CN114297950A - 一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，包括有以下方法步骤：S1、获取监测区域目标含水层水位；S2、获取目标含水层各部分土体应力应变关系；S3、计算土骨架所承担的有效应力；S4、计算1天内目标含水层的土体应变变化；S5、计算目标时间内目标含水层的土体压缩量；S6、绘制承压含水松散层区域失水压缩量分布图；本发明进行全孔取样，获取各项数据，通过力学实验获取目标土层的各种特征，通过目标含水层水位的变化量计算孔隙水压力的减少量，获取土体骨架所承担的应力增量。获取区域内不同孔位目标含水层的压缩量，绘制等值线形成承压含水松散层区域失水压缩量分布图。

Description

一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法

技术领域

本申请涉及煤矿技术领域，具体而言，涉及一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法。

背景技术

随着人类对地下水资源的大量攫取及采矿过程中地下水资源的散失，含水层失水后孔隙水压力减小造成地层骨架所承担的有效应力显著增大，从而造成含水层的压缩。特别是对于松散含水层来说，其孔隙率大，抗压性能若，可压缩性好，层内水位降低将会造成含水层快速压缩，压缩量沿地层传递到地表后造成地表沉陷，威胁到地表及地下建构筑物的安全使用。因此，研究承压含水松散层区域水位的变化特征，从而计算承压含水松散层区域失水压缩量分布，对后期地表沉陷推演及地表、地下建构筑物变形控制方案的制定，有着重要的理论和现实意义。

发明内容

为了弥补以上不足，本申请提供了一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，旨在改善松散含水层，其孔隙率大，抗压性能若，可压缩性好，层内水位降低将会造成含水层快速压缩，压缩量沿地层传递到地表后造成地表沉陷，威胁到地表及地下建构筑物的安全使用。

本申请实施例提供了一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，包括有以下方法步骤：

S1、获取监测区域目标含水层水位：在监测区域施工水文观测孔，同时进行全孔取芯，下入水位传感器对孔内水位进行实时监测，每隔一天采集一次水位数据

其中i为第i个水文观测孔，j为第j次观测；

S2、获取目标含水层各部分土体应力应变关系：根据取芯结果，记录目标含水层的厚度H_k，记录上覆着岩土层的厚度Hs_o，以及测定其饱和密度ρs_o；

S3、计算土骨架所承担的有效应力：根据饱和土有效应力原理土骨架所承担的有效应力为σ'＝σ-μ_w，其中σ为土体所承受的总应力，μ_w为孔隙水压力，σ'为土骨架所承受的有效应力；

土体所承受的总应力的计算公式为：

其中o为至目标含水层顶板土层的总层数，Hs_o为第o层图的厚度，ρs_o为第o层土的饱和密度；

S4、计算1天内目标含水层的土体应变变化：第i个水文孔第j天土骨架所承担的有效应力为

第j+1天土骨架所承担的有效应力为

则目标含水层第j天到第j+1天应变变化量为

S5、计算目标时间内目标含水层的土体压缩量：根据目标含水层土体的应力应变关系，则第i个水文孔第j天到第j+1天内目标含水层的压缩量为

其中

为第i个水文孔第j天到第j+1天内目标含水层的压缩量；

S6、绘制承压含水松散层区域失水压缩量分布图：重复S1至S5，计算各个孔位目标含水层压缩量，并绘制压缩量等值线，形成承压含水松散层区域失水压缩量分布图。

在上述实现过程中，首先在计算区域内布设水文孔，并进行全孔取样，获取各岩土层的层厚数据，通过力学实验获取目标土层的密度、厚度、应力应变特征，上覆岩土层的密度、厚度等力学参数，持续进行区域内水位监测，获取目标含水层水位变化。通过目标含水层水位的变化量计算孔隙水压力的减少量，获取土体骨架所承担的应力增量。根据目标含水层不同部分的土地弹性模量计算该含水层的总压缩量，获取区域内不同孔位目标含水层的压缩量，然后绘制等值线形成承压含水松散层区域失水压缩量分布图。

