立井井壁稳定性受含水层动变影响的模拟装置及方法

摘要

一种立井井壁稳定性受含水层动变影响的模拟装置及方法，装置主要由模拟箱、设在模拟箱内的相似材料层、传感器、应变数据采集系统、压力数据采集系统、抽水泵、支架、蓄水箱构成；在模型几何中心内从上到下贯穿有相似比的模拟井筒，井筒的内壁上粘贴有环形应变片，应变片通过导线与应变数据采集系统连接，在承压含水层底部埋置压力传感器，通过导线与压力数据采集系统连接，能够进行模拟深部含水层失水条件下的变化对井壁结构稳定性的影响相似试验，在室内试验中演示实际工程问题，并定性获得参数，建立起含水层水压力短时动态变化与井壁变形的关系，进一步深化对立井井壁破坏机理的认识，以及对水土结构耦合关系的认知。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟装置及方法，尤其是一种适用于岩土工程中立井井壁受深部含水层 水压动态变化影响的室内试验装置及方法。

背景技术

自20世纪80年代以来，我国徐、淮、大屯、兖州等矿区的煤矿立井井壁出现了一种国 内外罕见的非采动性井壁破裂。这种灾害易造成井壁变形破裂、渗水，重者造成卡罐、涌水 涌砂，甚至停产，给煤矿生产带来了严重的安全隐患，也使煤矿企业承受巨大的经济损失。 自1987年以来，在我国的华东地区深厚表土层中建设的立井模拟井筒已经有80多个遭受破 坏，严重影响了矿井的安全生产。

其中导致立井井壁发生的倾斜、错位、断裂、渗漏等各种变形和破坏的地质因素有：模 拟井筒穿过地层的岩层、煤层性质；地质构造；水文地质条件等。其中，不稳定含水层对立 井井壁稳定性的影响，近年来尤为突出。特别是对于补给条件较弱的第四纪底部含水层，短 时间内较大量的疏水将引起含水层水压力的快速变化，造成含水层不稳定，会进一步影响立 井井壁稳定性。对不稳定含水层的研究中，已有许多专家学者对含水层长时间疏水引起固结 沉降导致井壁破坏——这一大时间尺度过程进行了研究。在此基础上，深入开展含水层水压 力较短时间的动态变化这一因素对井壁稳定性影响的研究，将进一步深化对立井井壁破坏机 理的认识，更加有效的指导煤矿的安全生产。目前承压含水层失水变化对井壁稳定性影响的 模拟试验装置在国内尚属空白。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中的不足，提供了一种结构简单、操作方便、 可精确监测承压含水层失水变化对井壁应变变化及孔隙水压力变化的模拟试验装置及方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的立井井壁稳定性受含水层动变影响的模拟装置， 包括应变数据采集系统、压力数据采集系统、抽水泵、支架、蓄水箱，在所述的支架上设有 可透视的模拟箱，模拟箱内由下而上依次设置埋置层、岩层、承压含水层、土层二、土层一， 所述的土层二与承压含水层之间设有隔水板，所述的承压含水层内设有环形补水管，环形补 水管经连通管沿模拟箱壁伸出，与设在模拟箱上方的给水溢流箱相连，给水溢流箱经连通管 与抽水泵的出水口相连，抽水泵的入水口经连通管伸入蓄水箱内；所述模拟箱的中部设有由 上而下深入岩层内的模拟井筒，在位于承压含水层的底部设有压力传感器，并在承压含水层 内的模拟井筒的内壁上设置应变片，所述应变片经导线与应变数据采集系相连，所述的压力 传感器经导线与压力数据采集系统相连，模拟箱的下部设有出水口，出水口处设有排水阀门， 出水口经出水管连接至蓄水箱内。

