一种井筒弯曲和倾斜变形测量方法

1.本发明涉及井筒变形测量技术领域，具体涉及一种井筒弯曲和倾斜变形测量方法。


背景技术：

2.井筒作为矿井生产系统的咽喉，担负着全矿的矿石提升、行人、通风、运料、排水、供电等重要任务，井筒的结构安全与稳定运行对矿井生产至关重要。一般情况下，井筒周围需划定保安矿柱，外部的开采活动不会对井筒产生影响，但在矿井生产后期或地层条件发生改变时，井筒保安矿柱被开采或破坏，这可能导致井筒发生变形，其中弯曲和倾斜变形对井筒影响较为显著，轻则影响罐笼、箕斗等提升装置的运行，重则阻断提升通道、导致管线破断，严重威胁矿井安全高效生产，因此对井筒的弯曲和倾斜变形监测成为矿井生产后期井筒保安矿柱回收时必须进行的一项工作。
3.目前有关井筒倾斜变形的主要测量方法有：(1)钢丝(激光)垂准法，通过建立一条垂直钢丝或激光束，测量井壁与钢丝或光束间的距离，获得井筒变形值；(2)三维激光扫描技术，通过图像识别来获取井筒变形情况。现有技术相关的研究报道主要有：
4.申请号201910782914.0公开了一种基于三维激光扫描的竖井变形监测方法，其步骤为：确定两个地面工作基点的坐标，再确定三个基准靶球点及基准钢丝悬放点的坐标；选择井底水平巷道，确定井底处钢丝点坐标与基准钢丝悬放点的坐标为基于基准一致的井底坐标系与井口处坐标系获得；设置断面扫描站，每个扫描站通过三个标靶球标定；然后采用三维激光扫描仪由井口至井底逐层进行扫描，基于每个扫描仪坐标及扫描仪在相应断层对井壁的扫描数据，拟合获得相应的井筒中心坐标；将每个层面的井筒中心坐标与准井筒中心坐标相比较，获得相应位置的井筒变形量。
5.申请号201720402925.8公开了一种井筒井壁变形自动测量仪，包括多点式环形激光测距仪和三维数据分析模拟器，所述多点式环形激光测距仪包括环形发射托架、设在环形发射托架中部的激光数据反馈接收存储器和供电电池，所述环形发射托架上设有若干个激光发射接收器，所述激光发射接收器发射激光到井壁表面，然后接收井壁表面反射回的光并将接收的数据传输到激光数据反馈接收存储器并按坐标的形式进行存储；所述三维数据分析模拟器对激光数据反馈接收存储器内的测量数据进行读取，生成井壁三维模型。
6.上述测量方法以及自动测量仪主要利用了光学仪器对井筒井壁变形进行了测量，虽然可以获得井筒的变形值，然而，却不能克服由于井筒潮湿、淋水、风力大、粉尘大、提升容器振动等恶劣环境造成测量结果精度难以保证的技术问题，并且上述现有技术需布置诸多仪器设备，无疑也增加了安装难度。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种井筒弯曲和倾斜变形测量方法，其能保证对井筒在潮湿、淋水、风力大、粉尘大、提升容器振动等恶劣环境下测量结果的精确度，并且该方法所需
的设备安装方便，简化了安装步骤，另外，本发明所提的测量方法基于井壁变形反映井筒整体弯曲和倾斜，测量装置都安装在井壁上，不依赖井筒内的提升设备，不影响井筒的运行。
8.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
9.一种井筒弯曲和倾斜变形测量方法，依次包括以下步骤：
10.步骤一、在平行于井筒轴线的井筒内壁上确定测区布置形式
11.在平行于井筒轴线的井筒内壁上划分测区长度以及测区数量，共划分n个测区，从下到上依次为1、2、
……
、n，每个测区长度均为a；
12.步骤二、在每个测区的两端分别安装第一固定件和第二固定件，所述的第一固定件、第二固定件分别固定在井筒的内壁上，n个测区安装的第一固定件、第二固定件的总数量为n+1个，在每个测区的第一固定件和第二固定件之间安装位移测量装置，所述的位移测量装置与第一固定件、第二固定件之间通过紧固绳连接，并且，第一固定件和位移测量装置之间的紧固绳与第二固定件和位移测量装置之间的紧固绳在一条直线上，并且与井筒的轴线平行；调试位移测量装置，使紧固绳中产生一定的预紧力，在周围井壁标号，记录初始数据；