在一种具体的实施方案中，所述S1中的目标含水层的水文观测孔在监测区域内至少均匀施工5个；将钻孔施工至所要计算的目标含水层以下，同时进行全孔取芯；在钻孔内下套管至目标含水层，使其与其他含水层隔绝不会产生水力沟通，下入水位传感器对孔内水位进行实时监测。

在上述实现过程中，通过多组目标含水层的水文观测孔的设定可以实现对检测的进行对比，防止检测数据出错，且实现对含水层进行加测，提取数据信息。

在一种具体的实施方案中，所述钻孔施工过程中钻孔设备在进行转孔的时候，钻孔速度控制柜在200-300min/r，所述钻孔设备在钻孔的时候，钻孔扭矩控制在1200-1500N，所述钻孔设备在进行转孔的时候，通过注水管进行淋湿钻头。

在上述实现过程中，钻孔设备的使用便于进行钻孔处理，且设有注水管能够保持在进行钻孔的时候，能够加快钻孔速度，且降低对钻头的磨损。

在一种具体的实施方案中，所述S2中将目标含水层分为10层，测定其物理力学特性，分析其排水条件下的应力应变曲线，总结其应力应变关系为ε＝f(σ)。

在上述实现过程中，将模板含水层分为10层，便于进行进行和计算处理，并且计算应力应变曲线，便于对各项参数进行计算处理。

在一种具体的实施方案中，所述S1中的水位数据检测采用的是水位传感器进行检测，所述S2中的含水层的厚度和岩土层的厚度均采用游标卡尺进行精度测量，所述S3中的孔隙水压力采用压力传感器进行检测。

在上述实现过程中，通过各项检测传感可以实现对各项数据进行有效精准的检测，且方便快捷，便于进行实施操作。

在一种具体的实施方案中，所述S3中的土体所承受的总应力的计算公式中假设第i个水文孔第j天的水位为

则此时孔隙水压力为

则此时土骨架所承担的有效应力为：

在上述实现过程中，根据不同的水文孔检测的水位进行计算空隙水压力，进而实现对有效应力进行计算处理。

在一种具体的实施方案中，所述S4中在计算处理土骨架所承担的有效应力之前，通过钻孔内的各个检测设备进行检测数值，且在每天进行检测数值之前，先对转孔内的各个检测设备进行复位初始化，提高检测设备的检测精准度。

在上述实现过程中，通过实现对检测设备进行复位初始化，使得检测设备能够在检测之前进行自动校准，提高检测数据的准确性。

在一种具体的实施方案中，所述S5中由于上覆岩土层的重力，目标含水层一旦被压缩，即便此后水位变高，孔隙水压力变化，目标含水层厚度一般也不会反弹，因此若

若

若目标时间区间为第j天到第j+m天，则该时间区间内目标含水层压缩量为

在上述实现过程中，在覆岩土层的重力的作用下，含水层被压缩，空隙压力变化，实现对含水层压缩量进行计算。

在一种具体的实施方案中，所述S6中的绘制压缩量等值线采用曲线拟合算法进行绘制，所述曲线拟合算法对于平面上给定的点(x_i，y_i)(i＝0，2，..，m)，要寻找y与x之间的近似函数关系y＝p(x)，插值法要求曲线

准确通过每个给定点(x_i，y_i)；而m较大时无论是高次插值还是分段低次插值都将很复杂，数据(x_i，y_i)由检测得到的，总会带有观测误差，刻意要求

(i＝0,1,...m)并不能反映真实的函数关系，反而会引起

的波动加剧，因此用

近似描述已知数据(x_i，y_i)(i＝0，1，2，…，m)，不必要求在每个点x_i处，误差

都为0，所有点处的某种总体误差最小即可，所述曲线拟合算法的计算公式如下：

在上述实现过程中，实现对检测数据进行拟合处理，对于离散过大的数据进行剔除，提高数据的精准性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本申请实施方式提供的方法步骤流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，本申请提供一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，包括有以下方法步骤：