所述的蓄水箱设在支架内或支架外侧。

所述的模拟井筒上设有由加压设备控制的加压块。

所述模拟箱下部的出水口为两个，位于岩层位置处的箱壁两侧，成对角分布。

一种使用上述装置的立井井壁稳定性受含水层动变影响的模拟方法，包括如下步骤：

1)组合可透视的模拟箱，制备相似材料；

2)在模拟箱底部填筑埋置层，内埋设排水管，排水管一端内接模拟箱的排水口，另一端 上接将要填筑的承压含水层；

3)在埋置层上方先填筑相似材料的岩层，在岩层中轴线位置处埋置相似比模拟井筒，并 在模拟井筒内壁粘贴环形应变片，环形应变片通过导线从模拟井筒内壁引出并固定于外部支 架上，与应变数据采集系统连接，在岩层上部靠近模拟井筒位置处埋设压力传感器，通过导 线引出并固定于外部支架上，与压力数据采集系统连接；

4)在岩层的上方进行注水填筑承压含水层，并在承压含水层上部安装环形补水管，环形 补水管的入口经连通管引出并与固定在模拟箱上方的给水溢流箱连接，可通过给水溢流箱来 补给承压含水层水源，在承压含水层上方放置隔水板来保持含水层的密封性和独立性；

5)在隔水板的上方继续填筑相似材料土层二、土层一直至达到模拟箱高度，分层压实并 保持立井模拟井筒的竖直；

6)通过加压设备控制加压块向岩土层模型施加作用力，模拟地层上覆岩受力条件；

7)打开排水阀门进行排水，通过控制排水阀门流量的大或小来控制出水口的流速，同时 通过应变数据采集系统记录排水过程中的井筒内的应变量，压力数据采集系统记录排水过程 中承压含水层水压的变化量；

8)当承压含水层的排水结束以后，对采集到的数据进行定量分析，得出立井井壁稳定性 受含水层动变影响的模拟情况；

9)再次进行试验时，通过抽水泵将排入蓄水箱中的水再抽入给水溢流箱中，通过连通管 进入环形补水管再次对承压含水层注水，重复步骤6、7、8，完成再次试验。

所述的土层二采用粒径为0.5mm～2mm的粗砂层，土层一采用粒径为0.25mm～0.5mm的 细、中砂层，厚度分别为150mm。

所述的承压含水层厚度为300mm。

有益效果：由于采用了上述方案，本发明通过室内模拟承压含水层失水变化对井壁稳定 性影响试验以较小的代价来测定承压层失水条件下井壁应变变化及孔隙水压力的变化，建立 起含水层水压力短时动态变化与井壁变形的关系，进一步深化对立井井壁破坏机理的认识， 以及对水土-结构耦合关系的认知。将应变片粘贴在模拟井筒内壁，用于获取承压含水层失水 条件下井壁应变变化；将压力传感器放置在承压含水层底部，用于获取承压层失水条件下孔 隙水压力的变化。通过室内试验模拟承压含水层失水变化对井壁稳定性影响，精确获取井壁 应变参数和孔隙水压力参数，建立起含水层水压力短时动态变化与井壁变形的关系，适用于 大学专业课程教学和科研数据采集，对实际工程问题提供支持。其结构简单，操作方便，模 拟效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明装置的主视结构图。

