变化规律分析

变化规律分析（精选十篇）

变化规律分析 篇1

目前, 在实际应用过程中, 常用的土壤水分测量方法主要有烘干法、张力计法、中子仪法、FD法和TDR法。烘干法即在田间用土钻采取土样, 通过湿土称重、干燥脱水、干土称重测定土样的质量含水量。由于烘干法简单易行, 目前应用比较普遍, 但是取样的代表性受土壤质地结构的影响。TDR法是根据电磁波传播的速度测量土壤的介电常数, 利用数值回归分析方法找出经验公式, 进而计算出土壤含水率[2]。由于采用烘干法观测的次数相对较少, 该文主要是通过TDR法对进行检测的站点的土壤墒情变化规律进行分析。

1 土壤墒情的时程变化规律

一般农作物根系的深度主要集中在地表下20 cm左右。因此, 研究20 cm埋深处的土壤墒情变化特征, 对农业灌溉和农业生产意义重大。以某一中心基地的土壤墒情变化曲线 (图1) 为例, 分析土壤墒情变化特征。可以看出, 5月至10月上旬是土壤墒情变化剧烈阶段 (A阶段) , 期间降雨量、水分的蒸发量和作物的吸收量均大于其他2个阶段。当太阳辐射强度增强、气温增加、作物需水量大时, 土壤水分含量因蒸发和被作物吸收而降低;当降雨量增加时, 土壤水分含量上升[3]。10月下旬至12月主要是土壤墒情稳定阶段 (B阶段) , 与A阶段相比, 该阶段的降雨量、蒸发量、气温有所降低, 因而土壤水分含量也略微下降, 受地表低温影响, 土壤水分基本处于稳定调整阶段[4]。1—4月主要是土壤墒情缓慢变化阶段 (C阶段) , 期间气温逐渐上升, 地面解冻, 降雨量和蒸发量有所增加, 土壤水分含量出现变化, 但变化较慢[5]。

2 墒情数据直方图分析

土壤水分的采样样本都是关于时间的一维随机序列, 一般从集中趋势和离散趋势2个方面描述其平均水平与变异性。反映离散趋势的指标包括样本最大、最小值、方差、标准差、变异系数和极差等, 反映数据集中趋势的指标包括均值、中位数等[6,7]。

在土壤墒情变化规律的研究中, 常采用墒情数据直方图进行分析, 即用一系列宽度相等、高度不等的矩形表示数据分布。绘制墒情数据直方图时, 以给定间隔内的数据频数为矩形的高度并作为纵坐标, 以数据范围的间隔为矩形的宽度, 并作为横坐标[8]。以章景营子站10 cm (图2) 、20 cm (图3) 、30 cm (图4) 土层含水率直方图和正态分布图为例, 发现土壤水分值由高到低都反复出现多次, 土壤水分值是在不断变化的, 20 cm土层的直方图呈现出近似正态分布的规律。

3 土壤墒情的垂向变化规律

以2011年章景营子站降水量与土壤含水率变化过程 (图5、表1) 为例。可以看出, 在较浅的土层, 土壤水分含水率变化曲线波动较大, 随着土层深度的增加, 土壤水分含水率变化曲线趋于平滑[9];10 cm土层的水分含量平均值最小, 20 cm土层的水分含量平均值最大;随着土层深度的增加, 变异系数有减小的趋势, 即10 cm土层的水分含量变异系数最大, 30 cm土层的水分含量变异系数最小。

4 土壤墒情的增长与消退规律

在自然条件下, 无灌溉条件的旱地土壤水分主要来源于降水。当降水强度大于土壤的下渗能力时, 一部分降水补充到附近的河网, 另一部分补给地下水, 这一阶段为土壤水分含量的增长阶段[10];当降水结束后, 在太阳辐射的作用下, 由于土壤蒸发和植物散发, 土壤水分含量逐渐减少, 这一阶段为土壤水分含量的消退阶段[11]。

研究表明, 当雨前土壤含水率一定时, 降雨量增大, 增墒值也随之增大;在降雨量一定时, 初始土壤含水量越小, 增墒值越大[12];当初始土壤含水量大于一定数值时 (如30%) , 无论降雨量为多少, 增墒值都增长缓慢, 甚至不增长。而不同深度土层的消退系数也不同, 当初始土壤水分值一定时, 土层越浅, 消退系数越小, 土壤水分消退越快。

随着全球气候变暖, 干旱成为困扰人类社会正常生产、生活的重大自然灾害。对土壤墒情进行监测和预报研究, 是进行防旱抗旱的基础工作。抗旱部门正是通过测定土壤墒情的变化来确定当前墒情程度和预报下一步墒情的发展演变趋势[13,14]。因此, 掌握和了解墒情的变化规律就显得十分重要, 在墒情变化稳定和缓慢阶段, 可以延长观测时间, 减少观测次数;在墒情变化剧烈阶段, 就要增加测次, 同时用人工和遥测设备进行比对分析, 利用遥测设备的先进性, 对抗旱工作提供及时准确的墒情和科学决策信息, 在减轻旱灾、保障农业及工业生产和挽回经济损失方面发挥重大作用。

摘要：在现代化的农业发展进程中, 为推行精量灌溉技术, 提高水资源利用率, 准确有效地测量土壤含水量是基础工作之一。对一定范围内的土壤墒情进行实时监测和预测预报, 依此制订区域调水、配水方案和灌溉计划, 是防旱抗旱的重要手段之一。通过对不同时段和埋深的土壤水分值进行统计计算, 分析土壤墒情的时程变化规律、垂向变化、增长与消退规律, 可为农业生产提供参考。

变化规律分析 篇2

毛竹 Phyllostachys edulis 是竹类植物中用途最为广泛、经济价值最大的竹种， 生长快， 产量高， 材质好， 目前已开发出竹工艺品、竹地板、竹家具、竹炭等许多产品[1]. 毛竹秆直径小， 壁薄中空， 尖削度大， 中间有节， 竹青、竹肉和竹黄层的结构不同， 这些特点造成毛竹产品加工难以实现连续机械化、自动化， 生产效率低， 材料有效利用率一般只有 20%~50%, 同时产品制作过程中常需使用大量的胶黏剂和化学物质， 污染环境， 严重制约了竹材加工业的健康快速发展， 产业亟须创新和转型升级。 原竹展平技术是近来许多专家学者和厂商关注的热点， 它的成功开发将为竹材的工业化利用开辟新的途径， 可以解决毛竹材本身结构和加工过程中的相应难题， 被竹加工行业认为是目前科技含量最高的产品。 而原竹展平技术的关键是竹材软化， 软化又与竹材的玻璃化转变温度（Tg）直接有关， 当温度加热到 Tg时， 材料的形变明显地增加， 并在随后的一定温度区间形变相对稳定， 此状态即为高弹态， 即竹材的非结晶区部分从玻璃态转变到高弹态的过程， 此时竹材的性质会发生巨大的改变[2]. 许多专家学者如张齐生[3]、汪孙国等[4]、姜海波等[5]、钱俊等[6]和程瑞香等[7]已开展了竹材软化方面的工作， 主要采用尿素、碳酸氢钠等弱碱类软化剂， 软化温度低于 140.0 ℃， 时间都在 30 min 以上， 软化效果不理想， 未达到竹材的Tg. 李霞镇等[8]对富阳产含水率 8%的毛竹材竹青和竹黄的 Tg研究分析表明， 4.5 年生毛竹的 Tg从竹黄到竹青， 逐渐增大， 在 210.4~222.8 ℃范围内， 0.5 年生、2.5 年生和 4.5 年生毛竹材竹肉部分 Tg无明显差异。 江敬艳[9]用动态机械热分析仪（DMTA）测试仪研究南京林业大学竹类植物园的 7 年生绝干毛竹材竹肉的 Tg在 18.03~189.0 ℃， 用 DSC 方法研究的绝干毛竹材竹青 Tg为 208.3~211.3 ℃， 竹肉 Tg为 198.7℃， 竹黄 Tg为 217.8 ℃。 MATAN 等[10]利用 DMTA 测试不同初含水率（0%, 13%, 37%和 60%）3~4 年生的泰国马来甜龙竹 Dendrocalamus asper 的 Tg, 绝干时 Tg最大为（194.0 ± 10.0） ℃， 含水率 60%时最小是（85.0±10.0） ℃。 目前， 对竹材 Tg方面的研究报道很少也不全面。 因此， 本研究用 DMTA 系统研究了毛竹材不同初含水率、竹材部位、竹龄和高度等条件下的 Tg, 分析变化规律， 以便为原竹筒软化和展平提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试件制备

