一種縱向地應(yīng)變觀測(cè)儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

范雷彪，叢培歷，任 忠

(包頭市地震局，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014010)

一種縱向地應(yīng)變觀測(cè)儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

范雷彪，叢培歷，任 忠

(包頭市地震局，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014010)

就縱向地應(yīng)變觀測(cè)給出一種儀器的設(shè)計(jì)構(gòu)想，描述儀器的整體結(jié)構(gòu)、功能及所涉及到的主要配件參數(shù)。該儀器的特征是可對(duì)某一地區(qū)的縱向地應(yīng)力、橫向地應(yīng)力進(jìn)行同步觀測(cè)渴望獲得該地區(qū)的應(yīng)力場的變化，從而為地震預(yù)報(bào)提供出更加可靠的參考信息。

縱向地應(yīng)變；伸張定位機(jī)構(gòu)；壓力傳感器；水平向地應(yīng)力；位移傳感器

0 引言

地形變觀測(cè)是地震前兆觀測(cè)中主要手段之一，從形變觀測(cè)獲取水平向及縱向地應(yīng)力的變化對(duì)判定地震前兆異常的存在與否有著至關(guān)重要的作用。目前我們有對(duì)橫向地應(yīng)力應(yīng)變觀測(cè)的伸縮儀卻沒有一項(xiàng)專用的可直接觀測(cè)縱向地應(yīng)變的儀器，因此本文特設(shè)計(jì)出一種縱向地應(yīng)變觀測(cè)儀，通過獲取縱向地應(yīng)變量值的變化來了解我們所需要的地下信息。

1 儀器的基本結(jié)構(gòu)及功能

縱向地應(yīng)變觀測(cè)儀懸空安裝在專用的鉆孔中(可利用石油井廢棄的鉆孔，井壁的直徑為310 mm)，儀器的整體結(jié)構(gòu)呈一直桿狀如同一架豎立安裝的伸縮儀，長度約12～15 m，整體結(jié)構(gòu)共由3部分構(gòu)成(圖1)：頂部機(jī)構(gòu)中有定位機(jī)構(gòu)及壓力傳感器；中間部分是傳遞導(dǎo)桿及信號(hào)接收部分；底座為定位機(jī)構(gòu)。

工作原理是讓儀器的底座及頂部均與井壁緊密接觸使之形成一體，在儀器的中部斷開使兩端呈現(xiàn)相對(duì)活動(dòng)狀態(tài)，這樣就可捕捉到縱向地層段的應(yīng)力變化。與此同時(shí)在儀器的頂部結(jié)構(gòu)中分別按東、西、南、北4個(gè)方位布設(shè)四個(gè)壓力傳感器以獲取水平向應(yīng)力變化情況。

1.1 頂部結(jié)構(gòu)及作用

頂部結(jié)構(gòu)由保護(hù)筒I和兩套伸張定位機(jī)構(gòu)組成，保護(hù)筒I長約1.0 m，直徑290 mm，在其上、 下兩端分別裝有電機(jī)1、2，兩電機(jī)均帶有變速機(jī)構(gòu)，輸出軸伸出保護(hù)筒外邊與專用伸張定位機(jī)構(gòu)相結(jié)合(圖1)。為了便于數(shù)據(jù)處理，定位機(jī)構(gòu)布設(shè)呈相互垂直狀(若上端呈南北向；下端就呈東西向)，在兩伸張定位機(jī)構(gòu)的前伸端分別裝有一對(duì)專用卡座，卡座外側(cè)裝有一水銀脹盒，水銀脹盒與卡座間是壓力傳感器。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，伸張定位機(jī)構(gòu)水平的緩慢伸長會(huì)隨機(jī)帶動(dòng)卡座繼而帶著水銀脹盒一并貼緊于井壁。這樣既保證了壓力傳感器能有效地接收到地層中水平向的地應(yīng)力變化，同時(shí)又將頂部結(jié)構(gòu)牢牢卡于井壁上，為觀測(cè)縱向地應(yīng)變創(chuàng)造條件。

