CN105137031A - 一种模拟采空区沉降机制的试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地质工程、岩土工程技术领域，尤其是涉及一种模拟采空区沉降机制的试验装置和试验方法,所述的一种模拟采空区沉降机制的试验装置包括模型箱、设置在模型箱中的传感器、与传感器输出端相连的数据采集仪和与数据采集仪相连的电脑，模型箱可根据实际工程原型进行模拟，在箱体中分层布设下伏地层模拟层、煤层模拟层以及多层地质模拟层，并模拟开挖工况。在地质模拟层内部布设的位移传感器和压力传感器分别可对采空区上覆地质模拟层的形变和应力改变量精确量测，建立其地层变形与应力之间的相关关系，数据自动采集设备与量测设备相连，并时时将数据传输给电脑，本发明结构简单，设计合理，操作方便，实验效果好，能有效地根据在不同开采工况及地层条件下地层特征、位移及压力变化数据，分析其内在规律，研究采空区沉降机理。
Description
技术领域
本发明属于地质工程、岩土工程技术领域，尤其是涉及一种模拟采空区沉降机制的试验装置和试验方法。
背景技术
采空区是由人为挖掘在地表下面产生的“空洞”，我国一些地区煤炭及矿产资源十分丰富的大省，随着经济、基础建设纵深协调发展，一些基础设施不可避免要穿越采空区，而采空区的垮塌会造成地面下沉、裂缝，毁坏耕地、建筑物等设施，破坏生态环境，采空区不良地质问题已越来越突出。
由于采空区沉降是一个复杂的时空过程，岩体结构复杂，影响因素众多，而且大多数煤矿采空区的沉降情况不明，对当地的基础建设存在很大的危害，解决这类工程问题需要进行全面***的研究。针对地质体原型进行简化，再通过室内模型试验对采空区沉降机制进行深入研究，结合具体实体工程研究其沉降规律，进而为后续的工程治理提供技术支撑。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供通过模拟不同开挖工况，然后通过位移传感器和压力传感器采集的数据研究采空区的沉降及变形规律的一种模拟采空区沉降机制的试验装置和试验方法。
为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种模拟采空区沉降机制的试验装置，包括模型箱、设置在模型箱中的传感器、与传感器输出端相连的数据采集仪和与数据采集仪相连的电脑，所述的模型箱包括箱体、设置在箱体底部的下伏地层模拟层、设置在下伏地层模拟层上方的煤层模拟层、和设置在煤层模拟层上覆多层地质模拟层F1、F2……Fn，所述的下伏地层模拟层、煤层模拟层和多层地质模拟层F1、F2……Fn依据地质体原型根据几何相似与物理相似进行模拟，所述的箱体上设置有挖煤口，所述的挖煤口上设置有调节法兰，所述的传感器包括位移传感器和压力传感器，所述的位移传感器和压力传感器通过数据线分别连接到相应的数据采集仪，所述多层地质模拟层F1、F2……Fn中均设置有位移传感器和压力传感器。
所述的多层地质模拟层F1、F2……Fn中设置的位移传感器和压力传感器的布置点以采空区的竖向中心线呈左右对称布设。
所述的煤层模拟层上覆各个地质模拟地层中的位移传感器和压力传感器布置点纵向至少设置一排。
所述的箱体的底部安装有4个车轮。
所述的位移传感器是磁环式高精度位移传感器。
一种模拟采空区沉降机制的试验方法，包括以下步骤：
（1）根据具体工程及试验模型大小确定相似比，确定下伏地层模拟层、煤层模拟层以及多层地质模拟层F1、F2……Fn的层厚，所述的下伏地层模拟层和多层地质模拟层F1、F2……Fn依据地质体原型根据物理相似进行模拟，并布置位移传感器与压力传感器的位置；
（2）分别把下伏地层模拟层、煤层模拟层以及多层地质模拟层F1、F2……Fn由下而上进行填充；