毛竹材， 由浙江德长竹木有限公司提供。 竹龄分别为 3 年生、5 年生和 7 年生， 壁厚 8~10 mm, 竹筒弯曲度≤1.5%, 无干枯、虫蛀、虫眼、腐朽、干燥裂纹及明显外伤， 材质符合 GB/T 2690-《毛竹材》标准要求。 分别在距毛竹材端头 2.5, 4.0, 5.5 m 处截取长为 60 mm 的竹筒， 再将竹筒依次连续截取成竹块： 尺寸为 60.0 （L）mm × 9.0 （T）mm × t mm （R）， 并将每个竹块从弦向劈分成竹青、竹肉、竹黄的竹薄片， 并依据测试仪器要求利用 240 号砂纸将试件打磨成尺寸为 60.0 （L）mm × 8.0 （T）mm × 2.0 mm（R）表面平整、厚度均匀的标准试件， 以备试验用。

1.2 试件含水率调控

试件含水率调控采用烘干法， 即将试件放置水中浸渍至饱和， 将饱和试件放入设定温度（103.0±2.0）℃的恒温干燥箱中干燥， 根据目标含水率将试件干燥至相应质量为止， 取出密封。 目标初含水率分别为绝干， 15%, 30%, 60%, 饱水状态。

1.3 试验方法

实验利用 Q800 型动态机械热分析仪（DMTA）。 DMTA 把材料的黏弹性分为 2 个模量： 一是储能模量 E′， 即材料在形变过程中由于弹性形变而储存的能量， 反映材料黏弹性中的弹性成分， 表征材料的刚度； 二是损耗模量 E″， 即材料产生形变时能量散失或转变为热的现象， 反映材料黏弹性部分中的黏性成分， 表征材料的阻尼特性[11]. 在 DMTA 图谱中 Tg有 3 种对应温度， 第 1 种是 E′曲线上折点所对应的温度； 第 2 种是 E″曲线峰点所对应的温度； 第 3 种为 tanδ 峰所对应的温度[12]. 本研究以 ISO 标准中建议的 E″曲线峰点所对应的温度作为 Tg.

研究采用双悬臂梁弯曲形变模式。 测试参数为： 温度 30.0~260.0 ℃， 升温速率 5.0 ℃·min-1, 测量频率 3.0 Hz, 振幅为 15.0 μm. 在室温下测量试件的长度、宽度和厚度， 并输入仪器中； 再将毛竹片放入 DMTA 样品室的夹具中加以固定， 然后关闭样品室， 开始试验。 完成一个试件后， 需待样品室的温度降至室温， 且保证样品室关闭后稳定温度小于 25.0 ℃才能进行下一个试件的测试。

2 结果与分析

2.1 不同含水率毛竹材的Tg选用距毛竹材端头 5.5 m 处的不同初含水率下的 5 年生毛竹材的竹青、竹肉和竹黄试件， 进行 DMTA 的 E′和 E″测试，测试数据图谱（图 1）E″曲线峰所对应的温度即为毛竹材的 Tg（ 表 1）。 由表 1 可知 :随着初含水率升高， 毛竹材竹青、竹肉和竹黄的 Tg均不同程度降低， 将绝干状态与饱水状态的毛竹材的 Tg进行对比， 竹青 Tg降低了 103.5 ℃， 竹肉 Tg降低了 104.3 ℃，竹黄 Tg降低了 116.1 ℃。 这是由于初含水率的增加， 半纤维素降解， 水分子容易进入毛竹材纤维的无定形区使纤维润胀， 纤维素分子之间的相互移动变得易发生， 从而使表征竹材刚度的弹性模量降低， 塑性增强， 进而使毛竹材 Tg降低。 同时含水率增加也使毛竹材含有的`自由水增多， 在细胞腔中的少量的自由水形成类似雪的极细冰晶， 这种冰晶在低温时使毛竹材在受力作用时需要克服细胞间隙间的摩擦[13-14],因此， 毛竹材初含水率升高， 使反应毛竹材黏性的损害模量值相应增大。 从表 1 中还可知： 初含水率（MC）比较低的变化（<15%）比初含水率（mc）高（>15%）的变化对毛竹材的 Tg影响更大， 从而说明， 毛竹材细胞腔中自由水对毛竹材的 Tg影响相对较小。 从图 1 竹肉的 E′和 E″曲线图谱中还可知： 不同初含水率的毛竹材 E′均随着温度的升高呈现不同程度的下降趋势； 在初始温度状态下（取 50.0 ℃进行分析），初含水率越大， E′越低， 绝干毛竹材 E′为 8 446.0 MPa, 饱水毛竹材 E′为 3 766.0 MPa, 降低了 4 680.0MPa, 表明随着初含水率的升高， 毛竹材弹性模量降低和抗弯曲性能降低， 达到了竹材半纤维素和木质素的玻璃化转变温度， 使竹材容易软化。

2.2 不同部位毛竹材 Tg从表 1 可知： 在毛竹初含水率为 0%, 15%和 30%时， 毛竹材的竹黄 Tg>竹青 Tg>竹肉 Tg, 同江敬艳等[9]

研究 7 年生毛竹材绝干含水率时结果相吻合； 在初含水率为 60%和饱水时， 毛竹材的竹青 Tg>竹肉 Tg>竹黄 Tg, 同李霞镇等[8]研究 4.5 年毛竹材的结果相一致。 从图 2 中也可看出： 毛竹材（30%MC）3个部位的竹壁径由内而外 E′和 E″依次增大， 即靠近竹青部位最大， 在 50.0 ℃时分别达到 9 552.0 MPa和 279.0 MPa, 竹肉次之为 4 716.0 MPa 和 118.0 MPa, 竹黄最小为 2 946.0 MPa 和 108.0 MPa. 主要是由于毛竹材的有机组成和竹壁部位有关[10,15], 距毛竹材端头 5.5 m 处的竹青部位的木质素和 α-纤维素含量最高， 从竹青到竹黄逐渐升高， 综纤维素含量基本不变， 半纤维素从竹青到竹黄逐渐降低[16], 竹材三大主要有机成分相互交联作用， 随着温度升高， 毛竹材细胞壁软化， 木素降解， 纤维素结晶区被破坏。

当毛竹材试件处于纤维饱和点以上时， 竹黄 Tg小于竹肉， 竹青 Tg最大。 这是由于在增加试件含水率的过程中， 会有抽提物被抽出， 毛竹竹青结构致密， 含有腊质和有机硅， 竹青部分的冷水、热水抽提物较竹黄低。 竹黄中的抽提物降低， 其有机成分的交联程度也降低， 导致竹黄 Tg降低程度比竹青和竹肉大。 再者， 水分的增加使纤维内部结合力降低， 半纤维素含有大量氢键吸收水分， 易发生降解。 同时水分增加可以破坏三大成分之间的连接键， 降低其交联程度， 从而提高竹材的软化性能。 由于水分增加到一定程度后竹青 Tg大于竹黄 Tg, 这从一定程度上可推断竹青部位有机物的交联程度大于竹肉和竹黄且竹青部位受水分影响较小。

