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图片简介:本技术介绍了一种近水平煤层覆岩地表的采动形变移动真三维相似材料模拟立体化数据采集方法，具体包含如下步骤：在采前、采中、采后分别用移动式三维激光扫描仪对工作面地表扫描一次、三次、两次，获取用于实现下沉盆地三维可视化的点云数据；分别在上(下)山工作面边界剖面侧(a)和下(上)山工作面外围地层剖面侧(b)的顶板层、覆岩层、弯曲带、松散层各布设一条沉降观测线，采用六台移动式数码相机对煤层掘进中特定时期的a、b进行数码照相获取覆岩形变及岩层内部沉降的宏观信息；煤层顶板层、覆岩层和松散层中从a到b分别均匀布置5条应力监测线，通过应力传感转换器连接电脑，实时传输应力数据。
技术要求1.近水平煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动真三维相似材料模拟立体化数据采集方法，其特征在于通过三种技术完成，包括三维激光扫描仪室内数据采集技术、移动式数码照相采集覆岩宏观形变信息及剖面沉降信息技术、覆岩内部应力变化信息提取技术。
2.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪室内数据采集技术，其特征包含以下几个步骤：步骤1、三维激光扫描仪的安置及坐标系建立：三维激光扫描仪配合三脚架安装三维激光扫描仪，扫描仪所在位置必须位于工作面开切眼侧倾向延伸线上，以扫描仪对中点为相对坐标系原点，建立相对坐标系统，倾向方向建立x轴，以原点垂直x轴建立y轴，将所建真三维相似材料模型上表面作为扫描区，选择扫描仪标靶。
步骤2、采前扫描：三维激光扫描仪采集煤层未开采前工作面地表的三维点位信息作为初始点云数据。
步骤3、采中扫描：分别在煤层推进到顶板垮落时、覆岩断裂时、弯曲带出现轻微弯曲时对工作面地表利用三维激光扫描仪进行扫描采集三维点位信息作为采中点云数据。
步骤4、采后扫描：分别在煤层开采结束后的24小时和48小时对工作面地表利用三维激光扫描仪进行扫描采集三维点位信息作为采后点云数据，并取两次独立观测的点位信息平均值作为最终的采后工作面地表点云数据。
3.根据权利要求1所述的移动式数码照相采集覆岩宏观形变信息及剖面沉降信息技术，其特征包含以下几个步骤：步骤Ⅰ、移动式数码照相机安置：在a、b两侧分别布置移动式数码相机的移动平台，将试验装置有效工作面走向长等分三个部分并布置垂向大头针标记，取每部分中点以垂直工作面走向朝两侧延伸至移动平台，并在平台上标记这三个拍摄位置为aP1、aP2、aP3、bP1、bP2、bP3。
Ξ第35卷 第1期2004年1月太原理工大学学报JOURNAL OF TAIYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Vol.35No.1 Jan.2004 文章编号:100729432(2004)0120029203采空区覆岩移动规律的相似模拟实验研究刘秀英,张永波(太原理工大学建筑与环境工程学院,山西太原030024)摘 要:利用相似材料模拟实验法研究采空区覆岩的移动规律。
实验结果表明:工作面推进到72m时,地表发生移动变形,地表最大下沉量最终达到3.2cm;岩体裂隙自下而上随着工作面的推进而逐步发展,对应地形成了不同的裂隙网络分布。
关键词:相似模拟实验;地表移动;裂隙网络中图分类号:TU452 文献标识码:A1 相似材料模拟实验原理相似材料模拟实验法的实质,就是用与原型物理力学性质相似的人工材料按几何相似常数缩制成模型,在保证模型与原型初始状态和边界条件相似的情况下,通过对模型进行模拟开挖,来观察和观测模型采空区上方的地表移动规律、竖向三带的发育特征、裂隙发育特征等,然后按相似常数将观测结果换算到实地原型上[1]。
2 实验概况2.1 模拟原型条件实验以山西省霍州矿务局辛置煤矿2204采掘工作面的地质采矿条件为背景设计物理模型。
