CN106932129A - 煤矿深立井井壁安全监测装置及其监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤矿深立井井壁安全监测装置，包括井壁内力监测装置、井壁竖向位移监测装置和计算机处理系统，井壁内力监测装置包括在深立井同一安装层的井壁的内壁中水平均布的若干内力测试传感器，每一安装层的内力测试传感器的数据由数据采集线经采集总线传输至地面计算机处理系统中。本发明还公开了利用该装置的监测方法。本发明同时监测井壁内力变化和井壁竖向位移变化，并通过井筒穿越地层特征分析确定安装层位，采用关键层关键点布置测区，通过计算机实现长期连续监测，该装置结构简单，便于保护，测量准确。

Description

煤矿深立井井壁安全监测装置及其监测方法
技术领域
本发明涉及一种煤矿监测技术，尤其是一种煤矿深立井井壁安全监测装置及其监测方法。
背景技术
在我国煤炭开发建设过程中，开采深度超过400m的煤层多采用立井开拓，如中东部深厚表土煤矿立井比例达到98%以上，而西部煤矿立井比例也达到80%以上。无论是中东部深厚表土底层还是西部巨厚软岩地层立井施工，冻结法凿井是目前首选方案，但是经过几十年的使用，采用冻结法施工的立井井壁结构大多出现井壁开裂、压碎等破坏，严重影响煤矿生产与安全，自2000年以来仅华东地区就有70多对矿井先后出现井壁破坏，仅维修费用一项就达近10亿元人民币，而耽误生产带来的损失更大。
采用冻结法施工的立井井壁结构，井壁除承受各种不同地层的岩（土）压力外，还要承受温差应力、施工附加应力（例如，冻结应力、融沉应力等）、井筒泄漏水引起地层沉降而产生的负摩擦力、井壁与围岩（土）变形不协调而产生的约束力等，受力状态和加载和过程都非常复杂。由于设计安全系数偏大，这类井壁结构在施工期间一般不会发生破坏，而在使用一段时间后（3-5年左右）相继出现破坏，从力学机理上分析，这类破坏如果能提前获知，可尽早采取措施，防止井壁破坏，因此，采用合理的安全监测方案对井壁使用过程中的关键参量进行监测显得尤为重要。
从目前的研究文献看，煤矿立井安全监测方案多为受力及位移变化测试，但均为施工期间安全监测，未见有效的长期监测方案。而传统测试手段在煤矿立井使用期间进行监测，存在线路信号不易传输、线路已发生破坏等问题。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种煤矿深立井井壁安全监测装置及其监测方法，该监测装置构造简单，操作方便，采用该监测方法能实现长期连续监测。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种煤矿深立井井壁安全监测装置，包括井壁内力监测装置、井壁竖向位移监测装置和计算机处理系统，所述井壁内力监测装置包括在深立井同一安装层的井壁的内壁中水平均布的若干内力测试传感器，每一安装层的内力测试传感器的数据由数据采集线经采集总线传输至地面计算机处理系统中；
所述井壁竖向位移监测装置包括在深立井中沿井壁竖向安装的竖向位移传感器，竖向位移传感器的数据由数据采集线经采集总线传输至地面计算机处理系统中；
所述竖向位移传感器包括分别上、下固定安装于井壁的内壁中的铰支座和滑动支座，铰支座和滑动支座分别与电位器的可动电刷相连，铰支座的外部的末端固定设置有一竖直向下的杆，杆的下端为中空结构，滑动支座外部末端固定设置有一竖直向上的芯柱，芯柱上半部分伸入到杆的下端的中空结构中，且芯柱与杆的中空结构内壁之间有间隙，芯柱在杆的中空结构中能够上下自由移动。当井壁竖向位移发生变化时，铰支座和滑动支座发生相对位移，表现为杆下部与芯柱的相对滑动，导致可动电刷移动，引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向，通过电位器元件将杆下部与芯柱的相对滑动转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出，从而监测井壁的竖向位移的变化。