图2为本发明装置的侧视剖面结构图。

图中：1、给水溢流箱；2、加载设备；3、土层；4、土层；5、承压含水层；6、岩层；7、 埋置层；8、压力传感器；9、蓄水箱；10、模拟井筒；11、隔水板；12、环形补水管；13、 应变片；14、排水阀门；15、导线；16、应变数据采集系统；17、压力数据采集系统；18、 抽水泵；19、支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的立井井壁稳定性受含水层动变影响的模拟装置，主要由模拟箱、设在模拟箱内 的相似材料层、传感器、应变数据采集系统16、压力数据采集系统17、抽水泵18、支架19、 蓄水箱9构成；所述的蓄水箱9设在支架19内或支架19外侧。在所述的支架19上设置可透 视的模拟箱，模拟箱内由下而上依次设置埋置层7、岩层6、承压含水层5、土层二4、土层 一3，所述的土层二4与承压含水层5之间设有隔水板11，所述的土层二4采用粒径为 0.5mm～2mm的粗砂层，土层一3采用粒径为0.25mm～0.5mm的细、中砂层，其厚度分别为 150mm。所述的承压含水层5采用岩土层，其厚度为300mm。所述的承压含水层5内设有环 形补水管12，环形补水管12经连通管沿模拟箱壁伸出，与设在模拟箱上方的给水溢流箱1 相连，给水溢流箱1经连通管与抽水泵18的出水口相连，所述模拟箱下部的出水口为两个， 位于岩层6位置处的箱壁两侧，成对角分布。抽水泵18的入水口经连通管伸入蓄水箱9内； 所述模拟箱的中部设有由上而下深入岩层6内的模拟井筒10，所述的模拟井筒10上方设有 由加压设备控制的加压块2。在位于承压含水层5的底部设有压力传感器8，并在承压含水层 5内的模拟井筒10的内壁上设置应变片13，所述应变片13经导线15与应变数据采集系16 相连，所述的压力传感器8经导线15与压力数据采集系统17相连，模拟箱的下部设有出水 口，出水口处设有排水阀门14，出水口经出水管连接至蓄水箱9内。

本发明的立井井壁稳定性受含水层动变影响的模拟方法，采用在模拟箱内设置相似材料 的岩土层模型，正面为钢板内镶嵌透明亚克板，可以直观岩土层分层以及含水层情况，外接 的给水溢流箱1提供含水层水源，含水层补给可从一侧、双侧或四周供水，通过内设的环形 补水管12，控制补给区域，在岩土层模型的上端有加压块2，在模型几何中心内从上到下贯 穿有相似比的模拟井筒10；具体步骤如下：

1)组合可透视的模拟箱，制备相似材料；

2)在模拟箱底部填筑埋置层7，内埋设两条排水管，两条排水管一端分别内接模拟箱两 侧对角排水口，另一端分别上接将要填筑的承压含水层5；

3)在埋置层7上方先填筑相似材料的岩层6，在岩层6中轴线位置处埋置相似比模拟井 筒10，并在模拟井筒10内壁粘贴环形应变片13，环形应变片13通过导线15从模拟井筒10 内壁引出并固定于外部支架上，与应变数据采集系统16连接，在岩层6上部靠近模拟井筒 10位置处埋设压力传感器8，通过导线15引出并固定于外部支架上，与压力数据采集系统 17连接；

4)在岩层6的上方进行注水填筑承压含水层5，并在承压含水层5上部安装环形补水管 12，环形补水管12的入口经连通管引出并与固定在模拟箱上方的给水溢流箱1连接，可通过 给水溢流箱1来补给承压含水层5水源，在承压含水层5上方放置隔水板12来保持含水层的 密封性和独立性；所述的承压含水层5厚度为300mm。

5)在隔水板12的上方继续填筑相似材料土层二4、土层一3直至达到模拟箱高度，分 层压实并保持立井模拟井筒10的竖直；所述的土层二4采用粒径为0.5mm～2mm的粗砂层， 土层一3采用粒径为0.25mm～0.5mm的细、中砂层，厚度分别为150mm。

6)填筑完成，通过加压设备控制加压块2向岩土层模型施加作用力，模拟地层上覆岩受 力条件；

7)一切准备工作就绪以后，打开排水阀门14进行排水，排水阀门14可以单开或双开来 控制水的流量，通过控制排水阀门14流量的大或小来控制出水口的流速，同时通过应变数据 采集系统16记录排水过程中的井筒10内的应变量，压力数据采集系统17记录排水过程中承 压含水层5水压的变化量；

8)当承压含水层5的排水结束以后，对采集到的数据进行定量分析，得出立井井壁稳定 性受含水层动变影响的模拟情况；

9)再次进行试验时，通过抽水泵18将排入蓄水箱9中的水再抽入给水溢流箱1中，通 过连通管进入环形补水管12再次对承压含水层5注水，重复步骤6、7、8，完成再次试验。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发 明的保护范围。