自-梁宝寺能源有限责任公司副井井筒自动监测系统[1]
梁宝寺能源有限责任公司副井井筒自动监测系统方案设计与施工组织煤炭工业济南设计研究院有限公司二七年十月目录 井筒破坏简述11 井筒破坏现状及特征1.2 井筒破坏机理2.3 井筒监测的必要性3 矿井概况33 测点布置及安装方法43.1 副井测点布置43.2 安装方法4 监测系统441 系统组成及工作原理44.2 主要技术指标55 系统建设的任务、组织和服务承诺75.1 任务5.2 组织5.3 承诺 近几年井筒监测系统项目一览表87 施工组织设计71 劳动组织和进度安排7.2 施工质量保证措施107.3施工安全技术措施108 系统工程经费预算48. 公共费用148.2 副井系统主要仪器及辅助材料费用141 立项依据.1 国内外研究现状立井冻结段井壁的压力分布与变形演化规律的研究，一直是学术理论界和工程实践界共同关注的问题,我国早在上世纪70年代就进行过冻结井壁结构的压力和变形测试，取得了一定的成果，为我国的冻结井筒设计、施工和安全运营提供了珍贵经验。但是，当时的传感器的防（压力)水性能、低温或大变温等恶劣的环境下工作的性能比较差，稳定性差,持续工作时间短；二次仪表的测试精度和自动化程度也远不如现在高。再则以往的井筒冻结段的深度多数在20米左右,而且,由于工程地质条件、水文地质条件、冻结工艺等方面的因素不同，冻结井壁的压力和变形规律存在较大的差异。正是由于以上复杂原因，至今没有成熟、可靠的有关冻结井壁的变形演化和安全控制的理论和方法。由于缺乏成熟的或者说完善的理论指导，我国上世纪八十年代出现大量的井壁破裂事故，为了治理破裂井壁,二十多年来国家投入了大量的财力和人力进行井壁破裂机理和破裂防治的研究，总结出井壁产生灾害性破坏的主要规律如下：（1）在已破裂的井筒中，采用冻结法施工约占90%；井筒净径在3.57.8之间；井壁厚度在20100mm之间。(2）多数井壁在投产3年出现破坏变形乃至破坏现象。（3）井壁破裂部位均在第四系表土层底部含水层段,也有深入到其下的基岩强风化带内0520m的情况。一般破坏段高度115m之间。（）破裂形态大都呈水平环状,井壁砼剥落掉块，钢筋内凸,破裂处可见渗水、涌水现象,严重的有涌水冒砂现象(张双楼副井)；金属罐道弯曲变形，严重影响矿井提升安全；有时井壁出现应力集中释放而快速破裂,伴有巨大响声（田庄主井、童亭主井）。（)表土层厚150以上的已破坏井筒在治理后,发生重复破坏现象（杨村矿的井筒已发生第三次破坏现象）。（)井筒第四系松散层水文地质工程地质条件及其变化特征:破裂井筒都穿过第四系深厚表土层，其松散层厚度最薄78.6,最厚440.8m（淮南潘三西风井)；表土层厚50m以上的井筒占5以上；表土层结构复杂，各层的厚度特别是对井壁破裂起关键作用的底部含水层,在其结构、厚度等方面各矿区有所不同；但其共同特点是:深部和浅部含水层水位同时下降，致使井筒周围地表都有一定程度的下沉。通过物理模拟实验和数值分析,初步探索了出现种类不同特征下的井壁破坏灾害的主要原因,并给出了相应的治理措施,这些原因和措施可以归纳为:（) 通过室内模拟实验，分析冻结井筒破裂原因,提出“抗”、“让”、“减”井壁破裂的治理和预防技术路线。有不少论文从工程、水汶地质的角度论述了地层过量排水引起地面沉降造成井壁的机制认定了井壁“负摩擦力”产生的原因、计算方法及其危害。（2)研究温度变化对井壁强度的影响,认识到变温使井壁与周围土体变形不协调而产生负摩擦力;通过对原状土和冻融土的物理、力学性能的试验研究，得知土冻结融化后其物理、力学性能发生了很大的改变,应用现代力学理论和热力学理论,分析冻结井壁冻结和融化阶段的土体膨胀、固结规律，探索由此产生井壁附加荷载的机理、井壁破裂的原因及其治理方法。(3）利用大型通用结构分析软件ANSY进行了深厚表土中井壁结构的弹塑性数值模拟计算，得到钢筋混凝土井壁破裂的过程、井壁内部应力、应变的动态变化规律,探讨了井壁结构与深厚围岩(土)耦合作用机理。（4) 结合系列破裂井壁加固处理的工程实践,研究了井壁的破裂原因,总结了井壁破裂加固处理经验方法,指出了当前井壁结构设计中存在的问题及其对策,研究了卸压槽治理井壁破裂的机理。(5) 针对两淮地区深冻结井中冻结壁位移过大,造成冻结管断裂的问题，建立数学模型模拟分析冻结壁位移分布规律,找出停止掘进时冻结壁位移与其影响因素段高、冻结壁厚度、工作面冻实情况、冻结壁平均温度、冻结壁暴露时间、地压之间的关系;提出了实际掘进过程中冻结壁位移的分段叠加计算方法和适合本矿区的、以冻结壁位移为基本控制参数的井筒施工优化设计方法。