所述深立井中有多个安装层。设置多个安装层，能够使测量结果更加准确，深立井横向局部改变，也能有效监测到，整体起到更加安全监测目的。
每一层安装层的井壁内壁中分别对称布置四个内力测试传感器。内力测试传感器采用对称布置，是为了测量结果准确，增加整体监测效果。
所述内力测试传感器安装于井壁内壁的孔中，并用环氧树脂胶将内力测试传感器与孔壁紧密连接在一起，实现应变片与混凝土内壁的协同变形，从而掌握内壁的应力状态。
所述内力测试传感器包括一圆柱形内筒，内筒外圆周上靠近两端处分别设置有应变片，监测井壁内壁不同位置处的内力变化。使用时通过应变片记录孔壁混凝土的应变值，并利用混凝土的室内试验测试混凝土的弹性模量，进而计算井壁的内力变化。
所述内力测试传感器包括上内力测试传感器和下内力测试传感器。
所述杆为刚性杆，该杆在自重应力作用下变形微小，可以忽略不计，通过刚性杆与芯柱的相对位移变化监测井壁的竖向位移变化，对于测量数据更加准确，有利于监测的实施。
所述铰支座和滑动支座均垂直安装于井壁的内壁中。
一种利用煤矿深立井井壁安全监测装置的监测方法，包括以下步骤：
1）对深立井井筒穿越地层分析，确定关键层位，即井壁最容易出现破坏的范围，例如在断层比较活跃的位置，蚀变带位置，岩层分界处，岩层由于某些原因受损严重的位置等，都应该确定为关键层位，并通过采场布置确定每层位传感器布置方向，内力测试传感器安装于井壁内壁的孔中，并用环氧树脂胶将内力测试传感器与孔壁紧密连接在一起，实现应变片与混凝土内壁的协同变形，从而掌握内壁的应力状态，包括一圆柱形内筒，内筒外圆周上靠近两端处分别设置有应变片，监测井壁内壁不同位置处的内力变化，使用时通过应变片记录孔壁混凝土的应变值，并利用混凝土的室内试验测试混凝土的弹性模量，进而计算井壁的内力变化；
2）井壁施工完成后，并且已经永久改绞完毕后在主井、副井和风井选择1个或2个井筒安装井壁内力监测装置和井壁竖向位移监测装置。
3）通过井壁内力监测装置和井壁竖向位移监测装置的数据数据采集线经采集总线将采集到的数据传输至地面计算机处理系统中处理分析，确定安全状态。计算机系统软件设计采用Browser/Server三层体系结构，系统由用户界面层（Browser）、商业逻辑层（WebServer）、数据库服务层（DATEBASE server）构成三层分布式结构。客户机端只有Browser，没有应用程序，服务器端由Web Server 和DATEBASE server构成，Web Server负责接受远程或本地的数据查询请求，然后运行服务器脚本，借助于命令表把数据请求通过发送到DBserver上以获取相关数据，再把结果数据转化成HTML及各种脚本传回客户的Browser负责管理数据库，处理数据更新及完成查询要求、运行存储过程。当计算机数据采集完成后，对数据进行处理，当数据变化量大于存储下限时，更新该传感器测量数据，否则，保持原数据不变。并将当前数据与所有报警设定值相比较，超过任意设定值则进行相应的报警；
4）根据应力屈服强度理论以及应变突变理论，并结合监测结果，制定安全预警标准。
本发明中，井壁安全监测装置根据井筒穿越地层水文地质特征，设置为几个测区，每个测区的井壁内力监测装置和井壁竖向位移监测装置测试信号集中于该测区采集系统内，然后通过采集总线传输到地面数据处理系统。地面数据处理系统能够根据监测数据变化，建立数据分析模型，分析井壁安全状态，及时预警。地面数据处理系统根据井壁安全状态设置为不同级别的预警状态，并给出不同的处理建议。