2.3 不同竹龄毛竹材Tg选取初含水率为 30%毛竹不同部位进行不同竹龄毛竹材的 Tg测试 （表 2）， 并得到竹肉 DMTA 的 E′和 E″测试图谱（图 3）。 从表 2 可知： 竹龄（3 年生、5 年生和 7 年生）的毛竹材 Tg竹青为 124.0~128.8 ℃，竹肉 120.5~122.9 ℃， 竹黄 132.3~136.3 ℃， 不同竹龄同一部位的毛竹材 Tg基本相近无显着差异， 绝干毛竹材 Tg也是类似的结论， 但绝干毛竹材 Tg数值远比初含水率 30%的要高。 从图 3 可知： 当温度从50.0 ℃升到 250.0 ℃时， 3 年生、5 年生和 7 年生 E″呈先增大后减小的趋势， 毛竹材 E′均呈下降趋势， 3年生 E′从 4 671.0 MPa 降到 1 688.0 MPa, 5 年生 E′从 4 716.0 MPa 降到 1 637.0 MPa, 7 年生 E′从4 139.0 MPa 降到 1 377.0 MPa, 7 年生毛竹材的抗弯曲性能最低。 不同竹龄的绝干毛竹材的竹青、竹肉和竹黄的 Tg也无显着差异， 但比 30%初含水率的毛竹材 Tg要高， 进一步说明， 初含水率的大小对毛竹材的 Tg有较大的影响。

在毛竹材成熟阶段， 纤维素的含量随着竹龄的增加而减少， 到Ⅱ度毛竹（3~4 年生）纤维素含量趋于稳定， 3, 5, 7 年生竹材木质素、半纤维素和 α-纤维素含量差异较小， 综纤维素含量的差异不显着，且随着毛竹成熟度的增加， 竹材内的热抽提物、灰分等少量成分逐渐减少[15-17], 故随着竹龄的增加 ,毛竹材的储存模量和损耗模量会相应的增加。 研究表明： 木质材料的 Tg是纤维素、半纤维素和木质素共同作用的结果。 在全干状态下纤维素、半纤维素和木质素的 Tg分别为 231.0~253.0 ℃， 167.0~217.0 ℃和 134.0~235.0 ℃[18-20], 水分增加其对应的软化点温度会相应的降低。 在竹材的成熟过程中， 木质化与细胞壁增厚同时进行， 随着细胞壁连续的增厚， 纤维素、半纤维素和木素同时积累， 各自增加的质量比例保持不变， 即三大组分在成熟竹材中的干质量百分率不随竹龄的变化而变化[21-22]. 因此， 在试验选定水平内， 竹龄对成熟毛竹材的 Tg影响不明显。

2.4 不同高度毛竹材 Tg选取初含水率为 30%的 5 年生毛竹不同高度的竹肉部位 DMTA 的 E′和 E″测试图谱（图 4）。 不同高度的毛竹材 E″随着温度的增加呈先增大后减小的趋势， 离根部 2.5 m, 4.0 m 和 5.5 m 处的毛竹材的 Tg分别为 125.7, 123.9, 122.9 ℃， 表明不同高度同一部位（竹肉）毛竹材 Tg变化不显着。 由图 4 还可知：

当温度从 50.0 ℃升到 250.0 ℃时， 2.5 m, 4.0 m 和 5.5 m 处的毛竹材 E′均随着温度的增加而降低， 2.5 m的 E′从 5 732.0 MPa 降到 1 908.0 MPa, 4.0 m 的 E′从 5 051.0 MPa 降到 2 234.0 MPa, 5.5 m 的 E′从4 716.0 MPa 降到 1 637.0 MPa; 在同一温度下， 不同高度的竹材的 E′和 E″都具有随着毛竹高度的增加而降低的趋势， 在温度开始变化阶段， 2.5 m 处的试样 E′最高， 而 5.5 m 处的试样 E′最低， 毛竹材越靠近稍部其抗弯曲性能越低。 这是由于毛竹材的有机组成中木质素、综纤维素随着毛竹高度的增加而逐渐增加， 半纤维素从基部到稍部逐渐降低， 但 α-纤维素含量没有显着的变化。 竹材 Tg与纤维素、半纤维素和木质素含量及其三者之间的混溶性有关， 不同高度毛竹材的有机成分含量不同导致了 Tg差异，它还与有机成分的交联程度有关， 交联程度随着毛竹材高度的增加而降低， 可看出基部的毛竹材的 Tg和损耗模量要略高于梢部处的， 所以综合来看， 离根部2.5 m, 4.0 m 和 5.5 m 处毛竹材的 Tg基本相近。

3 结论

竹材初含水率对毛竹材的 Tg影响显着， 随着初含水率增加， 其 Tg显着降低； 绝干毛竹材的 Tg最大为 217.3 ℃， 饱水状态的毛竹材 Tg最小为 113.0 ℃。 在相同竹龄、初含水率和相同部位的毛竹材沿竹壁径向的 Tg不同。 说明实际生产中可通过控制毛竹材的初含水率来降低 Tg, 从而实现毛竹材充分软化。

变化规律分析 篇3

关键词：主要作物；播种面积；变化规律；辽宁省

中图分类号：F326.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0004-03

辽宁省位于中国东北地区南部，东经118°53′至125°46′、北纬38°43′至43°26′，全省土地总面积14.8万km2，占全国总面积的1.5%。全省共有14个地级市，17个县级市，27个县，56个市辖区（其中36个农业区），617个镇，394个乡。现有耕地面积407.4万hm2，园地60.7万hm2，林地570.9万hm2，牧草地37.3万hm2。全省人口4 172.8万人，农业人口2 176.3万人，是我国重要的商品粮生产基地。

辽宁属温带大陆性气候，日照丰富，积温较高。阳光辐射年总量为118.6～144.5 kcal/cm2，年日照时数为2 200～2 950 h；一月平均气温-4.5～-17.0 ℃，七月平均气温22～27 ℃，年平均气温5～11 ℃；一般无霜期125～220 d；年平均降水量450～1 150 mm。辽西山地呈半干旱特色，年降水量只有400 mm左右。辽宁省主要农作物有玉米、水稻、花生、大豆、高粱、小麦等等，以一年一熟制为主。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于辽宁统计年鉴（2013）。

1.2 数据统计

数据用Excel进行分析处理并作图。

2 结果与分析

2.1 农作物播种总面积变化规律

辽宁省农作物总播种面积变化情况如图1所示。1980—2012年间，辽宁省农作物总播种面积平均为3 736.06 khm2，从整体来看，大体呈现稳定的趋势，自2007年以后表现为逐年增加，到2012年达到4 361.30 khm2，为近些年中的最大值；2003年农作物总播种面积最小，为3 476.60 khm2。因此，近30 a，辽宁省农作物总的播种面积在小幅度地增加。

2.2 不同类型作物播种面积变化规律

不同类型作物播种面积变化情况如图2所示。从不同作物类型播种面积来看：粮食作物播种面积基本稳定，近年略有增加，平均值为3 033.28 khm2，在2000—2004年间低于3 000 khm2，其他年份均高于

3 000 khm2，粮食作物播种面积最小值出现在2003年、仅为2 563.60 khm2；经济作物表现为波动趋势，平均值为264.99 khm2，从2008—2011年开始表现为逐年增加，2011年为428.30 khm2，仅低于1985年，最小值出现在2007年、为118.10 khm2；其他作物大体表现为增加的趋势，平均为473.78 khm2，在2011年达到最大、为758.10 khm2，最小值出现在1985年、仅为283.90 khm2。因此，辽宁省农作物播种面积的增加主要是随粮食作物播种面积的增加而增加的。

2.3 粮食作物播种面积变化规律

粮食作物播种面积变化情况如图3所示。粮食作物中，水稻播种面积在2004年以前基本稳定，之后逐年增加，平均为533.61 khm2；玉米播种面积整体呈增加趋势，在1999—2003年出现小幅度波动，2009年以后表现为逐年增加，平均为1 606.70 khm2；小麦、高粱、谷子、薯类、大豆和其他杂粮均表现为减少的趋势。因此，粮食作物播种面积的增加主要是由水稻和玉米面积增加而导致的。

3 结论

经调查分析可知：1980—2012年间，辽宁省农作物播种总面积呈现小幅度增加的趋势，主要是随粮食作物播种面积的增加而增加的。粮食作物播种面积基本稳定，近年略有增加，平均值为3 033.28 khm2，主要是由水稻和玉米面积增加导致的；经济作物播种面积表现为波动趋势，平均值为264.99 khm2，其中油料作物表现为先减少再增加再减少再增加的趋势，呈现出较为强烈的波动，主要是由花生和向日葵面积变化导致的。

参考文献

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[3] 纪瑞鹏，张玉书，冯锐，等.辽宁省农业气候资源变化特征分析[J].资源科学，2007，29（2）：74-82.

