基于双激光基准的某矿井筒变形观测及防范措施

2018-08-17 00:14岳亚敏
现代矿业 2018年7期
关键词:基准点井筒基准

岳亚敏

(山西汾西矿业集团南关煤业有限责任公司)

立井井筒在长期运营过程中,井壁、罐梁、罐道及附属设施会受到各种因素的影响而产生变形,了解井筒变形现状、大小和规律对于进一步进行井筒受力分析以及维修支护具有重要意义[1-5]。某矿是一座现代化矿井,设有一立井井筒,井深约690 m,井筒直径9 m,井筒内设有1个大罐和1个小罐。该立井在近期运行时罐笼时常出现颠簸、运行不平稳、卡罐等现象,经现场考察和简易测量,发现井筒在马头门上下产生了井壁变形和罐梁、罐道变形。为消除安全隐患,查找变形原因,为井筒、罐道加固维修提供可靠依据,本研究对基于双激光基准的井筒变形观测方案进行设计,并对变形原因及变形防范措施进行探讨。

1 观测方案

在井口附近建立了3个控制点(K1,K2,K3),测量时按照顺时针方向形成闭合导线,进行平差得到点位坐标,并进行精度评定(图1)。

首次建立双激光基准时,通过与地面已知控制点的连接得到激光中心的平面坐标(X,Y)。通过进行激光基准坐标传递,由特征点坐标反算得到重新建立的激光基准点坐标。取平均值作为两激光基准点的坐标J1(886.395 m,992.217 m),J2(889.408 m,991.882 m)。计算可知,由基准点坐标反算得到两基准点的间距为3.032 m与实测值3.033 m相比仅相差1 mm,符合井筒变形观测要求。

图1 井筒变形监测地面控制网

2 井筒变形分析

2.1 罐道变形

由于井筒在上部基本上未出现变形,故本研究测量坐标系以第1层罐梁处大罐罐道上的2#、8#点连线的中点(O点)为原点,连线为X轴,指向2#点方向为正,竖直向下为Z轴,Y轴垂直于X轴和Z轴指向东,工作坐标系如图2所示。

图2 大罐罐道测量坐标系

分别于2016年5月、2016年10月对井筒进行了2次变形观测。结果表明:①罐道在80~120层上存在明显的变形,上部变形小,下部变形大,变形最大值出现在117层,分别为-42 mm(X方向)和39 mm(Y方向);②在2次观测期间,井筒出现了明显变形,变形方向朝向X轴负方向和Y轴正方向。井筒中罐道变形特点为:①2#点和4#点的变形大于8#点和6#点,其中,2#点变形最大,6#点变形最小,罐道下部变形大于上部;②上述4个点的变形方向大体一致,都朝向X轴负方向和Y轴正方向变形,初步断定井筒受到来自同一方向的压力,使得罐道发生变形。

2.2 井壁变形

由于靠近地面附近的井简未发生变形,因此本研究利用地面附近未变形或变形极小的井筒横断面拟合出1个基准圆(圆心坐标为886.864 m、993.956 m,半径为4.535 m),并据此分析井筒井壁变形。通过将每层井筒横断面上的测点与基准圆圆心的水平距离与基准圆半径进行比较,进一步判断井壁变形方向和变形大小。观测表明:井壁80~120层(每层间隔5 m)出现了明显变形,井筒变形由上至下逐渐变大,X方向最大变形为-41 mm,最小变形-9 mm,朝向X轴负方向;Y方向最大变形为33 mm,最小变形为8 mm,朝向Y轴正方向。

3 井筒变形防范措施

井壁发生变形主要是由于地质因素造成的,构造运动造成地应力增大,导致地层发生垂直升降和水平移动,致使井壁发生变形甚至破裂[6-9]。此外,地下水位下降导致软弱地层发生沉降,地层在沉降过程中产生了作用于井壁并最终导致冲击层下部井壁沿水平方向产生开裂破坏的纵向附加应力[10-12]。井壁破坏时一般还伴有涌砂漏水现象。相应的防治措施如下:

(1)井壁“竖让”、“横抗”处理。①“竖让”,在井筒内壁开切卸压槽;②“横抗”,通过提高井壁材料强度和刚度、加大井壁厚度、增强井壁承载力,抵抗水平荷载与竖直荷载的共同作用,常用措施是对井筒进行套壁加固,即在井筒内侧井壁施工1层新混凝土井壁。2种措施可单独或协同应用。

(2)地层注浆加固。通过从地面向含水层注浆充填加固,以提高土层的整体强度和降低其固结压缩量,从而减少地层下沉量及其引发的竖向附加应力,降低井壁承受的外来附加力[13],较常用的注浆技术有地面注浆和破壁注浆。

(3)水头控制。为有效防止井筒发生变形,有必要降低因地层固结而产生的附加应力,为此则需维持井筒周围一定范围内含水层的水头高度。但由于技术难度大和经济成本高等因素,水头控制措施的实施难度较大。

4 结 语

为对某矿井筒变形进行有效观测,设计了基于双激光基准的观测方案。分析了井筒变形原因,并提出了包含井壁处理、地层加固、水头控制在内的井筒变形防范措施,对于有效控制该矿井筒变形,确保安全生产有一定的借鉴价值。

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