S1、获取监测区域目标含水层水位：在监测区域施工水文观测孔，同时进行全孔取芯，下入水位传感器对孔内水位进行实时监测，每隔一天采集一次水位数据

其中i为第i个水文观测孔，j为第j次观测；

S2、获取目标含水层各部分土体应力应变关系：根据取芯结果，记录目标含水层的厚度H_k，记录上覆着岩土层的厚度Hs_o，以及测定其饱和密度ρs_o；

S3、计算土骨架所承担的有效应力：根据饱和土有效应力原理土骨架所承担的有效应力为σ'＝σ-μ_w，其中σ为土体所承受的总应力，μ_w为孔隙水压力，σ'为土骨架所承受的有效应力；

土体所承受的总应力的计算公式为：

其中o为至目标含水层顶板土层的总层数，Hs_o为第o层图的厚度，ρs_o为第o层土的饱和密度；

S4、计算1天内目标含水层的土体应变变化：第i个水文孔第j天土骨架所承担的有效应力为

第j+1天土骨架所承担的有效应力为

则目标含水层第j天到第j+1天应变变化量为

S5、计算目标时间内目标含水层的土体压缩量：根据目标含水层土体的应力应变关系，则第i个水文孔第j天到第j+1天内目标含水层的压缩量为

其中

为第i个水文孔第j天到第j+1天内目标含水层的压缩量；

S6、绘制承压含水松散层区域失水压缩量分布图：重复S1至S5，计算各个孔位目标含水层压缩量，并绘制压缩量等值线，形成承压含水松散层区域失水压缩量分布图。

在上述实现过程中，首先在计算区域内布设水文孔，并进行全孔取样，获取各岩土层的层厚数据，通过力学实验获取目标土层的密度、厚度、应力应变特征，上覆岩土层的密度、厚度等力学参数，持续进行区域内水位监测，获取目标含水层水位变化。通过目标含水层水位的变化量计算孔隙水压力的减少量，获取土体骨架所承担的应力增量。根据目标含水层不同部分的土地弹性模量计算该含水层的总压缩量，获取区域内不同孔位目标含水层的压缩量，然后绘制等值线形成承压含水松散层区域失水压缩量分布图。

在实施时，所述S1中的目标含水层的水文观测孔在监测区域内至少均匀施工5个；将钻孔施工至所要计算的目标含水层以下，同时进行全孔取芯；在钻孔内下套管至目标含水层，使其与其他含水层隔绝不会产生水力沟通，下入水位传感器对孔内水位进行实时监测。通过多组目标含水层的水文观测孔的设定可以实现对检测的进行对比，防止检测数据出错，且实现对含水层进行加测，提取数据信息。

在实施中，所述钻孔施工过程中钻孔设备在进行转孔的时候，钻孔速度控制柜在200-300min/r，所述钻孔设备在钻孔的时候，钻孔扭矩控制在1200-1500N，所述钻孔设备在进行转孔的时候，通过注水管进行淋湿钻头，钻孔设备的使用便于进行钻孔处理，且设有注水管能够保持在进行钻孔的时候，能够加快钻孔速度，且降低对钻头的磨损。

在一种具体的实施方案中，所述S2中将目标含水层分为10层，测定其物理力学特性，分析其排水条件下的应力应变曲线，总结其应力应变关系为ε＝f(σ)。将模板含水层分为10层，便于进行进行和计算处理，并且计算应力应变曲线，便于对各项参数进行计算处理。

在具体的实施中，所述S1中的水位数据检测采用的是水位传感器进行检测，所述S2中的含水层的厚度和岩土层的厚度均采用游标卡尺进行精度测量，所述S3中的孔隙水压力采用压力传感器进行检测，通过各项检测传感可以实现对各项数据进行有效精准的检测，且方便快捷，便于进行实施操作。

在具体方案中，所述S3中的土体所承受的总应力的计算公式中假设第i个水文孔第j天的水位为

则此时孔隙水压力为

则此时土骨架所承担的有效应力为：

根据不同的水文孔检测的水位进行计算空隙水压力，进而实现对有效应力进行计算处理。

在操作过程中，所述S4中在计算处理土骨架所承担的有效应力之前，通过钻孔内的各个检测设备进行检测数值，且在每天进行检测数值之前，先对转孔内的各个检测设备进行复位初始化，提高检测设备的检测精准度，通过实现对检测设备进行复位初始化，使得检测设备能够在检测之前进行自动校准，提高检测数据的准确性。