[4] 杨晓光，刘志娟，陈阜.全球气候变暖对中国种植制度可能影响Ⅰ：气候变暖对中国种植制度北界和粮食产量可能影响的分析[J].中国农业科学，2010，43（2）：329-336.

[5] 郭有，彭蔚彬，孙玉芳，等.辽宁省农村生态经济分区的研究[J].生态学杂志，1989，8（2）：61-65.

宁津县气候变化规律分析 篇4

1 资料来源与分析方法

1.1 资料来源

根据宁津县气象局提供的当地1971—2007年的气象观测资料。选用宁津县1971—2007年平均气温、降水量、平均最高气温、平均最低气温资料。

1.2 分析方法

作出宁津县各气候要素的历史曲线及5年滑动平均曲线图,分析各要素的变化状况;以10 a为一个阶段,对其不同年代、不同季节的要素特征进行统计,分析各气象要素的季节变化特征,按照气象角度标准划分:12—2月为冬季、3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季。

2 结果与分析

2.1 年平均气温变化特征

由图1可以看出,从20世纪80年代末开始年平均气温开始呈上升趋势,上升速度明显加快,1998、2007年的平均气温分别达到37年来的次高值和最高值。从线性倾向率看,年平均气温以0.44℃/10 a的速度上升。由表1可知,各季节的年平均气温变化幅度不同,冬季为0.68℃/10 a,春季为0.48℃/10 a,夏季为0.20℃/10 a,秋季为0.26℃/10 a,冬季上升最明显,春季次之。

(℃)

20世纪70、80年代气温偏低,90年代后气温明显回升,尤其是进入21世纪以来,气温升高更加明显。近7年的平均气温较前30年增高0.7℃,其中春季增高1.1℃,夏季增高0.2℃,秋季增高0.5℃,冬季增高0.7℃。由此可知,宁津县自进入21世纪以来气温迅速升高的主要原因是冬、春季气温增高较快所致。

2.2 年平均最低气温变化特征

年平均最低气温变化整体上呈明显的上升趋势,以20世纪80年代中期为界,70年代至80年代中期一直处于偏冷阶段。80年代中后期逐渐上升,进入21世纪后气温急剧上升,2007年达到最高值。1994年以来,除2000年接近常年以外,其他13年均明显高于常年平均值。从线性倾向率上看,年平均最低气温以0.50℃/10 a的速度上升,其中冬、春2季明显大于年倾向率,分别为0.87℃/10 a、0.64℃/10 a。

由表2可以看出,宁津县进入21世纪以来年平均最低气温较前30年高出1.0℃,其中春季高出1.3℃,夏季高出0.4℃,秋季高出0.8℃,冬季高出1.2℃。与年平均气温一样,年平均最低气温升温尤以冬、春季明显。

(℃)

2.3 年平均最高气温变化特征

由表3可以看出,宁津县进入21世纪以来的年平均气温比前30年上升0.58℃,其中冬季增高0.5℃,春季增高1.0℃,秋季增高0.4℃,夏季持平。可见,本世纪以来年平均最高气温迅速升高的主要原因是春季温度升高造成的。

(℃)

2.4 降水气候变化特征

由表4可以看出,20世纪70、90年代降水较多,80年代降水量明显偏少。进入21世纪,降水又明显偏少,以夏季降水减少最为显著。以每10 a作为一个阶段对比分析看,21世纪以来,年平均降水量比20世纪70年代减少104.7mm,其中夏季减少110.2mm。从线性倾向率看,一年四季均呈减少趋势,春季减少13.5 mm/10 a,夏季减少60.8mm/10 a,秋季减少19.0 mm/10 a,冬季减少6.5 mm/10 a。

(mm)

3 结论

1971—2007年间宁津县年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温均呈上升趋势,特别是21世纪以来的增暖幅度更加明显,年平均气温较前30年升高0.7℃,年平均最低气温升高1.0℃,年平均最高气温升高0.58℃。对气候变暖贡献最大的是冬季和春季的升温,年平均最低气温升温幅度为年平均最高气温的2.5倍,这也是气候变暖的重要原因之一。1971—2007年宁津县的降水总趋势减少,自20世纪90年代末以来,夏季降水减少非常明显。

参考文献

[1]山东:宁津县[J].环渤海经济瞭望,2007(3):62-64.

[2]董莹芳.看气候变化思人类发展[J].中国教育发展研究杂志,2008,5(10):44.

[3]刘焕彬,郑全岭.山东气候之最[J].山东气象,2003,23(3):26-27.

变化规律分析 篇5

新疆淖毛湖煤田地表水、地下水水质变化规律分析

文章通过对淖毛湖盆地地表水、地下水沿径流方向采集多个水样进行水质分析,研究地表水、地下水水质变化规律,分析气候条件对其影响,为寻找供水水源提供基础资料.

作 者：张国强 吴斌 作者单位：新疆煤田地质局一六一煤田地质勘探队刊 名：科技信息英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：2009“”(22)分类号：P64关键词：地表水 地下水 水质变化 干旱气候

坐标的变化规律 篇6

例春天到了，七（2）班组织同学到人民公园春游，张明、王丽、李华三位同学和其他同学走散了，同学们已经到了中心广场，而他们仍在牡丹园赏花，他们对着景区示意图（如图1）在电话中告诉老师他们的位置．

张明：我这里的坐标是（300，300）．

王丽：我这里的坐标是（200，300）．

李华：我在你们东北方向约420 m处．

实际上，他们所说的位置都是正确的.你知道张明和王丽同学是如何在景区示意图上建立平面直角坐标系的吗？你理解李华同学所说的“东北方向约420 m处”吗？

用他们的方法，你能描述公园内其他景点的位置吗？

[分析：]我们根据景区示意图中的标尺，可以确定张明和王丽同学建立的相应坐标系，同时可以确定公园内其他景点的坐标．张明和王丽同学建立的坐标系分别如图2和图3.

从图2和图3中我们可以发现，坐标系向右平移100个单位长度，坐标系内各点的横坐标都减少100，纵坐标不变．这相当于坐标系不动，坐标系内的各点都向左平移100个单位长度．

公园内其他景点的坐标我们已在图中标出，只要根据坐标正确描述位置即可.

李华是用方位角和距离来描述的，“东北方向约420 m处”即在中心广场的北偏东45°方向，到中心广场的距离约为420 m.

思考：除了用他们的方法，你还能用其他方法描述公园内景点的位置吗？你有什么发现？

[归纳：]在坐标平面内，点不动，将坐标系向右（或向左）平移a（a ≥ 0）个单位长度，就相当于坐标系不动，将点向左（或向右）平移a个单位长度，点（x，y）的对应点的坐标为（x-a，y）（或（x+a，y））．如果点不动，将坐标系向上（或向下）平移b（b ≥ 0）个单位长度，就相当于坐标系不动，将点向下（或向上）平移b个单位长度，点（x，y）的对应点的坐标为（x，y-b）（或（x，y+b））．

地层参数随流体流动的变化规律分析 篇7

在测试解释工作中, 遇到过许多例子, 它们反映了基本相似的规律, 本文选取一个典型的井例进行分析。

1 测试实例解释数据

CB326井是一口高产自喷井, 测试期间分别进行了三次开井和三次关井, 分别对三次关井压力恢复曲线进行拟合计算, 结果如下:

1.1 第一次关井解释数据

第一次开井20m i n, 第一次关井时间45min, 产出水约7.4m3。

解释结果:

CS1:0.0184

K1:21.5×10-3μm2

S1:2.155

Pi1:37.002MPa

Ri1:16.4m

1.2 第二次关井解释数据

第二次开井45min, 第二次关井时间476min, 地面产出水约4.2m3。

解释结果:

