地质统计学及其在井田松散含水层水文地质参数场研究中的运用

介绍了地质统计学的原理基础、发展动态及其主要运用,在分析了煤矿勘探和生产中遇到的区域变量类型特征基础上,论述了地质统计学在该领域的运用潜力。以利用地质统计学分析淮南某井田内松散层的底部含水层水文地质参数在空间变异及尺度格局特征为例,对不同类型变量间的空间变异差异作了对比,最后对区域内节点进行了最优估值,得到参数场分布规律。     

FBG在隧道施工监测中的应用及关键问题探讨

光纤布拉格光栅(FBG)传感技术具有精度高、准分布、实时性、耐腐蚀及抗电磁干扰等独特优势,已在众多工程监测领域中得到应用,但纤细脆弱、交叉敏感的FBG应用到作业环境恶劣和变形规律复杂的隧道工程监测中还有一些关键问题需要解决。探讨了FBG用于在建隧道工程监测中常遇到的封装保护、温度补偿及系统集成问题,提出了相应的解决办法和思路,并以具体工程案例对上述问题进行了分析。研究表明:通过合适的封装和保护可以将埋入式FBG传感器的成活率大幅提高,实现在隧道开挖期间对喷射混凝土的拱架内力、混凝土应变与温度的实时监测。     

土工离心机光纤光栅测试系统及其模型试验研究

光纤光栅传感技术(Fiber Bragg Grating,简称FBG)具有准分布、测量精度高、抗电磁干扰强和实时监测等优点,其传感器可根据监测对象要求小型化。介绍了一套土工离心机光纤光栅测试系统,包括系统的软硬件构成,FBG解调仪,FBG传感器小型化,锚杆、桩基、测斜管以及挡土墙感测模型的制作工艺等。通过一组土工离心机边坡模型试验,验证了该系统应用于土工离心机模型多参量监测的可行性,显示出该系统具有结构简单,测量内容多,测试精度高,量程大,抗电磁干扰强,系统工作稳定,配套光纤光栅传感器重量轻、体积小、可准分布布设、形成整体监测网络等优点,为土工离心机试验监测提供了一种新的手段。     

边坡工程分布式光纤监测技术研究

 通过对边坡及其加固工程进行实时、在线监测,可掌握边坡的变形动态,对滑坡进行预警。分布式光纤传感技术与常规监测方法相比具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和长期稳定性等,可满足加固工程安全监测和滑坡早期预警的要求。对布里渊光时域反射技术(BOTDR)的测量原理和优点进行介绍,设计一套基于BOTDR的新型分布式边坡监测系统,详细阐述工程应用中传感光纤的布设方法、光纤保护和温度补偿技术等。通过将传感光纤按一定的方式布设在加固工程及坡体内,并相互连接构成基于BOTDR的边坡分布式光纤监测系统,进而实现对整个边坡的远程分布式监测。以实际工程为例,对边坡分布式变形监测结果进行分析。结果表明,基于BOTDR技术的边坡分布式光纤监测系统能够准确地反映边坡及加固工程的变形情况,具有显著的优越性,可用于边坡稳定性的监测和预报。     

基于AHFO技术的毛细水运移模型验证试验研究

为了验证常用的描述毛细水运移模型的准确性,设计了室内模型试验,采用主动加热光纤法(简称AHFO)对砂土模型中的毛细水运移进行了测试。根据测试结果,分析了毛细水入渗模型Green-Ampt模型、Terzaghi毛细水上升模型和毛细水最大上升高度预测模型Lane模型、Peck模型的特点和预测精度。试验分析结果表明:对于砂性土,毛细水上升过程可以分为两个阶段,第一阶段(约前50 h),Green-Ampt模型和Terzaghi毛细水上升模型预测的毛细水上升高度值均低于实测值,Terzaghi模型拟合精度高于Green-Ampt模型;第二阶段(约50h后),Green-Ampt模型和Terzaghi模型预测值均高于实测值,且Green-Ampt模型拟合精度高于Terzaghi模型。这两个模型预测精度随时间的变化现象是与其所用的假设条件和土体物理性质变化有关。Peck模型的误差低于Lane模型,为2.60 cm,而Lane模型由于只考虑了有效粒径D10,误差高达8.58 cm。利用Green-Ampt模型可反演土的饱和渗透系数与湿润锋处基质吸力。研究成果为常用毛细水运移模型选择和误差分析提供了实测依据。     

