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申请/专利权人：同济大学

摘要：本发明涉及一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，该装置包括：井筒结构：为一截面为环形竖向布置的圆筒，包括井颈、井身和井底，所述的井身包括井壁和系统锚杆；锚固结构：在井壁内沿竖直方向设有多层，每层结构相同，均包括多个沿环向均匀水平设置穿过井壁向外的恒阻大变形锚索；支撑结构：水平环向设置在井壁内侧，用以支撑固定恒阻大变形锚索；监测系统：包括设置在恒阻大变形锚索上的压变式力学传感器以及与压变式力学传感器连接的预警系统，与现有技术相比，本发明具有提高承载能力、防止失稳、施工简单易行、空间充足等优点。

主权项：1.一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，该装置包括：井筒结构0：为一截面为环形竖向布置的圆筒，包括井颈、井身和井底，所述的井身包括井壁01和系统锚杆02；锚固结构1：在井壁01内沿竖直方向设有多层，每层结构相同，均包括多个沿环向均匀水平设置穿过井壁01向外的恒阻大变形锚索；支撑结构2：水平环向设置在井壁内侧，用以支撑固定恒阻大变形锚索；监测系统3：包括设置在恒阻大变形锚索上的压变式力学传感器12以及与压变式力学传感器12连接的预警系统；所述的恒阻大变形锚索包括锁具11、承载板13、填充材料14、钢绞线15、套管16、恒阻体17、恒阻头18和导向头19，所述的锁具11、压变式力学传感器12、承载板13、套管16、恒阻头18和导向头19依次设置，所述的套管16内顶部设有恒阻体17，底部设有填充材料14，所述的钢绞线15顶端依次穿过锁具11、压变式力学传感器12、承载板13和套管16后与恒阻头18连接，末端分别与相邻的恒阻大变形锚索的钢绞线末端相互连接；所述的支撑结构2采用鱼腹梁结构；所述的支撑结构2设有多个，包括直腹杆21和斜腹杆22和焊接钢夹板23，所述的直腹杆21一端通过焊接钢夹板23和螺栓固定在井壁01内侧，另一端上设有用以使相邻恒阻大变形锚索之间连接的钢绞线15穿过的预留孔道，所述的斜腹杆22设置在直腹杆21和焊接钢夹板23之间；恒阻大变形锚索内的钢绞线15以及相邻恒阻大变形锚索间的钢绞线施加有预应力，用以抵抗井壁向内侧的变形；当井筒结构的内径小于10米时，钢绞线15采用15-7φ5型号，直腹杆21采用HW300×300型号，水平设置的斜腹杆22采用HW300×300型号，竖向设置的斜腹杆22采用40A型号的工字钢。

全文数据：基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置技术领域本发明涉及深部立井井筒的结构体系和监测预警方法领域，尤其是涉及一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置。背景技术我国煤炭与石油、天然气相比是储存比较丰富的能源，在一次能源消费结构中占了60％左右，1949-2006年，我国共生产煤炭超过380亿吨，长期的开采导致浅埋藏的煤炭资源日益减少，我国煤炭资源埋藏深度在1000m-2000m的约占总储量的53.2％，深部煤炭的开采是势在必行。近30年多年来，井筒的平均深度不断加大，特别是华东地区的江苏、安徽、山东，以及河南等产煤大省，无论是从满足煤炭资源的需要还是从矿井接替的需要以及煤炭企业可持续发展的角度考虑，都迫切需要开展深部立井建设。以山东、安徽、河南等省为例，新建的井筒深达800～1000m。立井井筒的深度逐渐增加，带来的是穿越地层条件更加复杂，施工更加困难等问题。一些浅部立井井筒可以忽略的问题在深部立井井筒的设计中也需要纳入考虑范围之内，诸如表土层和活动性断层等复杂地层条件的影响。在煤矿开采过程中，立井井筒非采动破坏是一种主要的井筒破坏形式，其主要表现为立井井筒在具有足够的保安矿柱的条件下，立井井筒的部分井壁发生严重变形和破坏。立井井筒的非采动破坏会对运输造成威胁，严重影响矿山的正常运营，危及生产安全，造成重大经济损失。根据调查发现，立井井筒的破坏主要是由于表土层与基岩层交界处附近的底部含水层失水，井筒受到额外的负摩阻力作用产生较大的轴压力，最后导致井筒内壁发生剥落、压损或更严重的破坏。对于深部立井而言，因其具有更大的长细比，在相同的轴压力下更容易发生破坏。因此，发明适合深部立井的井筒结构形式，并实现井筒结构安全性的自动化监测，不仅具有领先的技术意义，更具有极大的社会及经济意义。