一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的方法及系统与流程

本发明涉及地质环境预测技术领域，具体涉及一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的方法及系统。

背景技术：

现有技术中，对于穿过粘性土层的竖井工程，只考虑地层的正常摩擦力、侧向压力及地应力，忽略了地层若沉降时其产生的负摩擦阻力。负摩擦阻力即为粘性土在一定条件下释水固结后，产生压缩沉降，对于地层中的竖井工程产生的负摩擦阻力。当负摩擦阻力达到一定条件时，与正常摩擦力、侧向压力以及地应力等的合力超过矿山工程的极限荷载后会产生各种形式的破坏，例如内拱、变形或者整体坍塌等。对工作人员的人身安全构成威胁。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的方法及系统，用以解决现有技术中粘性土沉降对矿井工程影响的预测不准确的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的方法，该方法包括：

接收用户输入的反映粘性土压缩性质的第一类参数；

获取与矿山竖井井筒内壁侧负摩擦阻力相关的第二类参数；

根据第一类参数和第二类参数，建立矿山竖井工程作用模型；

根据预获取的与固结沉降模型相关的第三类参数，建立固结沉降模型；

将矿山竖井工程作用模型和固结沉降模型耦合，预测粘性土沉降对竖井工程的影响。

本发明实施例具有如下优点：粘性土压缩性质的参数可以反映粘性土可压缩空间、释水量以及释水速度等性质。利用这些参数与矿山竖井井筒内壁侧负摩擦阻力相关的第二类参数建立矿山竖井工程作用模型，然后在根据预获取的与固结沉降模型相关的第三类参数，建立固结沉降模型。将矿山竖井工程作用模型和固结沉降模型耦合，可以模拟出土层在被压缩释水后，地层的正常摩擦力、侧向压力、地应力以及地层沉降其产生的负摩擦阻力等作用力对矿山竖井工程中矿山竖井侧壁的影响，以及粘性土释水沉降后，地层下降对于矿山竖井工程的影响等。例如，当作用力超出矿井内壁所能承受的作用力时，必然会导致矿山内壁的开裂，严重时机械设施将会脱落。地面下沉也可能会导致地面上的机械设施倾斜或意外倒下，从而给工作者带来危险。而通过该种模拟方式，可以及时的预测出矿山竖井工程可能发生的危险，从而及时采取预防措施。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的系统，该系统包括：

接收单元，用于接收用户输入的反映粘性土压缩性质的第一类参数；

获取单元，用于获取与矿山竖井井筒内壁侧负摩擦阻力相关的第二类参数；

处理单元，用于根据第一类参数和第二类参数，建立矿山竖井工程作用模型；根据预获取的与固结沉降模型相关的第三类参数，建立固结沉降模型；将矿山竖井工程作用模型和固结沉降模型耦合，预测粘性土沉降对竖井工程的影响。

本发明实施例具有如下优点：粘性土压缩性质的参数可以反映粘性土可压缩空间、释水量以及释水速度等性质。利用这些参数与矿山竖井井筒内壁侧负摩擦阻力相关的第二类参数建立矿山竖井工程作用模型，然后在根据预获取的与固结沉降模型相关的第三类参数，建立固结沉降模型。将矿山竖井工程作用模型和固结沉降模型耦合，可以模拟出土层在被压缩释水后，地层的正常摩擦力、侧向压力、地应力以及地层沉降其产生的负摩擦阻力等作用力对矿山竖井工程中矿山竖井侧壁的影响，以及粘性土释水沉降后，地层下降对于矿山竖井工程的影响等。例如，当作用力超出矿井内壁所能承受的作用力时，必然会导致矿山内壁的开裂，严重时机械设施将会脱落。地面下沉也可能会导致地面上的机械设施倾斜或意外倒下，从而给工作者带来危险。而通过该种模拟方式，可以及时的预测出矿山竖井工程可能发生的危险，从而及时采取预防措施。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的方法流程示意图；

图2为本发明实施例2提供的一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的系统结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

本发明实施例1提供了一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的方法，具体如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的方法流程示意图。在介绍本发明实施例提供的方法之前，首先介绍粘性土沉降对竖井工程影响的缘由。