在壓力傳感器前配置水銀脹盒有2方面的作用：①保護(hù)壓力傳感器在安裝過程中不被損壞。在設(shè)計(jì)中卡座及水銀脹盒的外邊沿是與井壁硬接觸的，而傳感器的觸頭部位是與脹盒的鼓膜接觸的。②通過調(diào)節(jié)脹盒中的水銀量能起到控制壓力大小的作用。脹盒腔體內(nèi)水銀通過一導(dǎo)管與保護(hù)筒中的液壓泵相連，在伸張機(jī)構(gòu)工作前腔體內(nèi)是空的，只有伸張定位機(jī)構(gòu)定位完成后才注入液壓。在保護(hù)筒腔體中布設(shè)的配件有：主電路板、電磁閥(用以鎖緊1、2號(hào)電機(jī)防止意外松動(dòng))、液壓泵等。

1.2 中間結(jié)構(gòu)

中間結(jié)構(gòu)由保護(hù)筒II和傳遞導(dǎo)桿以及位移傳感器構(gòu)成。保護(hù)筒I與保護(hù)筒II內(nèi)腔不貫通，外邊由2條筋板相連。保護(hù)筒II長約0.5 m，一端需開口使傳遞導(dǎo)桿插入(在入口處需做相應(yīng)的密封處理)，確保中間導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)呈自由伸縮活動(dòng)狀，在導(dǎo)桿前端裝有位移傳感器和微調(diào)機(jī)構(gòu)用于信號(hào)的接收、日后的數(shù)據(jù)的標(biāo)定和歸零處理。

導(dǎo)桿由一根直徑8 cm，壁厚2.5 mm的普通不繡鋼管和插入鋼管內(nèi)一直徑10 mm的銦鋼桿(銦鋼管材料熱膨脹系數(shù)小)構(gòu)成，銦鋼桿傳遞應(yīng)力，鋼管起到保護(hù)作用。導(dǎo)桿長度暫定為10～12 m(參照伸縮儀的長度給出，具體的最小長度值需根據(jù)理論分析縱向地應(yīng)變變化梯度值而定)，其下端與底座定位機(jī)構(gòu)固接。由于位移傳感器對(duì)導(dǎo)桿的傳遞精度要求比較高，為了保證導(dǎo)桿能按直線運(yùn)動(dòng)，特在導(dǎo)桿兩側(cè)分別設(shè)置了2個(gè)保護(hù)套管(相當(dāng)于保證裝置)，保護(hù)套管選用了較長的厚壁管(長度約1.5～2.0 m)要求其內(nèi)部精度要達(dá)到油壓缸的加工精度。在套管上端有限位彈簧，是防止儀器在安裝時(shí)導(dǎo)桿自由下降脫離限定范圍的。保護(hù)套管的另一作用是讓2個(gè)活塞桿隨導(dǎo)桿一直伸到底座部位處，這樣當(dāng)電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由反作用力產(chǎn)生的扭曲內(nèi)應(yīng)力只在導(dǎo)桿底端部位形成，不會(huì)對(duì)整個(gè)導(dǎo)桿產(chǎn)生影響，經(jīng)過一定時(shí)間的平穩(wěn)期，后應(yīng)力會(huì)自然釋放，不會(huì)影響到儀器的觀測(cè)。 雖然導(dǎo)桿和底座始終處于自由下落狀態(tài)，有向下的重量作用及保證裝置的阻力作用，但這些力的大小與地應(yīng)力相比是很小的量，因而不會(huì)影響到儀器對(duì)縱向地應(yīng)變的觀測(cè)。

1.3 底座結(jié)構(gòu)

底座由2套伸張定位機(jī)構(gòu)及電機(jī)3構(gòu)成。選用2套伸張機(jī)構(gòu)的同步作用是為了緊固性能的可靠性更好，電機(jī)3選用了低轉(zhuǎn)速大扭矩的特殊直流電機(jī)。通過電機(jī)3的轉(zhuǎn)動(dòng)將底部機(jī)構(gòu)隨 2套伸張機(jī)構(gòu)與井壁牢牢固結(jié)，這樣就可以保證儀器的傳遞導(dǎo)桿接收到井壁中巖層的變化，與伸縮儀的固定端類似。

2 相關(guān)部件的工作參數(shù)

2.1 定位電機(jī)

定位電機(jī)選用大扭矩交流電機(jī)，由手冊(cè)查得潛水泵電機(jī)D500功率為500 W；額定轉(zhuǎn)速為1 400 轉(zhuǎn)/min。在其前端的減速器采用三級(jí)減速，使輸出轉(zhuǎn)速為40 轉(zhuǎn)/min。

