用分離變量法求解波動方程，則有式（8）。

u（x，t）=u（x）sinωt

將式（8）代人式（7），可得式（9）。

微分式（9）的通解見式（10）。

在一般的振弦式傳感器中，弦兩端固定，則邊界條件 U_|x=0=0，U∣_x=1=0 。因此，有式（11）。

顯然 C₁≠0 ，則有式（12）。

即式（13）。

當 n=1 時，由式（8）可得振弦頻率的表達式，見式（14）。

將 T 及 ρ₁ 各除以振弦的橫截面積 A ，即式（15）。

式中： σ 為弦的拉應(yīng)力， N/mm²;ρ 為弦的密度，kg/m³ 。由式（15）可得式（16）。

式（16）是弦的應(yīng)力和頻率之間的關(guān)系，振弦傳感器也是基于這一原理，其中 f 與 σ 是非線性的。在實際測量中 ，f 和 σ 并不是換算的基礎(chǔ)，而是根據(jù)所測頻率值，再按照標定曲線直接換算出所測物理量的變化。

2工程概況及監(jiān)測方案

2.1 工程概況

郭屯煤礦位于巨野煤田中北部，為全隱蔽的華北型石炭二疊系煤田，屬山東省郛城縣。該煤礦地處黃河沖積平原，地勢平坦，略呈西高東低之勢，坡度較小。上覆表土層包括3個含水層和2個隔水層，而基巖層有2個含水層。

該煤礦主井自上而下穿過第四系、新近系和二疊系上石盒子組，厚度分別為 136.1，451.3 和293.0m 。井筒凈直徑為 5.0m ，垂深 853.0m 。上部采用凍結(jié)法施工，凍深 702.0m ，并采用雙層鋼筋混凝土井壁，內(nèi)壁厚 1000mm ，外壁厚 1150mm ，內(nèi)外壁之間鋪設(shè)兩層厚 1.5mm 的塑料層；下部采用普通法施工，井壁厚 450mm 。

因該煤礦底部含水層長期疏放，含水層水位下降，使土體有效應(yīng)力增加，松散層固結(jié)沉降，并壁所受縱向附加力不斷增大，井筒局部受力增大。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及專家的井筒治理意見，建立基于振弦傳感測試技術(shù)的井筒受力變形監(jiān)測系統(tǒng)，對井壁受力變形結(jié)果進行分析，實時評估井筒受力狀態(tài)，實現(xiàn)井筒的健康狀態(tài)安全預(yù)警，確保井筒安全運營。

2.2 監(jiān)測方案

2.2.1井壁傳感器布設(shè)。本研究根據(jù)地層信息、井壁結(jié)構(gòu)及相關(guān)行業(yè)標準等，確定在井壁上設(shè)置6個監(jiān)測層位，監(jiān)測水平見表1。元件布設(shè)示意如圖2所示，在內(nèi)層井壁外表面等間距設(shè)置4個監(jiān)測點位，每個監(jiān)測點位沿豎向和環(huán)向各布設(shè)1個振弦式應(yīng)變計，共布設(shè)振弦式應(yīng)變計48個。

2.2.2監(jiān)測系統(tǒng)安裝方法。在振弦式傳感器安裝前，先對其進行標定和標記，并對接頭進行密封處理。將其運至井下后，用粗砂布磨平安裝位置的混凝土表面，利用膨脹螺栓將夾具固定在混凝土結(jié)構(gòu)上，裝入應(yīng)變計，將應(yīng)變計線頭通過防水接線盒與通信主電纜相連，接頭嚴格密封在環(huán)氧樹脂筒中，元件及線路采用黑膠皮防護。安裝完畢后，在井口處按編號將單芯電纜接入自動化頻率采集箱，在監(jiān)測平臺設(shè)置好各元件參數(shù)和采集頻率即可。應(yīng)變計的現(xiàn)場安裝如圖3所示。

2.2.3安全監(jiān)測預(yù)警值。根據(jù)井壁結(jié)構(gòu)和相關(guān)設(shè)計規(guī)范等計算各監(jiān)測層位井壁的應(yīng)變預(yù)警值，結(jié)果見表2。

3監(jiān)測結(jié)果及分析

郭屯煤礦主井井筒變形在線監(jiān)測系統(tǒng)于2021年12月4日搭建完成，為評估監(jiān)測系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及井筒的變形狀況，本研究分別選擇井筒上部、中部和下部位置上幾個有代表性的監(jiān)測點位進行數(shù)據(jù)分析及評價。