井壁安全监测装置监测井筒在使用期间的内力变化，及时预警并采取措施确保井壁安全。本发明能充分考虑冻结凿井井壁受力破坏特征，监测井壁破坏时的主要参量变化，具有结构简单、安装方便，便于长期连续监测的优点。
通过经典的应力屈服强度理论，当监测应力小于混凝土的屈服应力时(当混凝土型号确定时，屈服强度随之确定)，进行报警。
对于位移检测数据，当变形位移出现突变时，进行报警，定义突变标准为：相邻变形监测位移比＞30%。
通过井壁内力监测装置监测井壁在使用期间因地层沉降等作用导致井壁的内力变化，采用井壁竖向位移监测关键层位置处井壁结构因内力变化导致的井壁竖向位移变化，通过计算机根据混凝土强度等级设定预警等级，及时预警，及时采取措施。
本发明采用组合测试装置，同时监测井壁内力变化和井壁竖向位移变化，并通过井筒穿越地层特征分析确定安装层位，采用关键层关键点布置测区，通过计算机实现长期连续监测，该装置结构简单，便于保护，测量准确，更适用于深立井井壁使用期间的安全监测，及时反馈井壁安全状态，便于尽早采取加固措施，保证井壁安全使用，降低井壁破坏修复费用和停工损失。
与现有的煤矿立井安全监测装置相比，
（1）采用井壁打小孔安装井壁内力监测装置，该装置改变了传统方法中测力不准确、测位移难的缺点，可准确测试井壁内力的变化；
（2）采用新型竖向位移监测装置，该装置位移杆可上下自由位移，并通过传感器实时监测位移变化；
（3）井壁内力监测数据和井壁竖向位移监测装置均可通过信号电缆传输到地面，实现了测试数据长期连续监测；
（4）地面数据处理系统通过对井壁结构的分析，及时建立安全分析模型，分析井壁安全状态，并给出预警，以便及时加固井壁避免井壁破坏。
附图说明
图1是本发明的煤矿深立井井壁安全监测装置纵向结构示意图；
图2是井壁内力监测装置横向测点布置图；
图3是本发明的煤矿深立井井壁安全监测装置横向结构示意图；
图4是本发明的井壁安全监测装置竖向位移监测细部结构图；
其中，1.外壁，2.内壁，3.采集总线，4.内力测试传感器，5.下部内力测试传感器，6.竖向位移传感器，7.数据采集线，8.铰支座，9.杆，10.滑动支座，11.内筒，12.应变片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，冻结凿井（即深立井）井壁结构由外壁1和内壁2组成。煤矿深立井井壁安全监测装置，包括井壁内力监测装置、井壁竖向位移监测装置和计算机处理系统，所述井壁内力监测装置包括在深立井同一安装层的井壁的内壁中水平均布的若干上、下内力测试传感器4、5，每一安装层的上、下内力测试传感器4、5的数据由数据采集线7经采集总线3传输至地面计算机处理系统中；
井壁竖向位移监测装置包括在深立井中沿井壁竖向安装的竖向位移传感器6，竖向位移传感器6的数据由数据采集线7经采集总线3传输至地面计算机处理系统中；
该装置使用时首先根据井筒穿越地层特点，确定安装层位，深立井中有多个安装层。设置多个安装层，能够使测量结果更加准确，深立井横向局部改变，也能有效监测到，整体起到更加安全监测目的。每一层位分别对称布置四个井壁上、下内力测试传感器4、5内力测试传感器采用对称布置，是为了测量结果准确，增加整体监测效果。
如图3所示，竖向位移传感器6包括分别上、下固定安装于井壁的内壁中的铰支座8和滑动支座10，铰支座8和滑动支座10均垂直安装于井壁的内壁中；铰支座8和滑动支座10分别与电位器的可动电刷相连；铰支座8的外部的末端固定设置有一竖直向下的杆9，杆9的下端为中空结构，所述杆9为刚性杆，该杆9在自重应力作用下变形微小，可以忽略不计，通过刚性杆与芯柱的相对位移变化监测井壁的竖向位移变化，对于测量数据更加准确，有利于监测的实施。