電機(jī)的選用通過以下計(jì)算得出：

估測(cè)頂部結(jié)構(gòu)及中間導(dǎo)桿的總重量應(yīng)該不大于200 kg，以300 kg計(jì)算，則4個(gè)卡塊平均負(fù)擔(dān)的重量為75 kg。如果要保證頂部結(jié)構(gòu)被牢牢卡緊，必須滿足摩擦關(guān)系式

Nμ>f

(1)

其中：N為正壓力，即伸張定位機(jī)構(gòu)作用于卡塊的力；f為摩擦力，即重量產(chǎn)生的作用力，f=75 kg；μ為摩擦系數(shù)，取0.15。

如要保證能將頂部結(jié)構(gòu)卡于井壁則須N>f/μ=75/0.15=500 kg。

根據(jù)功率與扭矩的關(guān)系式

M=9 550×P/n

(2)

式中：M為扭矩；P為功率；n為轉(zhuǎn)速；9 550為系數(shù)。M=9 550×0.5/40=119.4 kg·m。

根據(jù)斜面的摩擦關(guān)系式：

M=d/2F′tga

(3)

式中：d為絲杠的直徑，設(shè)計(jì)值d=0.02 m；F′為絲杠產(chǎn)生的作用力；a為絲杠螺紋的斜角，取值5°，tg5°≈0.08。則=2 M tg5°/d =2×119.4×0.08/0.02=955 kg。

伸張定位機(jī)構(gòu)在作用時(shí)呈現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)為45°角，這樣絲杠的作用力就等于正向作用力。顯然 F>N，完全符合工作需求。

2.2 壓力傳感器

根據(jù)具體應(yīng)用情況，在本設(shè)計(jì)中壓力傳感器選用了YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀上應(yīng)用的電容測(cè)微傳感器[1]，由于鉆孔應(yīng)變儀是已成熟的技術(shù)，而且有相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，因此關(guān)于這部分的設(shè)計(jì)可以直接參照應(yīng)用該技術(shù)。

2.3 位移傳感器

本設(shè)計(jì)中位移傳感器選用現(xiàn)行伸縮儀應(yīng)用的電窩流傳感器系統(tǒng)[1]，因?yàn)槠涫浅墒斓募夹g(shù)在此不再贅述。

3 觀測(cè)儀在形變觀測(cè)中可發(fā)揮的作用

根據(jù)伸縮儀的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果，該儀器應(yīng)該能夠觀測(cè)到縱向固體潮的變化，同時(shí)在固體潮中應(yīng)該包含有該地層段的應(yīng)力梯度差值的變化(大地應(yīng)力從下至上存在有應(yīng)力梯度差值的變化)[2-3]，因此對(duì)這種縱向固體潮進(jìn)行比較分析能夠獲得縱向應(yīng)力值的變化。

利用壓力傳感器測(cè)量到的大地層在水平向的壓力變化值反映出的壓力有來自地下水平向的分量(張應(yīng)力)，也有來自遠(yuǎn)場的其它作用力。根據(jù)儀器觀測(cè)到的信息量其在形變觀測(cè)中能發(fā)揮出以下作用。

3.1 能探尋到地下深處的變化

構(gòu)造地震成因理論認(rèn)為地震的孕育發(fā)震過程始終伴隨有強(qiáng)大的作用力產(chǎn)生，有力就有應(yīng)變現(xiàn)象，從大量的震前前兆資料分析中可知，震前震中區(qū)會(huì)有明顯的形變產(chǎn)生，特別是會(huì)伴隨有較大的縱向形變[4-5]。捕捉地震孕育過程中地下深處大的形變變化一直是形變觀測(cè)的主要目標(biāo)，可是多年來我們一直沒能有效地獲得這方面的信息。這是由于我們的儀器均安放在地表，要想測(cè)得地下幾公里或幾十公里處的變化顯然是非常困難的，就像在船上想要觀察到水面的變化一樣。 “縱向地應(yīng)變觀測(cè)儀”根據(jù)觀測(cè)到的縱向固體潮變化，可推測(cè)出地下縱向應(yīng)力的變化以及由此產(chǎn)生的形變量。

