矿山井筒三维变形监测方法

摘要　本文分析了目前的井筒变形监测方法，详细阐述了作者提出的三维变形监测方法的原
理、观测方法、坐标定向及变形计算等。
关键词　井筒变形　几何监测法　三维变形监测

1　引　言

　　立井井筒对于采用立井开拓方式的矿井来说是极其重要的生产和安全设施，井筒在运营期
间的监测与维护是矿井安全生产中至关重要的工作内容。近几年来，一些科研人员对立井井筒
采动损害、变形监测与治理提出的一些新方法，取得了一定的效果，但这些方法都不尽人意，
井筒损害对煤矿安全生产的威胁并没有从根本上消除。因此，对井筒变形监测工作方法、监测
内容进行全面详细地研究，并研究出一套切实可行且行之有效的监测方法尤为迫切。
　　对矿井井筒变形的机理及特征进行详细地研究是建立监测方法的基础。作者在研究了华东
地区井筒发生井壁破坏事故的资料和实地考察了破坏井筒后，研究出一套井筒三维变形监测系统。它可以监测井壁测点的三维坐标，即所谓立体监测，推测出造成井筒变形破坏的井筒整体
或局部的垂直变形、倾斜变形和挠度变形，并可对井筒变形特征实施监测（如裂隙等）。显然，这种方法能全面监测到井筒的变形状态，获得井筒变形的内在规律，为井筒的维护与治理提供
可靠的信息资料。

2　目前的监测方法分析

　　鉴于井筒破坏机理与破坏特征，目前采用的监测方法大致分两种：一种是基于岩石力学的
力学参数监测方法，即传感器法；另一种是基于变形测量理论的几何测量方法。目前的这两种
方法存在许多问题，直接影响监测的效果。a.传感器法分析　这种方法实现了变形监测自动化、高效、劳动强度低，不占用井筒时间，但从理论上和技术上都存在问题。理论上，利用局部测
定的数据在许多假设条件下，将其推广至整个井筒，这种反分析的解，众所周知是变化很大的，且怎样来确定边界条件和怎样改变模型来适应复杂的客观对象，目前尚未完善解决。技术上，
传感器的埋设工艺、匹配与耦合问题，抗干扰问题，传感器维护及服务年限问题，精度、灵敏
度与可靠性问题等都不尽人意。它无法测定井筒的几何变形且造价昂贵。b.几何法分析　目前
采用的几何监测法，可直接测量变形，比较直观，测量结果可靠、工艺比较简单、造价低廉，
但观测时间占用井筒，无法实施三维整体监测。

3　三维变形监测法

3.1　观测方法的原理

　　该方法采用倒垂钢丝，给出一条观测基准线；在井壁适当位置设置观测点，用专用仪器测
定观测点与倒垂钢丝间的相对变形值；通过各项计算获得井筒变形的三维变形信息。其几何原
理及工作原理结构见图1，上部是一个浮筒，内盛悬浮稳定液可供浮子在浮筒内自由摆动，浮子
与倒垂线（一根直径为0.8～1mm的铟钢丝）固连，垂线在浮力的作用下成为垂直基准线，垂线
下端与基点固连，基点本身可作为监测点，也可作为基准点。沿钢丝在相近的井壁上，自下而上设置变形监测点，20～40m间隔为宜。钢丝上在各测点处设置标志块，以便进行垂直坐标观测，
在不同的各测点可测得钢丝的平面坐标和相应标志块的垂直坐标。即时观测时，可在遥控台处
观测获得测线基点的动态信息。
　　根据需要，井筒内可放置两根到三根倒垂线。

3.2　测量方法

3.2.1　测量前准备工作　在正式观测之前应对所需仪器、倒垂系统及附属设备进行检校和检
查，以确保仪器、系统的正常及观测工作的正常进行。

图　　1

3.2.2　井筒观测　井筒测点观测分为两种情况：日常观测和全面观测。
　　a　全面观测方法　①水平位移观测：在各测点强制归心盘上安置垂线观测仪，整平后转动
X、Y方向的微动螺旋，照准钢丝后读取X、Y方向上的读数；②垂直观测：在各测点强制归心盘
上安置竖直传高测微仪，整平后转动Z方向的微动螺旋，瞄准标志块的标志，读取Z方向的读数，然后量取仪高；③温度测量：在各测点上或各测段上测定温度。各测线由下而上地进行逐点观测。
　　b　日常观测方法　日常观测方法与全面观测方法相同，只不过仅观测井口处的测点，以了
解井筒的变形状态，并为需要全面观测提供准确的决策信息。
　　日常观测和全面观测的频率视井筒变形情况及季节等而定，如果变形发育较快，应加大观
测频率，并进行全面观测；反之，采用日常观测，可一个季度一次。

