【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及矿山建设，具体涉及一种沉降地层井筒模型试验装置及试验方法。
技术介绍
1、井壁破坏的原因主要是由于抽取地下水使含水层水位下降，造成土体固结沉降，致使井壁承受附加力，附加力使井壁产生下拽作用，与井壁自重应力叠加后已接近或大于原设计井壁的极限强度。
2、目前亟须需要开发一种沉降地层井筒模型试验装置，能够模拟出在地层发生沉降时，井筒受力分布的实际情况。
技术实现思路
1、(一)本专利技术所要解决的问题是：如何模拟出在地层发生沉降时，井筒受力分布的实际情况。
2、(二)技术方案
3、一种沉降地层井筒模型试验装置，包括筒体机构、冻融机构、温度检测机构、应变检测机构、地层压力模拟机构和井筒自重模拟机构；
4、所述筒体机构包括井筒和筒体，所述筒体内部具有筒腔，且所述筒体的顶端具有开口，所述井筒的下表面固定于所述筒腔的内底壁，且与所述筒体同轴设置，所述井筒的外侧面与所述筒体的内壁之间形成有环状的土层腔；
5、所述土层腔内自下而上依次填充有混合料和土壤层，所述混合料中的含水率为20％-25％，所述混合料被冻结时，用于支撑所述土壤层；所述混合料从冻结状态到融化状态时，用于模拟地层下沉；所述筒体上设有抽取机构，当所述混合料从冻结状态到融化状态时，所述抽取机构抽取呈融化状态的所述混合料并排出；
6、所述冻融机构用于冻结或融化所述土层腔内的所述混合料；
7、所述地层压力模拟机构用于朝所述土壤层施加朝下的压力以模
8、所述井筒自重模拟机构用于朝所述井筒施加朝下的压力以模拟所述井筒受到的自重；
9、所述温度检测机构用于检测所述混合料的温度，所述应变检测机构用于检测所述井筒内壁的应变信息。
10、根据本专利技术的一个实施例，所述筒体靠近底部的侧壁上开设有抽取孔，所述抽取机构与所述抽取孔密封连接。
11、根据本专利技术的一个实施例，所述抽取机构包括抽取管、阀体和抽取泵；所述抽取管的一端与所述抽取孔密封连接，所述阀体安装在所述抽取管上用于控制所述抽取管的通断，所述抽取泵的进料口与所述抽取管的一端相连通。
12、根据本专利技术的一个实施例，所述冻融机构包括冻融管、供液管、回液管和冻结机；
13、所述冻融管安装于土层腔的底部区域用于冻结或融化处于底部区域内的混合料；所述冻融管具有进液口和出液口，所述供液管的一端与所述冻融管的进液口相连通，其另一端与所述冻结机的出水口相连通，所述回液管的一端与所述冻融管的出液口相连通，其另一端与所述冻结机的进水口相连通。
14、根据本专利技术的一个实施例，所述温度检测机构包括温度采集设备和至少一个温度传感器，所述温度传感器安装于所述土层腔的底部区域，所述温度传感器与所述温度采集设备电连接。
15、根据本专利技术的一个实施例，所述应变检测机构包括至少一个分布式定点光缆和终端设备，所述分布式定点光缆沿着所述井筒的轴线方向安装于所述井筒的内壁上，所述分布式定点光缆和所述终端设备信号连接。
16、根据本专利技术的一个实施例，所述沉降地层井筒模型试验装置还包括反力架，所述反力架包括横板和多个立柱，所述立柱固定于所述横板的下表面以支撑所述横板，所述横板高于所述井筒；
17、所述地层压力模拟机构和所述井筒自重模拟机构均安装在所述横板上。
18、根据本专利技术的一个实施例，所述筒体机构还包括盖板，所述盖板与所述土层腔相适配用于盖合在所述土层腔内；所述土层压力模拟机构包括四个第一千斤顶，所述第一千斤顶的顶端固定于所述横板上，四个所述第一千斤顶在所述盖板上的投影绕着所述盖板的轴线均匀设置。
19、根据本专利技术的一个实施例，所述井筒自重模拟机构设置于所述井筒的正上方，所述井筒自重模拟机构包括第二千斤顶和压板，所述第二千斤顶的顶端固定于所述横板上，所述压板固定于所述第二千斤顶的底端，所述第二千斤顶用于带动所述压板朝下方移动以使得所述压板作用于所述井筒的上表面。
20、一种沉降地层井筒模型试验方法，使用了上述的一种沉降地层井筒模型试验装置，包括如下步骤：
21、搭建好筒体机构、冻融机构、温度检测机构、应变检测机构、地层压力模拟机构和井筒自重模拟机构；
22、朝土层腔内填充混合料，然后利用冻融机构冻结混合料；接着在冻结后的混合料上放置隔热板，之后在隔热板上填充土壤层并放置盖板；
23、利用地层压力模拟机构朝盖板施加向下的压力以模拟地层压力；
24、利用井筒自重模拟机构朝井筒的上表面施加向下的压力以模拟井筒受到的自重；
25、利用冻融机构融化混合料以模拟地层下沉，并利用抽取机构抽取融化后的混合料，同时利用应变检测机构测量井筒内壁的应变信息，并将试验全过程的摩擦力分布规律记录下来，最后对得到的试验数据进行处理。
26、本专利技术的有益效果：
27、本专利技术提供的一种沉降地层井筒模型试验装置，包括筒体机构、冻融机构、温度检测机构、应变检测机构、地层压力模拟机构和井筒自重模拟机构；筒体机构包括井筒和筒体，筒体内部具有筒腔，且筒体的顶端具有开口，井筒的下表面固定于筒腔的内底壁，且与筒体同轴设置，井筒的外侧面与筒体的内壁之间形成有环状的土层腔；土层腔内自下而上依次填充有混合料和土壤层，混合料中的含水率为20％-25％，混合料被冻结时，用于支撑土壤层；混合料从冻结状态到融化状态时，用于模拟地层下沉；筒体上设有抽取机构，当混合料从冻结状态到融化状态时，抽取机构抽取呈融化状态的混合料并排出，冻融机构用于冻结或融化土层腔内的混合料；地层压力模拟机构用于朝土壤层施加朝下的压力以模拟地层压力；井筒自重模拟机构用于朝井筒施加朝下的压力以模拟井筒受到的自重；温度检测机构用于检测混合料的温度，应变检测机构用于检测井筒内壁的应变信息。