滑动支座10外部末端固定设置有一竖直向上的芯柱，芯柱上半部分伸入到杆9的下端的中空结构中，且芯柱与杆9的中空结构内壁之间有间隙，芯柱在杆9的中空结构中能够上下自由移动。当井壁竖向位移发生变化时，两支座发生相对位移，表现为杆9下部与芯柱的相对滑动，导致可动电刷移动，引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向，通过电位器元件将杆下部与芯柱的相对滑动转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出，从而监测井壁的竖向位移的变化。
如图4所示，井壁内力测试装置，在井壁测试层位处，对称布置4点，在井壁上打孔，孔深400mm左右，将圆柱形井壁内力测试传感器4安置于孔内，并用环氧树脂胶将测试装置与孔壁紧密连接在一起，实现应变片与混凝土内壁的协同变形，从而掌握内壁的应力状态。
如图4所示，内力测试传感器4由内筒11和应变片12组成，应变片12布置于内筒11的两端处（距离端头一定距离），监测井壁内壁不同位置处的内力变化，使用时通过应变片记录孔壁混凝土的应变值，并利用混凝土的室内试验测试混凝土的弹性模量，进而计算井壁的内力变化。
一种利用煤矿深立井井壁安全监测装置的监测方法，包括以下步骤：
1）对深立井井筒穿越地层分析，确定关键层位，即井壁最容易出现破坏的范围，例如在断层比较活跃的位置，蚀变带位置，岩层分界处，岩层由于某些原因受损严重的位置等，都应该确定为关键层位，并通过采场布置确定每层位传感器布置方向，内力测试传感器安装于井壁内壁的孔中，并用环氧树脂胶将内力测试传感器与孔壁紧密连接在一起，实现应变片与混凝土内壁的协同变形，从而掌握内壁的应力状态，包括一圆柱形内筒，内筒外圆周上靠近两端处分别设置有应变片，监测井壁内壁不同位置处的内力变化，使用时通过应变片记录孔壁混凝土的应变值，并利用混凝土的室内试验测试混凝土的弹性模量，进而计算井壁的内力变化；
2）井壁施工完成后，并且已经永久改绞完毕后在主井、副井和风井选择1个或2个井筒安装井壁内力监测装置和井壁竖向位移监测装置。
3）通过井壁内力监测装置和井壁竖向位移监测装置的数据数据采集线经采集总线将采集到的数据传输至地面计算机处理系统中处理分析，确定安全状态；计算机系统软件设计采用Browser/Server三层体系结构，系统由用户界面层（Browser）、商业逻辑层（WebServer）、数据库服务层（DATEBASE server）构成三层分布式结构。客户机端只有Browser，没有应用程序，服务器端由Web Server 和DATEBASE server构成，Web Server负责接受远程或本地的数据查询请求，然后运行服务器脚本，借助于命令表把数据请求通过发送到DBserver上以获取相关数据，再把结果数据转化成HTML及各种脚本传回客户的Browser负责管理数据库，处理数据更新及完成查询要求、运行存储过程。当计算机数据采集完成后，对数据进行处理，当数据变化量大于存储下限时，更新该传感器测量数据，否则，保持原数据不变。并将当前数据与所有报警设定值相比较，超过任意设定值则进行相应的报警；
4）根据应力屈服强度理论以及应变突变理论，并结合监测结果，制定安全预警标准。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种煤矿深立井井壁安全监测装置，其特征是，包括井壁内力监测装置、井壁竖向位移监测装置和计算机处理系统，所述井壁内力监测装置包括在深立井同一安装层的井壁的内壁中水平均布的若干内力测试传感器，每一安装层的内力测试传感器的数据由数据采集线经采集总线传输至地面计算机处理系统中；