通常情况下，竖井开挖后，其周围地层性质保持基本稳定状态，井筒内壁经过水泥砂浆浇筑后即可保证后续建设及生产工作。但当遇到地层中有较厚的饱水粘性土层时，由于矿山开采会进行疏干排水，使井筒周围水位降低，打破粘性土层的水力平衡使其释水固结，产生压缩沉降，地层下沉，同时对井筒壁产生负摩擦阻力，若沉降过大，负摩擦阻力达到一定程度，在力的作用下会破坏井筒内壁，轻则造成经济损失、延误工期，重则出现人员伤亡。

地层沉降越大，负摩擦阻力越大。力的大小与导致地面沉降的粘性土层厚度、含水程度、以及其上覆地层厚度、时间长短等这些综合因素有关，这些因素还决定了粘性土层的是释水固结程度。

通过对粘性土层压缩性质的研究，就能够知道某地区的粘性土层的释水程度及所需时间，会产生多大程度的压缩，导致的地层沉降会有多大，进而知道沉降产生的负摩擦阻力，这样在矿山竖井建设时就可以采取一定措施，比如提前进行粘性土释水固结或者提高井筒内壁强度及一些其他办法，使其不会因地层沉降而损坏。而具体的实现过程具体如下：

步骤110，接收用户输入的反映粘性土压缩性质的第一类参数。

反应粘性土压缩性质的第一类参数可以通过粘性土压缩性质实验获取。具体的，土中水及气体从孔隙中排出是土体受压产生变形的重要原因，土的压缩变形的快慢与土中水向周边的渗透速度有关。对于饱和的无粘性土，由于透水性大，故在压力作用下土中水很快被排出，其压缩过程能很快完成；而饱和粘性土，则由于透水性较小，土中水的排出只能缓慢进行，故要达到压缩稳定需要相当长的时间。土的压缩性高低以及压缩变形随时间的变化规律，可通过压缩试验或现场荷载试验确定。在工程上，用压缩系数评定土的压缩性。

压缩试验是实验室条件下测定土的压缩性的试验。土的压缩性是指土在荷载作用下体积减少的性质。试验方法是将土样放在厚壁的金属容器中，分级施加竖直压力，测记加压后不同时间的竖向变形，绘制每级压力作用下竖向变形与时间的关系曲线，然后取每级压力作用下最终的竖向变形值与相应的压力强度绘制关系曲线。由于试验土样受金属厚壁容器的限制不能向侧向膨胀，故称为无侧胀或侧限压缩试验。竖向变形与时间曲线可以观测不同时间变形的情况。而竖向变形值与压力强度绘制的曲线则可以体现不同压力强度下竖向变形的情况。

而通常反映粘性土压缩性的因素，也即第一参数可以包括如下中的一种或多种：土骨架本身性质的比重，骨架和空隙相互关系的密度指标，土骨架间空隙程度的孔隙度、孔隙比，含水状态和可塑性的含水率、饱和度等。而这些参数均可以通过压缩实验获取。用户将这些参数记录后，上传至系统。

步骤120，获取与矿山竖井井筒内壁侧负摩擦阻力相关的第二类参数。

可选的，第二类参数可以包括：极限阻力标准值和极限端阻力标准值，分别与粘性土的原位测试指标参数之间的函数关系。

获取第二类参数的具体过程可以包括：将预获取的竖井井筒轴向压力承载力加入到静载实验中，获取极限阻力标准值和极限端阻力标准值。

竖井井筒的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值一般通过埋设竖井井筒内的轴力测试原件(例如压力传感器)，然后施加压力后采集到轴向压力承载力后，加入到静载实验中而获取。然后，建立极限阻力标准值和极限端阻力标准值，分别与粘性土的原位测试指标参数之间的函数关系，即确定第二类参数。而粘性土的原位测试指标参数可以包括：土层物理指标、岩石饱和单轴抗压强度以及与静力触探等。土层物理指标包括相对密度、含水量、重度、干重度、饱和度、浮重度、孔隙率、孔隙比以及饱和重度等。

