阅读说明：本技术 一种自适应放气杆及浅层气有控放气回收系统及方法 (Self-adaptive air release rod and shallow layer air controlled air release recovery system and method ) 是由 洪义 王立忠 赵爽 朱连根 王强 茅奇辉 于 2019-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了自适应放气杆及浅层气有控放气回收系统及方法,自适应放气杆包括第二空心探杆和第一空心探杆；第二空心探杆连接于第一空心探杆下部,且直径大于第一空心探杆；第二空心探杆中部开有沿周向的凹槽,凹槽内设有滑套,滑套下端为楔形；且凹槽上部开有放气孔,滑套与放气孔长度之和小于凹槽长度,且滑套长度大于放气孔长度；在自适应放气杆插入过程中,滑套滑动至凹槽上部,掩盖放气孔；当上拔过程中,滑套滑动至凹槽下部,放气孔暴露,通过放气孔放气。采用基于该放气杆的回收系统和方法解决了传统浅层气释放技术中的淤泥堵杆的问题,一体式的设计,使其探头可回收,降低了浅层气释放的成本,适于工业化应用。(The invention discloses a self-adaptive air release rod and a shallow layer air controlled air release recovery system and a method, wherein the self-adaptive air release rod comprises a second hollow probe rod and a first hollow probe rod; the second hollow probe rod is connected to the lower part of the first hollow probe rod, and the diameter of the second hollow probe rod is larger than that of the first hollow probe rod; a groove along the circumferential direction is formed in the middle of the second hollow probe rod, a sliding sleeve is arranged in the groove, and the lower end of the sliding sleeve is wedge-shaped; the upper part of the groove is provided with an air vent, the sum of the lengths of the sliding sleeve and the air vent is less than the length of the groove, and the length of the sliding sleeve is greater than the length of the air vent; in the insertion process of the self-adaptive air bleed rod, the sliding sleeve slides to the upper part of the groove to cover the air bleed hole; when the sliding sleeve is pulled up, the sliding sleeve slides to the lower part of the groove, the air vent is exposed, and air is released through the air vent. The recovery system and the recovery method based on the air release rod solve the problem that the sludge blocks the rod in the traditional shallow air release technology, and due to the integrated design, the probe can be recovered, so that the cost of shallow air release is reduced, and the recovery system and the recovery method are suitable for industrial application.)

一种自适应放气杆及浅层气有控放气回收系统及方法

技术领域

本发明涉及一种自适应放气杆及浅层气有控放气回收系统及方法，其可以实现浅层气的有控放气和回收利用，同时获取土体的原位力学参数及原位甲烷浓度的测量。

背景技术

滨海软土中赋存大量有机质，在长期的封闭条件下，微生物将滨海软土中的有机质转化为甲烷气体，长期累积并封存在地下形成浅层气。

全球五大洲滨海软土中广泛分布浅层气，浅层气易导致灾害，严重威胁滨海城市的地下建设。由于第四纪以来的“海进海退”，我国东南海沿海岸线滨海软土中发生大量的浅层气地质灾害。如在杭州湾大桥的建设中，多次遭遇浅层气喷发事故；杭州地铁1号线的建设过程中也频繁遭遇浅层气喷发。

目前，应对浅层气最有效的方法是在前期勘察的过程中将浅层气提前释放，目前杭州采用的浅层气释放均是无控放气，该放气技术会对地层造成较大的扰动，从以往的地表位移监测结果来看，无控放气往往造成地表沉降过大，危害周围建筑物的“健康”。而有控放气则能有效解决这一扰动过大的问题。

而浅层气藏的位置的***是提前放气的关键。浅层气的存在往往会使其周围的地层力学参数有所变化，通过将探头压入地层中的锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力等测量土体原位力学参数可以判断获得浅层气藏的位置。同时，浅层气的甲烷浓度是评价浅层气的指标，但是目前均是通过现场采集气体以后通过室内试验获得甲烷浓度，现场直接实现甲烷浓度检测的较少。在浅层气地层中，浅层气的放气过程和原位勘察过程是分离的，这将大大增加浅层气放气和勘察的工作量。浅层气的有控放气和原位勘察的集成设备有待研发。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种自适应放气杆及浅层气有控放气回收系统及方法。

