1.一种立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试方法,其特征在于,利用立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试系统进行测试,所述测试系统包括模型箱体、井筒、地层、水压控制组件、水平地压控制组件、滑移控制组件、数据采集组件、数据采集仪和计算机,其中,所述模型箱体包括筒体和顶盖,所述模型箱体用于容纳所述地层,所述井筒竖向贯穿所述模型箱体和所述地层,所述井筒能够竖向移动;
所述水平地压控制组件包括第三水压泵和内套,所述筒体的侧壁上设置有第三通孔,所述第三通孔安装有渗流接头,所述水平地压控制组件用于为所述地层提供水平地压;
所述水压控制组件包括第一水压泵和第二水压泵,所述水压控制组件能够向所述地层内充水,所述水压控制组件能够控制所述地层的水压;
所述滑移控制组件包括滑移控制器、油缸、反力架、钢板和约束螺杆,所述滑移控制组件用于为所述井筒提供向下的滑移力;
所述数据采集组件包括第一水压传感器、第二水压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器和双镜头内窥镜,所述数据采集组件用于采集测试数据,所述数据采集组件与所述数据采集仪连接,所述数据采集仪与所述计算机连接;
所述测试方法包括如下步骤:
S1确定相似准则,采用方程分析法和量纲分析法推导立井井筒与地层协同-滑移界面导水试验的相似准则;
S2配置地层相似材料,根据相似准则和实际地质条件配置上位含水层、隔水层和下位含水层的相似材料;
S3安装水平地压控制组件,沿筒体的内壁安装内套,内套通过管路经第三通孔的渗流接头与第三水压泵相连,通过第三水压泵给内套充水;
S4放置井筒,通过筒体底部的第一穿孔安装井筒,将双镜头内窥镜通过井筒的下端置于井筒内,双镜头内窥镜的数据线经井筒的下端引出后与数据采集器连接;
S5铺设地层,在筒体内由下而上依次铺设下位含水层、隔水层和上位含水层,在下位含水层铺设的同时将第一水压传感器和第二水压传感器埋设在下位含水层内,第一水压传感器和第二水压传感器的数据线经筒体上的出线孔引出筒体后与数据采集器连接;
S6安装模型箱体的顶盖,将井筒的上端由顶盖的第二穿孔穿出,采用螺栓将顶盖固定在筒体的上端;
S7施加水平地压,通过第三水压泵给内套施加水压,进而对地层施加水平地压;
S8含水层充水增压,通过第一水压泵向下位含水层充水并提供恒定水压,通过第二水压泵向上位含水层充水并提供恒定水压;
S9安装滑移控制组件,在模型箱体的四周的地面上固定安装约束螺杆,在井筒的上端放置油缸,将固定连接有钢板的反力架放置在油缸上方,将约束螺杆的上端穿过反力架后通过螺母进行固定;
S10立井井筒与地层协同-滑移界面导水测试,在滑移控制器的控制下,通过油缸推动井筒以恒定速率向下滑移,同时通过第二水压泵降低下位含水层的水压,利用数据采集仪采集第一水压传感器、第二水压传感器、第一流量传感器和第二流量传感器的数据,以及双镜头内窥镜的图像,分析在所述井筒与所述地层发生相对滑移过程中所述井筒竖向的滑移速率、滑移量与所述井筒以及地层界面渗流量的关系,结合所述双镜头内窥镜采集的图像,得出所述立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制。
2.根据权利要求1所述的立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试方法,其特征在于,所述筒体的底部设置有底盖,所述筒体的上端敞开,所述顶盖覆盖在所述筒体的上端;
所述顶盖包括上段和下段,所述下段为圆柱体,所述下段的横截面的直径大于所述上段的下表面的直径,所述上段的上表面的直径小于所述上段的下表面的直径,
所述上段的上表面的外边缘与所述上段的下表面的外边缘之间为弧面,所述上段的竖截面与所述弧面相交的弧线的圆心在所述上段的外面,所述顶盖的下表面设置有向所述顶盖下方凸起的凸台,所述凸台的直径与所述筒体的内径一致,所述凸台的厚度H2为1cm~3cm,所述顶盖与所述筒体连接后,所述凸台能够为所述地层施加竖向压力;
所述顶盖的外周设置有多个螺栓孔,所述顶盖的螺栓孔位于所述下段上,所述筒体的上端的端部向所述筒体的外侧延伸形成凸沿,所述凸沿上设置有多个螺栓孔,螺栓依次穿过所述顶盖的螺栓孔和所述凸沿的螺栓孔将所述顶盖与所述筒体连接,所述顶盖与所述筒体的接触处通过第一密封圈进行密封;
所述筒体的内空高度为H1;
所述底盖上设置有多个出线孔,多个所述出线孔用于将所述数据采集组件的数据线引出所述筒体,每个所述出线孔均使用环氧树脂进行密封。
3.根据权利要求2所述的立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试方法,其特征在于,在所述模型箱体内的所述地层自下而上依次包括下位含水层、隔水层和上位含水层,所述上位含水层和所述下位含水层均由砂土铺设,所述隔水层由粘土铺设;
