济三煤矿松散地层沉降变形光纤光栅监测技术研究

论文摘要

在我国的华东地区普遍分布着深厚的新生界松散含水地层,在非采动影响条件下,新生界松散层下含水通过基岩风化带裂隙通道不断流失,导致水位大幅度下降,引起松散层有效应力增加,含水地层产生压缩变形。分布在该区域内的淮北、淮南、徐州、大屯以及兖州等矿区的上百个生产井筒发生了变形破坏,严重影响了各矿井的安全生产。因此,积极研究针对松散地层沉降变形的观测方法,进一步实现对井筒运行安全的监测,对实现本质安全型矿井有着很重要的意义。本文通过对松散地层沉降变形进行理论分析与数值分析,认为井壁竖直附加应力是导致井筒破坏的根本原因,井筒破坏是水与松散层以及松散层与井筒共同作用的结果。在此基础上,对井筒的变形理论以及破坏发生机理进行了分析,并对济三煤矿井筒的附加应力进行了初步求解,得出附加应力与地层深度变化关系,同时,由数值模拟得知,在实验地质条件下500mm的地层变形能够引起井筒发生破坏。根据光纤光栅传感技术原理和工程地质调查,设计出适合的光纤光栅监测系统,对监测系统数据进行详细变形分析,且与地层水文动态进行综合对比分析,预测出最容易发生井筒破坏的地层区间。根据光纤光栅受力特性,进行了光纤光栅水泥砂浆实验及相关性能实验,得出不同受力情况下光纤光栅波长漂移量随载荷的变化关系。光纤光栅波长变化与松散地层变形以及地下水位变化有着良好对应关系,当地层压缩和地下水位降低时,波长值减小,当地层压缩缓和和水位上升时,波长值增大。光纤光栅监测技术可以用于松散地层的沉降变形观测,进一步实现对井筒的安全状态进行监测,这一技术为相似区域内的井筒灾害预测预报提供了可能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 松散层沉降变形国内外研究现状
• 1.3 井筒变形监测研究现状
• 1.4 现有松散层及井筒变形监测方法存在的问题
• 1.5 光纤光栅监测技术国内外发展现状
• 1.5.1 国外研究现状
• 1.5.2 国内研究现状
• 1.6 论文研究目的和意义
• 1.7 论文研究内容和方法
• 1.7.1 论文研究内容
• 1.7.2 论文研究方法
• 2 松散地层沉降变形理论分析与数值分析
• 2.1 井筒破坏原因分析
• 2.1.1 负摩擦力观点
• 2.1.2 新构造运动观点
• 2.1.3 渗流变形观点
• 2.1.4 井筒自身强度低观点
• 2.1.5 井壁竖直附加应力观点
• 2.1.6 关于几种观点的讨论
• 2.2 松散地层及井筒沉降变形的一般规律
• 2.3 井筒破裂过程发生机制分析
• 2.3.1 水与松散层相互作用过程分析
• 2.3.2 松散层与井筒相互作用过程分析
• 2.3.3 松散土层变形时外井壁的附加应力求解及强度校核
• 2.4 井筒变形理论分析
• 2.4.1 力学模型建立
• 2.4.2 力学理论分析
• 2.5 济三煤矿井筒附加应力求解
• 2.5.1 附加应力计算方程
• 2.5.2 应力求解
• 2.6 数值分析
• 2.6.1 RFPA 基本思想
• 2.6.2 数值分析过程实现
• 2.6.3 井筒破裂过程数值模拟分析
• 3 光纤光栅传感技术原理
• 3.1 光纤光栅传感原理
• 3.1.1 光纤光栅结构
• 3.1.2 光纤光栅传感原理及基本光学特性
• 3.2 光纤光栅传感器种类
• 3.2.1 光纤Bragg 光栅传感器
• 3.2.2 光纤Bragg 光栅复用能力
• 3.3 光纤光栅井筒变形监测机理
• 4 光纤光栅监测系统及实施方案
• 4.1 光纤Bragg 光栅监测系统
• 4.2 地面监测系统硬件及软件设计
• 4.3 技术实施方案
• 4.3.1 工程概况
• 4.3.2 关键技术
• 4.3.3 监测系统层位设计
• 4.3.4 预设钻孔施工工艺
• 4.3.5 光纤光栅监测系统下放工艺
• 4.3.6 封孔工艺
• 5 光纤Bragg 光栅水泥砂浆试件实验研究
• 5.1 压缩实验
• 5.1.1 实验目的
• 5.1.2 实验原理
• 5.1.3 实验仪器、设备和材料
• 5.1.4 实验试件制备
• 5.1.5 试件物性测定
• 5.1.6 实验过程
• 5.1.7 实验结果
• 5.2 拉伸实验
• 5.2.1 实验原理
• 5.2.2 实验材料及比例
• 5.2.3 试件制备
• 5.2.4 实验装置及过程
• 5.2.5 实验结果
• 5.3 压缩和拉伸实验结论
• 5.4 光纤Bragg 光栅承载能力实验
• 5.4.1 实验目的
• 5.4.2 实验过程
• 5.4.3 实验结果
• 6 松散层变形的光纤光栅监测应用及结果分析
• 6.1 应用效果分析
• 6.1.1 系统设计及下放工艺分析
• 6.1.2 系统监测数据分析
• 6.2 松散层位变形分析
• 6.2.1 第10 层变形分析
• 6.2.2 第15 层变形分析
• 6.2.3 第17 层变形分析
• 6.2.4 第21 层变形分析
• 6.2.5 第22 层变形分析
• 6.2.6 第24 层变形分析
• 6.2.7 第29 层变形分析
• 6.2.8 第32 层变形分析
• 6.2.9 第34 层变形分析
• 6.2.10 第38 层变形分析
• 6.3 光纤光栅监测结果与已有研究成果对比分析
• 6.4 光纤光栅监测与水文动态对比分析
• 6.5 松散地层变形随深度变化关系及井筒破坏预测
• 7 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录