13.步骤三、定期收集测量数据；
14.步骤四、将记录得到的数据代入下式进行计算；井筒变形前有式(1)内参数关系：
[0015][0016]
式(1)中：d——井筒内部直径，m；
[0017]
a——每个测区长度，即：测区所在井段上下两端中心连线长度，m；
[0018]
li——第i个测区长度，i为1到n的数，m；
[0019]
b——测区所在井段下端中心与上端固定件连线长度，m；
[0020]
c——井筒的半径，m；
[0021]
α——测区所在井段下端中心与上端固定件连线与该井段上下段中点连线的夹角，
°
；
[0022]
井筒变形后，有式(2)参数关系：
[0023][0024]
式(2)中：δi——第i个测区测得位移变化值，mm；
[0025]
li'——变形后第i个测区长度，m；
[0026]
βi'——测区两固定件所在点与测区所在井段下端中心所构成的三角形中，固定件连线的对角，
°
；
[0027]
γi——第i个测区中心线倾斜值，
°
，γ1＝0
°
；
[0028]hi
'——变形后各测区中心线垂直高度，m；
[0029]
mi'——变形后测区顶部中心水平移动值，mm；
[0030]
按照式(3)计算δh、δm、tanγ
总
：
[0031][0032]
式(3)中：；δh——上井口中心沉降值，mm；
[0033]
δm——上井口中心水平移动值，mm；
[0034]
tanγ
总
——上井口中心相对下井口中心的倾斜度，
‰
；
[0035]
步骤五、结合步骤四计算所得数据进行井筒弯曲和倾斜分析，当井筒的整体倾斜tanγ
总
超过1
‰
时，则可判定井筒发生的弯曲和倾斜变形影响到井筒安全运行；
[0036]
所述的测量方法适用于井筒从未发生变形到变形阶段，且井筒发生的变形同时满足下列三个条件：
[0037]
a、测区端点所在位置井筒内径不变；
[0038]
b、测区端点所在井筒截面中心距离不变；
[0039]
c、最下部测区处于不变形井段。
[0040]
作为本发明的一个优选方案，位移测量装置为机械式位移测量仪器或位移传感器。
[0041]
上述的紧固绳为钢丝、无弹力鱼线、漆包线等不可伸缩的线材。
[0042]
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
[0043]
本发明提出了一种井筒弯曲和倾斜变形测量方法，其采用一种全新的测量方法，首先通过在井筒的井壁上布置测区，然后在每个测区布置测量装置，测量装置由紧固绳、第一固定件、第二固定件和位移测量装置组成，其安装方便；然后通过测量装置将获得的数据代入本发明公式(1)、(2)、(3)中，计算获得井筒的整体倾斜γ
总
；最后，通过分析得出，当井筒的整体倾斜tanγ
总
超过1
‰
时，可判定井筒发生的弯曲和倾斜变形影响到井筒安全运行。本发明测量方法经过几何关系推导，由测区长度改变间接获得井筒弯曲和倾斜变形情况，测量装置长期固定在井筒内壁上，测量介质可为钢丝或其他无弹力线，结构简单牢固，有效减少了井筒内风力大、粉尘大、提升容器振动等恶劣环境对测量精度的影响。
[0044]
本发明是基于现场实际环境和问题的测量技术创新，以一种新思路指导变形测量，与常用的井筒变形测量方法的原理不同、相应的测量装置亦有所不同，其突出的特点为：能适应井筒恶劣环境，测量设备不依赖井筒内提升设备，不影响井筒生产运行，实现安全高效测量，测量和分析数据方便。
附图说明
[0045]
下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0046]
图1为本发明实施例1井筒弯曲和倾斜变形测量中测区布置示意图；
[0047]
图2为本发明每个测区所采用的测量装置结构示意图；
[0048]
图3为本发明测量方法中所采用的计算示意图；
[0049]