所述井壁竖向位移监测装置包括在深立井中沿井壁竖向安装的竖向位移传感器，竖向位移传感器的数据由数据采集线经采集总线传输至地面计算机处理系统中；
所述竖向位移传感器包括分别上、下固定安装于井壁的内壁中的铰支座和滑动支座，铰支座和滑动支座分别与电位器的可动电刷相连，铰支座的外部的末端固定设置有一竖直向下的杆，杆的下端为中空结构，滑动支座外部末端固定设置有一竖直向上的芯柱，芯柱上半部分伸入到杆的下端的中空结构中，且芯柱与杆的中空结构内壁之间有间隙，芯柱在杆的中空结构中能够上下自由移动；当井壁竖向位移发生变化时，铰支座和滑动支座发生相对位移，表现为杆下部与芯柱的相对滑动，导致可动电刷移动，引起电位器移动端的电阻变化；阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向，通过电位器元件将杆下部与芯柱的相对滑动转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出，从而监测井壁的竖向位移的变化。
2.如权利要求1所述的煤矿深立井井壁安全监测装置，其特征是，所述深立井中有多个安装层。
3.如权利要求1或2所述的煤矿深立井井壁安全监测装置，其特征是，每一安装层的井壁内壁中分别对称布置四个内力测试传感器。
4.如权利要求1所述的煤矿深立井井壁安全监测装置，其特征是，所述内力测试传感器安装于井壁内壁的孔中，并用环氧树脂胶将内力测试传感器与孔壁紧密连接在一起。
5.如权利要求1或4所述的煤矿深立井井壁安全监测装置，其特征是，所述内力测试传感器包括一圆柱形内筒，内筒外圆周上靠近两端处分别设置有应变片，监测井壁内壁不同位置处的内力变化。
6.如权利要求5所述的煤矿深立井井壁安全监测装置，其特征是，所述所述内力测试传感器包括上内力测试传感器和下内力测试传感器。
7.如权利要求1所述的煤矿深立井井壁安全监测装置，其特征是，所述杆为刚性杆。
8.如权利要求1所述的煤矿深立井井壁安全监测装置，其特征是，所述铰支座和滑动支座均垂直安装于井壁的内壁中。
9.一种利用权利要求1所述煤矿深立井井壁安全监测装置的监测方法，其特征是，包括以下步骤：
1）对深立井井筒穿越地层分析，确定关键层位，即井壁最容易出现破坏的范围，确定为关键层位，并通过采场布置确定每层位传感器布置方向，将内力测试传感器安装于井壁内壁的孔中，并用环氧树脂胶将内力测试传感器与孔壁紧密连接在一起，实现应变片与混凝土内壁的协同变形，从而掌握内壁的应力状态；
2）井壁施工完成后，并且已经永久改绞完毕后在主井、副井和风井选择1个或2个井筒安装井壁内力监测装置和井壁竖向位移监测装置；
3）通过井壁内力监测装置和井壁竖向位移监测装置的数据数据采集线经采集总线将采集到的数据传输至地面计算机处理系统中处理分析，确定安全状态；
4）根据应力屈服强度理论以及应变突变理论，并结合监测结果，制定安全预警标准。
10.如权利要求9所述的监测方法，其特征是，所述步骤3）中的计算机处理系统采用Browser/Server三层体系结构，系统由用户界面层、商业逻辑层、数据库服务层构成三层分布式结构；客户机端只有用户界面层，服务器端由商业逻辑层、数据库服务层构成，商业逻辑层负责接受远程或本地的数据查询请求，然后运行服务器脚本，借助于命令表把数据请求通过发送到数据库服务层上以获取相关数据，再把结果数据转化成HTML及各种脚本传回客户的用户界面层负责管理数据库，处理数据更新及完成查询要求、运行存储过程；当计算机数据采集完成后，对数据进行处理，当数据变化量大于存储下限时，更新该传感器测量数据，否则，保持原数据不变；并将当前数据与所有报警设定值相比较，超过任意设定值则进行相应的报警。
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