CN113340359B - 一种软岩蠕变原位监测分析方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软岩蠕变原位监测分析方法和系统，方法包括：在不同孔隙压力和温度工况下获取位于不同深度地层上各测点的变形、应变和应力的瞬时数据和蠕变数据；根据现场监测得到的压力的瞬时数据，计算得到各深度地层上任意点的瞬时变形、应变和应力；根据现场监测得到的各测点的变形或应变的蠕变数据，拟合得到对应测点的岩石原位状态下的蠕变特征参数；根据现场监测得到的数据和计算得到的数据，获得测量段的地层蠕变参数及随深度的变化规律，以及软岩巷道围岩整体随时间的变形量。因此，采用本发明提供的方案，能够及时有效地研究软岩巷道掘进机支护过程中整体变形特征及规律，实现巷道支护参数的针对性设计、有效把握最佳支护时机。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术及矿山安全开采技术领域，尤其涉及一种软岩蠕变原位监测分析方法和系统。
背景技术
目前，针对地层的蠕变参数测试多数是采用室内实验进行的。实验中采用的样品多为现场取回的岩心加工件。由于岩心在采集及运送途中不进行保压保温措施，因此会发生卸压和降温。岩心的卸压和降温对于浅层的地层测试结果影响不大，但是对于深部地层，由于实验时的岩心与实际地层的性质有较大差别，因此对于测试结果的影响较大。
为了降低室内实验中取回的岩心与实际地层性质差别带来的测试结果的差异，出现了现场地层蠕变测试方法。这种现场测试方法一般是在开挖后，采用现场加压的方式尽量保证与实际地层性质的一致，减少测试结果与实际的差异。但是采用这种方法存在如下一些问题：一方面开挖空间大，时间长，卸载影响明显，且不能提供实际地应力；另外，现场监测围岩变形多采用表面位移监测方式，而由于蠕变过程软岩变形量大、时间效应作用周期长，因此该类方法无法做到全过程实时监测，且巷道不同位置变形规律各不相同，因此难以掌握全断面软岩巷道的蠕变变形规律，无法对现场支护方式及支护参数进行合理的指导，影响隧（巷）道的长期稳定使用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。
本发明一方面提供了一种软岩蠕变原位监测分析方法，包括：
在不同孔隙压力和温度工况下获取位于不同深度地层上各测点的变形、应变和应力的瞬时数据和蠕变数据；
根据现场监测得到的压力的瞬时数据，计算得到各深度地层上任意点的瞬时变形、应变和应力；
根据现场监测得到的各测点的变形或应变的蠕变数据，拟合得到对应测点的岩石原位状态下的蠕变特征参数；
根据现场监测得到的数据和计算得到的数据，获得测量段的地层蠕变参数及随深度的变化规律，以及软岩巷道围岩整体随时间的变形量。
优选地，根据如下公式计算得到各深度地层上任意点的瞬时变形、应变和应力：
其中，
为各深度地层上任意点的瞬时变形，
和
分别为各深度地层上任意点的瞬时应变分量，
和
分别为各深度地层上任意点的瞬时应力分量，
为各深度地层上任意点的半径，
为现场监测得到的测点的初始压力，
为现场监测得到的测点的瞬时压力，
为泊松比，
为粘聚力，
为内摩擦角，
为测点的半径，
为塑性半径。
优选地，
、
、
通过室内单三轴压缩实验获得。
优选地，根据现场监测得到的各测点的变形或应变的蠕变数据，利用如下公式
拟合得到对应测点的岩石原位状态下的蠕变特征参数，包括：
为弹簧元件的弹性模量；
、
为开尔文体中弹簧元件的弹性模量与阻尼元件的黏滞系数；
为宾汉姆体中阻尼元件的黏滞系数；
为西原模型进入屈服状态时的屈服极限；
其中，
为现场监测得到的各测点的蠕变应变，
为现场监测得到的各测点的蠕变应力，为蠕变时间。
优选地，还包括步骤，采集在不同孔隙压力和温度工况下位于不同深度地层上各测点的变形、应变和应力的瞬时数据和蠕变数据：
在软岩隧道的断面上向深处钻孔并固定钻孔的前端面；
在钻孔的不同深度的各测点处设置应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器；
向钻孔中注入液体提供向周围地层的不同压力，并控制液体不同的温度；
注液后分时采集各传感器的数据。
优选地，所述在钻孔的不同深度的各测点处设置应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器包括：
在钻孔中设置柔性管，在所述柔性管中设置测点，且所述柔性管与所述钻孔的半径相同；