基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究

含冰量是冻土研究的一项重要参数。针对现有含冰量测量的局限性,提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的冻土含冰量监测方法。结合冻土温度场,应用内加热FBG刚玉管传感器,通过室内标定试验验证该方法的可行性;基于传统导热系数模型推导出温度特征值与含冰量之间相应函数模型,并应用试验数据进行验证。研究结果表明：试验所得温度特征值随冻土含冰量增加而减小,可以通过该规律初步判断含冰量范围;在温度特性值与含冰量数值关系的拟合中,指数函数模型与本次试验数据拟合度最高,含冰量测量误差小于2%,在可接受范围内;本方法实现冻土含冰量监测具有可行性。     

采动覆岩变形BOTDA分布式测量及离层分析

根据杨柳矿地下煤层开采和岩层特征,采用BOTDA光纤传感技术:研究了覆岩变形分布式监测方法,分析了采动引起的覆岩变形特征,探讨了离层变化机理。研究结果表明,回采工作面在通过监测孔垂向线过程中,在经过监测孔之前,随着工作面与监测孔距离的减小,采动覆岩的应力越明显且压应力变化值越大,其应力变化范围为覆岩中变形位移顶部到其上稳定硬岩之间;回采工作面经过监测孔之后,随着工作面的推进,覆岩中逐渐产生离层,并在离层位置拉应力值逐渐增大,其拉应力值大小与稳定硬岩厚度及力学性质、开采范围和距煤层顶板的距离有关。离层分布式监测结果与理论计算结果基本吻合。     

基于BOTDR的传感光纤温度效应研究

为研究基于布里渊光时域反射测量（BOTDR）原理的分布式传感光纤在工程应用中的温度效应,对十种单模传感光纤在不同应力状态和布设方式下的温度系数进行了标定,并对光纤的护套、温度循环、应力状态、布设方式和附着介质等因素对光纤传感性能的影响进行了分析。试验分析结果表明：不同光纤外层护套材料的热膨胀率和热稳定性是影响传感光纤温度效应及其稳定性的主要原因。普通光纤频移-温度曲线大多为折线形,且在低温下（约40℃～-10℃）的温度系数大于高温时的温度系数;光纤的温度敏感性与护套上的受力状态密切相关;附着于基质上的传感光纤的温度系数是纤芯-护套-基质三者变形协调的结果。     

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆耦合性研究

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆之间的耦合性,是决定分布式光纤感测(DFOS)技术能否利用一个钻孔精细化监测钻孔地层剖面变形分布的关键。利用自主研制的可控围压光缆–土体相互作用特性试验装置,探究了0～1.6MPa围压下传感光缆与松填砂土以及击实砂–黏混合土之间的耦合性。试验与理论分析结果表明:在拉拔状态下,光缆–土体界面呈现渐进性破坏特征;在低围压下,光缆轴向应变随拉拔位移的增大而增大,且不断向光缆尾部传递;在高围压下,应变的扩展与传递被限制在很小的范围内;理想弹–塑性拉拔模型可较好地描述光缆–土体界面的渐进性破坏特性。提出采用光缆–土体耦合系数ζc–s定量描述光缆与土体之间的耦合性,将10000??下的ζc–s值作为评价长期监测条件下两者耦合性的指标,并根据0.5,0.75,0.9三个ζc–s值将两者的耦合性分为强、较强、较弱以及弱4类。一定围压下,光缆与土体具有强耦合性;对于松填砂土与击实砂–黏混合土,该临界围压值分别为0.55 MPa与0.17 MPa。以苏州盛泽地面沉降为例,分析了钻孔回填料与传感光缆之间的耦合性,结果表明:距地表约16 m深度以内两者具有较强耦合性;而约16m深度以下两者具有强耦合性,传感光缆的应变数据可准确反映地层的变形。这一研究成果为DFOS技术应用于钻孔剖面地面沉降监测提供了坚实的理论依据。