据钻孔资料,该工作面覆岩厚度为201.17m,其中黄土层厚为75.62m,占总厚的37.6%;中、细砂岩为42.87m,占总厚的21.3%;泥岩、泥质砂岩为82.68m,占总厚的41.1%.所采2号煤层平均厚度3.59 m,倾角2°～7°,伪顶厚0.02～0.15m,由黑色泥岩及砂质泥岩组成;直接顶为黑色泥岩,厚2.0m;老顶为K8中粒白色砂岩,厚10.03m.工作面以走向长壁式布置,走向长560m,顶板全部垮落回采,每昼夜平均推进度为1.48～2.13m.2.2 模型设计实验选用的几何常数a l=100,容重相似常数a r=1.5,则应力相似常数aб=100×1.5=150.根据辛置煤矿的地层条件和实验台的尺寸,采用3m ×3m的平面相似模拟实验架进行实验。
冲击岩采动裂隙是岩石中典型的动态破裂现象，其引起的裂隙演化形
态研究一直受到各行业的广泛重视。
近年来，许多学者试图通过模拟
实验研究其本质变化和物理机制，以期为实际工程应用提供科学依据。
具体而言，进行岩石冲击采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验时，
常常使用振动板来模拟采凿作用。
实验过程中，通过不同的参数设定，使夹石和粉动达到设定的峰值。
这个脉冲波形可以提供翻车和冲击力
场的模拟，为相关研究提供了可能。
同时实验过程中也通过不同尺寸
与特性的石材来确定采凿深度和破坏深度。
一般实验过程中，模拟环
境中的温度、湿度和气压都进行恰当的控制，以保证实验的准确性。
通过上述模拟实验，可以提取出岩石冲击采动裂隙演化形态的定量特征。
比如可以测量岩石的采动机理，裂缝和岩石表面损伤等特征；同
样也可以研究采凿过程中的力学行为，并利用模拟数据对结构材料损
伤和寿命进行判断。
总得来说，岩石冲击采动裂隙演化形态的相似材料模拟实验是一种探
索岩石特性及其在工程应用中行为规律的有力手段。
在研究岩石的采
动静力特性时，上述实验技术能够提高采凿质量，同时也为创新性工
程运用提供宝贵的理论参考。
相似材料模拟实验报告实验目的：了解相似材料模拟掩饰的基本原理和基本过程。
基本原理：相似材料模拟实验是采用与原理物理力学性质相似的材料，按一定的几何相似常数缩制成试验模型进行相应的目的的研究的一种试验方法。
采用这种方法模拟覆岩采动过程，研究其变形破坏规律可以节省大量的观测费用，而且结果更加直观。
仪器设备：相似材料模拟实验台。
实验步骤：1、了解配比变化对材料的物理力学性质的影响，包括骨胶比、灰膏比和用水量的影响；2、根据试验要求，按比例配比，制作模拟材料，选定并准备好适应的骨料，胶结料，水等，制作出不同配比的材料试件，并进行编号；3、待试件干燥后，对试件进行强度测试，根据强度相似指标要求，选定相似材料，按表中形式记录好相似材料配比及主要物理力学参数；4、根据模型尺寸，按每分层厚度计算不同配比材料的用量（层厚度为20mm）。
实验数据：1、工作面的设计长度200m，推进尺度130m，煤层埋深51m，煤层平均厚度5m，用全部垮落法管理顶板，煤层一次采煤深度5m，表1-1为煤岩物理力学性质指标：2、相似条件确定岩断风化段厚度 10-50 砂岩未风化软岩带 60-100 110-240砂质页岩油页岩煤层段顶板泥岩煤层底板泥岩 26 26-30 煤砂岩 26 15 26 10-15 3 25-65（多30左右） 26 22 10-40 20-23 泥岩砂岩砂质页岩硬岩带 26 2626 26 6-10 12 3 10-17 主要岩石泥岩容重（kg/m3） 26 抗压强度 3-5 （1）实验设备与材料:实验台尺寸200mm×2000mm×2000mm，实验材料：硅砂（Φ =0.1~0.35mm）、石灰、石膏、软木屑、四硼酸钠等；（2）主要相似参数：αL=LH/LM ,LM-模型强度，LH-模型厚度根据模拟工作面煤层厚度等参数，结合试验台几何尺寸，选几何相似常数αL=0.01；（3）容度相似常数：αL=γH/γM ，γH -原型容重，γM-模型容重工作面不同岩段岩石平33均容重为26kg/m，，石灰，石膏，硅砂试验材料平均容重为17kg/m，容重相似常数为αr=26/17=1.5;（4）强度相似常数：α，-原型强度，-模型强度对自重加载实验模型，容重相似常数与强度相似常数之间应该是关系。