步骤130，根据第一类参数和第二类参数，建立矿山竖井工程作用模型。

具体的，可以将第一类参数和第二类参数加入到相关软件中，建立矿山竖井工程作用模型，例如采用matlab软件等。具体建模过程为现有技术，这里不做过多介绍。

步骤140，根据预获取的与固结沉降模型相关的第三类参数，建立固结沉降模型。

可选的，工作人员可以根据已有或新增的钻探施工，物探调查等手段获取第三类地质参数。第三类地质参数包括工程地质参数和水文地质参数。例如，地层岩性、地面标高、岩层厚度、渗透系数等多种参数。

而建立固结沉降模型则可以利用例如visualmodoflow、feflow、3dmine等软件。将第三类地质参数带入软件中即可建立固结沉降模型。

步骤150，将矿山竖井工程作用模型和固结沉降模型耦合，预测粘性土沉降对竖井工程的影响。

通过矿山竖井工程作用模型和固结沉降模型耦合，可以模拟出土层在被压缩释水后，地层的正常摩擦力、侧向压力、地应力以及地层沉降其产生的负摩擦阻力等作用力对矿山竖井工程中矿山竖井侧壁的影响，以及粘性土释水沉降后，地层下降对于矿山竖井工程的影响等。例如，当作用力超出矿井内壁所能承受的作用力时，必然会导致矿山内壁的开裂，严重时机械设施将会脱落。地面下沉也可能会导致地面上的机械设施倾斜或意外倒下，从而给工作者带来危险。因此，工作人员也可以及时采取必要的预防措施。例如，提前进行粘性土释水固结或者提高井筒内壁强度及一些其他办法。

本发明实施例提供的一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的方法，通过将建立的矿山竖井工程作用模型和固结沉降模型耦合可以及时预测粘性土固结沉降而产生的摩擦力共同作用的情况下，对竖井工程的影响。即时预测可能发生的危险，并采取有效措施预防。避免了经济损失、延误工期甚至是人员伤亡的情况发生。

实施例2

与上述实施例1相对应的，本发明实施例2提供了一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的系统，具体如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的系统结构示意图，该系统包括：接收单元201、获取单元202以及处理单元203。

接收单元201，用于接收用户输入的反映粘性土压缩性质的第一类参数。

获取单元202，用于获取与矿山竖井井筒内壁侧负摩擦阻力相关的第二类参数。

处理单元203，用于根据第一类参数和第二类参数，建立矿山竖井工程作用模型；根据预获取的与固结沉降模型相关的第三类参数，建立固结沉降模型；将矿山竖井工程作用模型和固结沉降模型耦合，预测粘性土沉降对竖井工程的影响。

可选的，第一类参数至少包括如下中的一种或多种：

土骨架本身性质的比重，骨架和空隙相互关系的密度指标，土骨架间空隙程度的孔隙度、孔隙比、含水状态、可塑性的含水率，以及粘性土的饱和度。

可选的，第二类参数包括：极限阻力标准值和极限端阻力标准值，分别与粘性土的原位测试指标参数之间的函数关系；获取单元202具体用于：

将预获取的竖井井筒轴向压力承载力加入到静载实验中，获取极限阻力标准值和极限端阻力标准值；

建立极限阻力标准值和极限端阻力标准值，分别与粘性土的原位测试指标参数之间的函数关系。

可选的，第三类参数包括：工程地质参数和水文地质参数；处理单元203具体用于：

将工程地质参数和水文地质参数带入预设定的三维模型建立软件中，建立固结沉降模型。

本发明实施例提供的一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的系统中各部件所执行的功能均已在实施例1所提供的一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的方法中做了详细说明，这里将不再赘述。

本发明实施例提供的一种预测粘性土沉降对竖井工程影响的系统，通过将建立的矿山竖井工程作用模型和固结沉降模型耦合可以及时预测粘性土固结沉降而产生的摩擦力共同作用的情况下，对竖井工程的影响。即时预测可能发生的危险，并采取有效措施预防。避免了经济损失、延误工期甚至是人员伤亡的情况发生。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。