所述上位含水层和所述下位含水层内的砂土缝隙充满水,所述隔水层为固定含水率;
所述上位含水层内添加有红色墨水进行示踪。
4.根据权利要求2所述的立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试方法,其特征在于,所述井筒为中空圆柱筒状结构,所述井筒的下端敞开,所述井筒的上端利用封盖进行密封,所述井筒的材质为透明亚克力材料;
所述底盖的中心处设置有第一穿孔,所述顶盖的中心处设置有第二穿孔,所述第一穿孔和所述第二穿孔的孔径相同,所述第一穿孔和所述第二穿孔的中心连线与所述筒体的轴线共线,所述第一穿孔和所述第二穿孔供所述井筒穿过;
所述第一穿孔和所述第二穿孔与所述筒体的接触处均通过第二密封圈进行密封。
5.根据权利要求2所述的立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试方法,其特征在于,所述底盖上设置有第一通孔,所述第一通孔安装有渗流接头,所述第一通孔的渗流接头与所述第一水压泵通过管路连接,所述第一水压泵能够向所述下位含水层内充水并控制所述下位含水层内的水压;
所述顶盖上设置有第二通孔,所述第二通孔安装有渗流接头,所述第二通孔的所述渗流接头与所述第二水压泵通过管路连接,所述第二水压泵能够向所述上位含水层内充水并控制所述上位含水层内的水压。
6.根据权利要求2所述的立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试方法,其特征在于,所述内套的材质为橡胶,所述内套为筒状结构,所述内套的外壁与所述筒体的内壁接触,所述内套的内壁围成的空间用于填充所述地层;
所述内套的内壁和外壁之间设置有密闭的空腔,所述第三通孔的渗流接头与所述第三水压泵连接,所述第三水压泵能够向所述内套的空腔内充水并给所述地层提供水平地压;
所述内套的高度为H3,H3=H1-H2。
7.根据权利要求1所述的立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试方法,其特征在于,所述反力架设置在所述模型箱体的上方,所述约束螺杆设置有多根,所述约束螺杆的下端固定于地面,每根所述约束螺杆的上端均设置有螺母,所述约束螺杆的上端穿过所述反力架后通过所述螺母进行固定;
所述钢板与所述反力架的下表面连接,所述油缸位于所述钢板和所述井筒之间,所述油缸能够为所述井筒提供向下滑移力;
所述油缸通过数据线与所述滑移控制器连接;
所述油缸的压力值为5t~8t。
8.根据权利要求5所述的立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试方法,其特征在于,若干所述第一水压传感器设置在所述下位含水层和所述隔水层的交界处,所述第一水压传感器竖向布置,所述第一水压传感器沿所述下位含水层的径向均匀设置有3圈~5圈,每圈均匀设置有4个所述第一水压传感器,所述第一水压传感器的数据线经设置在所述筒体上的出线孔引出所述筒体;
若干所述第二水压传感器设置在所述下位含水层和所述井筒的交界处,所述第二水压传感器横向布置,所述第二水压传感器沿所述下位含水层的轴向均匀设置有3圈~5圈,每圈均匀设置有4个所述第二水压传感器,所述第二水压传感器的数据线经设置在所述筒体上的出线孔引出所述筒体;
所述第一流量传感器设置在所述第一通孔和所述第一水压泵之间的管路上,所述第二流量传感器设置在所述第二通孔和所述第二水压泵之间的管路上;
所述双镜头内窥镜设置在所述井筒内,所述双镜头内窥镜设置在所述井筒的轴线上,所述双镜头内窥镜位于所述隔水层内;
所述第一水压传感器、所述第二水压传感器、所述第一流量传感器、所述第二流量传感器和所述双镜头内窥镜均与所述数据采集仪连接。
9.根据权利要求1所述的立井井筒与地层协同-滑移界面导水机制测试方法,其特征在于,在所述步骤S5中,采用分层铺设砂土并压实形成下位含水层,下位含水层的每层砂土的铺设厚度为5cm~10cm,每层砂土铺设后进行找平压密;
采用分层铺设粘土并压实形成隔水层,隔水层的每层粘土铺设厚度为2cm~3cm,每层粘土铺设后进行找平压密;
采用分层铺设砂土并压实形成上位含水层,上位含水层的每层砂土的铺设厚度为5cm~10cm,每层砂土铺设后进行找平压密;
所述地层铺设完成后,在上位含水层的上表面堆载配重块,通过配重块对所述地层进行堆载压实直至固结趋于稳定;
配重块堆载压实地层的时间大于等于24小时,当地层压实变形过大时,需增铺上位含水层;
在所述步骤S8中,上位含水层和下位含水层的水压均为P1,P1=1MPa ~2MPa;
在所述步骤S10中,通过第二水压泵降低下位含水层的水压为 , =20kPa~100kPa。