以上成果对煤矿立井井壁破裂机理有了较系统的认识，获得了破裂井壁治理的有效方法,为深立井的井壁结构合理设计提供了有益指导，但一般是在某些特定的条件和简化下获得的,有一定的区域性和局限性，问题并没有得到根本解决。目前，掌握井壁变形演化规律，评价井壁的安全状态的主要途径仍然是现场测试与理论分析相结合的方法。1.2 井壁测试与动态安全评价的必要性梁宝寺煤矿井筒，冻结深度达461米,粘土层占表土总厚度的.7%，且大部分属低含水率、高液限(高达7.5%)、高塑性指数(大于18%)，冻结膨胀性大的粘土层，井筒受力状态复杂、影响井筒稳定性因素较多,随机性大。利用以往井壁破坏灾害研究成果，结合本矿的地质、水文条件和对本矿主、副井筒已出现小型开裂的观察等资料综合分析表明，本矿井壁存在“井壁破坏灾害”的条件和隐患。可见,对本矿井壁进行长期监测和动态安全评价，及时发现隐患,排除灾害性破坏，确保井筒安全生产是十分必要的。1.3 井壁动态安全评价和“险情”预报的可行性从井壁出现小型裂隙到井壁发生灾害性破坏,是井壁材料损伤裂隙演化过程，在这个演化过程中,会伴随着井壁压缩或开裂逐渐加剧、井筒整体畸变、罐道梁纵向扭曲、地层下沉、水位下降、井架偏斜等现象的发生和发展。这些现象开始都是轻微的，人工看不见、觉不着,当有明显的人工视觉和感觉时，井壁灾害性破坏即将来临,井筒停产翻修不可避免。通过仪器检测，对主要现象进行数值化和可视化处理,可以随时监测到这些现象发展状态,结合理论分析,评价井壁的安全状态,提出井壁出现灾害性破坏的临界值。经过程序化处理，工程管理人员就能随时掌握井筒的安全状态，及时采取相应措施加固可能发生灾害性破坏的井壁，避免事故发生。井壁的位移是其裂隙演化过程最直观的显现，当井壁的位移累积到某极限值时或移位增量速度到达某极限时，井筒的安全状态就会发质的变化,其井壁变形向灾害性破坏转变。所以,利用井壁从微小位移到“灾害性破坏”这一过程特性,通过井壁位移测试系统,结合理论分析,建立井壁安全评价的函数和预测准则，对井筒进行安全监测和灾害预报不仅技术上是完全可行,而且经济是最合理的。 研究内容1、井筒安全评价体系指标和事故预报准则研究；2、异常井壁位移监测和自动报警信息化智能系统实施研究；3、“灾害性破坏”井壁的防治措施与方法研究。3 测点布置及安装方法31 副井测点布置具体测点布置在约垂深、57、21 三个水平，每个水平设置个监测点，每个监测点处安装2个位移传感器(纵向、径向各1个)，共计4个测点。(1）垂深145m的破坏段在管道梁上方1米左右处，裂缝主要走向东南;（）垂深15m的破坏段在管道梁中间左右处,裂缝主要走向东南;（3）垂深21的坡坏段在管道梁上方1米左右处,裂缝主要走向东西及东北。3.2 安装方法活动杆位移传感器下基点上基点位移传感器基准钢棒钢棒上基点下基点纵向变形测量径向变形测量4 监测系统4.1 系统组成及工作原理如图4-1所示,系统主要由各种智能传感器(如智能位移传感器、智能倾斜传感器、智能混凝土应变传感器等)、监测分站、通信线路、通信接口及计算机组成,分布在各测点的智能传感器完成被测量（如卸压槽压缩量、伸缩罐道压缩量、井壁压缩量、井壁应变量、井架偏斜量、排水管伸缩节压缩量）的数据,并通过一条公共传输线路（传感器级BUS总线:四芯电缆,其中两根供电,两根通信)将测量数据发送给监测分站，再由监测分站通过另一条公共传输线路(分站级RS4总线:两芯电缆)远传至地面监控计算机，实现集中处理、存储、报警,并送入计算机局域网络。有关领导和部门只要打开各自的计算机，就可通过网页浏览、查询全部监测内容。各类传感器一般都受环境温度影响，为掌握影响程度，进行温度补偿,所有智能传感器都装有温度传感器。系统分为三个网络层次，第一层由智能传感器和监测分站组成，监测分站为主机，通过发送不同的地址（每个智能传感器都设有唯一的地址，地址范围10)依次控制各智能传感器执行测量工作，并读取和存储其测量数据。智能传感器采用总线集中供电方式,即由监测分站输出一对电源线，给智能传感器供电,而监测分站由防爆电源直接供电；第二层由监测分站与监控计算机组成，监控计算机为主机,通过发送不同的地址（每个监测分站都设有唯一的地址,地址范围1127)依次选通各监测分站,并读取其存储的测量数据；第三层为计算机局域网络,监控计算机兼有文件服务器功能。4.2 主要技术指标测量井壁压缩的位移传感器为电感调频式,量程1200 mm，精度05FS;2温度传感器为数字式温度计，测量范围0125，误差.;3系统巡检周期：0。局域网防爆电源传感器级M-BUS总线（四芯铠装电缆）监测分站监测分站监控计算机通信接口分站级RS485总线传感器级M-BUS总线（四芯铠装电缆）防爆电源智能传感器图4- 系统组成5 系统建设的任务、组织和服务承诺51 任务煤炭工业济南设计研究院有限