CS2:0.07

K2:33.78×10-3μm2

S2:0.22

Pi2:36.9826MPa

Ri2:110m

1.3 第三次关井解释数据

第三次开井2813min, 第三次关井时间1490min, 产出油约382.46m3, 产出天然气6500m3。

解释结果

CS3:0.0514

K3:34.3925×10-3μm2

S3:9.3002

Pi3:36.813MPa

Ri3:208m

2 对解释数据的分析

2.1 地层渗透率随地层流体流动的变化

定义K1为第一次流动和第一次关井恢复解释的地层渗透率, 以此类推定义K2、K3。K1=21.5×10-3μm2, K2=33.78×10-3μm2, K3=34.3925×10-3μm2;我们可以看到随着流动时间的延长地层渗透率逐渐变大。

一关解释的有效渗透率与二关、三关解释的有效渗透率存在较大差异, 而二关、三关解释的有效渗透率接近。

原因分析:在钻井、试油过程中, 近井地带多少会受到钻井液等的伤害, 造成渗透率下降。而测试的其中一项功能就是较大的生产压差, 对地层进行排液, 解除近井损害。因此渗透率的变化, 往往发生在流动初期, 解除近井地带的污染后, 渗透率恢复到地层原状, 在之后的放喷中保持稳定。

本井一开流动20m i n, 流体喷至地面, 出水7.4m3。由于流动时间短, 排出液体少, 污染还没有完全解除, 渗透率为21.5×10-3μm2。经过二开后又流动45m i n, 地面出水4.2m3, 这时解释的渗透率33.78×10-3μm2接近真实值。

2.2 地层表皮系数随流体流动的变化

第一次关井解释的表皮系数S1:2.155, 第二次关井解释的表皮系数S2:0.22, 第三次关井解释的表皮系数S3:9.3002。变化规律是先变小, 后变大。

原因分析:原因与渗透率逐渐变化类似, 也是由于钻井液污染了地层, 产生了较大表皮系数, 随着流动的进行, 近井污染得到了解除, 表皮逐渐减小。因此一开末S1:2.155逐渐降到S2:0.22。

随着地层流体流动, 表皮系数S3:9.3002反而增大了很多。三次流动以后, 地层总共流动时间20+45+2813=2878m i n, 累计排出液体390.06m3, 日产天然气3200m3/d。地层油气产量较高, 累计产量也较大, 近井污染基本解除。之所以表皮变得更高, 是因为气体湍流的影响。气体产量达到较高值以后, 影响规律是:Sa=S+DQ。Sa是视表皮, S是真表皮, D是非达西流影响系数, Q是产量。由此可以看出, 产量越大, 影响越大。而我们计算得到的S3:9.3002远远大于S1:2.155和S2:0.22。

2.3 拟合压力变化分析

三次关井的拟合压力分别是Pi1:37.002MPa、Pi2:36.9826Mpa、Pi3:36.813Mpa;Pi1和Pi3差值最大, 只有0.189MPa, 在误差范围内。三次关井拟合计算压力基本一致。

2.4 探测半径变化分析

一开20min, 出液约7.4m3, 探测半径Ri1:16.4m;

二开45min, 出液4.2m3, 探测半径R i2:110m;

三开2813min, 出液382.46m3, 累计出气约6500m3, 探测半径Ri3:208m。

由实例我们可以看出, 排出量和开井时间越长, 探测半径越大, 但不是线性关系。

对照理论公式Ri与渗透率和流动时间的平方根成正比。这也验证了二开、三开后关井解释的探测半径Ri2、Ri3相差接近一半的实测结论。

3 地层参数变化分析, 对测试工作的意义

由渗透率和表皮系数的变化规律可以得出:用压力恢复曲线计算参数时, 开井时间都不要太短, 测试压差也不要太小, 目的是为了让地层流体充分流动, 以解除近井地带污染, 让渗透率、表皮系数恢复原貌, 同时充分的开井流动也可以使得探测距离增大, 获得更多的地层信息。当然, 对于低压层, 为防止一次开井压力“流平”, 可以用多次开关井 (比如三开二关) 、或者关井前用抽汲、液氮助排等方式来弥补这个弱点。

对于预测低产低渗的地层, 在套管安全、储层安全的情况下, 增大测试压差, 延长开关井时间、次数, 这样才能取得较真实的地层参数。否则, 取不到参数或者只是地层流动初期不够真实的参数。

对于常见的D S T测试, 由于各种条件限制, 测试往往采取一种“短、平、快”的方式, 时间短、速度快、效率高。这时, 应用上文分析的变化规律, 根据具体情况, 应考虑:渗透率可能被低估、表皮可能被高估、探测距离较短、储层区块规模和边底水未被发现, 这些随着排液的继续, 会影响地层产量。

对于气井的表皮系数S a, 对它的影响因素比较复杂, 由于湍流的影响, 气产量越大, S a值越大, 他可以比真实表皮大许多倍。因此, 对于气井的表皮系数, 我们要考虑解释数据高估了数倍。只有通过分解视表皮, 才能得到地层真实表皮系数。

对于探测距离的确定, 要将探测距离扩大到原来的2倍, 开井时间就要延长原来时间的平方。这是实际井例和理论公式共同得出的结论。

摘要：地层测试过程中, 同一测试层, 反应地层特性的参数会随开井时间和地层流体的流动而变化。深入细致地研究地层流体流动与地层各参数之间的变化规律, 制定出更切合实际的测试设计, 并且在测试解释中加以运用, 以取得地层更真实的信息。

广西龙州铝土矿质量变化规律分析 篇8

第一, 矿源层主要是泥盆系融县组 (D3r) 与石炭系都安组 (C1-2d) 不整合接触面上沉积的铁铝岩。

第二, 地貌是孤峰波地型岩溶准平原。

1 成矿地质背景

龙州铝土矿矿床位于右江褶皱系西大明山隆起南缘, 属桂西南铝土矿成矿带。北部与下雷-灵马拗陷相邻, 南部与钦州残余地槽区十万大山断陷带连接, 处于凭祥-东门断裂北盘的龙州-凭祥弧形构造北侧。凭祥-东门区域性断裂对沉积岩相、岩浆活动和矿化作用起到明显的控制作用。

区内出露地层以上古生界泥盆系、石炭系碎屑岩、碳酸盐岩夹基性~酸性火山碎屑岩建造为主, 少量下古生界寒武系复理石碎屑岩建造, 缺失奥陶、志留系。其中泥盆系融县组 (D3r) 与石炭系都安组 (C1-2d) 不整合接触面上沉积的铁铝岩是区内铝土矿的成矿物源。第四系则以岩溶洼地、谷地、坡地及河谷阶地松散碎屑堆积残积、冲积物为主, 残积层是岩溶堆积铝土矿的赋矿层位。

岩浆活动以华力西~印支期海相火山喷发最为强烈, 受北西向那坡断裂带和北东东向凭祥-大黎断裂带控制, 形成多期次的火山岩建造。

2 矿体地质特征

2.1 铝土矿赋矿层位及矿化特征

2.1.1 赋矿层位

铝土矿主要分布在下石炭统-上泥盆统碳酸盐岩为基底的岩溶洼地和坡地上, 矿体间多被峰丛或基岩分布区所分割, 平面上成群分布, 规模较大;平面形态多呈不规则状、树枝状、短轴、长轴状等;产状变化较大, 分布于岩溶坡地上的矿体其倾向与坡向一致;分布于岩溶洼地的矿体, 其产状则随基底地形起伏而起伏。

2.1.2 矿化特征

堆积铝土矿主要分布在离矿源层不远的下石炭统-上泥盆统地层岩溶洼地上;矿源层规模大, 铝、铁含量高, 红土化作用发育的地段, 就会形成储藏量大, 矿石质量好的堆积铝土矿体。含矿洼地规模愈大, 则堆积矿体规模愈大;含矿洼地封闭性较好, 则矿体含矿率较高, 厚度较大;离矿源层愈近, 则矿石块度较大, 矿石质量相对较差;离矿源层愈远, 则矿石块度变小, 磨圆度较好, 矿石质量相对较好。