28、先朝土层腔内填入混合料。之后开启冻结机，冻结机将介质温度降低至-30℃，冻融管内的低温介质冻结混合料。在这个过程中，温度检测机构对混合料的温度进行自动监测，以保证混合料达到稳定的冻结状态。之后再填入土壤层，并盖上盖板。接着利用地层压力模拟机构朝土壤层施加朝下的压力以模拟地层压力，并利用井筒自重模拟机构朝井筒施加朝下的压力以模拟井筒受到的自重。利用冻结机的制热设备升高介质温度至30℃，混合料开始融化，同时利用温度检测机构监测混合料的温度，以保证混合料处于融化状态，以使得地层处于沉降状态，并利用抽取机构将融化状态的混合料抽走并排出到外界。利用应变检测机构测量地层沉降时井筒内壁的应变信息，并将试验全过程的摩擦力分布规律记录下来，最后对得到的试验数据进行处理。
29、使用本沉降地层井筒模型试验装置能有效的模拟出在地层下沉时，井筒的受力分布情况。对各矿井井壁建造以及维护都有一定的意义，能够提高矿井工作时的安全性，防治井壁出现坍塌等情况，能及时保护采矿、勘探人员的安全。
30、一种沉降地层井筒模型试验方法，使用本沉本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，包括筒体机构、冻融机构、温度检测机构、应变检测机构、地层压力模拟机构和井筒自重模拟机构；
2.根据权利要求1所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述筒体(1)靠近底部的侧壁上开设有抽取孔，所述抽取机构与所述抽取孔密封连接。
3.根据权利要求2所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述抽取机构包括抽取管、阀体和抽取泵；所述抽取管的一端与所述抽取孔密封连接，所述阀体安装在所述抽取管上用于控制所述抽取管的通断，所述抽取泵的进料口与所述抽取管的一端相连通。
4.根据权利要求1所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述冻融机构包括冻融管(7)、供液管(8)、回液管(9)和冻结机(10)；
5.根据权利要求1所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述温度检测机构包括温度采集设备(14)和至少一个温度传感器(18)，所述温度传感器(18)安装于所述土层腔的底部区域，所述温度传感器(18)与所述温度采集设备(14)电连接。
6.根据权利要求1所述的一
7.根据权利要求1所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述沉降地层井筒模型试验装置还包括反力架，所述反力架包括横板(17)和多个立柱(16)，所述立柱(16)固定于所述横板(17)的下表面以支撑所述横板(17)，所述横板(17)高于所述井筒(2)；
8.根据权利要求7所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述筒体机构还包括盖板(3)，所述盖板(3)与所述土层腔相适配用于盖合在所述土层腔内；所述土层压力模拟机构包括四个第一千斤顶(5)，所述第一千斤顶(5)的顶端固定于所述横板(17)上，四个所述第一千斤顶(5)在所述盖板(3)上的投影绕着所述盖板(3)的轴线均匀设置。
9.根据权利要求7所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述井筒自重模拟机构设置于所述井筒(2)的正上方，所述井筒自重模拟机构包括第二千斤顶(6)和压板(4)，所述第二千斤顶(6)的顶端固定于所述横板(17)上，所述压板(4)固定于所述第二千斤顶(6)的底端，所述第二千斤顶(6)用于带动所述压板(4)朝下方移动以使得所述压板(4)作用于所述井筒(2)的上表面。
10.一种沉降地层井筒模型试验方法，使用了权利要求1-9中任一所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，包括筒体机构、冻融机构、温度检测机构、应变检测机构、地层压力模拟机构和井筒自重模拟机构；
2.根据权利要求1所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述筒体(1)靠近底部的侧壁上开设有抽取孔，所述抽取机构与所述抽取孔密封连接。
3.根据权利要求2所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述抽取机构包括抽取管、阀体和抽取泵；所述抽取管的一端与所述抽取孔密封连接，所述阀体安装在所述抽取管上用于控制所述抽取管的通断，所述抽取泵的进料口与所述抽取管的一端相连通。
4.根据权利要求1所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述冻融机构包括冻融管(7)、供液管(8)、回液管(9)和冻结机(10)；
5.根据权利要求1所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述温度检测机构包括温度采集设备(14)和至少一个温度传感器(18)，所述温度传感器(18)安装于所述土层腔的底部区域，所述温度传感器(18)与所述温度采集设备(14)电连接。
6.根据权利要求1所述的一种沉降地层井筒模型试验装置，其特征在于，所述应变检测机构包括至少一个分布式定点光缆(19)和终端设备，所述分布式定点光缆(19)沿着所述井筒(2)的轴线方向安装于所述井筒(2)的内壁上，所述分布...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晓健，程桦，姚直书，荣传新，蔡海兵，宋海清，黎明镜，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：
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