在实施中，所述S5中由于上覆岩土层的重力，目标含水层一旦被压缩，即便此后水位变高，孔隙水压力变化，目标含水层厚度一般也不会反弹，因此若

若

若目标时间区间为第j天到第j+m天，则该时间区间内目标含水层压缩量为

在覆岩土层的重力的作用下，含水层被压缩，空隙压力变化，实现对含水层压缩量进行计算。

在具体设置中，所述S6中的绘制压缩量等值线采用曲线拟合算法进行绘制，所述曲线拟合算法对于平面上给定的点(x_i，y_i)(i＝0，2，..，m)，要寻找y与x之间的近似函数关系y＝p(x)，插值法要求曲线

准确通过每个给定点(x_i，y_i)；而m较大时无论是高次插值还是分段低次插值都将很复杂，数据(x_i，y_i)由检测得到的，总会带有观测误差，刻意要求

(i＝0,1,...m)并不能反映真实的函数关系，反而会引起

的波动加剧，因此用

近似描述已知数据(x_i，y_i)(i＝0，1，2，…，m)，不必要求在每个点x_i处，误差

都为0，所有点处的某种总体误差最小即可，所述曲线拟合算法的计算公式如下：

实现对检测数据进行拟合处理，对于离散过大的数据进行剔除，提高数据的精准性。

具体的，该眼科检查用视力测试装置的工作原理：

第一步、获取监测区域目标含水层水位：在监测区域均匀施工5个以上目标含水层的水文观测孔。将钻孔施工至所要计算的目标含水层以下，同时进行全孔取芯；在钻孔内下套管值目标含水层，使其与其他含水层隔绝不会产生水力沟通，下入水位传感器对孔内水位进行实时监测；每隔一天采集一次水位数据

其中i为第i个水文观测孔，j为第j次观测；

第二步、获取目标含水层各部分土体应力应变关系：根据取芯结果，记录目标含水层的厚度H_k，将目标含水层分为10层，测定其物理力学特性，分析其排水条件下的应力应变曲线，总结其应力应变关系ε＝f(σ)；记录上覆各岩土层的厚度Hs_o测定其饱和密度ρs_o；

第三步、计算土骨架所承担的有效应力：根据饱和土有效应力原理土骨架所承担的有效应力σ'＝σ-μ_w，其中σ为土体所承受的总应力，μ_w为孔隙水压力，σ'为土骨架所承受的有效应力；

土体所承受的总应力的计算方式为：

其中o为至目标含水层顶板土层的总层数，Hs_o为第o层图的厚度，ρs_o为第o层土的饱和密度；

假设第i个水文孔第j天的水位为

则此时孔隙水压力为

则此时土骨架所承担的有效应力为：

第四步、计算1天内目标含水层的土体应变变化：假设第i个水文孔第j天土骨架所承担的有效应力为

第j+1天土骨架所承担的有效应力为

则目标含水层第j天到第j+1天应变变化量为

第五步、计算目标时间内目标含水层的土体压缩量：根据目标含水层土体的应力应变关系，则第i个水文孔第j天到第j+1天内目标含水层的压缩量为

其中

为第i个水文孔第j天到第j+1天内目标含水层的压缩量；

由于上覆岩土层的重力，目标含水层一旦被压缩，即便此后水位变高，孔隙水压力变化，目标含水层厚度一般也不会反弹，因此若

若

若目标时间区间为第j天到第j+m天，则该时间区间内目标含水层压缩量为

第六步、绘制承压含水松散层区域失水压缩量分布图：重复第一到第五步，计算各个孔位目标含水层压缩量，并绘制压缩量等值线，形成承压含水松散层区域失水压缩量分布图。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，其特征在于，包括有以下方法步骤：