3.3　坐标系的定向
　　为了分析井筒变形值，使同一垂线上各监测点的观测值（X、Y），归化到统一的坐标系
中，必须对每一垂线进行定向。

3.3.1　垂线定向的外业　各垂线的定向方法相同，仅以A垂球线定向为例说明（见图2）。
　　a　垂线自由悬垂（即为浮子正常状态），依次观测A₁、A₂、A₃三点的坐标值
（X_A1，Y_A1），（X_A2，Y_A2），（X_A3，Y_A3），它们都是以钢丝为坐标原点的坐标值，只是各
自坐标轴的方向不同。
　　b　故意让浮子偏向浮筒的一边，偏离距离尽可

图　　2

能大，加以固定。然后依次观测A₁，A₂，A₃三点的坐标值（X′_A1，Y′_A1），（X′_A2，Y′_A2），
（X′_A3，Y′_A3），两次独立观测，满足限差要求后取平均值。

3.3.2　垂线定向内业计算　以A₁点所测值的坐标系为假定坐标系。
　　a　当监测点两期观测值相差很小，或监测点仅平移时。图3为A₁点自行建立的坐标系及垂
线两个位置的坐标观测值。图4为A₂点自行建立的坐标及垂线两个位置的坐标观测值。A₁，A′₁
分别为A₁点的第一、二位置，A₂、A′₂分别为A2的第一、二位置，A₁A′₁与A₂A′₂方向一致，于
是有

　（1）

图　　3

图　　4

　　从图5看出，Δα实际上是两个监测点A₂，A₁各自坐标系之间的夹角，同样可以求出A₃点与
A₁点坐标系的夹角。利用如下的坐标变换式即可将A₃、A₂点测得的坐标化成与A1点统一坐标系下的坐标。

　　（2）

　　b　当监测点两期坐标值变化较大且监测点旋

图　　5

转时（见图6）。除式（2）的计算外，还需如下计算，设
　　　（3）

式中θi即为由于监测点的旋转变形引起的坐标系旋转角，仍以假定坐标系为基准，则坐标变换
公式：　　　　　　　　　　

（4）

　　其中（X₁，Y₁）为观测值，（X₂，Y₂）为归化后的坐标值，θ_i＋Δα为第一次观测时监测
点坐标系与统一坐标系夹角，i为点的序号。

图　　6

3.4　变形计算

　　所测得的观测值，必须进行指标差改正、温度改正和坐标归化，然后才能进行变形计算。
指标差改正、温度改正因方法简单不作介绍。
　　根据改正和改化后的观测值进行如下变形计算：沿X方向的井筒水平变形，沿Y方向的井筒
水平变形，沿Z方向的井筒垂直变形。
　　a　沿X、Y方向的水平变形或称倾斜变形。设第i期观测值为（X_i，Y_i），则有

（5）

　　　（6）

式中
　　l——该点至基点的垂直距离；
　　ε——变形值。
　　b　沿Z方向的垂直变形，设第i期观测值为Zi，则有

　　　（7）

　　εZ值可正可负，压缩变形为负，拉伸变形为正。

4　实测数据及变形值

　　该方法在兖州矿业集团公司东滩煤矿进行了实际应用，所测数据及变形值充分体现了这种
方法的灵敏性、实用性和有效性（具体数据从略）。

5　结束语

　　该方法是对传统监测方法的突破，能对井筒实施整体监测，得到井筒的三维变形值，能在
不占用井筒的条件下进行适时监测，能进行自动化改造，便于长期维护和长期服务，具有其它
监测方法无法比拟的优点。通过兖州矿业集团公司诸矿现场实践证明，它完全能够监测井筒变
形的状态和内在规律，为井筒变形破坏预警,井筒的维护与治理提供可靠的信息资料。