图中：1、紧固件，2、位移测量装置，3、紧固绳，l1、第一测区，l2、第二测区，l3、第三测区，l4、第四测区，l5、第五测区，l6、第六测区，l7、第七测区，l8、第八测区，l9、第九测区，l10、第十测区，l11、第十一测区，l12、第十二测区，l13、第十三测区，l14、第十四测区，l15、第十五测区，l16、第十六测区，l17、第十七测区，l18、第十八测区，l19、第十九测区，l20、第二十测区。
具体实施方式
[0050]
本发明提出了一种井筒弯曲和倾斜变形测量方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
[0051]
本发明中所述及的“井筒弯曲和倾斜变形”，是指井筒变形的两种状态，既包含弯曲也包含倾斜，井筒的弯曲和倾斜都属于井筒变形。
[0052]
本发明提出了一种井筒弯曲和倾斜变形测量方法，依次包括以下步骤：
[0053]
步骤一、在平行于井筒轴线的井筒内壁上确定测区布置形式
[0054]
在平行于井筒轴线的井筒内壁上划分测区长度以及测区数量，共划分n个测区，从下到上依次为1，2，
……
，n，每个测区长度均为a；
[0055]
步骤二、在每个测区的两端井壁上分别安装紧固件1，上端紧固件1为第一固定件，下端紧固件1为第二固定件，所述的第一固定件、第二固定件分别固定在井筒的内壁上，n个测区安装的第一固定件、第二固定件的总数量为n+1个，在每个测区的第一固定件和第二固定件之间安装位移测量装置2，所述的位移测量装置与第一固定件、第二固定件之间通过紧固绳3连接，并且，第一固定件和位移测量装置之间的紧固绳与第二固定件和位移测量装置之间的紧固绳在一条直线上，并且与井筒的轴线平行；调试位移测量装置，使紧固绳中产生一定的预紧力，在周围井壁标号，记录初始数据；
[0056]
步骤三、定期收集测量数据；
[0057]
步骤四、将记录得到的数据代入下式进行计算；井筒变形前有式(1)内参数关系：
[0058][0059]
式(1)中：d——井筒内部直径，m；
[0060]
a——每个测区长度，即：测区所在井段上下两端中心连线长度，m；
[0061]
li——第i个测区长度，i为1到n的数，m；
[0062]
b——测区所在井段下端中心与上端固定件连线长度，m；
[0063]
c——井筒的半径，m；
[0064]
α——测区所在井段下端中心与上端固定件连线与该井段上下段中点连线的夹角，
°
；
[0065]
井筒变形后，有式(2)参数关系：
[0066][0067]
式(2)中：δi——第i个测区测得位移变化值，mm；
[0068]
li'——变形后第i个测区长度，m；
[0069]
βi'——测区两固定件所在点与测区所在井段下端中心所构成的三角形中，固定件连线的对角，
°
；
[0070]
γi——第i个测区中心线倾斜值，
°
，γ1＝0
°
；
[0071]hi
'——变形后各测区中心线垂直高度，m；
[0072]
mi'——变形后测区顶部中心水平移动值，mm；
[0073]
按照式(3)计算δh、δm、tanγ
总
：
[0074][0075]
式(3)中：δh——上井口中心沉降值，mm；
[0076]
δm——上井口中心水平移动值，mm；
[0077]
tanγ
总
——上井口中心相对下井口中心的倾斜度，
‰
；
[0078]
步骤五、结合步骤四计算所得数据进行分析，当井筒的整体倾斜tanγ
总
超过1
‰
时，则可判定井筒发生弯曲和倾斜变形影响到井筒安全运行。
[0079]
所述的测量方法适用于井筒从未发生变形到变形阶段，且井筒发生的变形同时满足下列三个条件：
[0080]
a、测区端点所在位置井筒内径不变；
[0081]
b、测区端点所在井筒截面中心距离不变；
[0082]
c、最下部测区处于不变形井段。
[0083]
下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
[0084]
实施例1：
[0085]
如图1所示，在井筒的井壁上划分测区，从下到上分别为第一测区l1、第二测区l2、第三测区l3、第四测区l4、第五测区l5、第六测区l6、第七测区l7、第八测区l8、第九测区l9、