（3）在填充相似材料的过程中，根据要求将位移传感器和压力传感器的数据归零，与数据线连接好，并预埋在要求的布置点位置处；
（4）传感器各数据线分别与相应的采集仪连接好，然后再与电脑连接；
（5）对地层沉降进行观察，待其稳定后，调整调节法兰设定好煤层模拟层的开挖厚度与宽度，然后模拟开挖过程，对采空区上方多层地质模拟层F1、F2……Fn的地层变形及地层压力的变化进行观测，通过位移传感器和压力传感器采集的数据研究采空区的沉降及变形规律。
步骤（1）中，所述的多层地质模拟层F1、F2……Fn中设置的位移传感器和压力传感器的布置点以采空区的竖向中心线呈左右对称布设。
所述的煤层模拟层上覆各个地质模拟地层中的位移传感器和压力传感器布置点至少设置一排。
本发明的增益效果是：
本发明在模型箱的箱体中自下而上依次填充下伏地层模拟层、煤层模拟层、以及多层地质模拟层F1、F2……Fn，所述的多层地质模拟层F1、F2……Fn依据地质体原型根据几何相似与物理相似进行模拟，多层地质模拟层F1、F2……Fn中均对称布设位移传感器和压力传感器，模拟不同开挖工况，然后通过位移传感器和压力传感器采集的数据研究采空区的沉降及变形规律。本发明结构简单，设计合理，操作方便，实验效果好，能有效的根据在不同开采工况及地层条件下地层特征、位移及压力变化数据，分析其内在规律，研究采空区沉降机理。
附图说明
图1是本发明一种模拟采空区沉降机制的试验装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图1，图中序号：1为模型箱、2为下伏地层模拟层、3为煤层模拟层、4为冒落带地层模拟层、5为裂隙带地层模拟层、6为弯沉带地层模拟层、7为采空区、8为位移传感器、9为压力传感器、10为数据采集仪、11为箱体、12为电脑、13为挖煤口、14为调节法兰、15为车轮和16为采空区的竖向中心线。
实施例一：本发明一种模拟采空区沉降机制的试验装置，包括模型箱1、设置在模型箱1中的位移传感器8和压力传感器9、位移传感器8和压力传感器9输出端相连的相应的数据采集仪10和与数据采集仪10相连的电脑12，所述的模型箱1包括箱体11、设置在箱体11底部的下伏地层模拟层2、设置在下伏地层模拟层2上方的煤层模拟层3、和设置在煤层模拟层上覆多层地质模拟层F1、F2和F3，多层地质模拟层F1、F2和F3依据地质体原型根据几何相似与物理相似进行模拟，所述的多层地质模拟层F1、F2和F3自下向上依次为F1冒落带地层模拟层4、F2裂隙带地层模拟层5和F3弯沉带地层模拟层6，所述的箱体上设置有挖煤口，所述的挖煤口13上设置有调节法兰14，所述的位移传感器8和压力传感器9通过数据线分别连接到相应的数据采集仪10，所述位移传感器8和压力传感器9以采空区的竖向中心线16为中心均左右对称设置在F1冒落带地层模拟层4、F2裂隙带地层模拟层5和F3弯沉带地层模拟层6中，所述的箱体底部安装有4个车轮15。所述的位移传感器8是磁环传感器，其埋设布置按照近采空主轴位置处较密，远离采空区主轴的位置处变疏；磁环的竖向位置依据主要沉降区及地层突变处，所述的压力传感器9的埋设布置依据位移传感器相对称的位置，主要用来监测位移变化处的压力改变规律。
实施例二：基于上述条件，一种模拟采空区沉降机制的试验方法，本发明的具体试验方法如下：
（1）根据具体工程及箱体11大小确定相似比，确定下伏地层2、煤层模拟层3、冒落带地层4、裂隙带地层5、弯沉带地层6的层厚，所述的下伏地层模拟层2、煤层模拟层3、F1冒落带地层模拟层4、F2裂隙带地层模拟层5和F3弯沉带地层模拟层6依据地质体原型根据物理相似进行模拟，并布置位移传感器8与压力传感器9的位置；
（2）分别把下伏地层2、煤层模拟层3、F1冒落带地层模拟层4、F2裂隙带地层模拟层5和F3弯沉带地层模拟层6由下而上进行填充；