本发明采取以下技术方案：一种自适应放气杆，包括第二空心探杆和第一空心探杆；所述第二空心探杆连接于第一空心探杆下部，且直径大于第一空心探杆；所述第二空心探杆中部开有沿周向的凹槽，所述凹槽内设有滑套，滑套下端为楔形；且凹槽上部开有放气孔，滑套与放气孔长度之和小于凹槽长度，且滑套长度大于放气孔长度；在自适应放气杆***过程中，滑套滑动至凹槽上部，掩盖放气孔；当上拔过程中，滑套滑动至凹槽下部，放气孔暴露，通过放气孔放气。

进一步的，所述放气孔为竖向布置的腰孔。腰孔一方面可以增加放气面积，另一方面可以减小对于含空心探杆刚度的过量削减。

本发明还提供一种基于土层力学参数测量的浅层气有控放气回收方法，该方法基于上述自适应放气杆实现，包括如下步骤：

(1)将自适应放气杆***含浅层气土层，同时采集***处土层的贯入锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力；

(2)根据步骤(1)采集的贯入锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，识别含气砂质透镜体。

(3)进一步***自适应放气杆，并实时对含气砂质透镜体进行识别，直到不含含气砂质透镜体的土层深度，或直到建筑地基深度。

(4)向上拔自适应放气杆，释放浅层气。

进一步地，该方法还通过一气体质量流量控制器来控制放气速度，所述气体质量流量控制器通过管道与第二空心探杆、第一空心探杆的中心孔道连通。

进一步地，从第二空心探杆、第一空心探杆的中心孔道放出的气水泥混合物先通过分离装置分离掉泥水后，气体输入至气体质量流量控制器。

进一步地，该方法还包括气的回收，具体为：气体质量流量控制器流出的气体通过增压机增压后，输入至储气罐。

本发明还提供一种基于土层力学参数测量的浅层气有控放气回收系统，包括上述的自适应放气杆，用于***自适应放气杆的液压加载系统，用于采集自适应放气杆***处贯入锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力的原位勘察系统，用于分离自适应放气杆放出气水泥混合物的气水泥分离系统，用于对自适应放气杆气体释放速率进行控制的气体流量伺服系统，以及用于气体回收的气体回收系统。

上述的液压加载系统可以包含有反力锚、液压加载头、固定孔、反力架等，其中反力锚埋在地下为装置提供反力，固定孔用于保证空心探杆的垂直打入，反力架用于为探杆施加竖向的压力将探杆压入地层中，整体用于保证探杆的垂直打入。

进一步的，所述的原位勘察系统可以包括圆形锥尖、变形柱、摩擦桶、压力传感器、孔压传感器、透水石、电路管、电池管、空心探杆等组成，圆形锥尖和孔隙探杆连接处布置副压力传感器，实现探头压入土体时锥尖阻力的测量，摩擦桶的上方安装有主压力传感器，通过下压过程中，通过主压力传感器和副压力传感器差值即可得到探杆下压过程中的侧壁摩阻力，在锥肩处安装有透水石和孔压传感器，透水石用于防止泥和水堵塞孔压传感器，孔压传感器用于测量下压过程中的孔隙水压力，通过原位的压入试验即可获得锥肩阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力，通过三个参数即可反算原位土体力学参数，其上方和原位存储系统连接，实现土体原位参数的无线采集，其上连接电池管，用于为下端的传感器及存储原件供电。

所述的气体流量伺服系统可以包含有气体质量流量控制器、移动电源、变压表、笔记本电脑等，气体质量流量计和沉淀池的顶部出气口连接，移动电源和变压器为气体质量流量计供电，气体质量流量计和笔记本电脑连接，笔记本电脑用于设置最大允许放气速率并实时采集浅层气放气速率。

