[發(fā)明專利]一種模擬煤層開采引起地層沉降的透明土模型試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110635073.8
• 申請日: 2021-06-08
• 公開（公告）號: CN113358653A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仉文崗;韓馥檉;張艷梅;曾志凱;向蓉;孫偉鑫;葉文煜
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84;G01B11/16;G01B11/02
• 代理公司: 重慶縉云專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 50237
• 代理人: 王翔;馬健

發(fā)明提供一種模擬煤層開采引起地層沉降的透明土模型試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。該透明土模型試驗(yàn)裝置包括可固定在光學(xué)平臺上的透明模型箱，以及透明水袋和透明軟管。所述透明模型箱的一側(cè)周壁上具有一排孔洞。所述透明水袋分隔成數(shù)個透明矩形小倉。所述模型箱外設(shè)置有一臺工業(yè)相機(jī)和一臺激光發(fā)射器。工業(yè)相機(jī)布置在模型箱孔洞對側(cè)。所述激光發(fā)射器布置在模型箱的孔洞的臨側(cè)。該裝置實(shí)現(xiàn)上覆土體變形的可視化測量，可對煤層開采過程中上覆土體位移場發(fā)展變化進(jìn)行非插入式量測。試驗(yàn)裝置尺寸小，系統(tǒng)設(shè)置合理，試驗(yàn)操作方便。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及巖土工程可視化試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種模擬煤層開采引起地層沉降的透明土模型試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

在我國因?yàn)殚_采煤炭引起的地面塌陷災(zāi)害十分嚴(yán)重。隨著社會的不斷發(fā)展，“綠色開采”是未來煤礦必然的發(fā)展趨勢。因此，研究地下開采引起的巖層變形，移動和破壞等力學(xué)行為發(fā)展演變規(guī)律和預(yù)測方法是非常有必要的。從而為合理安全地開采地下煤炭資源提供科學(xué)依據(jù)，有利于減少、控制地下開采造成的災(zāi)害和損失，具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

煤層開采誘發(fā)地層沉降的傳統(tǒng)分析方法包括理論分析研究、現(xiàn)場實(shí)測研究、模型試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬研究等。理論解析在上覆巖層的巖性差別較大情況下，特別是在有厚硬巖層、沖積層、地質(zhì)構(gòu)造情況下，預(yù)計(jì)覆巖的移動和變形與實(shí)際情況有一定差別?，F(xiàn)場實(shí)測法通常需要在研究區(qū)鉆孔，成本高、投入大，針對同一地質(zhì)條件不具有可重復(fù)觀測性，不同礦區(qū)不同工作面“兩帶”的發(fā)育高度不同，因此現(xiàn)場實(shí)測無法直觀地探測到上覆巖層力學(xué)行為演變規(guī)律。傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)多集中于二維的地下開采引起的地層沉降研究，且目前的模型試驗(yàn)一般都需要在巖土體內(nèi)部埋設(shè)一定數(shù)量的傳感器或標(biāo)記物來監(jiān)測開采誘發(fā)的上覆巖體變形，而傳感器的嵌入會影響開采誘發(fā)的上覆巖體變形，從而影響試驗(yàn)的精度。數(shù)值模擬方法在巖土體本構(gòu)模型的確定及相應(yīng)的參數(shù)確定上仍存在一定不足，存在計(jì)算參數(shù)難以通過常規(guī)試驗(yàn)取得而僅靠經(jīng)驗(yàn)取值的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種模擬煤層開采引起地層沉降的透明土模型試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，一種模擬煤層開采引起地層沉降的透明土模型試驗(yàn)裝置，包括固定在光學(xué)平臺上的透明模型箱，以及透明水袋和透明軟管。

所述透明模型箱整體為一個矩形箱體。這個矩形箱體的一側(cè)周壁上設(shè)置有一排供透明軟管穿過的孔洞。所述孔洞間隔布置。各個孔洞中心點(diǎn)的連線呈現(xiàn)為傾斜的線段。所述透明模型箱內(nèi)填筑有透明土。

所述透明水袋傾斜埋設(shè)在透明土中。所述透明水袋與透明模型箱的內(nèi)壁之間存在間隙。所述透明水袋為透明薄膜袋。所述透明水袋的內(nèi)腔平均分隔成數(shù)個透明分倉。所述透明分倉中充填有水。每個透明分倉均連接有一條透明軟管。所述透明軟管的一端連接透明水袋，另一端伸出孔洞作為出水口。所述出水口處具有控制水流出速度的閥門。

所述模型箱外設(shè)置有一臺工業(yè)相機(jī)和一臺激光發(fā)射器。工業(yè)相機(jī)布置在孔洞對側(cè)。所述激光發(fā)射器布置在孔洞的臨側(cè)。

工作時，所述激光發(fā)射器發(fā)射激光，在透明土內(nèi)形成一個透明土散斑場。所述透明分倉中的水依次排出模擬煤層開采。所述工業(yè)相機(jī)記錄透明土散斑場變化。

進(jìn)一步，所述透明模型箱采用透明亞克力板制成。

進(jìn)一步，所述工業(yè)相機(jī)和激光發(fā)射器固定在支架上。所述支架高度和角度可調(diào)節(jié)。所述光學(xué)平臺上設(shè)置有預(yù)留螺孔。所述支架采用預(yù)留螺孔固定在光學(xué)平臺上。

本發(fā)明還提供一種采用上述試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

1)按設(shè)計(jì)尺寸制作透明模型箱、透明水袋和水管。制作完成后擦洗透明模型箱側(cè)壁。

2)在透明模型箱內(nèi)配置透明土至一排孔洞的高度，隨后放置裝滿水的透明水袋，將連接水袋的水管從孔洞引出，繼續(xù)在水袋上配置透明土至設(shè)計(jì)高度。配制完成后靜置24小時。