发明内容本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，该装置包括：井筒结构：为一截面为环形竖向布置的圆筒，包括井颈、井身和井底，所述的井身包括井壁和系统锚杆；锚固结构：在井壁内沿竖直方向设有多层，每层结构相同，均包括多个沿环向均匀水平设置穿过井壁向外的恒阻大变形锚索；支撑结构：水平环向设置在井壁内侧，用以支撑固定恒阻大变形锚索；监测系统：包括设置在恒阻大变形锚索上的压变式力学传感器以及与压变式力学传感器连接的预警系统。所述的恒阻大变形锚索包括锁具、承载板、填充材料、钢绞线、套管、恒阻体、恒阻头和导向头，所述的锁具、压变式力学传感器、承载板、套管、恒阻头和导向头依次设置，所述的套管内顶部设有恒阻体，底部设有填充材料，所述的钢绞线顶端依次穿过锁具、压变式力学传感器、承载板和套管后与恒阻头连接，末端分别与相邻的恒阻大变形锚索的钢绞线末端相互连接。所述的支撑结构采用鱼腹梁结构。所述的支撑结构设有多个，包括直腹杆和斜腹杆和焊接钢夹板，所述的直腹杆一端通过焊接钢夹板和螺栓固定在井壁内侧，另一端上设有用以使相邻恒阻大变形锚索之间连接的钢绞线穿过的预留孔道，所述的斜腹杆设置在直腹杆和焊接钢夹板之间。恒阻大变形锚索内的钢绞线以及相邻恒阻大变形锚索间的钢绞线施加有预应力，用以抵抗井壁向内侧的变形。当井筒结构的内径小于10米时，钢绞线采用15-7φ5型号，直腹杆采用HW300×300型号，水平设置的斜腹杆采用HW300×300型号，竖向设置的斜腹杆采用40A型号的工字钢。该装置在围岩破碎带和表土层与岩层的交界处加密布置，根据围岩破碎程度调整加密间距，其范围在20m和100m之间，在其余区域间隔100米均匀布置。该装置的施工步骤如下：在施工井筒筒壁完成之后，在预埋好的焊接钢夹板上用螺栓分别固定斜腹杆和直腹杆，并在斜腹杆和直腹杆之间用螺栓连接；在预定位置打入恒阻大变形锚索，并连接支撑结构和恒阻大变形锚索内的钢绞线，同时安装布置在恒阻大变形锚索端部的压变式力学传感器，连接完毕后对钢绞线施加预应力，固定锁具，形成自适应的稳定结构体系；当井壁发生较大收敛变形时，恒阻大变形锚索的拉力将逐步增大，进而提高对井壁的支撑力以及井壁的整体稳定性和承载力，基于恒阻大变形锚索大变形，能够适应井壁发生变形而不破坏的特性，通过监测系统对井壁结构承载的全过程进行监测，并进行预警，防止井壁破坏的发生。施加的预应力为恒阻大变形锚索最大设计值的60-70％。与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过支撑结构的自适应调整能力有效地提高了井筒的承载能力和防止了井筒内壁发生失稳的可能性，且实施过程较现有技术简单易行，不需要进行二次施工；并且预留了井筒中央的空间以保证正常生产和运营，并且可以通过设置不同的支撑体系形式进一步支撑装置对空间的占有率；该结构实现了结构围护与监测预警的一体化，能有效预警深部立井井筒的破坏，提前采取措施规避破坏，不仅具有领先的技术意义，更具有极大的社会及经济意义。附图说明图1a为本发明结构横截面示意图。图1b为本发明结构纵截面示意图。图2为井壁结构详图。图3为直腹杆与井壁连接的详图，其中，图3a为横截面详图，图3b为纵截面详图。图4为直腹杆与钢绞线连接的详图，其中，图4a为横截面详图，图4b为纵截面详图。图5为直腹杆与斜腹杆连接的详图，其中，图5a为横截面详图，图5b为纵截面详图。图6为一种横断面替换结构形式。图7为恒阻大变形锚索的细部构造图。图8为恒阻大变形锚索的变形监测原理示意图。图中标记说明：0、井筒结构，01、井壁，02、系统锚杆，1、锚固结构，2、支撑结构，3、监测系统，11、锁具，12、压变式力学传感器，13、承载板，14、填充材料，15、钢绞线，16、套管，17、恒阻体，18、恒阻头，19、导向头，21、直腹杆，22、斜腹杆，23、焊接钢夹板。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。实施例1：本实施案例中的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒结构，如图1a和1b所示，将钢绞线穿过直腹杆预留的孔道并与恒阻大变形锚索中的钢绞线连接，后对钢绞线施加预应力使其张紧，施加的预应力为恒阻大变形锚索最大设计值的60-70％。张紧的钢绞线对直腹杆的压力可有效抵抗井壁向内侧的位移，有效减少井筒结构发生向内侧失稳破坏的可能性。