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光纤光栅技术在某矿井壁监测中的初步研究

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 104次


摘要:根据大海则煤矿地质特点,应用光纤光栅立井井壁结构安全监测系统,制定了监测方案。对初期监测数据进行了研究,数据表明井筒处于安全、稳定状态,可以满足矿井安全使用。为立井井壁监测技术提供了参考和借鉴。

关键词:光纤光栅;井壁结构;安全监测;应用

1工程概况

大海则煤矿位于陕西省榆林市榆阳区西部,行政区划隶属榆阳区补浪河乡所管辖,西部靠近内蒙古自治区,矿井隶属中煤陕西榆林能源化工有限公司,设计生产能力12Mt/a,设计生产年限88.8年。井田内地表绝大部分被第四系松散沉积物所覆盖,地层由老至新依次为三叠系上统永坪组(T3y),侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a),白至系下统洛河组(K11),第四系(Q3+4)。该矿二号副立井井筒设计净直径10m,净断面78.5m2,深度该井筒所穿过的地层结构如表1所示。

2光纤光栅立井井壁结构安全监测系统结构

光纤光栅立井井壁结构安全监测系统主要应用现代化的传感技术、测试技术、计算机技术、现代网络通信技术对井壁竖向和径向受力及变形、内层井壁渗压、井壁温度变化等情况进行全天候实时监测,实时掌握其变化情况,为井壁结构的稳定程度和安全性评估提供依据[1]。该系统由感知层、网络层、应用层三个部分构成,如图1所示。

 

大海则二号副立井地层结构表


1 光纤光栅立井井壁结构安全动态监测结构

3立井井壁监测合理位置确定

研究表明立井井壁事故多发生在表土层与基岩交汇面、弱胶结岩层(如泥岩层、砂岩、泥砂岩互层)、富水砂岩层等位置[2],此类地层一般强度低、遇水易泥化,多数地层特点表现为富水、弱胶结、易水解等特点,井筒安全监测相关传感器多布置于此类层位内,以便对井壁安全稳定性做出准确的判定,事先采取相应措施防治井壁大变形甚至破裂。在充分研究大海则二号副立井P23号钻孔柱状图的基础上,在对大海则煤矿二号副立井详细地质情况进行分析,初步选定以下7处交界面为传感器布置层位,具体如下:

(1)第一个监测面位于井口以下垂深100m(以下类推),在白垩系洛河组8号层位大约中部位置处,此层位主要以巨厚细粒砂岩为主,此层砂岩含水,孔隙发育,在矿井开采后期,由于此岩层含水层水的变化会导致此岩层有相应变化,因此是监测的一个重点区域。

(2)第二个监测面位于垂深200m,在白垩系洛河组11号层位也是大约中部位置区域,此层位主要已厚的中粒砂岩为主,选取此处的目的是由于在这一区域时井筒井壁浇筑厚度变化地带,还有一个更重要的原因是此区域位置处的中粒砂岩裂隙发育,RQD较上下两个相邻层位的低。

(3)第三个监测面位于垂深328m,在白垩系与侏罗系的交界面处,此处位于第19号层位,主要以细粒砂岩为主。

(4)第四个监测面位于垂深360m,在第27号层位,位于侏罗系安定组和直罗组的交界的泥岩中。

(5)第五个监测面位于垂深490m,在第46号层位。

(6)第六个监测面位于垂深535m,在第59好层位。

(7)第七个监测面位于垂深620m,在第70号层位的泥岩中。(后因马头门施工爆破该监测面被破坏)

4监测方案及效果分析

4.1监测方案

为全面实时掌握井壁应力与应变等情况,每个断面的监测内容为:钢筋应力、混凝土应变、井壁温度、井壁渗水压力及变化规律。

具体布置参数如下:每个监测断面在水平面上沿四个方位均匀布置测点,其中第一组对角测点沿竖直和水平方向分别埋设2个光纤光栅钢筋计、另外一组对角测点沿井壁环向和径向分别埋设2个光纤光栅应变传感器、4个光纤光栅温度传感器分别布置于四个测点,同时2个光纤光栅渗压计分别成对角布置。每个断面共计布置14个传感器,各层位传感器通过法兰与铠装光缆相互串联,然后通过主光缆连接至地面控制终端。各监测水平测点布置如图2所示。

2 监测断面测点布置图

4.2监测结果分析

本次监测共布置断面与数据较多,仅对-328m断面监测的初步数据展开分析研究。

 


图3温度变化情况

 


图4 应力变化情况


图5  应变变化情况


图6 内层水压变化情况

 

由以上光纤光栅传感器监测的初步数据可知,从2015年12月27日开始,-328m井壁位置各监测数据不断波动变化,但整体变化不大。但-328m井壁位置水压不断增加,初期监测数据显示水压增加呈阶梯形分布,增加值最大为0.4MPa,水压增加到0.5MPa后,有趋于稳定的趋势。

5 结论

本文结合大海则具体地层结构,利用光纤光栅立井井壁结构安全监测系统,确定了大海则二号井立井井壁监测断面的合理位置,制定了光纤光栅传感器在立井井壁监测中现场实际合理布置方案,并对初期监测数据进行了分析,初期数据表明井筒基本处于稳定状态,可以满足矿井安全使用。同时也揭示和验证了基于光纤光栅技术的立井井壁结构安全监测系统在井壁结构安全监测的可行性,相比传统的井壁监测技术,基于光纤光栅传感技术的立井井壁监测技术精度较高,可实现高频在线监测,可为促进我国立井井壁监测技术提供了参考和借鉴。

 

参考文献

[1]           郁尚奇,唐艳,汤树成等 光纤光栅传感技术在煤矿井筒安全智能监测系统中的应用[J]. 煤矿支护, 2013(4):28-32,

[2]      王楷. 大海则矿副井白垩系地层冻结壁形成规律研究[D].北京:煤炭科学研究总院, 2014.

[3]      杨更社,奚家米,李慧军,程磊,吕晓涛. 煤矿立井井筒冻结壁软岩力学特性试验研究[J].地下空间与工程学报. 2012, 8(4): 690-697.

[4]      杨更社,奚家米,王宗金等.胡家河煤矿主井井筒冻结壁岩石力学特性研究[J],煤炭学报. 2010. 35(4):565-570.

 

赵芹:女,1983.6,工程师,中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿,陕西榆林,邮编:719000.

 

联系人:王建平,煤炭科学研究总院北京建井研究院,电话:13801011062,

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