所述的气、水、泥分离系统包含有沉淀池、气压表、底端进气口、顶端出气口、排淤口、甲烷浓度检测探头等，探杆通过气管和沉淀池的底端进气阀门连接，顶端出气口和气体伺服系统通过气管连接，沉淀池上方连接气压表，气压表和数据采集仪连接，用于实时读取和储存浅层气藏的气压，沉淀池内部安装有甲烷浓度检测探头，用于实时监测和采集浅层气中的甲烷浓度。

所述的气体回收系统包含有增压机和储气罐，其中增压机入口段进和气体质量流量控制器出口端相连接，增压机用于增加气体的压力，增压后的气体进入储气罐中，实现甲烷气体的回收利用。

本发明的有益效果在于：

1.采用自适应放气杆，解决了传统浅层气释放技术中的淤泥堵杆的问题，另一方面，采用一体式的设计，解决了传统放气方法(探头分离式)的探头不可回收的问题，降低了浅层气释放的成本，适于工业化应用。

2.浅层气过快的释放速率将会导致地表沉降，采用有控放气可以有效控制地表沉降。浅层气的回收一方面避免甲烷对于空气的污染，另一方面有效的将其作为资源进行回收。

附图说明

图1是本发明的基于土层力学参数测量的浅层气有控放气回收系统结构示意图(正面图)；

图2是原位勘察系统结构示意图(正面图)；

图3是原位有控放气系统结构示意图(正面图)；

图4是水泥分离系统结构示意图(正面图)；

图5是沉淀池结构示意图(剖面图)；

其中，1.原位勘察系统、2.电路管、3.电池管、4.自适应放气杆、5.反力锚、6.枕木、7.固定孔、8.反力架、9.控制系统、10.三向阀门、11.阀门、12.沉淀池、13.底端进气口、14.蓄电池、15.变压器、16.顶部出气口、17.笔记本电脑、18.气体质量流量控制器、19.流量计出气口、20.排淤口、21.增压机、22.储气罐、23.滑套、24.变径接头、25.气压计、26.甲烷浓度传感器、27.圆形锥尖、28.透水石、29.孔压传感器、30.摩擦筒、31.变形柱、32.压力传感器、33.防水橡胶垫、34.热插拔接头一、35.热插拔接头二、36.外套管、37.电线、38.放气孔、39.第二空心探杆、40.第一空心探杆、41.数据采集仪、42.内螺纹接口。

具体实施方式

本发明提供一种自适应放气杆，如图3所示，包括第二空心探杆39和第一空心探杆40；所述第二空心探杆39连接于第一空心探杆40下部，且直径大于第一空心探杆40；所述第二空心探杆39中部开有沿周向的凹槽，所述凹槽内设有滑套23，滑套23下端为楔形；且凹槽上部开有放气孔38，滑套23与放气孔38长度之和小于凹槽长度，且滑套23长度大于放气孔38长度；在自适应放气杆***过程中，由于侧壁摩阻力作用，滑套23滑动至凹槽上部，掩盖放气孔38；当上拔过程中，滑套23滑动至凹槽下部，放气孔38暴露，通过放气孔放气。这种自适应放气杆一方面防止淤泥堵杆，另一方面，采用一体化设计，完美的解决了传统分离式探头的探头不可回收的问题，降低了浅层气释放的成本，该自适应放气杆可广泛应用于勘察领域(原位采集地下水)及石油开采领域等。

作为优选，所述放气孔38为竖向布置的腰孔。

基于上述自适应放气杆，本发明提供一种可同时实现土层力学参数测量和甲烷浓度预报及浅层气有控放气回收装置，参照图1，包括上述的自适应放气杆，用于***自适应放气杆的液压加载系统，用于采集自适应放气杆***处贯入锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力的原位勘察系统，用于分离自适应放气杆放出气水泥混合物的气水泥分离系统，用于对自适应放气杆气体释放速率进行控制的气体流量伺服系统，以及用于气体回收的气体回收系统。