S1、获取监测区域目标含水层水位：在监测区域施工水文观测孔，同时进行全孔取芯，下入水位传感器对孔内水位进行实时监测，每隔一天采集一次水位数据

其中i为第i个水文观测孔，j为第j次观测；

S2、获取目标含水层各部分土体应力应变关系：根据取芯结果，记录目标含水层的厚度H_k，记录上覆着岩土层的厚度Hs_o，以及测定其饱和密度ρs_o；

S3、计算土骨架所承担的有效应力：根据饱和土有效应力原理土骨架所承担的有效应力为σ'＝σ-μ_w，其中σ为土体所承受的总应力，μ_w为孔隙水压力，σ'为土骨架所承受的有效应力；

土体所承受的总应力的计算公式为：

其中o为至目标含水层顶板土层的总层数，Hs_o为第o层图的厚度，ρs_o为第o层土的饱和密度；

S4、计算1天内目标含水层的土体应变变化：第i个水文孔第j天土骨架所承担的有效应力为

第j+1天土骨架所承担的有效应力为

则目标含水层第j天到第j+1天应变变化量为

S5、计算目标时间内目标含水层的土体压缩量：根据目标含水层土体的应力应变关系，则第i个水文孔第j天到第j+1天内目标含水层的压缩量为

其中

为第i个水文孔第j天到第j+1天内目标含水层的压缩量；

S6、绘制承压含水松散层区域失水压缩量分布图：重复S1至S5，计算各个孔位目标含水层压缩量，并绘制压缩量等值线，形成承压含水松散层区域失水压缩量分布图。

2.根据权利要求1所述的一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，其特征在于，所述S1中的目标含水层的水文观测孔在监测区域内至少均匀施工5个；将钻孔施工至所要计算的目标含水层以下，同时进行全孔取芯；在钻孔内下套管至目标含水层，使其与其他含水层隔绝不会产生水力沟通，下入水位传感器对孔内水位进行实时监测。

3.根据权利要求2所述的一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，其特征在于，所述钻孔施工过程中钻孔设备在进行转孔的时候，钻孔速度控制柜在200-300min/r，所述钻孔设备在钻孔的时候，钻孔扭矩控制在1200-1500N，所述钻孔设备在进行转孔的时候，通过注水管进行淋湿钻头。

4.根据权利要求1所述的一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，其特征在于，所述S2中将目标含水层分为10层，测定其物理力学特性，分析其排水条件下的应力应变曲线，总结其应力应变关系为ε＝f(σ)。

5.根据权利要求1所述的一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，其特征在于，所述S1中的水位数据检测采用的是水位传感器进行检测，所述S2中的含水层的厚度和岩土层的厚度均采用游标卡尺进行精度测量，所述S3中的孔隙水压力采用压力传感器进行检测。

6.根据权利要求1所述的一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，其特征在于，所述S3中的土体所承受的总应力的计算公式中假设第i个水文孔第j天的水位为

则此时孔隙水压力为

此时土骨架所承担的有效应力为：

7.根据权利要求1所述的一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，其特征在于，所述S4中在计算处理土骨架所承担的有效应力之前，通过钻孔内的各个检测设备进行检测数值，且在每天进行检测数值之前，先对转孔内的各个检测设备进行复位初始化，提高检测设备的检测精准度。

8.根据权利要求1所述的一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，其特征在于，所述S5中由于上覆岩土层的重力，目标含水层一旦被压缩，即便此后水位变高，孔隙水压力变化，目标含水层厚度一般也不会反弹，因此若

若

若目标时间区间为第j天到第j+m天，则该时间区间内目标含水层压缩量为

9.根据权利要求1所述的一种承压含水松散层区域失水压缩量分布的计算方法，其特征在于，所述S6中的绘制压缩量等值线采用曲线拟合算法进行绘制，所述曲线拟合算法对于平面上给定的点(x_i，y_i)(i＝0，2，..，m)，要寻找y与x之间的近似函数关系y＝p(x)，插值法要求曲线

准确通过每个给定点(x_i，y_i)；而m较大时无论是高次插值还是分段低次插值都将很复杂，数据(x_i，y_i)由检测得到的，总会带有观测误差，刻意要求

并不能反映真实的函数关系，反而会引起

的波动加剧，因此用

近似描述已知数据(x_i，y_i)(i＝0，1，2，…，m)，不必要求在每个点x_i处，误差

都为0，所有点处的某种总体误差最小即可，所述曲线拟合算法的计算公式如下：

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