2.2 矿体特征

2.2.1 含矿层位特征

铝土矿矿层在剖面上一般呈现由上部红色或红黄色粘土层 (厚0~5.1m) 、中部铝土矿层 (厚0.5m~11.7m) 及下部紫红色或杂色粘土层夹有少量铝土矿 (厚0~大于10.7m) 组成, 具三元结构特征。铝土矿层与上下粘土层之间的界线一般比较明显, 上部的红色粘土层在剥蚀强烈的地段, 多数不能保存而使矿层裸露地表;铝土矿层下部粘土层与基岩的接触面多呈凹凸不平, 在石芽发育的地段, 铝土矿与基岩呈直接接触。

2.2.2 矿体分布、规模、形态及产状

铝土矿的空间分布一般受矿源层厚度与岩溶地貌形态的双重控制。一般情况下, 铝土矿多分布在标高307.75m~379.29m, 地势比较宽缓、丘陵化程度又比较低的区域, 既有利于堆积型铝土矿含矿岩系的保存, 又有利于红土化作用的进行, 是铝土矿主要的分布地带。

矿体的规模、大小往往与所在的岩溶洼地及斜坡的展布规模密切相关。单个矿体长一般由数百米至数千米, 宽数十米至数百米, 储量不等, 最大含矿洼地超过1000万t。

矿体的形态受岩溶地形地貌控制, 在平面上多呈条带状、树枝状、短轴状、瘤状及其它不规则状;在剖面上主要呈层状、似层状和透镜体状。矿体产状一般随基底地形而变化。

2.3 矿石特征

2.3.1 矿石物理特征

矿石呈褐红色、黄褐色、青灰色等, 以棱角~次棱角状为主, 少量次圆状, 块径大小不一 (照片1、2) , 常呈块状、结核状、鲕状或豆石状产出。暗淡或土状光泽, 不透明。

2.3.2 矿石化学组分

化学成分 (%) A l2O32 6.0 9~4 8.0 4, Fe2O32 6.79~46.5 4, Si O23.3 7~24.5 4, A/S1.4~14.26。A l2O3平均42.74, A/S平均7.10。微量元素Ga含量为0.0038~0.009, 平均0.005。

矿石主要化学组分含量的总体变化规律是:Al2O3含量较高, 则铝硅比高;Al2O3含量较低, SiO2含量则较高;Fe2O3的含量随Al2O3含量的增高降低;灼失量较稳定, 变化幅度小。Al2O3品位主要集中于40%~45%区间, 占样品数70.0%, 小于40%或大于45%的样品分别占样品总数26%和4.0%。表明Al2O3在矿体中的分布相对集中、稳定。

2.3.3 矿石结构构造

矿石结构有砂屑结构、粒屑结构、微晶结构、显微鳞片泥质结构、隐晶质结构等, 矿石构造有无定向和略具定向构造、块状构造、砾状构造等。

3 矿石质量变化规律

3.1 含矿层各粒级矿石分布规律

铝土矿层主要由粘土和铝土矿角砾碎屑组成, 与上下粘土层在剖面上具三元结构特征, 且界线一般比较清晰。矿石粒度的大小与堆积铝土矿层所处标高有一定的关联, 标高愈高, 矿石粒径则相对较大。矿石粒度相差较大, 一般直径在1cm~30cm, 大者达80cm~100cm, 甚至更大。矿石形态多呈棱角——次棱角状, 其磨园度和分选性差, 为粘土所胶结。矿石角砾碎屑在剖面上为上粗下细, 含矿率也呈上高下低的特点。

笔者通过收集全巷重量四分法所采集的1038个样品分析结果, 对其各粒级净矿石重量进行统计, 结果表明各粒级净矿石重量所占比例分别为:>5cm占8.6%~80.6%;3cm~5cm占4.2%~40%;1cm~3cm占7.8%~38.8%;<1cm占5.4%~21.2%, 平均10.8%。其中>3cm粒级的净矿石总重量占净矿石总重量的12.8%~86.8%。

此外, 靠近矿源层及地势较高的洼地或坡地上的矿体中, >3cm粒级的矿石所占的比例相对较大, 而在远离矿源层及地势较低的洼地的矿体中, >3cm粒级的矿石所占的比例相对较小。

3.2 矿体含矿率

矿体含矿率变化较大, 一般是矿体所在的洼地封闭性越好, 则含矿率较高。矿体中一般是靠近边坡地段及隆起地段含矿率较高, 开阔地带及落水洞附近含矿率较低。垂向上一般是中上部含矿率较高, 顶部及下部含矿率较低。

3.3 各粒级矿石质量

不同粒级的矿石质量有所差异, 这与矿石中所含Al2O3及SiO2的多少有关。当堆积矿层靠近矿源层或所处地势较高时, 因矿石粒度较大且多, 含矿率常较高, 其氧化程度低, 磨园度较差, 矿石中Al2O3的含量一般较低, SiO2的含量一般较高, 矿石质量相对较低。当矿层离矿源层太远或所处地势较低时, 矿石粒度较小, 如掺杂有泥岩碎屑和粒状铁锰物质, 矿石质量也相对较低。通过收集用全巷重量四分法采集的样品进行分析, 总体上粒级>1cm的矿石质量比单工程矿石平均质量要好, 粒度在3cm~30cm之间的矿石质量相对较好, 其它粒度的矿石质量相对较差。

参考文献

变化规律分析 篇9

关键词：竖直附加力,渗透系数,弹性模量,耦合作用

在未来几十年,煤炭仍是我国能源利用的主要构成。随着我国中东部地区浅层煤炭资源的枯竭,开发重点已向深部转移[1]。中东部地区深厚表土层内的井壁由于受到疏排水地层影响引起竖直附加力所导致的破裂,给深部煤炭开发和煤矿的安全高效生产造成了巨大隐患。大量模拟试验表明[2,3]:由于采矿活动或人为疏排水,使底部含水层水位下降,土层固结压缩,造成地层下沉;由于井壁周围地层下沉位移与井壁位移不完全同步,使井壁外表面产生的竖直附加力成为影响井壁破裂的主要因素。处于深厚表土疏排水沉降地层中的井壁受到地质环境、承压水渗透、含水层固结、耦合作用等复杂因素的影响,处于一个复杂的动态受力状态中;井壁的受力变化主要与承压水渗透系数、含水层固结沉降量、井壁与围土的耦合作用有关。

国外类似井壁破裂事故鲜有报道,故井壁破裂机理的很多种学说大都来自于国内。张宏学[4]通过数值模拟和理论分析了表土段立井次生地压和井筒竖向附加力成因、分布及变动规律,并以此为基础研究了立井次生地压与地下水位对应关系和井壁破裂机理;李忠华等[5]将岩石视为多孔介质,考虑渗透作用,应用弹塑性理论和损伤力学,导出了井壁围岩应力分布规律,给出了渗透作用下井壁稳定孔隙压力的临界值;苏骏[6]根据桩基理论,采用剪切位移法,考虑井壁与地层间的相对位移,得到疏水地层井壁附加力和轴向应力大小和分布规律;高杰等[7]采用数值模拟软件分析模拟了水位下降过程中的井壁附加力变化规律,得到了水位下降与井壁附加力的定量关系以及水位下降与剪应变增量的关系;刘环宇等[8]通过数值模拟得到了结论:底部含水层固结过程中,在土层与井壁之间的相互作用下,外井壁会受到附加力的作用,且随着附加力的增加,井壁逐渐进入塑性状态,直至破坏;李小琴等[9]建立了围土与井壁相互作用的理想弹塑性模型,得到了计算井壁附加竖向位移应变和应力的公式;刘希亮等[10]通过对底部含水层疏排水沉降的研究成果和底部含水层水压降与竖直附加力试验资料的整理得出:底部含水层疏排水应变是水压降的线性函数,压缩模量受特征粒径和水压降控制,井壁平均竖直附加力与底部含水层垂直应变可用线性表达式表示,回归系数受土质和埋藏深度的影响。一系列对混凝土井壁所做的破坏性试验和理论分析表明[11]:井壁是一种深埋于地下的厚壁圆筒结构,其破坏形式和承载力的影响因素有许多特殊性。

