一种纵向地应变观测仪的结构设计

范雷彪，丛培历，任 忠

(包头市地震局，内蒙古自治区 包头 014010)

一种纵向地应变观测仪的结构设计

范雷彪，丛培历，任 忠

(包头市地震局，内蒙古自治区 包头 014010)

就纵向地应变观测给出一种仪器的设计构想，描述仪器的整体结构、功能及所涉及到的主要配件参数。该仪器的特征是可对某一地区的纵向地应力、横向地应力进行同步观测渴望获得该地区的应力场的变化，从而为地震预报提供出更加可靠的参考信息。

纵向地应变；伸张定位机构；压力传感器；水平向地应力；位移传感器

0 引言

地形变观测是地震前兆观测中主要手段之一，从形变观测获取水平向及纵向地应力的变化对判定地震前兆异常的存在与否有着至关重要的作用。目前我们有对横向地应力应变观测的伸缩仪却没有一项专用的可直接观测纵向地应变的仪器，因此本文特设计出一种纵向地应变观测仪，通过获取纵向地应变量值的变化来了解我们所需要的地下信息。

1 仪器的基本结构及功能

纵向地应变观测仪悬空安装在专用的钻孔中(可利用石油井废弃的钻孔，井壁的直径为310 mm)，仪器的整体结构呈一直杆状如同一架竖立安装的伸缩仪，长度约12～15 m，整体结构共由3部分构成(图1)：顶部机构中有定位机构及压力传感器；中间部分是传递导杆及信号接收部分；底座为定位机构。

工作原理是让仪器的底座及顶部均与井壁紧密接触使之形成一体，在仪器的中部断开使两端呈现相对活动状态，这样就可捕捉到纵向地层段的应力变化。与此同时在仪器的顶部结构中分别按东、西、南、北4个方位布设四个压力传感器以获取水平向应力变化情况。

1.1 顶部结构及作用

顶部结构由保护筒I和两套伸张定位机构组成，保护筒I长约1.0 m，直径290 mm，在其上、 下两端分别装有电机1、2，两电机均带有变速机构，输出轴伸出保护筒外边与专用伸张定位机构相结合(图1)。为了便于数据处理，定位机构布设呈相互垂直状(若上端呈南北向；下端就呈东西向)，在两伸张定位机构的前伸端分别装有一对专用卡座，卡座外侧装有一水银胀盒，水银胀盒与卡座间是压力传感器。当电机转动时，伸张定位机构水平的缓慢伸长会随机带动卡座继而带着水银胀盒一并贴紧于井壁。这样既保证了压力传感器能有效地接收到地层中水平向的地应力变化，同时又将顶部结构牢牢卡于井壁上，为观测纵向地应变创造条件。

在压力传感器前配置水银胀盒有2方面的作用：①保护压力传感器在安装过程中不被损坏。在设计中卡座及水银胀盒的外边沿是与井壁硬接触的，而传感器的触头部位是与胀盒的鼓膜接触的。②通过调节胀盒中的水银量能起到控制压力大小的作用。胀盒腔体内水银通过一导管与保护筒中的液压泵相连，在伸张机构工作前腔体内是空的，只有伸张定位机构定位完成后才注入液压。在保护筒腔体中布设的配件有：主电路板、电磁阀(用以锁紧1、2号电机防止意外松动)、液压泵等。

1.2 中间结构

中间结构由保护筒II和传递导杆以及位移传感器构成。保护筒I与保护筒II内腔不贯通，外边由2条筋板相连。保护筒II长约0.5 m，一端需开口使传递导杆插入(在入口处需做相应的密封处理)，确保中间导杆结构呈自由伸缩活动状，在导杆前端装有位移传感器和微调机构用于信号的接收、日后的数据的标定和归零处理。

导杆由一根直径8 cm，壁厚2.5 mm的普通不绣钢管和插入钢管内一直径10 mm的铟钢杆(铟钢管材料热膨胀系数小)构成，铟钢杆传递应力，钢管起到保护作用。导杆长度暂定为10～12 m(参照伸缩仪的长度给出，具体的最小长度值需根据理论分析纵向地应变变化梯度值而定)，其下端与底座定位机构固接。由于位移传感器对导杆的传递精度要求比较高，为了保证导杆能按直线运动，特在导杆两侧分别设置了2个保护套管(相当于保证装置)，保护套管选用了较长的厚壁管(长度约1.5～2.0 m)要求其内部精度要达到油压缸的加工精度。在套管上端有限位弹簧，是防止仪器在安装时导杆自由下降脱离限定范围的。保护套管的另一作用是让2个活塞杆随导杆一直伸到底座部位处，这样当电机3转动时，由反作用力产生的扭曲内应力只在导杆底端部位形成，不会对整个导杆产生影响，经过一定时间的平稳期，后应力会自然释放，不会影响到仪器的观测。 虽然导杆和底座始终处于自由下落状态，有向下的重量作用及保证装置的阻力作用，但这些力的大小与地应力相比是很小的量，因而不会影响到仪器对纵向地应变的观测。

