砂土液化测试系统、新型矿井井筒及缓解其不平衡地压的方法

1.本发明涉及一种砂土液化测试系统、新型矿井井筒及缓解其不平衡地压的方法。


背景技术：

2.煤矿开采中井壁的稳定性直接关系到采矿的安全和正常生产，由于矿井的大体型和地质条件的复杂性，难以在实验室实现对工程中井筒受力的试验。以往的室内井筒试验需要用到大型的伺服试验机对井筒施加围压，不能分析局部围压对井筒破坏特征的影响。
3.通常情况下，矿井井筒外壁受到地压大小基本一致，且均指向矿井井筒中心，矿井井筒受力平衡。受采空区影响或地质运动影响，也会出现某一深度的矿井井筒一侧外壁受到地压远大于另一侧外壁所受地压，这种不平衡地压对矿井井筒损害最大。现有技术缺乏缓解矿井井筒局部出现严重不平衡地压的方法和技术。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是如何填补现有技术的上述空白，提供一种砂土液化测试系统、新型矿井井筒及缓解其不平衡地压的方法。
5.为解决上述技术问题，本砂土液化测试系统包括待测井筒试件、数据采集组件、电子应变箱和计算机，所述数据采集组件、电子应变箱和计算机顺次连接成应力监测系统，所述数据采集组件包括多个应变片，上述应变片分别粘贴在待测井筒试件外圆周上，并通过应变片数据线与所述电子应变箱相连，其特征在于：其还包括施压装置、高压水泵和可计量的贮水箱，施压装置包括基板、外环和多个液压缸，所述待测井筒试件上均匀设有多个高压注水管，上述高压注水管的轴心线均与待测井筒试件的轴心线垂直相交，每个高压注水管均贯穿所述待侧井筒试件的侧壁，其外端与待测井筒试件外圆周面齐平，其内端露出待测井筒试件内侧壁，并设有阀门，所述待测井筒试件下端压在基板上，所述外环套在待测井筒试件外，待测井筒试件的轴心线与外环的轴心线重合，且外环下沿与基板固定连接，基板上方的待测井筒试件与外环之间形成环形砂土容纳空间，所述液压缸围绕待测井筒试件轴心线，均匀分布在环形砂土容纳空间上方，每个液压缸顶部固定，其下端固连在一压头上，所有压头围成一个可压入环形砂土容纳空间的分体环形压头，所有液压缸分别配有液压操作阀，并通过液压操作阀与配用高压乳化液泵的出口相通，所述高压水泵的入口管与可计量的贮水箱相通，所述高压水泵的出口管上设有单向阀，并与各个高压注水管内端相通。如此设计，便于测量各种砂土在重压下遇水液化到可流动状态所需水量。
6.本发明新型矿井井筒，包括矿井井筒本体、数据采集组件、电子应变箱和计算机，所述数据采集组件、电子应变箱和计算机顺次连接成应力监测系统，所述数据采集组件包括多个应变片，上述应变片分别粘贴在矿井井筒本体外圆周上，并通过应变片数据线与所述电子应变箱相连，并依照深度、方位不同对各个应变片分别标记，其特征在于：位于砂质
地层的矿井井筒本体上均匀设有多个高压注水管，上述高压注水管的轴心线均与矿井井筒本体的轴心线垂直相交，每个高压注水管均贯穿所述矿井井筒本体的侧壁，其内端露出矿井井筒本体内侧壁，并设有阀门。
7.如此设计，便于通过对出现严重地压不平衡的矿井井筒周边砂土注水，促使其液化、流动达到平衡地压的效果。
8.本发明缓解新型矿井井筒不平衡地压的方法，包括下述步骤：
①
.购入或建造前述的砂土液化测试系统；开挖、建造前述新型矿井井筒，并将开挖出的岩土，按地层高度分别标记、分别储存，各个高压注水管上的阀门均关闭；
②
.新型矿井井筒正常投用，通过计算机通过各个应变片实时监测新型矿井井筒外围地层的地压变化，并比较新型矿井井筒上不同深度的应变片感应到的地压变化；
③