本文拟通过数值模拟的方法,研究底部含水层的渗透系数和钢筋混凝土的弹性模量对竖直附加力的影响规律,并对钢筋混凝土井壁与围土的耦合作用机理进行分析。

1单层井壁模型的建立

本文以埋深600 m的竖直单层钢筋混凝土井壁为模拟对象,井壁的外半径为4.0 m,内半径为3.2 m。混凝土强度分别为C20、C30、C40、C50、C60、C70、C80,弹性模量分别取25.5,30.0,32.5,34.5,36.0,37.0,38.0 GPa,泊松比取0.28;钢筋的弹性模量取210.0 GPa,泊松比取0.29。

井壁外围地层从上到下依次为粉砂土、砂砾土层、黏土层、砂土层,厚度分别取215,290,75,20 m。考虑底部含水层的渗透,渗透系数分别取1.0×10-8,1.0×10-7,1.0×10-6 ,1.0×10-5,1.0×10-4 ,1.0×10-3 m/s。地层采用弹塑性的摩尔—库仑模型,具体地层物理参数见表1。根据弹性力学中空间轴对称问题的解答,井壁周围地层的半径取200 m。地层垂直外边界取固定边界,地层与井壁底部也取为固定边界;井壁与地层采用实体轴对称八节点减缩积分单元(CAX8R),底部含水层采用实体轴对称八节点减缩积分孔压单元(CAX8RP)。

注:以上数据选自徐淮地区的地质勘察资料。

2结果和分析

2.1渗透系数对竖直附加力的影响

在其他条件相同的情况下,4种渗透系数K(1.0×10-7,1.0×10-6,1.0×10-5,1.0×10-4 m/s)的竖直附加力随深度变化的曲线如图1所示,竖直附加力峰值随渗透系数变化的曲线如图2所示。

根据图2可以得出竖直附加力峰值f随渗透系数K的变化规律为:

f=25.041 71+0.441 66lgK (1)

由图1可以看出,不同渗透系数条件下,竖直附加力随深度变化曲线趋势基本一致,只是数值有所差别。根据图2和式(1),井壁竖直附加力峰值随地层底部含水层渗透系数的增大而增大,且竖直附加力峰值与底部含水层渗透系数成正比对数关系。这主要是因为随着地层底部含水层渗透系数的增大,底部含水层的自由水排出速度加快;随着地层底部含水量急剧减少,孔隙水压力加速消散,从而引起有效应力增大加快,导致底部含水层产生渗透固结,引起上覆地层的下沉;随着上覆地层的下沉,井壁周围地层的沉降量也会增大,而地层沉降量的增大又会使井壁的竖直附加力增大。因此,井壁竖直附加力随底部含水层的渗透系数增加而增加。降低井壁周围地层底部含水层的渗透系数有利于降低周围地层的沉降量,从而减小井壁的竖直附加力。竖直附加力的减小降低了井壁破裂的可能性,增加了井壁的稳定性,延长了井壁的使用寿命,避免了不必要的经济损失。

2.2混凝土弹性模量对竖直附加力的影响

图3是在其他条件相同的情况下,4种弹性模量(34.5,36.0,37.0,38.0 GPa)的竖直附加力随深度变化的曲线,图4是竖直附加力峰值随混凝土弹性模量变化的曲线。竖直附加力峰值f随混凝土弹性模量E的变化规律为:

f=14.781 24+0.242 78E (2)

由图3可以看出,不同弹性模量条件下,井壁受到的竖直附加力随深度变化的曲线趋势是一致的。由图4和式(2)可知:随着混凝土弹性模量的增大,井壁竖直附加力不断增大,并且与混凝土弹性模量成正比线性关系。这主要是因为随着混凝土弹性模量的增大,与井壁周围地层的弹性模量差别也越大,这样会造成井壁和周围地层的位移不同步,井壁所受的竖直附加力也不断增大。尽管增加混凝土的强度等级能提高井壁承载力,但随着混凝土强度的提高,混凝土弹性模量也在增加,而井壁的竖直附加力也会不断增大。很显然,仅靠提高混凝土强度等级来增大井壁承载能力不合理。

2.3井壁的塑性区

由于深厚表土井壁受力复杂,所以研究井壁的塑性区对于预防井壁破裂具有重要意义。地应力平衡时和地层疏排水结束时井壁的塑性区如图5所示。

由图5可以看出,井壁的塑性区随地层疏排水的变化而变化,特别是疏排水结束时的塑性区变化特别明显。其主要原因:①井壁周围地层的渗透、固结沉降使井壁的竖直附加力不断地增大;②在自重、竖直附加力等荷载的共同作用下,井壁的应力应变是一个动态的变化过程,且不是简单的静态线性关系,而是动态非线性关系。这主要是由于井壁与周围地层的力学性质差别很大造成的,井壁受到的竖直附加力随深度增加有增大的趋势;尤其在基岩和周围地层交界处,基岩和周围地层对井壁均有约束作用,但由于基岩和周围地层性质的差异,基岩对井壁的约束要比周围地层对井壁的约束大得多,这就造成了在基岩段和深厚表土层井壁受力的不一致性,从而在基岩和井壁周围地层交界面附近就容易引起井壁的破裂。徐淮地区许多井壁破裂都充分证明了这一点,可见提前加固井壁塑性区有利于防止井壁破裂。

3结论

(1)井壁竖直附加力随地层底部含水层渗透系数的增大而增大,并且竖直附加力峰值与底部含水层渗透系数成正比对数关系;降低井壁周围地层的渗透系数有利于减小井壁的竖直附加力,从而增强了井壁的稳定性。

(2)随着混凝土弹性模量的增大,井壁竖直附加力峰值不断增大,并且井壁竖直附加力峰值与混凝土弹性模量成正比线性关系;所以仅靠提高混凝土的强度等级来增大井壁的承载能力不可行。

(3)复合荷载作用下井壁的应力应变是一个动态变化的过程,井壁的塑性区也是多种荷载耦合作用的结果。实际井壁设计中,应该考虑多种荷载的动态耦合作用。

参考文献

[1]刘希亮.深厚表土不稳定地层中井壁受力研究[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[2]崔广心.特殊地层条件竖井井壁破裂机理[J].建井技术,1998,19(2):29-32.

[3]崔广心.深厚表土中竖井井壁的外载[J].岩土工程学报,2003,25(3):294-298.

[4]张宏学.立井次生地压与地下水位对应关系及井壁破裂机理研究[D].淮南:安徽理工大学,2009.

[5]李忠华,潘一山.有渗透作用的油井井壁稳定性的解析分析[J].工程力学,2002,19(3):105-108.

[6]苏骏.地层疏水沉降时井壁受力的非线性分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(1):139-143.

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[9]李小琴,李文平.深厚表土底含失水变形时土与井壁相互作用弹塑性模型[J].岩土工程学报,2005,27(3):329-332.