第十测区l10、第十一测区l11、第十二测区l12、第十三测区l13、第十四测区l14、第十五测区l15、第十六测区l16、第十七测区l17、第十八测区l18、第十九测区l19、第二十测区l20。
[0086]
上述的二十个测区的长度均是相同的，在每个测区布置测量装置，测量装置如图2所示，包括第一固定件、第二固定件、位移测量装置和紧固绳，其中，第一固定件和第二固定件均选用膨胀螺丝，紧固绳选用钢丝，将两个膨胀螺丝固定在井筒的内壁上，然后布置位移测量装置和紧固绳，紧固绳的要求是处于拉紧状态，在相邻的测区，共用中间的固定件。
[0087]
具体测量方法为：
[0088]
沿井筒轴线方向在井筒内壁设置一条由多个测区组成的测线，测量每个测区的长度变化，再根据测区初始长度、井筒内径，经过合理假设后，计算获得井筒整体的弯曲及倾斜情况。
[0089]
计算过程的假设包括：(1)测区端点所在位置井筒内径不变；(2)测区端点所在井筒中心距离不变；(3)最下部测区处于不变形井段。
[0090]
计算示意图如图3所示，每段井筒纵剖面，由矩形简化为倒三角形(等腰三角形)，测区两点分别在相邻倒三角的外部角点上。有式(1)的参数关系，在井筒发生变形前布置好测线，l1、l2、l3、
……
、ln的长度均为a，a为初始测区的长度。待后期井筒发生变形后，l1、l2、l3、
……
、ln变为l1’
、l2’
、l3’
、
……
、l
n’。
[0091]
井筒变形前：
[0092][0093]
式(1)中：d——井筒内径，m；
[0094]
a——每个测区长度，即：测区所在井段上下两端中心连线长度，m；
[0095]
li——第i个测区长度，i为1到n的数，m；
[0096]
b——测区所在井段下端中心与上端固定件连线长度，m；
[0097]
c——井筒的半径，m；
[0098]
α——测区所在井段下端中心与上端固定件连线与该井段上下段中点连线的夹角，
°
；
[0099]
井筒变形后：
[0100][0101]
式(2)中：δi——第i个测区测得位移变化值，mm；
[0102]
li'——变形后第i个测区长度，m；
[0103]
βi'——测区两固定件所在点与测区所在井段下端中心所构成的三角形中，固定件连线的对角，
°
；
[0104]
γi——第i个测区中心线倾斜值，
°
，γ1＝0
°
；
[0105]hi
'——变形后各测区中心线垂直高度，m；
[0106]
mi'——变形后测区顶部中心水平移动值，mm；
[0107]
按照式(3)计算δh、δm、tanγ
总
：
[0108][0109]
式(3)中：δh——上井口中心沉降值，mm；
[0110]
δm——上井口中心水平移动值，mm；
[0111]
tanγ
总
——上井口中心相对下井口中心的倾斜度，
‰
；
[0112]
经过一系列计算后，可得到各测区的垂直位移值h
i’和水平位移值m
i’。相邻两测区的倾斜值可反映弯曲情况。一般而言，井筒变形后，最大变形值(倾斜、下沉、水平位移)将发生在上井口处，而下井口处井筒几乎不发生变形。根据式(3)计算上井口处的垂直位移值δh、水平位移值δm和倾斜度tanγ
总
。当井筒的整体倾斜tanγ
总
超过1
‰
时，认为井筒倾斜将影响到井筒内提升设备的正常运行。
[0113]
本发明中所述及的位移测量装置，可选用机械式位移测量仪器，也可选用位移传感器，方便实现远程测量，具体结构借鉴现有技术即可实现。
[0114]
本发明中所述及的紧固件，可采用膨胀螺丝并配套吊环，也可采用井筒内已有的固定设施，如罐道梁、固定罐道的牛腿。
[0115]
本发明中所述及的紧固绳，可采用钢丝、无弹力鱼线、漆包线等不可伸缩线材。
[0116]
本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
[0117]
需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。