.当发现某一深度的新型矿井井筒一侧应变片感应到地压与该深度下另一侧应变片感应到地压的差值达到相应新型矿井井筒的设计破坏极限压力（如30mpa）的80%时，判断为该深度的新型矿井井筒周边地层出现了急需处理的不平衡地压；
④
.取第
①
步时所储存同一深度的岩土，置入所述砂土液化测试系统的环形砂土容纳空间内，然后操纵所述砂土液化测试系统的各个液压缸，使各个液压缸下端的压头挤压其下方的岩土，并使待测井筒试件外圆周上应变片显示的数据，与第
②
、
③
所得出现不平衡地压的深度的新型矿井井筒上应变片感应出的地压数值相等，即用前述的砂土液化测试系统模拟出出现不平衡地压的新型矿井井筒周边地层出现的不平衡地压状态，
⑤
.启动高压水泵，打开待测井筒试件的高压注水管上的阀门，向环形砂土容纳空间内的岩土注清水，并通过砂土液化测试系统的计算机监测待测井筒试件外圆周上各个应变片感应到岩土压强变化，直至待测井筒试件外圆周上各个应变片感应到岩土压强相等或相差不超过10%，此时，环形砂土容纳空间内的岩土已在注入清水及重压的双重作用下流动起来，然后，计算并记录可计量的贮水箱内的清水量的变化数值，该变化数值即为该深度的岩土液化所需清水量，然后操纵各个液压缸收缩，将其下端压头升起，露出环形砂土容纳空间内的岩土，晾干后，重新取出，封存备用，
⑥
.将第
③
所得出现不平衡地压的相应深度的新型矿井井筒上的高压注水管与配用高压水源相接，并打开相应高压注水管上的阀门，向该深度的新型矿井井筒周边的岩土注入第
⑤
步所得相应深度的岩土液化所需清水量，然后关闭各个高压注水管上的阀门，
⑦
.利用所述新型矿井井筒的计算机监测其相应深度的矿井井筒本体外圆周应变片感应到地压数值，并判断各个应变片感应到地压数值是否相等或相差不超过10%，若是，则判断该深度的不平衡地压已被有效缓解，回到第
②
步，若否，则判断该深度的不平衡地压未被有效缓解，回到第
⑥
步，重复操作。
9.当矿井井筒周边砂土出现严重不平衡地压时，通过本发明向相应深度的土层的矿井井筒周边砂土注水，使砂土在水及重压下，流动性增强，自动从高压区向低压区转移，最终达到平衡。如此设计，可以方便地缓解周边砂土出现的不平衡地压，极大地提高矿井井筒安全性。随着时间推移，注入砂土中的水会扩散到周边的土层内。
10.作为优化，第
①
步开挖、建造前述新型矿井井筒时，遇有邻近采空或规划采空区的粘土层或岩石层，扩大相应粘土或岩石开孔，并在开孔与矿井井筒之间填充遇水流动性好
的细砂。如此设计，当该深度的矿井井筒出现不平衡地压时，只要通过相应的高压注水管向周边填充的细砂充入适量水，即可使细砂在重压下自动流动起来，达到平衡该深度平衡地压的效果。
11.本发明砂土液化测试系统、新型矿井井筒及缓解其不平衡地压的方法设计科学、原理简单，可以方便地缓解矿井井筒周边砂土出现的不平衡地压，极大地提高了矿井井筒安全性，适合煤矿等各种竖井开采的矿井使用。
附图说明
12.下面结合附图对本发明砂土液化测试系统、新型矿井井筒及缓解其不平衡地压的方法，作进一步说明：图1为本发明砂土液化测试系统或新型矿井井筒中应变片、应变片数据线、电子应变箱及计算机的电路简图图2为本发明砂土液化测试系统中测井筒试件及施压装置的立体结构示意图；图3为本发明砂土液化测试系统中液压缸及压头的结构示意图；图4为图2所示本发明砂土液化测试系统中测井筒试件及施压装置的局部剖面结构示意图（仅沿过轴心线的竖直平面对待测砼井筒试件和液压缸进行剖切）；图5为本发明砂土液化测试系统中高压水泵、可计量的贮水箱与高压注水管之间结构示意图；图6为本发明新型矿井井筒的局部立体结构示意图。