当井壁发生较大收敛变形时，锚索的拉力将进一步增大，进而提高对井壁的支撑力，提高井壁的整体稳定性和承载力。恒阻大变形锚索具有大变形的特性，能适应井壁发生较大变形而不破坏，据此可以实施井壁结构承载的全过程监测，并进行预警防止井壁破坏的发生。该结构包括：井筒结构、锚固结构、支撑结构和监测系统。井筒结构0包括井颈、井身和井底，井身主要由井壁01和系统锚杆02组成。井壁采用钢筋混凝土施工，其壁厚和配筋率根据围岩地应力、所在深度以及相关规范设计确定。锚固结构1包括恒阻大变形锚索，其主要锁具11、压变式力学传感器12，承载板13，填充材料14，钢绞线15，套管16，恒阻体17，恒阻头18和导向头19组成。支撑结构2包括钢绞线15，直腹杆21，斜腹杆22和焊接钢夹板23组成。其中，当立井内径小于10米时，钢绞线15采用15-7φ5型号，直腹杆21采用HW300×300型号，水平方向斜腹杆22采用HW300×300型号，竖向设置的斜腹杆22采用40A型号的工字钢；当立井内径大于10米时，应根据受力条件加大各构件的型号，焊接钢夹板的尺寸根据需要连接的构件尺寸而定。如图2所示，该水平支撑结构应在围岩破碎带、表土层与岩层的交界处等围岩易发生变形的区域加密布置，在其他区域按间隔100米均匀布置。如图3所示，直腹杆21与井筒筒壁采用焊接钢夹板23进行连接。在预埋钢板上焊接夹板形成焊接钢夹板23，在浇筑井筒的过程中在指定位置埋入焊接钢夹板23，待混凝土浇筑完毕且强度到达标准后将直腹杆21的腹板与夹板用螺栓连接。如图4所示，直腹杆21与钢绞线15采用如下方式连接。在直腹杆21的端部用夹板和螺栓连接一块钢板形成焊接钢夹板23，在钢板的另一侧并排焊接6个或多个套筒。钢板的大小由套筒的尺寸决定，套筒的内径基于钢绞线15的直径选择，需要略大于钢绞线15的直径。当立井内径小于10米时，套筒所用钢管采用DN15型号；当立井内径大于10米时，套筒根据采用的钢绞线直径增大选用型号。如图5所示，直腹杆21与斜腹杆22采用如下方式连接。水平方向的斜腹杆端部封闭，直接采用螺栓连接；竖向的斜腹杆在连接处焊接一块钢板，用螺栓连接此钢板与直腹杆21的腹板。如图6所示，该装置可以通过设置6个或更多的恒阻大变形锚索锚固点，以进一步减小减小支撑结构对空间的占有率，保证深部立井结构正常运营。如图7所示，恒阻大变形锚索包括：锁具11、压变式力学传感器12，承载板13，填充材料14，钢绞线15，套管16，恒阻体17，恒阻头18和导向头19。当围岩变形较小时，钢绞线15所受拉力小于设计恒阻力，恒阻体17不发生移动，此时结构通过钢绞线15的弹性变形来抵抗岩体的变形；当围岩结构变形使钢绞线15所受拉力大于设计恒阻力时，套管16内的恒阻体17沿结构内壁发生位移，整个过程保持恒阻特性，此时该结构通过恒阻体17的移动来抵抗围岩的变形，且在恒阻体17发生变形之后，围岩的变形能得以释放，从而再度处于稳定状态。监测体系通过压变式传感器采集数据，并传输至数据分析系统进行处理，并分析恒阻大变形锚索拉力的变化趋势，最后通过预警系统判断恒阻大变形锚索所处的阶段，进而决定是否需要采取防治措施。如图8所示，恒阻大变形锚索的应力应变曲线存在理想弹塑性变形阶段。根据此曲线可制定深部立井井筒结构监测预警方案。在恒阻大变形锚索1的弹性阶段，拟定在到达设计恒阻力的60％之前为安全阶段，在锚索应力超过这个值后，需要加强监测频率，探明围岩和结构变形是否会继续发展；当锚索应力超过设计恒阻力的80％时应进行预警，在锚索应力达到设计恒阻力后则应及时采取加固措施，保证井筒结构的安全性。本实施例中的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化的深部立井井筒结构，其施工步骤如下：S1.在井筒分段掘进的过程中同时进行临时支护的施工，其中包含系统锚杆的设置。S2.临时支护施工完毕后，在指定部位预埋焊接钢夹板23，并进行拆模、立模、浇筑混凝土等井壁施工工作。S3.施工鱼腹梁结构体系：于施工井筒筒壁完成之后，在预埋好的焊接钢夹板23上用螺栓分别固定斜腹杆22和直腹杆21，并在斜腹杆22和直腹杆21之间用螺栓连接。S4.施工恒阻大变形锚索并施加预应力：在预定位置打入恒阻大变形锚索，并连接支撑结构2和恒阻大变形锚索内的钢绞线15，安装压变式力学传感器12，连接完毕后施加预应力，形成自适应的稳定结构体系。S5.监测预警分析：基于压变式力学传感器12的监测数据，分析井壁结构的安全性，并基于图7进行预警。本发明通过支撑结构的自适应调整能力有效地提高了井筒的承载能力和防止了井筒内壁发生失稳的可能性，且实施过程较现有技术简单易行，不需要进行二次施工；该结构预留了井筒中央的空间以保证正常生产和运营，并且可以通过设置不同的支撑体系形式进一步支撑装置对空间的占有率；该结构实现了结构围护与监测预警的一体化，能有效预警深部立井井筒的破坏，提前采取措施规避破坏。总之，该结构不仅具有领先的技术意义，更具有极大的社会及经济意义。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