3.1井壁環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果及分析

各監(jiān)測水平498d井壁環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。其中，第二水平（深度 504m 井壁環(huán)向最大壓應(yīng)變?yōu)?-222.256με ，最大拉應(yīng)變?yōu)?35.034με 第四水平（深度 545m ）環(huán)向最大壓應(yīng)變?yōu)?385.649με ，環(huán)向最大拉應(yīng)變?yōu)?130.464με ，第六水平（深度 588m ）最大壓應(yīng)變?yōu)?-338.07με ，最大拉應(yīng)變?yōu)?69.181με ，各水平井壁環(huán)向應(yīng)變值均遠小于預(yù)警值。

由監(jiān)測結(jié)果可知，井壁環(huán)向應(yīng)變隨時間波動變化，最大拉應(yīng)變?yōu)?130.464με ，最大壓應(yīng)變?yōu)?385.649με ，整體趨勢變化較緩。井筒自上而下穿過多系土體，受周圍復(fù)雜土體壓力影響，環(huán)向壓力隨深度增加變化復(fù)雜，各水平監(jiān)測結(jié)果變化趨勢也不盡相同。如第四水平，不同方位的數(shù)據(jù)有拉應(yīng)變也有壓應(yīng)變，同一方位不同水平數(shù)據(jù)大小也不同。由監(jiān)測結(jié)果還可知，并壁環(huán)向受力主要以壓縮形變?yōu)橹鳎魉蕉继幱诎踩珡椥孕巫兎秶畠?nèi)，但是井筒中下部受力明顯增大，是監(jiān)測的重點部位。

3.2井壁豎向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果及分析

各監(jiān)測水平498d井壁豎向應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。其中，第二水平（深度 504m 井壁豎向最大壓應(yīng)變?yōu)?-161.376με ，最大拉應(yīng)變?yōu)?49.455με 0第四水平（深度 545m 井壁最大壓應(yīng)變?yōu)?230.347με ，最大拉應(yīng)變?yōu)?52.148με ，第六水平（深度 588m ）井壁最大壓應(yīng)變?yōu)?-730.539με ，最大拉應(yīng)變?yōu)?179.059με ，各水平井壁豎向應(yīng)變值均遠小于預(yù)警值。

由上述各水平監(jiān)測結(jié)果可知，最下層的第六水平應(yīng)變值要大于其他兩個水平的應(yīng)變值，并呈現(xiàn)隨著深度的增加，應(yīng)變值也隨之加大的趨勢，井壁豎向最大拉應(yīng)變?yōu)?179.059μg ，最大壓應(yīng)變?yōu)?730.539με ，均未超出井壁應(yīng)變預(yù)警值。井筒底部含水層發(fā)生疏水，土體有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致地層發(fā)生不均勻沉降，使井筒在一定程度上發(fā)生變形。同時由于井筒下沉與土體相對運動，使井壁受拉。

從4月到7月，井壁的豎向和環(huán)向應(yīng)變較1月到3月變化幅度明顯增加，這是由于溫度升高，井壁混凝土遇熱膨脹，應(yīng)力發(fā)生變化，從而反映在混凝土井壁的應(yīng)變上，表明溫度變化對井壁變形的影響不可忽視。

綜上分析可知，井壁長期處于彈性變形階段，其應(yīng)變在一定范圍內(nèi)波動，呈非線性變化特征。由井壁應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果可知，第二水平處井壁環(huán)向和豎向應(yīng)變最大值分別占對應(yīng)黃色預(yù)警值的 28.6% （環(huán)向）和 15.5% （豎向），第四水平處井壁環(huán)向和豎向應(yīng)變最大值分別占對應(yīng)黃色預(yù)警值的 52.9% （環(huán)向和 22.8% （豎向），第六水平處井壁環(huán)向和豎向應(yīng)變最大值分別占對應(yīng)黃色預(yù)警值的 44.1% （環(huán)向）和 68.6% （豎向），井壁處于安全狀態(tài)。

4結(jié)論

本研究闡述了振弦式傳感器的監(jiān)測特點及工作原理，介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的安裝方法，通過在井壁表面布設(shè)傳感器對井筒受力狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并對預(yù)警值與實際應(yīng)變值進行對比，從而判定井壁的安全狀態(tài)。

研究結(jié)果表明，井壁的環(huán)、豎向應(yīng)變隨時間和深度不斷增大，整個井筒的井壁主要受壓應(yīng)力，且下部受力明顯大于中上部。另外，溫度的變化也會引起井壁受力，呈現(xiàn)拉、壓應(yīng)變來回交替變化的趨勢，但均在允許范圍之內(nèi)。

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