所述应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器均设置于所述柔性管的测点处；
所述向钻孔中注入液体提供向周围地层的不同压力包括：
向所述柔性管中注入液体提供向周围地层的不同压力。
优选地，所述柔性管设置为多段，相邻柔性管之间通过钢管连接。
优选地，所述应变传感器包括环形应变传感器和轴向应变传感器，所述环形应变传感器设置在单段所述柔性管的中部，所述应力传感器设置在单段所述柔性管的两端，所述轴向应变传感器设置在所述钢管上。
本发明另一方面提供了一种电子设备，包括处理器和与所述处理器连接的存储器，所述存储器存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行上述的方法。
本发明第三方面提供了一种软岩蠕变原位监测分析系统，包括监测设备、采集设备、以及如上述的电子设备，所述监测设备包括与钻孔的半径相同的柔性管，柔性管的测点处设置有应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器；各所述传感器分别与所述采集设备数据连接，所述采集设备与所述电子设备的处理器数据连接。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种软岩蠕变原位监测分析方法和系统，方法包括：在不同孔隙压力和温度工况下获取位于不同深度地层上各测点的变形、应变和应力的瞬时数据和蠕变数据；然后根据现场监测得到的压力的瞬时数据，计算得到各深度地层上任意点的瞬时变形、应变和应力；再然后，根据现场监测得到的各测点的变形或应变的蠕变数据，拟合得到对应测点的岩石原位状态下的蠕变特征参数；最后，根据现场监测得到的数据和计算得到的数据，获得测量段的地层蠕变参数及随深度的变化规律，以及软岩巷道围岩整体随时间的变形量。因此，采用本发明提供的方案，能够及时有效的研究软岩巷道掘进机支护过程中整体变形特征及规律，更加有效的了解塑性区内部的破坏发展规律，可以实现巷道支护参数的针对性设计、有效把握最佳支护时机，对深部软岩巷道支护具有重要意义。
附图说明
图1为本发明所述软岩蠕变原位监测分析方法流程示意图；
图2为本发明所述钻孔布置示意图；
图3为本发明所述监测设备内部结构示意图；
图4为本发明所述监测设备与采集装置安装结构示意图；
图5为本发明所述变形量随时间的变化曲线；
图6为本发明所述应力值随钻孔深度的变化曲线。
图中，各符号的含义如下：
1为隧道，2为钻孔，3为环形应变传感器，4为应力传感器，5为轴向应变传感器，6为压力传感器，7为温度传感器，8为柔性管，9为钢管，10光纤，11为数据采集器，12为数据处理器，13为高压液体注入口。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
本发明提供的方法可以在如下的终端环境中实施，该终端可以包括一个或多个如下部件：处理器、存储器和显示屏。其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现下述实施例所述的方法。
处理器可以包括一个或者多个处理核心。处理器利用各种接口和线路连接整个终端内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器内的数据，执行终端的各种功能和处理数据。
存储器可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)。存储器可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令。
显示屏用于显示各个应用程序的用户界面。
除此之外，本领域技术人员可以理解，上述终端的结构并不构成对终端的限定，终端可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。比如，终端中还包括射频电路、输入单元、传感器、音频电路、电源等部件，在此不再赘述。
实施例一
如图1-4所示，本发明实施例提供了一种软岩蠕变原位监测分析方法，包括：
S101，在不同孔隙压力和温度工况下获取位于不同深度地层上各测点的变形、应变和应力的瞬时数据和蠕变数据；
S102，根据现场监测得到的压力的瞬时数据，计算得到各深度地层上任意点的瞬时变形、应变和应力；