13.图中：1为待测砼井筒试件、2为电子应变箱、3为计算机、4为应变片、5为应变片数据线、6为高压水泵、7为可计量的贮水箱、8为基板、9为外环、10为液压缸、11为高压注水管、12为阀门、13为环形砂土容纳空间、14为压头、15为单向阀、16为矿井井筒本体、17为端子、18为连接螺栓。
具体实施方式
14.实施方式一：如图1-5所示，本发明砂土液化测试系统包括待测井筒试件1、数据采集组件、电子应变箱2和计算机3，所述数据采集组件、电子应变箱2（参见cn 11944382 a公开的应力应变仪）和计算机3顺次连接成应力监测系统，所述数据采集组件包括多个应变片4，上述应变片4分别粘贴在待测井筒试件1外圆周上，并通过应变片数据线5（应变片、应变片数据线参见cn 11944382 a）与所述电子应变箱2相连，其特征在于：其还包括施压装置、高压水泵6和可计量的贮水箱7，施压装置包括基板8、外环9和多个液压缸10，所述待测井筒试件1上均匀设有多个高压注水管11，上述高压注水管11的轴心线均与待测井筒试件1的轴心线垂直相交，每个高压注水管11均贯穿所述待侧井筒试件1的侧壁，其外端与待测井筒试件1外圆周面齐平，其内端露出待测井筒试件1内侧壁，并设有阀门12，所述待测井筒试件1下端压在基板8上，所述外环9套在待测井筒试件1外，待测井筒试件1的轴心线与外环9的轴心线重合，且外环9下沿与基板8固定连接，基板8上方的待测井筒试件1与外环9之间形成环形砂土容纳空间13，如图4所示。为便于加工，外环9采用分体式，各部分由螺栓18相互连接。
15.所述液压缸10围绕待测井筒试件1轴心线，均匀分布在环形砂土容纳空间13上方，每个液压缸10顶部固定，其下端固连在一压头14上，所有压头14围成一个可压入环形砂土
容纳空13间的分体环形压头，所有液压缸10分别配有液压操作阀（图中未示出），并通过液压操作阀与配用高压乳化液泵（图中未示出）的出口相通，如图5所示，所述高压水泵6的入口管与可计量的贮水箱7相通，所述高压水泵6的出口管上设有单向阀15，并与各个高压注水管11内端相通。
16.如图1、6所示，本发明新型矿井井筒包括矿井井筒本体16、数据采集组件、电子应变箱2和计算机3，所述数据采集组件、电子应变箱2和计算机3顺次连接成应力监测系统，所述数据采集组件包括多个应变片4，上述应变片4分别粘贴在矿井井筒本体16外圆周上，并通过应变片数据线5与所述电子应变箱2相连，并依照深度、方位不同对各个应变片4分别标记，其特征在于：位于砂质地层的矿井井筒本体16上均匀设有多个高压注水管11，上述高压注水管11的轴心线均与矿井井筒本体16的轴心线垂直相交，每个高压注水管11均贯穿所述矿井井筒本体16的侧壁，其内端露出矿井井筒本体16内侧壁，并设有阀门12。注：本发明新型矿井井筒16局部结构与前述待测井筒试件1结构类似。
17.本发明缓解新型矿井井筒不平衡地压的方法，包括下述步骤：
①
.购入或建造前述的砂土液化测试系统；开挖、建造前述新型矿井井筒，并将开挖出的岩土，按地层高度分别标记、分别储存，各个高压注水管11上的阀门12均关闭；
②
.新型矿井井筒正常投用，通过计算机3通过各个应变片4实时监测新型矿井井筒外围地层的地压变化，并比较新型矿井井筒上不同深度的应变片感应到的地压变化；
③
.当发现某一深度的新型矿井井筒一侧应变片感应到地压与该深度下另一侧应变片感应到地压的差值达到相应新型矿井井筒的设计破坏极限压力（如30mpa）的80%时，判断为该深度的新型矿井井筒周边地层出现了急需处理的不平衡地压；
④
.取第
①
步时所储存同一深度的岩土，置入所述砂土液化测试系统的环形砂土容纳空间13内，然后操纵所述砂土液化测试系统的各个液压缸10，使各个液压缸10下端的压头14挤压其下方的岩土，并使待测井筒试件外圆周上应变片显示的数据，与第