3.2 可觀測(cè)到水平向壓力的變化

在水平向由于傳感器是相當(dāng)于在一個(gè)點(diǎn)的位置同時(shí)接收4個(gè)方向的信號(hào)，這樣其讀取的數(shù)值只能是一組對(duì)應(yīng)的值，即如東端是正值(規(guī)定壓縮為正)則西端必為負(fù)值，同理在南北向上也如此。這是種理想狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。在實(shí)際觀測(cè)中并非都是理想狀態(tài)，在水平向力的中有時(shí)候會(huì)夾雜有來自其它方向的力，這就需要對(duì)具體情況做具體分析。 但是不論怎樣能夠了解到有力的變化就達(dá)到了觀測(cè)的第一步，為以后的進(jìn)一步研究以及為其它儀器的觀測(cè)結(jié)果提供佐證打下了基礎(chǔ)。

3.3為確定未來地震發(fā)生時(shí)地應(yīng)力的出處提供參考依據(jù)

假設(shè)在傳感器上讀到的力是東西向指向東，南北向指向北(由力的正負(fù)確定)，其合力就是北東向的力。根據(jù)兩水平分力找出合力，利用這個(gè)合力結(jié)合縱向地應(yīng)變量就可以通過矢量關(guān)系得到主應(yīng)力的作用方向，順著主應(yīng)力的指向反延就可以知道地下應(yīng)力源的大體位置，該位置很可能就是未來的震源點(diǎn)。雖然在這里縱向反映的是應(yīng)變量，橫向反映的是壓力變化，兩者不是一個(gè)統(tǒng)一的單位，但兩者均體現(xiàn)著力的方向性變化，因此這個(gè)矢量圖反映出的力源出處是可信的。 這里需要說明的是矢量圖中所需要的水平力應(yīng)用的是來自地下的張應(yīng)力，這是因?yàn)榈貞?yīng)力來自于地下其作用必然是向上形成變化，從下向上的作用力過程其水平向的分力必然指向兩側(cè)呈張應(yīng)力形式表現(xiàn)出(而壓應(yīng)力很有可能是來自其它方面的干擾力)。目前還不能確定的是在壓力傳感器上讀到的這兩個(gè)力中張力所占的比例大小，因此除特殊情況外給出的結(jié)果是近似的僅做參考作用。

圖2 地應(yīng)力作用矢量圖

因此通過了解二維地應(yīng)變的變化對(duì)確定未來震中區(qū)位置以及總結(jié)什么樣的形變特征是地震所特有的這一關(guān)鍵問題將會(huì)起到積極的作用[6]。從而也為確定地形變與地震發(fā)生的關(guān)系找到一定的依據(jù)。

4 儀器的安裝固定

觀測(cè)儀器的安裝需考慮到以下幾方面的要求：安放深度的選擇；底座的緊固性；方向性的保證[7-8]。

4.1 深度選擇

儀器安放深度的選擇一是應(yīng)盡量少地避免地面干擾；二是背景噪聲要小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在地下300～400 m處比較合適，但是具體位置的確定還得考慮到井壁的土層(或巖層)堅(jiān)硬程度，太松太硬都不適合，根據(jù)井壁的堅(jiān)硬程度不同底部機(jī)構(gòu)的伸張機(jī)構(gòu)前需配有不同的抓齒，以應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境。

4.2 底座的緊固

底座在整個(gè)儀器結(jié)構(gòu)中的作用相當(dāng)于伸縮儀的固定端部分，因此其與井壁的結(jié)合必須達(dá)到緊密合一的程度。為此在儀器安放過程中須采用以下步驟：根據(jù)選定的深度位置先緊固頂部機(jī)構(gòu)，在頂部機(jī)構(gòu)中電機(jī)1、2必須是同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)的，待頂部機(jī)構(gòu)固定后再啟動(dòng)電機(jī)3進(jìn)行底座機(jī)構(gòu)固定。完成底座機(jī)構(gòu)固定之后松開頂部電機(jī)1、2，讓底部機(jī)構(gòu)在重力的作用下向下擠壓(會(huì)產(chǎn)生一定的間隙)，然后再鎖緊頂部機(jī)構(gòu)，繼續(xù)開啟電機(jī)3進(jìn)行進(jìn)一步緊固，讓機(jī)構(gòu)向井壁兩側(cè)擠壓消除間隙，這樣經(jīng)過幾次作用就可以將底部機(jī)構(gòu)牢牢的與井壁結(jié)合到一起。

