立井井筒变形监测技术方案探讨

　　摘要：立井井筒对于采用立井开拓方式的矿山来说是极其重要的生产和安全设施，井筒在运营过程中的监测与维护是矿井安全生产至关重要的工作内容。井筒在长期的运营过程中，井壁、罐梁、罐道及附属设施会受各种因素的影响而产生变形。文章针对钢丝基准线法井筒变形监测中钢丝容易摆动造成精度不高这一情况，提出一种以激光垂准仪代替钢丝的井筒变形监测方案。
　　关键词:立井，井壁，变形监测，激光垂准仪
　　一、工程概况
　　 山东里能里彦矿业有限公司是一个的现代化矿井，设有一对立井，井深约270米，相邻罐梁高度差约10米。该对立井在近期的运营时罐笼出现颠簸、运行不平稳等现象，分析其产生的原因可能有三个：井架变形，井筒变形和罐梁、罐道变形。为消除安全隐患，查找其原因，测量其变形量需进行井筒变形监测，以便为后续井筒变形的治理提供科学技术数据，本次监测内容主要包括俩部分：井壁变形监测和罐梁、罐道变形监测。
　　二、仪器设备
　　 本次采用激光垂准仪来建立垂线基准，其整个监测过程包括垂线基准确定和观测两部分工作，所需仪器设备分述如下：
　　 1、确定垂线基准所需主要设备
　　 （1）激光垂准仪
　　 本次拟采用DZJ2激光垂准仪，由苏州一光仪器有限公司制造。该仪器利用激光的方向性强、能量集中的特点，它是在光学垂准系统的基础上添加2套半导体激光器，其中之一通过上垂准望远镜将激光束发射出来。仪器的结构保证激光束光轴与望远镜视准轴同心、同轴、同焦，当望远镜照准目标时，在目标处就会出现一红色小亮斑。在目镜外装上仪器配备的滤光片，可用人眼直接观察。仪器还配有网格激光靶，使测量更方便。另一只激光器通过下对点系统将激光束发射出来，利用激光束对准基准点，快速直观。
　　 （2）特制三角架头
　　 利用全站仪或经纬仪的三角架改制而成，可根据安装位置而定。
　　 （3）防护罩
　　 为防止仪器淋水，用玻璃板或用放水材料如塑料薄膜加工而成，可根据具体情况而定。
　　 2、监测所需主要仪器设备
　　 （1）全站仪
　　 采用5秒全站仪，用于测量垂线坐标。
　　 （2）长钢尺
　　 具有毫米刻画，长500米或800米，用于测量各监测层或监测点的垂直距离。
　　 （3）钢尺
　　 具有毫米刻画，长30米或50米，用于较长的距离测量，如井筒内测点量取及地面与钢丝联测边的量取等。
　　 （4）小钢卷尺
　　 具有毫米刻画，长3米或5米，用于短距离测量。
　　 三、外业测量
　　 一）测量方法
　　 采用双基准垂线法，即在井筒内的适当位置利用激光垂准仪建立垂线基准，形成双垂线基准。通过地面观测测出双垂线的三维坐标，认为井上、下垂线坐标一致。在井壁、罐梁、罐道等适当位置选择特征点，量测各测点到双垂线基准的距离，使每个测点与双基准垂线皆形成三边形。通过解算获取各测量点的坐标值，从而确定出井筒、罐梁、罐道等的垂直度和挠度变形，并绘制相关剖面图，形象展示变形方向及数值。
　　 三）观测工作
　　 1、垂线基准确定
　　 在井筒适当位置利用激光垂准仪，确定垂线位置。
　　 2、地面测量工作
　　 采用5秒全站仪器，在地面已知点上联测两根钢丝，从而确定A、B垂线的坐标，如图1。连接导线敷设时，应使其具有最短的长度并尽可能沿两垂球线连线的方向延伸，导线可采用一级或二级导线。（可以采用假定坐标系统）
　　 3、罐梁面及井壁测量工作
　　 采用双垂线基准方法。
　　 具体步骤如下：
　　 1）选点。
　　 在罐梁和井壁上的特征位置选择特征点作为测点，用小铁钉做标记，并加以编号。编号时，从上而下，观测层编号为A、B、C……，测点用阿拉伯数字从小到大编号，如第一道罐梁及井壁上的测量点编号分别为A－1、A－2、A－3、……，第二道罐梁及井壁上的测量点编号分别为B－1、B－2、B－3……；不同观测层编号相同的点应为对应点，具体选点情况如图2，可根据现场情况作适当调整。
　　 2）观测层高程测量
　　 下放长钢尺，在地面利用全站仪确定钢尺始点的高程，从上而下量取各道罐梁高程，读数精度为厘米即可。
　　 3）测点观测
　　 在每一观测层上，分别以两个垂线为基准，用小钢卷尺或钢尺量取各测量道两个垂线的距离，使每个测点与垂线都形成三边形，每次观测三次，读数差精度为3毫米。如图2。
　　四、内业计算
　　 1、测点坐标计算
　　 （1）垂线坐标
　　 假设井上下各层垂线坐标一致。根据地面已知点坐标和观测数据计算两垂线坐标，地面导线解算参照一井几何定向的方法进行。
　　 （2）测量坐标
　　 因为每个测点都与两垂线形成三边形，解算三边形，并根据垂线坐标推算各测点坐标。计算监测点的坐标公式如下：
　　（1）
　　 2、井筒变形计算
　　 根据3点及3点以上确定圆的原理，利用多个井壁观测点坐标即可求出各观测层的井心坐标，据此可以计算井筒变形大小及方向，并可绘出井筒或井心变形剖面图，似图3。
　　 计算时根据井壁上的各点坐标及三点可求得圆得数学公式，即可求得各观测层井心坐标，如第一、五观测层的井心坐标分别为，。由此可算得第一、五观测层间的井筒中心的水平移动为：
　　(2)
　　总移动值及方向为：
　　,(3)
　　井筒挠度变形为：
　　（4）
　　式中，为井筒挠度变形，为观测层间距。
　　 3、罐梁、罐道变形计算
　　 利用各层观测层罐梁上的对应测点坐标，可以计算罐梁变形大小，并可绘出相应变形剖面图。
　　参考文献：
　　 1、《煤矿测量规程》，能源部制定，北京：煤炭工业出版社，1989年；[!--empirenews.page--]
　　 2、《煤矿测量规程》若干问题的说明，中国统配煤矿总公司生产局，北京:煤炭工业出版社，1990年；

《立井井筒变形监测技术方案探讨》

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