②
、
③
所得出现不平衡地压的深度的新型矿井井筒上应变片感应出的地压数值相等，即用前述砂土液化测试系统模拟出出现不平衡地压的新型矿井井筒周边地层出现的不平衡地压状态，
⑤
.启动高压水泵6，打开待测井筒试件1的高压注水管11上的阀门12，向环形砂土容纳空间13内的岩土注清水，并通过砂土液化测试系统的计算机3监测待测井筒试件1外圆周上各个应变片感应到岩土压强变化，直至待测井筒试件1外圆周上各个应变片4感应到岩土压强相等或相差不超过10%，此时，环形砂土容纳空间13内的岩土已在注入清水及重压的双重作用下流动起来，然后，计算并记录可计量的贮水箱7内的清水量的变化数值，该变化数值即为该深度的岩土液化所需清水量，然后操纵各个液压缸10收缩，将其下端压头14升起，露出环形砂土容纳空间13内的岩土，晾干后，重新取出，封存备用，
⑥
.将第
③
所得出现不平衡地压的相应深度的新型矿井井筒上的高压注水管11与配用高压水源（图中未示出）相接，并打开相应高压注水管11上的阀门12，向该深度的新型矿井井筒周边的岩土注入第
⑤
步所得相应深度的岩土液化所需清水量，然后关闭各个高压注水管11上的阀门12。
18.所述配用高压水源与前述高压水泵6均可选用高压活塞泵。
19.⑦
.利用所述新型矿井井筒的计算机3监测其相应深度的矿井井筒本体16外圆周
上的应变片4感应到地压数值，并判断各个应变片3感应到地压数值是否相等或相差不超过10%，若是，则判断该深度的不平衡地压已被有效缓解，回到第
②
步，若否，则判断该深度的不平衡地压未被有效缓解，回到第
⑥
步，重复操作。
20.第
①
步开挖、建造前述新型矿井井筒时，遇有邻近采空或规划采空区的粘土层或岩石层，扩大相应粘土或岩石开孔，并在开孔与矿井井筒之间填充遇水流动性好的细砂，图略。

技术特征：
1.一种砂土液化测试系统，包括待测井筒试件、数据采集组件、电子应变箱和计算机，所述数据采集组件、电子应变箱和计算机顺次连接成应力监测系统，所述数据采集组件包括多个应变片，上述应变片分别粘贴在待测井筒试件外圆周上，并通过应变片数据线与所述电子应变箱相连，其特征在于：其还包括施压装置、高压水泵和可计量的贮水箱，施压装置包括基板、外环和多个液压缸，所述待测井筒试件上均匀设有多个高压注水管，上述高压注水管的轴心线均与待测井筒试件的轴心线垂直相交，每个高压注水管均贯穿所述待侧井筒试件的侧壁，其外端与待测井筒试件外圆周面齐平，其内端露出待测井筒试件内侧壁，并设有阀门，所述待测井筒试件下端压在基板上，所述外环套在待测井筒试件外，待测井筒试件的轴心线与外环的轴心线重合，且外环下沿与基板固定连接，基板上方的待测井筒试件与外环之间形成环形砂土容纳空间，所述液压缸围绕待测井筒试件轴心线，均匀分布在环形砂土容纳空间上方，每个液压缸顶部固定，其下端固连在一压头上，所有压头围成一个可压入环形砂土容纳空间的分体环形压头，所有液压缸分别配有液压操作阀，并通过液压操作阀与配用高压乳化液泵的出口相通，所述高压水泵的入口管与可计量的贮水箱相通，所述高压水泵的出口管上设有单向阀，并与各个高压注水管内端相通。2.一种新型矿井井筒，包括矿井井筒本体、数据采集组件、电子应变箱和计算机，所述数据采集组件、电子应变箱和计算机顺次连接成应力监测系统，所述数据采集组件包括多个应变片，上述应变片分别粘贴在矿井井筒本体外圆周上，并通过应变片数据线与所述电子应变箱相连，其特征在于：位于砂质地层的矿井井筒本体上均匀设有多个高压注水管，上述高压注水管的轴心线均与矿井井筒本体的轴心线垂直相交，每个高压注水管均贯穿所述矿井井筒本体的侧壁，其内端露出矿井井筒本体内侧壁，并设有阀门。3.一种缓解新型矿井井筒不平衡地压的方法，包括下述步骤：