（3）在填充相似材料的过程中，根据要求将位移传感器8和压力传感器9的数据归零，与数据线连接好，预埋在要求的布置点位置处；
（4）位移传感器8和压力传感器9的数据线分别与相应的数据采集仪10连接好，然后再与电脑12连接；
（5）对地层进行观察，待其稳定后，调整调节法兰14设定好煤层模拟层的开挖厚度和宽度，然后模拟开挖过程，对采空区上F1冒落带地层模拟层4、F2裂隙带地层模拟层5和F3弯沉带地层模拟层6的地层变形及地层压力的变化进行观测，通过位移传感器8和压力传感器9采集的数据研究采空区7的沉降及变形规律。
本发明的结构简单，设计合理，操作方便，实验效果好，能有效地根据在不同开采工况及地层条件下地层特征、位移及压力变化数据，分析其内在规律，研究采空区沉降机理。
Claims (8)
1.一种模拟采空区沉降机制的试验装置，包括模型箱、设置在模型箱中的传感器、与传感器输出端相连的数据采集仪和与数据采集仪相连的电脑，其特征在于：所述的模型箱包括箱体、设置在箱体底部的下伏地层模拟层、设置在下伏地层模拟层上方的煤层模拟层、和设置在煤层模拟层上覆的多层地质模拟层F1、F2……Fn，所述的下伏地层模拟层、煤层模拟层和多层地质模拟层F1、F2……Fn依据地质体原型根据几何相似与物理相似进行模拟，所述的箱体上设置有挖煤口，所述的挖煤口上设置有调节法兰，所述的传感器包括位移传感器和压力传感器，所述的位移传感器和压力传感器通过数据线分别连接到相应的数据采集仪，所述多层地质模拟层F1、F2……Fn中均设置有位移传感器和压力传感器。
2.根据权利要求1所述的一种模拟采空区沉降机制的试验装置，其特征在于：所述的多层地质模拟层F1、F2……Fn中设置的位移传感器和压力传感器的布置点以采空区的竖向中心线呈左右对称布设。
3.根据权利要求2所述的一种模拟采空区沉降机制的试验装置，其特征在于：所述的煤层模拟层上覆各个地质模拟地层中的位移传感器和压力传感器布置点纵向至少设置一排。
4.根据权利要求1所述的一种模拟采空区沉降机制的试验装置，其特征在于：所述的箱体的底部安装有4个车轮。
5.根据权利要求1所述的一种模拟采空区沉降机制的试验装置，其特征在于：所述的位移传感器是磁环式高精度位移传感器。
6.一种模拟采空区沉降机制的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)根据具体工程及试验模型大小确定相似比，确定下伏地层模拟层、煤层模拟层以及多层地质模拟层F1、F2……Fn的层厚，所述的下伏地层模拟层和多层地质模拟层F1、F2……Fn依据地质体原型根据物理相似进行模拟，并布置位移传感器与压力传感器的位置；
(2)分别把下伏地层模拟层、煤层模拟层以及多层地质模拟层F1、F2……Fn由下而上进行填充；
(3)在填充相似材料的过程中，根据要求将位移传感器和压力传感器的数据归零，与数据线连接好，并预埋在要求的布置点位置处；
(4)传感器各数据线分别与相应的采集仪连接好，然后再与电脑连接；
(5)对地层进行观察，待其稳定后，调整调节法兰设定好煤层模拟层的开挖厚度，然后模拟开挖过程，对采空区上方多层地质模拟层F1、F2……Fn的地层变形及地层压力的变化进行观测，通过位移传感器和压力传感器采集的数据研究采空区的沉降及变形规律。
7.根据权利要求6所述的一种模拟采空区沉降机制的试验方法，其特征在于：步骤（1）中，所述的多层地质模拟层F1、F2……Fn中设置的位移传感器和压力传感器的布置点以采空区的竖向中心线呈左右对称布设。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：所述的煤层模拟层上覆各个地质模拟地层中的位移传感器和压力传感器布置点至少设置一排。
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