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变化规律分析 篇10

1 自然风压计算及其波动分析

1.1 自然风压的计算方法

根据矿井自然风压的定义, 可以采用下式计算自然风压[1]:

Hn= (ρin-ρout) gZ (1)

式中:Hn为矿井自然风压, Pa;ρin为矿井进风段风流的平均密度, kg/m3, 对于进风井井口标高低于回风井口标高的, 还应包括进、回风井口高差段空气的平均密度;ρout为矿井回风段风流的平均密度, kg/m3, 对于回风井井口标高低于进风井口标高的, 还应包括回、进风井口高差段空气的平均密度;Z为风流经过的进风段路线高差、回风段路线高差的最大值, m;g为重力常数, 取9.8。

1.2 自然风压波动分析

由式 (1) 可知, 对于确定的矿井系统来说, 最大高差Z已确定, 自然风压的变化主要与风流密度变化 (即Δρ) 密切相关。井下风流属湿空气, 其密度计算公式如下:

ρ=3.484×10-3× (p-0.779 φ ps) / (273.15+t) (2)

式中:ρ为风流密度, kg/m3;p为风流的大气压力, Pa;φ为风流的相对湿度, %;ps为风流的饱和水蒸气压力, Pa;t为风流温度, ℃。

由式 (2) 知, 风流的密度随风流的大气压力、温度、相对湿度、饱和水蒸气压力变化而变化。其中风流的大气压力与温度相关联。

对于井下空间, 风流近似为一维定常流, 可近似认为风路中进风段某一区域空间内 (即热湿交换剧烈段) 空气的状态变化遵循等容过程[2], 根据气体状态方程pV=nRT, 对于该区域i断面风流温度由ti1变化到ti2, 则有:

pi1/ (273.15+ti1) =pi2/ (273.15+ti2) (3)

式中pi1, pi2分别是风流温度为ti1, ti2时的大气压力, Pa。

实践中, 对于通风路线较长的通风系统而言, 由于空气与围岩的热湿交换充分、稳定, 矿井回风段风流温度、湿度、大气压力变化随气候 (季节) 变化较进风段风流小得多, 可近似认为基本不变。由式 (1) 可知, 昼夜交替中矿井自然风压的变化主要与进风段风流的空气平均密度变化 (Δρin) 有关。

进风段i点的风流密度变化Δρi:

Δρi=ρi2-ρi1 (4)

式中:ρi1为进风段i点的风流在温度为ti1时的空气密度, kg/m3;ρi2为进风段i点的风流在温度为ti2时的空气密度, kg/m3。

由式 (2) 可知:

Δρi=3.484×10-3× (pi2/Ti2-0.377 9 φi2psi2/Ti2-pi1/Ti1+0.377 9 φi1psi1/Ti1) (5)

式中:Ti1=273.15+ti1;Ti2=273.15+ti2。

将式 (3) 代入式 (5) , 得:

Δρi=3.484×10-3×0.377 9 (φi1psi1/ Ti1-φi2psi2/ Ti2) (6)

对于湿空气而言, 温度t升高, 相对湿度φ增加, 饱和水蒸气压力ps增大。

求式 (6) 的最大值和最小值:

Δρi=1.316×10-3× (Ti2φi1psi1-Ti1φi2psi2) /Ti1Ti2

设C=1.316×10-3, 如ti1≥ti2, 即Ti1≥Ti2, 则:

CTi2 (φi1psi1-φi2psi2) /Tundefined≤Δρi≤CTi1 (φi1psi1-φi2psi2) /T2i2 (7)

对于进风段, 可以取n个测点, 则进风段风流平均密度Δρin随气候变化的波动范围为

undefined

由于进风段入口风流密度比进风段末段风流密度随昼夜气候变化而波动剧烈些, 实际分析中可以用Lv/Lin对进风段密度波动进行加权, 其中Lv为风流热湿交换剧烈的进风段长度, Lin为进风段的总长度, 故由式 (1) 可近似得到自然风压随气候变化而波动的幅度ΔHn:

CLv[Ti2 (φi1psi1-φi2psi2) /LinTundefined]gZ≤ΔHn≤CLv[Ti1 (φi1psi1-φi2psi2) /LinTundefined]gZ (9)

2 自然风压变化导致通风参数波动的分析

2.1 自然风压变化引起矿井风量波动的分析

根据矿井通风阻力定律:

H=RQ2 (10)

式中:H为矿井通风阻力, Pa;R为矿井总风阻, N·s8/m2;Q为矿井总风量, m3/s。

这里只分析自然风压变化引起矿井总风量的波动, 可假设昼夜间矿井生产均衡、机械通风稳定, 机械通风产生的矿井通风阻力、总风阻基本不变, 由式 (10) 得:

H2-H1=R (Qundefined-Qundefined) (11)

式中:Q1, Q2分别为气候条件变化前后通风系统风量, m3/s;H1, H2分别为气候条件变化前后的通风系统通风阻力, Pa;R为总风阻, N·s8/m2。

将H2-H1=ΔHn, q=Q2-Q1, 代入式 (11) 得:

ΔHn=R[ (Q1+q) 2-Qundefined]

q2+2qQ1=ΔHn/R

q (q+2Q1) =ΔHn/R

由于q+2Q1≥2Q1, 故

q≤ΔHn/ (2Q1R) (12)

2.2 风量波动引起瓦斯浓度变化的分析

矿井瓦斯浓度c (%) 与瓦斯的绝对涌出量qm (m3/min) 和风量Q (m3/min) 有关。绝对瓦斯涌出量与煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、煤层的透气性、开采工艺、生产规模, 以及大气环境条件等密切相关。其他条件不变, 绝对瓦斯涌出量随大气压力的变化而正向变化。在此仅分析其随气候变化导致通风参数 (自然压力、风量) 波动产生的瓦斯浓度变化情况。矿井瓦斯浓度c可按下式表示:

c= (qm/Q) ×100% (13)

当风量Q随气候变化而发生q的波动时, 假设煤体释放的瓦斯速率不变, 则瓦斯浓度为

c′=[qm/ (Q+q) ]×100% (14)

Δc=|c′-c|

=qmq/ (Q+q) Q

=cq/ (Q+q)

因为q≥0, 并且q≪Q, 所以

Δc≤cq/Q (15)

即瓦斯浓度波动范围不大于波动前瓦斯浓度的q/Q。对于具有一定精度的瓦斯测量仪器而言, 当Δc小于仪器的分辨率时, 仪器不能读出瓦斯浓度的波动, 这也是实践中风量虽有变化而检测不到瓦斯浓度变化的原因之一。

3 实例分析

3.1 观测数据

如图1所示的矿井通风系统, 主斜井井口标高+778 m, 井底标高+580 m, 倾角25°, 井筒斜长468 m。斜风井位于主斜井东100 m, 井口标高+784 m, 井底标高+630 m, 倾角28°, 井筒斜长328 m。矿井装备FBCDZ-6-14B型, 2×45 kW轴流式通风机。

对该矿井气候变化情况和总回风的通风参数进行了连续观测。其中气候参数的观测地点距进风井口约50 m, 通过KJ90监控系统监测记录总回风测风站的通风参数。观测数据见表1。根据观测数据, 可绘出通风参数随温度变化的曲线, 见图2。

3.2 观测数据的拟合

为便于分析, 将表1的数据以昼夜不同观测时间为基础进行加权平均, 并循环求出相邻数据的差, 即Δt, ΔH, ΔQ, 见表2, 其关系曲线见图3。

由图3及式 (9) 、式 (12) 分析, 可用线性模型[3]拟合ΔH—Δt, ΔQ—Δt曲线。

对于ΔH—Δt, 令ΔH (Δt) =αΔt

式中α为待定参数。由表2数据不难求出α的加权平均值为1.41。

对于ΔQ—Δt, 令ΔQ (Δt) =βΔt

式中β为待定参数。由表2数据不难求出β的加权平均值为0.05。

4 结束语

气候变化会引起矿井通风参数的波动, 在其他条件稳定的前提下, 其波动的幅度主要与气温有关。对于已经形成的矿井通风系统而言, 矿井昼夜间的动态风阻变化较小, 通风参数随昼夜气候波动的幅度主要与环境温度的波动幅度及进风段垂深 (含进、回风井口高差) 有关, 即环境温度波动幅度越大, 通风系统的负压、风量波动幅度越大;环境温度波动幅度相同, 进风段垂深 (含进、回风井口高差) 大的系统, 其通风参数波动幅度大。就气候变化导致通风参数波动而言, 针对具有一定分辨率的瓦斯检测仪器, 这些波动有时不足以被检出;机械通风强度大的矿井通风系统, 气候变化导致的通风参数波动相对较小, 通风系统相对稳定。

参考文献

[1]赵以蕙.矿井通风与空气调节[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1990.

[2]小林清志.工程热力学[M].刘吉萱, 译.北京:水利电力出版社, 1983.