[發明專利]厚松散巖土層底部注水沉降變形模擬裝置及沉降模擬方法

無效

• 申請號: 201310484472.4
• 申請日: 2013-10-16
• 公開（公告）號: CN103487569A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 柴敬;張丁丁;李毅;朱磊
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 西安西達專利代理有限責任公司 61202
• 代理人: 劉華

技術領域

本發明涉及通過滲流參數控制儀器、光纖光柵應變監測及數據傳輸設備進行厚松散巖土層底部含水層滲流與變形規律，具體涉及厚松散巖土層底部注水沉降變形模擬裝置及沉降模擬方法。

背景技術

地層沉降是一種常見地質現象。其緩慢、長期的演變發展，嚴重時成為地質災害，威脅構筑物使用和人民生命財產安全，并形成社會危害。大量開采地下資源（包括地下水、石油、天然氣和煤炭）和大規模工程建設是地面沉降的主要誘因，如礦山開采引起的覆巖和地表塌陷、過度地下水開采引起的地層沉陷、城市地下工程（如地鐵）引起的基礎沉降等。由于地下水開采導致松散巖土層固結壓縮、地表沉陷已經在世界范圍內普遍存在，是當今世界各國不容忽視的環境地質問題。美國全部州均出現由于開采地下礦物(水、油、氣)產生不同程度的地表沉降，加利福利亞最大沉降量達9.0mm；日本有59個地區的地表沉降十分顯著，地表沉降區的總面積已超過9520?km²，東京最大沉降量達4.6m。我國目前已經有17個省份的96個城市和地區發生了地面沉降，年沉降速度為10~56mm/a，北京市沉降量大于200mm的地區達350?km²，天津地表最大下沉量達3.9l6m，西安大雁塔塔身傾斜1002.7mm。

我國華東地區的淮北、淮南、大屯、徐州、兗州、棗莊、永夏、巨野等產煤礦區，開采以立井為主，立井井筒穿過深厚的第四系松散地層，在煤礦生產過程中立井井筒變形破壞是該地區煤礦安全生產的主要災害之一（如兗礦13個、大屯5個、徐州9個、淮南4個、淮北14個井筒發生井壁變形破壞）。華東地區地層系統自上而下分別為第四系(Q)、侏羅系(J)、二疊系(P)、石炭系(C)和奧陶系(O)。第四系(Q)松散巖土層覆蓋深厚，分布不均，一般200~400m，一些地方達600~800m，分為上、中、下三組，上、下組為含水層組，中組為隔水層組。目前，在井壁破壞治理和預防中，對破裂井壁結構形成了以卸壓槽為主結合破壁注漿堵水和井圈加固的治理方法，對注漿法治理井壁破裂的機制、注漿參數和井壁應變監測進行相關的研究。然而注漿或注水的下組含水層埋藏深度超過90m，上覆地層壓力較大，且深部注漿工程的隱蔽性較強，漿液的凝固和擴散范圍較難控制。治理以井壁破壞后為主，難度大，影響生產、費用高且由于井壁整體性已遭到破壞，治理效果不理想。

第四系松散巖土層下組含水層的水位下降和補給不充分，是該地區造成眾多井壁破壞的主要原因，通過補充含水層水位，可以控制由此引起的松散巖土層壓縮和沉降，從而減少附加應力，防止立井井壁的破壞。

目前，地層變形模擬試驗裝置變形測試方法主要有百分表測量、位移傳感器測量、全站儀測量和近景攝影測量，以上所有測試方法只能測量模型外部變形和整體變形，不能對模型內部變形和應變進行測量。傳統的應變檢測手段主要有電阻應變計式、差動電阻應變計式、鋼弦式和液壓枕式等幾類傳感器，同時國內外有學者采用聲頻應力波檢測的方法和探地雷達，小波分析等方法。這些機電類敏感元器件已大量使用，并已有成熟的技術，尤其是電阻應變計的長期穩定性、溫度漂移、零點穩定和長距離傳輸問題得到較好的解決。但這些傳感器仍存在防潮、防水、抗干擾性能差，不能實現分布式測量等缺點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種監測設備完善、測試靈敏度及精度高、易于操作、無線數據傳輸、重復造作、試驗周期短，實現內部應變分布測量的厚松散巖土層底部注水沉降變形模擬裝置。

本發明的另一目的在于提供厚松散巖土層底部含水層沉降模擬方法。

為了克服現有技術的不足，本發明的技術方案是這樣解決的：該系統裝置由模型桶、恒壓注水泵、流量儀、注水管、測壓管、百分表、頂部注水法蘭、側部排水法蘭、底部排水法蘭、第一光纖光柵傳感器、第二光纖光柵傳感器、第三光纖光柵傳感器、光纖光柵解調儀、光纜、計算機和遠程數據傳輸設備組成，本發明的特殊之處在于所述模型桶一端與頂部注水法蘭連接、另一端與底部排水法蘭連接，其中模型桶的一側與側部排水法蘭連接、另一側與測壓管連接；所述恒壓注水泵一端與水源連接、另一端與流量儀一端連接，流量儀另一端與注水管連接，注水管另一端通過頂部注水法蘭與模型桶內腔的注水花管連接，模型桶內腔底部與穿孔板連接，所述光纜一端通過頂部注水法蘭和模型桶內腔依次間隔分別與第一光纖光柵傳感器、第二光纖光柵傳感器、第三光纖光柵傳感器連接，所述光纜另一端依次分別與光纖光柵解調儀、計算機、遠程傳輸設備連接，所述百分表與頂部注水法蘭連接。

所述模型桶內部間隔置有至少3個光纖光柵傳感器。