S103，根据现场监测得到的各测点的变形或应变的蠕变数据，拟合得到对应测点的岩石原位状态下的蠕变特征参数；
S104，根据现场监测得到的数据和计算得到的数据，获得测量段的地层蠕变参数及随深度的变化规律，以及软岩巷道围岩整体随时间的变形量。
采用上述方法，通过原位监测方法，可以获得各测点的变形、应变和应力数据，在监测过程中，将测点设置在地层不同深度，就可以获得地层不同深度处测点的变形、应变和应力数据。在地层的不同深度，除了可以通过原位监测的方法获得各测点的变形、应变和应力数据外，还可以通过本发明提供的方法计算得到与测点位于同一地层深度处的其他任意点的变形、应变和应力数据。从而，结合原位监测得到的数据以及计算得到的数据，即可获得测量段的地层蠕变参数及随深度的变化规律，以及软岩巷道围岩整体随时间的变形量。从而能够及时有效的研究软岩巷道掘进机支护过程中整体变形特征及规律，更加有效的了解塑性区内部的破坏发展规律，可以实现巷道支护参数的针对性设计、有效把握最佳支护时机，对深部软岩巷道支护具有重要意义。而且，通过采用上述方法对围岩进行实时的变形监测，还能够及时有效的判断围岩是否进入加速蠕变破坏阶段，从而可以及时有效的对围岩破坏进行预警，保证隧（巷）道长期、稳定、安全使用。
执行步骤S101，可以在地层不同深度处设置测点，采用原位监测设备在在不同孔隙压力和温度工况下进行监测，以便获得变形、应变和应力数据。变形、应变和应力数据包括瞬时数据和蠕变数据。其中，变形、应变和应力的瞬时数据为每个时刻对应的数据，变形、应变和应力的蠕变数据为变形一定时间后的数据。
在实际应用过程中，采用原位监测设备监测得到的数据，可以通过采集装置采集数据。在本发明的一个实施例中，具体可以采用如下步骤完成数据的监测和采集：
在软岩隧道1或巷道的断面上向深处钻孔并固定钻孔2的前端面；
在钻孔2的不同深度的各测点处设置应变传感器、应力传感器4、压力传感器6和温度传感器7；
向钻孔2中注入液体提供向周围地层的不同压力，并控制液体不同的温度；
注液后分时采集各传感器的数据。
其中，所述在钻孔2的不同深度的各测点处设置应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器包括：
在钻孔2中设置柔性管8，在所述柔性管8中设置测点，且所述柔性管8与所述钻孔2的半径相同；
所述应变传感器、应力传感器4、压力传感器6和温度传感器7均设置于所述柔性管8的测点处；
所述向钻孔2中注入液体提供向周围地层的不同压力包括：
向所述柔性管8中注入液体提供向周围地层的不同压力。
在本发明的一个优选实施例中，所述柔性管8可以设置为多段，相邻柔性管之间通过钢管9连接。
本发明实施例中，可以所述应变传感器包括环形应变传感器3和轴向应变传感器5，所述环形应变传感器3设置在单段所述柔性管8的中部，所述应力传感器4设置在单段所述柔性管8的两端，所述轴向应变传感器5设置在所述钢管9上。
在一个具体实施例中，在软岩不同深度截面的不同位置处设置多个测点，在每个测点钻孔，钻孔具有一定的长度，可如图2所示，在每个钻孔2中使用原位监测设备对每个测点处的变形、应变和应力进行监测。其中，如图3所示，原位监测设备可以包括：与钻孔孔径相当的测试管，所述测试管包括多段柔性管8和钢管9，相邻的两段柔性管8之间用钢管9连接，在测试管的两端进行封闭处理，同时在钻孔2侧的一端设置高压液体注入口13；其中，在每段柔性管8的中部设置环形应变传感器3，以便测量柔性管一周的总位移；
在每段柔性管8两端分别设置应力传感器4，测得孔径所受应力；
同时在每段柔性管8内设置压力传感器6与温度传感器7；
在连接的钢管9上设置轴向变形传感器5。
如图4所示，原位监测设备还包括数据采集器11，所有传感器通过光纤10与数据采集器11连接，通过接受电信号进行数据收集，同时具有无线传输功能，可以将监测数据及信号实时传输到地面的数据处理器12。地面的数据处理器收到监测数据后，利用本发明提供的方法对数据进行分析处理。
在本发明的一个优选实施例中，使用上述软岩蠕变原位监测设备对变形、应变、应力进行监测，可包括如下步骤：
（1）组装软岩蠕变原位监测设备：按照钻孔尺寸及深度选择并调整所需柔性管、钢管的尺寸与数量，在柔性管内安装应力传感器、应变传感器、孔隙水压力传感器、温度传感器。对所有传感器进行标定；
（2）采用钻头在需要测试的位置向深处钻孔，可水平向钻，也可垂向钻。钻孔直径尽量小，以减小对地层的扰动，柔性管随着钻孔钻进而向前推进；