①
.购入或建造权利要求1所述的砂土液化测试系统；开挖、建造权利要求2所述新型矿井井筒，并将开挖出的岩土，按地层高度分别标记、分别储存，各个高压注水管上的阀门均关闭；
②
.新型矿井井筒正常投用，通过计算机通过各个应变片实时监测新型矿井井筒外围地层的地压变化，并比较新型矿井井筒上不同深度的应变片感应到的地压变化；
③
.当发现某一深度的新型矿井井筒一侧应变片感应到地压与该深度下另一侧应变片感应到地压的差值达到相应新型矿井井筒的设计破坏极限压力的80%时，判断为该深度的新型矿井井筒周边地层出现了急需处理的不平衡地压；
④
.取第
①
步时所储存同一深度的岩土，置入所述砂土液化测试系统的环形砂土容纳空间内，然后操纵所述砂土液化测试系统的各个液压缸，使各个液压缸下端的压头挤压其下方的岩土，并使待测井筒试件外圆周上应变片显示的数据，与第
②
、
③
所得出现不平衡地压的深度的新型矿井井筒上应变片感应出的地压数值相等，即用权利要求1所述的砂土液化测试系统模拟出出现不平衡地压的新型矿井井筒周边地层出现的不平衡地压状态，
⑤
.启动高压水泵，打开待测井筒试件的高压注水管上的阀门，向环形砂土容纳空间内的岩土注清水，并通过砂土液化测试系统的计算机监测待测井筒试件外圆周上各个应变片感应到岩土压强变化，直至待测井筒试件外圆周上各个应变片感应到岩土压强相等或相差不超过10%，
此时，环形砂土容纳空间内的岩土已在注入清水及重压的双重作用下流动起来，然后，计算并记录可计量的贮水箱内的清水量的变化数值，该变化数值即为该深度的岩土液化所需清水量，然后操纵各个液压缸收缩，将其下端压头升起，露出环形砂土容纳空间内的岩土，晾干后，重新取出，封存备用，
⑥
.将第
③
所得出现不平衡地压的相应深度的新型矿井井筒上的高压注水管与配用高压水源相接，并打开相应高压注水管上的阀门，向该深度的新型矿井井筒周边的岩土注入第
⑤
步所得相应深度的岩土液化所需清水量，然后关闭各个高压注水管上的阀门，
⑦
.利用所述新型矿井井筒的计算机监测其相应深度的矿井井筒本体外圆周应变片感应到地压数值，并判断各个应变片感应到地压数值是否相等或相差不超过10%，若是，则判断该深度的不平衡地压已被有效缓解，回到第
②
步，若否，则判断该深度的不平衡地压未被有效缓解，回到第
⑥
步，重复操作。4.如权利要求3所述缓解新型矿井井筒不平衡地压的方法，其特征在于：第
①
步开挖、建造权利要求2所述新型矿井井筒时，遇有邻近采空或规划采空区的粘土层或岩石层，扩大相应粘土或岩石开孔，并在开孔与矿井井筒之间填充遇水流动性好的细砂。

技术总结
本发明涉及一种砂土液化测试系统、新型矿井井筒及缓解其不平衡地压的方法。为填补现有技术空白，本砂土液化测试系统包括待测井筒试件、数据采集组件、电子应变箱、计算机和施压装置、高压水泵和可计量的贮水箱，施压装置包括基板、外环和多个液压缸、待测井筒试件上均匀设有多个高压注水管，外环套在待测井筒试件外，二者之间形成环形砂土容纳空间，液压缸围绕待测井筒试件轴心线均匀分布，其下端固连在一压头上，所有压头围成一个可压入环形砂土容纳空间的分体环形压头，所有液压缸分别配有液压操作阀。本发明可以方便地缓解矿井井筒周边砂土出现的不平衡地压，适合煤矿等各种竖井开采的矿井使用。采的矿井使用。采的矿井使用。


技术研发人员：肖耀猛 郑有雷 陈勇 杨建华 程文武 张黎明 吕文茂 闫昆鹏 常素玲 吴铎 王肖珊 郑连伟 从宇
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：2022.03.24
技术公布日：2022/5/25