4.3 方向性的保證

由于儀器的4個(gè)壓力傳感器在井下工作中有方向性的特殊要求，因此儀器的安放過程中必須保證按事先預(yù)定的東、南、西、北方向不被改變，這就要求儀器下放過程中不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此在儀器中需特設(shè)一種定位架。先將儀器放入井口一段距離，然后安放定位架，由定位架兩側(cè)的4個(gè)滑輪分別引導(dǎo)兩道鋼絲繩同步緩慢下滑(兩道定位的繩索牽引著重物下落不會(huì)產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象)。這樣就保證了儀器方向性的基本要求。

5 結(jié)束語

應(yīng)用地應(yīng)力的變化探尋地震預(yù)報(bào)是地震人多年來一直在實(shí)踐的工作，過去由于受儀器布設(shè)數(shù)量有限我們?cè)诜矫孢@獲取的信息量有限使的這一工作沒能取得有效進(jìn)展，現(xiàn)在想通過縱向地應(yīng)力觀測(cè)儀的觀測(cè)可以幫助我們擴(kuò)寬對(duì)地應(yīng)力的掌握范圍進(jìn)一步了解到地應(yīng)力的分布、走向及變化情況。

“縱向地應(yīng)力觀測(cè)儀”是對(duì)前兆觀測(cè)儀器研發(fā)的一個(gè)新的嘗試，與現(xiàn)行的前兆儀器相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)縱向地應(yīng)力觀測(cè)儀的相關(guān)技術(shù)主要是借鑒了現(xiàn)行的比較成熟的伸縮儀和體應(yīng)變觀測(cè)技術(shù)因此其可行性是可靠的有一定保障，此外該儀器也方便進(jìn)行回收檢修。

(2)為形變觀測(cè)增加了新的觀測(cè)要素，觀測(cè)儀反映出的是二維地應(yīng)變的變化通過對(duì)數(shù)據(jù)處理可以直接得到主應(yīng)力的變化，而現(xiàn)行的其它形變觀測(cè)儀是借助固體潮來獲取單分量上的信息，它們反映出的信息層面不同，顯然該信息更加直觀對(duì)于地震預(yù)報(bào)更有利用價(jià)值。

[1]中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.形變測(cè)量學(xué)[M].北京：地震出版社，2008.

[2]潘立宙.地質(zhì)力學(xué)中的力學(xué)知識(shí)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1977.

[3]楊博，占偉，高艷龍，等. GNSS垂向形變場信息提取的嘗試[J]. 華北地震科學(xué)，2012，30(1):1-5.

[4]國家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司.地殼形變分析預(yù)報(bào)方法[M].北京：地震出版社， 1998.

[5]劉芳，王曉山，楊雅瓊. 內(nèi)蒙古中西部地區(qū)小震震源機(jī)制解分析[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)， 2010，30(S1)：7-11.

[6]陳德福.地殼動(dòng)力學(xué)觀測(cè)與研究 [M].北京：海洋出版社，1993.

[7]張世民.機(jī)械原理[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1983.

[8]蔡莉，王宗平，張周術(shù)，等. 地震前兆觀測(cè)儀器的校準(zhǔn)與標(biāo)定辨析[J]. 華北地震科學(xué)，2012，30(2):28-32.

Structure Design of a Vertical Crustal Strain Observation Instrument

FAN Lei-biao, CONG Pei-li, REN Zhong

(Earthquake Administration of Baotou, Inner Mongolia Autonomous Region, Baotou 014010, China)

This article proposes an idea of two-dimensional strain observation instrument design from the principle of the structure, elaborates on the overall structure, the function and parameter of the main parts as well as. The instrument is characterized for synchronous observation on the vertical stress and the transverse stress to obtain the change of the stress field in an area, so as to provide more reliable reference information for earthquake prediction

vertical crustal strain; stretching positioning device; pressure sensor; horizontal crustal strain; displacement sensor

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.04.011

2013-12-05

范雷彪(1962—)，男，高級(jí)工程師，主要從事地形變觀測(cè)工作及工程抗震研究. E-mail：fanleibiao.1962@163.com.

P315.62

A

1003-1375(2014)04-0053-04