原位勘察系统如图2所示，包括圆形锥尖27、透水石28、孔压传感器29、摩擦筒30、变形柱31、压力传感器32、橡胶垫33、热插拔接头一34、热插拔接头二35、电路管2、电池管3、外套筒36等。孔压传感器29安装在透水石28的内侧，其安装在圆形锥尖27的顶部，变形柱31安装在摩擦筒30的内部，橡胶垫33安装在摩擦筒32的顶端、压力传感器33安装在橡胶垫33内侧，电路管2和原位勘察探头1通过热插拔接头一34进行连接，电路管2和电池管3通过热插拔接头二35相连接，电池管3的顶部焊接有螺纹借接口用于和浅层气原位放气系统连接。

自适应放气杆通过底部的变径接头24与原位勘察系统相连接；

伺服加载系统包括反力锚5、枕木6、固定孔7、反力架8、控制系统9、三向阀门10和阀门11组成。如图4和5所示，气水泥分离系统包括沉淀池12和数据采集仪41；沉淀池包括底端进气口13、排淤口20和顶部出气口16。其中反力锚5埋在地下，为伺服系统提供反力，自适应放气杆4通过固定孔7固定在预定位置，枕木6安装在反力架的底部用于为伺服系统提供支撑，控制系统9用于控制伺服压力，三向阀门10安装在第一空心探杆40的顶部，上端连接阀门11，右端连接气管，接气管的另一端连接至沉淀池12上的底端进气口13。沉淀池12内安装有甲烷浓度传感器29、顶端安装有气压计25，甲烷浓度传感器26用于监测甲烷浓度，气压计25和数据采集仪41连接，用于监测和存储浅层气气压。当浅层气通过自适应放气杆有控释放喷出的气、水、泥并通过三向阀门11导入气水泥分离系统中的沉淀池12后，气体将会从顶端出气口16进入气流伺服系统，当水和淤泥累积到一定的量以后通过排淤口20排出沉淀池12。当第一空心探杆40被淤泥堵住时，可以采用空压机通过三向阀门10上端向其中鼓入高压空气，疏通第一空心探杆40，使自适应放气杆恢复正常作业。

气体流量伺服系统包括气体质量流量控制器18、蓄电池14、变压器15、笔记本电脑17等组成。其中沉淀池12的顶部出气口16通过管道连接至气体质量流量计18，气体质量流量计18控制放气速度，实现整个装置的有控放气。蓄电池14和变压器15联合为气体质量流量控制器18供电，笔记本电脑17控制允许通过流量。为观察流量特性，该气体质量控制器可以换为气体质量流量计，电脑用于实时采集气流数据。

当释放出来的气体较为纯净时，可无需连接气水泥分离系统，直接将气体质量流量控制器18通过管道与第二空心探杆39、第一空心探杆40的中心孔道连通，实现气体质量流量控制器18控制放气速度。

此外，气体回收系统由增压机21和储气罐22组成，增压机21的进气口与气体质量流量计18出气口相连，出气口与储气罐22相连，从气体质量流量计18有孔释放出来的气体通过增压机21将气流压力增加到一定大小后压入储气罐22进行储存。

下面简述采用本发明装置的试验过程：

①自适应放气杆4通过底部的变径接头24与原位勘察系统相连，原位勘察系统相连与电脑连接，发送指令后原位勘察系统开始进行贯入锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力数据采集，识别含气砂质透镜体；自适应放气杆液压加载系统固定孔7固定位置。

②通过液压加载系统自适应放气杆4下压，并实时对含气砂质透镜体进行识别，直到不含含气砂质透镜体的土层深度，或直到建筑地基深度。本实施例中，由于探杆每根长1米，因此每次都下压1米，直到压入35米深度。

③开始起拔探杆，并观察杆端是否有气、水、泥喷发，当出现喷发时，将三向阀门11和阀门10相连接，接入到气体流量伺服系统的沉淀池12中。通过气压计25和甲烷浓度传感器29检测气压值和甲烷浓度值并通过气体质量流量计18控制气体流量，并使用气体回收系统将气体回收。

④当气流减小到0时，断开三向阀门，继续上拔探杆，当又出现浅层气时，此时重复②③步骤，直到探杆完全拔起。

⑤拆卸装备，准备下一个孔的有控放气。

试验后，分离各个系统，准备下一组试验。