（3）在钻到设计位置后，输送一定量的水泥或其他密封剂将最前端固定在基岩上；
（4）注入高压液体提供柔性管向周围地层的压力，根据设计提供高压液体压力，控制不同的温度。
（5）将步骤（1）中的监测设备与数据采集器相连，设置自动采集并设定间隔时间，在加压后开始进行测量，并记录数据。可以通过保持改变不同的温度和压力组合，得到多种工况下的变形、应变和应力的瞬时数据和蠕变数据。
在本发明实施例中，所述步骤（1）中单根柔性管长度可以为1m，连接钢管长度可以为150mm，直径可以为60-90mm。所述步骤（2）中钻孔数量可以为5-8个，钻孔深度可以为7-10m，钻孔直径可以为60-90mm。
采用上述原位监测设备能可以同时测得不同钻孔深度的应力水平、应变大小、孔隙水压力及温度，即该设备能够一次性地测量上述多种工程数据。
采用本发明提供的方法，一方面有利于准确的获得围岩所处的环境状态，另一方面柔性管注入高压液体提供向周围地层的压力。且高压液体不仅可以提供不同的压力，还可提供不同的温度。此外，数据采集器能够实时记录监测数据并将数据显示出来，使得测量结果更加直观，有利于进一步的分析使用。
而且，采用本发明提供的方法，可以解决上述背景中提出当前监测无法进行软岩巷道围岩实时、全断面监测问题，能够更准确、一次性测量包括钻孔轴向、径向应变，原位应力，孔隙水压力，温度等多个参数。
原位监测设备只能对钻孔孔壁上的变形、应变和应力进行监测，而只对钻孔的上述参数进行监测，无法获得全断面上岩石蠕变参数的整体分布及变化规律，进而无法应用于巷道支护等工程的安全防护中。本发明中，为了解决该问题，还提供了孔径蠕变变形的计算方法，对不同钻孔位置、钻孔深度变形数据的反分析，获得测量段岩石原位蠕变参数，从而获得全断面岩石蠕变参数的整体分布及变化规律。
执行步骤S102，具体可以根据如下公式计算得到各深度地层上任意点的瞬时变形、应变和应力：
其中，
为各深度地层上任意点的瞬时变形，
和
分别为各深度地层上任意点的瞬时应变分量，
和
分别为各深度地层上任意点的瞬时应力分量，
为各深度地层上任意点的半径，
为现场监测得到的测点的初始压力，
为现场监测得到的测点的瞬时压力，
为泊松比，
为粘聚力，
为内摩擦角，
为测点的半径，
为塑性半径。
其中，
、
、
为岩石特征参数，可通过室内单三轴压缩实验获得。
执行步骤S103，根据现场监测得到的各测点的变形或应变的蠕变数据，利用如下公式
拟合得到对应测点的岩石原位状态下的蠕变特征参数，包括：
为弹簧元件的弹性模量；
、
为开尔文体中弹簧元件的弹性模量与阻尼元件的黏滞系数；
为宾汉姆体中阻尼元件的黏滞系数；
为西原模型进入屈服状态时的屈服极限；
其中，
为现场监测得到的各测点的蠕变应变，
为现场监测得到的各测点的蠕变应力，
为蠕变时间。
执行步骤S104，根据现场监测得到的数据和计算得到的数据，获得测量段的地层蠕变参数及随深度的变化规律，以及软岩巷道围岩整体随时间的变形量。
在本发明的一个具体实施例中，在水平钻孔内布置10个测点，测点间距1m，钻孔直径为75mm，将柔性杆及监测设备推入指定深度，充入初始压力0.1MPa，每天记录对应的压力数据等，现场测试15天，获得部分测点数据及曲线如图5、6所示。根据室内单三轴压缩实验获得计算中所需参数
为0.22，
为15.87 GPa，
为14.32 MPa，
为38.22°。
以上变形测量值为钻孔孔壁处位移
，因此根据公式可以计算获得对应钻孔应变
，然后运用Levenberg-Marquardt算法进行拟合，从而获得孔径方向蠕变各个参数如表1所示。
表1 钻孔各测点围岩拟合参数结果
采用本发明提供的方法，能够第一时间获得软岩巷道围岩整体随时间的变形量，能够及时有效的研究软岩巷道掘进机支护过程中整体变形特征及规律，更加有效的了解塑性区内部的破坏发展规律，可以实现巷道支护参数的针对性设计、有效把握最佳支护时机，对深部软岩巷道支护具有重要意义。
本发明提供的方法对围岩进行实时的变形监测，因此能够及时有效的判断围岩是否进入加速蠕变破坏阶段，从而可以及时有效的对围岩破坏进行预警，保证隧（巷）道长期、稳定、安全使用。
实施例二
本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器和与所述处理器连接的存储器，所述存储器存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如实施例一所述的方法。
实施例三