权利要求：1.一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，该装置包括：井筒结构0：为一截面为环形竖向布置的圆筒，包括井颈、井身和井底，所述的井身包括井壁01和系统锚杆02；锚固结构1：在井壁01内沿竖直方向设有多层，每层结构相同，均包括多个沿环向均匀水平设置穿过井壁01向外的恒阻大变形锚索；支撑结构2：水平环向设置在井壁内侧，用以支撑固定恒阻大变形锚索；监测系统3：包括设置在恒阻大变形锚索上的压变式力学传感器12以及与压变式力学传感器12连接的预警系统。2.根据权利要求1所述的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，所述的恒阻大变形锚索包括锁具11、承载板13、填充材料14、钢绞线15、套管16、恒阻体17、恒阻头18和导向头19，所述的锁具11、压变式力学传感器12、承载板13、套管16、恒阻头18和导向头19依次设置，所述的套管16内顶部设有恒阻体17，底部设有填充材料14，所述的钢绞线15顶端依次穿过锁具11、压变式力学传感器12、承载板13和套管16后与恒阻头18连接，末端分别与相邻的恒阻大变形锚索的钢绞线末端相互连接。3.根据权利要求2所述的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，所述的支撑结构2采用鱼腹梁结构。4.根据权利要求3所述的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，所述的支撑结构2设有多个，包括直腹杆21和斜腹杆22和焊接钢夹板23，所述的直腹杆21一端通过焊接钢夹板23和螺栓固定在井壁01内侧，另一端上设有用以使相邻恒阻大变形锚索之间连接的钢绞线15穿过的预留孔道，所述的斜腹杆22设置在直腹杆21和焊接钢夹板23之间。5.根据权利要求4述的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，恒阻大变形锚索内的钢绞线15以及相邻恒阻大变形锚索间的钢绞线施加有预应力，用以抵抗井壁向内侧的变形。6.根据权利要求4述的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，当井筒结构的内径小于10米时，钢绞线15采用15-7φ5型号，直腹杆21采用HW300×300型号，水平设置的斜腹杆22采用HW300×300型号，竖向设置的斜腹杆22采用40A型号的工字钢。7.根据权利要求1述的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，该装置在围岩破碎带和表土层与岩层的交界处加密布置，根据围岩破碎程度调整加密间距，其范围在20m和100m之间，在其余区域间隔100米均匀布置。8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，该装置的施工步骤如下：在施工井筒筒壁完成之后，在预埋好的焊接钢夹板上用螺栓分别固定斜腹杆和直腹杆，并在斜腹杆和直腹杆之间用螺栓连接；在预定位置打入恒阻大变形锚索，并连接支撑结构和恒阻大变形锚索内的钢绞线，同时安装布置在恒阻大变形锚索端部的压变式力学传感器，连接完毕后对钢绞线施加预应力，固定锁具，形成自适应的稳定结构体系；当井壁发生较大收敛变形时，恒阻大变形锚索的拉力将逐步增大，进而提高对井壁的支撑力以及井壁的整体稳定性和承载力，基于恒阻大变形锚索大变形，能够适应井壁发生变形而不破坏的特性，通过监测系统对井壁结构承载的全过程进行监测，并进行预警，防止井壁破坏的发生。9.根据权利要8所述的一种基于恒阻大变形锚索的监测预警一体化深部立井井筒装置，其特征在于，施加的预应力为恒阻大变形锚索最大设计值的60-70％。

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