1.3 底座结构

底座由2套伸张定位机构及电机3构成。选用2套伸张机构的同步作用是为了紧固性能的可靠性更好，电机3选用了低转速大扭矩的特殊直流电机。通过电机3的转动将底部机构随 2套伸张机构与井壁牢牢固结，这样就可以保证仪器的传递导杆接收到井壁中岩层的变化，与伸缩仪的固定端类似。

2 相关部件的工作参数

2.1 定位电机

定位电机选用大扭矩交流电机，由手册查得潜水泵电机D500功率为500 W；额定转速为1 400 转/min。在其前端的减速器采用三级减速，使输出转速为40 转/min。

电机的选用通过以下计算得出：

估测顶部结构及中间导杆的总重量应该不大于200 kg，以300 kg计算，则4个卡块平均负担的重量为75 kg。如果要保证顶部结构被牢牢卡紧，必须满足摩擦关系式

Nμ>f

(1)

其中：N为正压力，即伸张定位机构作用于卡块的力；f为摩擦力，即重量产生的作用力，f=75 kg；μ为摩擦系数，取0.15。

如要保证能将顶部结构卡于井壁则须N>f/μ=75/0.15=500 kg。

根据功率与扭矩的关系式

M=9 550×P/n

(2)

式中：M为扭矩；P为功率；n为转速；9 550为系数。M=9 550×0.5/40=119.4 kg·m。

根据斜面的摩擦关系式：

M=d/2F′tga

(3)

式中：d为丝杠的直径，设计值d=0.02 m；F′为丝杠产生的作用力；a为丝杠螺纹的斜角，取值5°，tg5°≈0.08。则=2 M tg5°/d =2×119.4×0.08/0.02=955 kg。

伸张定位机构在作用时呈现的几何结构为45°角，这样丝杠的作用力就等于正向作用力。显然 F>N，完全符合工作需求。

2.2 压力传感器

根据具体应用情况，在本设计中压力传感器选用了YRY-4型钻孔应变仪上应用的电容测微传感器[1]，由于钻孔应变仪是已成熟的技术，而且有相应的电路设计，因此关于这部分的设计可以直接参照应用该技术。

2.3 位移传感器

本设计中位移传感器选用现行伸缩仪应用的电窝流传感器系统[1]，因为其是成熟的技术在此不再赘述。

3 观测仪在形变观测中可发挥的作用

根据伸缩仪的实际应用结果，该仪器应该能够观测到纵向固体潮的变化，同时在固体潮中应该包含有该地层段的应力梯度差值的变化(大地应力从下至上存在有应力梯度差值的变化)[2-3]，因此对这种纵向固体潮进行比较分析能够获得纵向应力值的变化。

利用压力传感器测量到的大地层在水平向的压力变化值反映出的压力有来自地下水平向的分量(张应力)，也有来自远场的其它作用力。根据仪器观测到的信息量其在形变观测中能发挥出以下作用。

3.1 能探寻到地下深处的变化

构造地震成因理论认为地震的孕育发震过程始终伴随有强大的作用力产生，有力就有应变现象，从大量的震前前兆资料分析中可知，震前震中区会有明显的形变产生，特别是会伴随有较大的纵向形变[4-5]。捕捉地震孕育过程中地下深处大的形变变化一直是形变观测的主要目标，可是多年来我们一直没能有效地获得这方面的信息。这是由于我们的仪器均安放在地表，要想测得地下几公里或几十公里处的变化显然是非常困难的，就像在船上想要观察到水面的变化一样。 “纵向地应变观测仪”根据观测到的纵向固体潮变化，可推测出地下纵向应力的变化以及由此产生的形变量。

3.2 可观测到水平向压力的变化

在水平向由于传感器是相当于在一个点的位置同时接收4个方向的信号，这样其读取的数值只能是一组对应的值，即如东端是正值(规定压缩为正)则西端必为负值，同理在南北向上也如此。这是种理想状态下的数据。在实际观测中并非都是理想状态，在水平向力的中有时候会夹杂有来自其它方向的力，这就需要对具体情况做具体分析。 但是不论怎样能够了解到有力的变化就达到了观测的第一步，为以后的进一步研究以及为其它仪器的观测结果提供佐证打下了基础。