本发明实施例提供了一种软岩蠕变原位监测分析系统，包括监测设备、采集设备、以及如实施例二所述的电子设备，所述监测设备包括与钻孔的半径相同的柔性管，柔性管的测点处设置有应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器；各所述传感器分别与所述采集设备数据连接，所述采集设备与所述电子设备的处理器数据连接。
其中，监测设备的结构可如实施例一中所述，其工作和使用过程也可如实施例一中所述，在此不再赘述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种软岩蠕变原位监测分析方法，其特征在于，包括：
在不同孔隙压力和温度工况下获取位于不同深度地层上各测点的变形、应变和应力的瞬时数据和蠕变数据；
根据现场监测得到的压力的瞬时数据，计算得到各深度地层上任意点的瞬时变形、应变和应力；
根据现场监测得到的各测点的变形或应变的蠕变数据，拟合得到对应测点的岩石原位状态下的蠕变特征参数；
根据现场监测得到的数据和计算得到的数据，获得测量段的地层蠕变参数及随深度的变化规律，以及软岩巷道围岩整体随时间的变形量；
还包括步骤，采集在不同孔隙压力和温度工况下位于不同深度地层上各测点的变形、应变和应力的瞬时数据和蠕变数据：
在软岩隧道的断面上向深处钻孔并固定钻孔的前端面；
在钻孔的不同深度的各测点处设置应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器；
向钻孔中注入液体提供向周围地层的不同压力，并控制液体不同的温度；
注液后分时采集各传感器的数据；
所述在钻孔的不同深度的各测点处设置应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器包括：
在钻孔中设置柔性管，在所述柔性管中设置测点，且所述柔性管与所述钻孔的半径相同；
所述应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器均设置于所述柔性管的测点处；
所述向钻孔中注入液体提供向周围地层的不同压力包括：
向所述柔性管中注入液体提供向周围地层的不同压力；
所述柔性管设置为多段，相邻柔性管之间通过钢管连接。
2.如权利要求1所述的软岩蠕变原位监测分析方法，其特征在于，根据如下公式计算得到各深度地层上任意点的瞬时变形、应变和应力：
其中，
为各深度地层上任意点的瞬时变形，
和
分别为各深度地层上任意点的瞬时应变分量，
和
分别为各深度地层上任意点的瞬时应力分量，
为各深度地层上任意点的半径，
为现场监测得到的测点的初始压力，
为现场监测得到的测点的瞬时压力，
为泊松比，
为粘聚力，
为内摩擦角，
为测点的半径，
为塑性半径。
3. 如权利要求2所述的软岩蠕变原位监测分析方法，其特征在于，
、
、
通过室内单三轴压缩实验获得。
4.如权利要求1所述的软岩蠕变原位监测分析方法，其特征在于，根据现场监测得到的各测点的变形或应变的蠕变数据，利用如下公式
拟合得到对应测点的岩石原位状态下的蠕变特征参数，包括：
为弹簧元件的弹性模量；
、
为开尔文体中弹簧元件的弹性模量与阻尼元件的黏滞系数；
为宾汉姆体中阻尼元件的黏滞系数；
为西原模型进入屈服状态时的屈服极限；
其中，
为现场监测得到的各测点的蠕变应变，
为现场监测得到的各测点的蠕变应力，
为蠕变时间。
5.如权利要求1所述的软岩蠕变原位监测分析方法，其特征在于，所述应变传感器包括环形应变传感器和轴向应变传感器，所述环形应变传感器设置在单段所述柔性管的中部，所述应力传感器设置在单段所述柔性管的两端，所述轴向应变传感器设置在所述钢管上。
6.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和与所述处理器连接的存储器，所述存储器存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
7.一种软岩蠕变原位监测分析系统，其特征在于，包括监测设备、采集设备、以及如权利要求6所述的电子设备，所述监测设备包括与钻孔的半径相同的柔性管，柔性管的测点处设置有应变传感器、应力传感器、压力传感器和温度传感器；各所述传感器分别与所述采集设备数据连接，所述采集设备与所述电子设备的处理器数据连接。
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