3.3为确定未来地震发生时地应力的出处提供参考依据

假设在传感器上读到的力是东西向指向东，南北向指向北(由力的正负确定)，其合力就是北东向的力。根据两水平分力找出合力，利用这个合力结合纵向地应变量就可以通过矢量关系得到主应力的作用方向，顺着主应力的指向反延就可以知道地下应力源的大体位置，该位置很可能就是未来的震源点。虽然在这里纵向反映的是应变量，横向反映的是压力变化，两者不是一个统一的单位，但两者均体现着力的方向性变化，因此这个矢量图反映出的力源出处是可信的。 这里需要说明的是矢量图中所需要的水平力应用的是来自地下的张应力，这是因为地应力来自于地下其作用必然是向上形成变化，从下向上的作用力过程其水平向的分力必然指向两侧呈张应力形式表现出(而压应力很有可能是来自其它方面的干扰力)。目前还不能确定的是在压力传感器上读到的这两个力中张力所占的比例大小，因此除特殊情况外给出的结果是近似的仅做参考作用。

图2 地应力作用矢量图

因此通过了解二维地应变的变化对确定未来震中区位置以及总结什么样的形变特征是地震所特有的这一关键问题将会起到积极的作用[6]。从而也为确定地形变与地震发生的关系找到一定的依据。

4 仪器的安装固定

观测仪器的安装需考虑到以下几方面的要求：安放深度的选择；底座的紧固性；方向性的保证[7-8]。

4.1 深度选择

仪器安放深度的选择一是应尽量少地避免地面干扰；二是背景噪声要小。根据经验，在地下300～400 m处比较合适，但是具体位置的确定还得考虑到井壁的土层(或岩层)坚硬程度，太松太硬都不适合，根据井壁的坚硬程度不同底部机构的伸张机构前需配有不同的抓齿，以应对不同的环境。

4.2 底座的紧固

底座在整个仪器结构中的作用相当于伸缩仪的固定端部分，因此其与井壁的结合必须达到紧密合一的程度。为此在仪器安放过程中须采用以下步骤：根据选定的深度位置先紧固顶部机构，在顶部机构中电机1、2必须是同步反向转动的，待顶部机构固定后再启动电机3进行底座机构固定。完成底座机构固定之后松开顶部电机1、2，让底部机构在重力的作用下向下挤压(会产生一定的间隙)，然后再锁紧顶部机构，继续开启电机3进行进一步紧固，让机构向井壁两侧挤压消除间隙，这样经过几次作用就可以将底部机构牢牢的与井壁结合到一起。

4.3 方向性的保证

由于仪器的4个压力传感器在井下工作中有方向性的特殊要求，因此仪器的安放过程中必须保证按事先预定的东、南、西、北方向不被改变，这就要求仪器下放过程中不产生扭转现象，因此在仪器中需特设一种定位架。先将仪器放入井口一段距离，然后安放定位架，由定位架两侧的4个滑轮分别引导两道钢丝绳同步缓慢下滑(两道定位的绳索牵引着重物下落不会产生扭曲现象)。这样就保证了仪器方向性的基本要求。

5 结束语

应用地应力的变化探寻地震预报是地震人多年来一直在实践的工作，过去由于受仪器布设数量有限我们在方面这获取的信息量有限使的这一工作没能取得有效进展，现在想通过纵向地应力观测仪的观测可以帮助我们扩宽对地应力的掌握范围进一步了解到地应力的分布、走向及变化情况。

“纵向地应力观测仪”是对前兆观测仪器研发的一个新的尝试，与现行的前兆仪器相比具有以下优势：

(1)纵向地应力观测仪的相关技术主要是借鉴了现行的比较成熟的伸缩仪和体应变观测技术因此其可行性是可靠的有一定保障，此外该仪器也方便进行回收检修。

(2)为形变观测增加了新的观测要素，观测仪反映出的是二维地应变的变化通过对数据处理可以直接得到主应力的变化，而现行的其它形变观测仪是借助固体潮来获取单分量上的信息，它们反映出的信息层面不同，显然该信息更加直观对于地震预报更有利用价值。

[1]中国地震局监测预报司.形变测量学[M].北京：地震出版社，2008.

[2]潘立宙.地质力学中的力学知识[M]. 北京：地质出版社，1977.

[3]杨博，占伟，高艳龙，等. GNSS垂向形变场信息提取的尝试[J]. 华北地震科学，2012，30(1):1-5.

[4]国家地震局预测预防司.地壳形变分析预报方法[M].北京：地震出版社， 1998.

[5]刘芳，王晓山，杨雅琼. 内蒙古中西部地区小震震源机制解分析[J]. 大地测量与地球动力学， 2010，30(S1)：7-11.

[6]陈德福.地壳动力学观测与研究 [M].北京：海洋出版社，1993.

[7]张世民.机械原理[M].北京：中央广播电视大学出版社，1983.

[8]蔡莉，王宗平，张周术，等. 地震前兆观测仪器的校准与标定辨析[J]. 华北地震科学，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，高级工程师，主要从事地形变观测工作及工程抗震研究. E-mail：fanleibiao.1962@163.com.

P315.62

A

1003-1375(2014)04-0053-04