CN114093238A - 一种用于模拟制造地表采动裂缝的装置、方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于模拟制造地表采动裂缝的装置，其包括至少两个相邻的可伸缩单元和至少一个防漏网，其中，所述可伸缩单元包括支撑底板、可伸缩支柱和支撑顶板，所述可伸缩支柱的一端与所述支撑底板的中心固定连接，另一端与所述支撑顶板的中心固定连接且相邻的可伸缩单元的支撑顶板之间通过防漏网连接。本发明还公开了一种模拟制造地表采动裂缝的方法和一种用于研究地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系的现场实验方法。本发明的方法能够模拟各种开采情况下覆岩及地表的移动变形情况，模拟效果直观、与现场气候及生态环境一致，且实验条件稳定易控制，便于探究地表采动裂缝与植被生长状况的相互影响关系。
Description
技术领域
本发明属于矿山技术领域，具体涉及一种用于模拟制造地表采动裂缝的装置、一种模拟制造地表采动裂缝的方法和一种用于研究地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系的现场实验方法及其应用。
背景技术
矿区开采引起的地表裂缝不仅会对地表的建/构筑物、道路及埋地设施造成损坏，还会造成地表水土流失，从而引起地表植被退化或物种多样性的减少。目前，对开采减损及采后生态修复理论与技术进行了大量研究，也取得了一些研究成果，但由于矿区地质开采条件和地表植被存在较大差异，地表裂缝与植被影响关系的监测成本很高、周期很长，且缺乏科学、有效、快速的研究手段和方法致使对于地表采动裂缝与植被生长的相互影响关系及影响机理的研究认识不清，致使目前对地表采动裂缝影响矿区的生态治理缺乏科学、经济的技术方法。
实验室模拟也是一种常用的研究手段，但由于室内难以准确模拟现场气候环境及植被与土壤的结合状况，且由于采矿地质条件十分复杂和植被的影响，地表采动裂缝的位置和形态难以按岩土力学等相关理论进行计算，从而使研究结果的准确性大打折扣。
因此，急切需要一种能准确、高效且低成本地研究地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系的实验方法。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明在现场地质开采与植被种植条件下，通过选取特定的作物在其下方土壤内部给定开采的特定变形量，用于地表移动变形量与植被生长相互影响关系研究及其影响机理的认识。
本发明的目的是提供一种用于模拟制造地表采动裂缝的装置和一种模拟制造地表采动裂缝的方法，进而提供一种用于研究地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系的现场实验方法。本发明提供的地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系的现场实验方法，通过模拟给定的覆岩与地表的移动变形量，对比研究地表采动裂缝在植被区和无植被区发育过程及正常情况下和地表采动裂缝影响下的植被生长状况，从而研究地表植物生长与采动裂缝之间的相互影响关系。
为此，在第一个方面，本发明提供了一种用于模拟制造地表采动裂缝的装置，其包括至少两个可伸缩单元和至少一个防漏网，
其中，所述可伸缩单元包括支撑底板、可伸缩支柱和支撑顶板，所述可伸缩支柱一端与支撑底板中心固定连接，另一端与所述支撑顶板中心固定连接；
相邻的可伸缩单元的支撑顶板之间通过防漏网连接。
根据本发明的一些实施方式，所述支撑顶板和支撑底板水平平行。
根据本发明的一些实施方式，可伸缩单元的可伸缩支柱之间竖直平行。
根据本发明的一些实施方式，所述支撑顶板和支撑底板为平行四边形，例如为正方形、长方形或菱形等。
根据本发明的一些优选实施方式，所述支撑顶板和支撑底板为正方形。
根据本发明的一些实施方式，所述正方形边长为1.5m-2.5m。在一些实施例中，所述正方形边长为2m。
根据本发明的一些实施方式，所述支撑顶板和支撑底板的形状和大小相同。
根据本发明的一些实施方式，相邻的可伸缩单元的支撑底板相连。根据本发明，“相连”指相邻的可伸缩单元的支撑底板活动连接或连接为一体。在一些实施例中，所述相邻的可伸缩单元的支撑底板侧边拼接为一体。在另一些实施例中，所述相邻的可伸缩单元的支撑底板浇筑为一体。
根据本发明，所述可伸缩支柱根据地表裂缝的具体模拟需求进行具体选择，例如根据所需不同承载力、工作行程和最小高度进行具体选择，可以为常见的矿用可伸缩支柱，优选为数控可伸缩支柱，更优选为液压支柱，例如DW45-250/110X(H)。
根据本发明的一些实施方式，所述可伸缩支柱的缸径为90mm-150mm，优选为90mm-120mm。在一些实施例中，所述可伸缩支柱的缸径为110mm。
根据本发明的一些实施方式，所述可伸缩支柱的最小高度≥1700mm。在一些实施例中，所述可伸缩支柱的最小高度为2454mm。
根据本发明的一些实施方式，所述可伸缩支柱的工作行程≥2000mm。在一些实施例中，所述可伸缩支柱的工作行程为2046mm。
根据本发明的一些实施方式，所述支撑底板为混凝土浇筑的底板。
根据本发明的一些实施方式，所述支撑底板可利用所应用实地环境中原有石块作为支撑底板。
根据本发明的一些实施方式，所述支撑顶板为高强度钢板。
在本发明中，“高强度钢板”指屈服强度>210Mpa的钢板，如牌号Q460钢。
根据本发明，防漏网固定于相邻的可伸缩单元的支撑顶板之间，可以防止相邻的支撑顶板间隙的松散层沙土在移动时漏下。
根据本发明的一些实施方式，所述防漏网为金属网，优选为铁丝网。根据实际需要，防漏网可由多层铁丝网组成，其层数以能有效防止沙土泄漏为宜。
根据本发明的一些实施方式，所述防漏网目数≥50。
根据本发明的一些实施方式，所述可伸缩支柱的一端连有底座，所述可伸缩支柱和支撑底板通过底座固定连接。在一些实施例中，所述底座上设有预制孔，所述支撑底板上设有与所述底座上预制孔对应的预制孔，所述底座和所述支撑底板的预制孔以螺栓固定连接。
根据本发明的一些实施方式，所述可伸缩支柱的另一端表面设有预制螺栓，所述支撑顶板与所述预制螺栓对应设有预制孔，所述可伸缩支柱通过预制螺栓和所述支撑顶板上的预制孔与所述支撑顶板固定连接。
根据本发明的一些实施方式，所述防漏网通过铰接接口固定在所述支撑顶板的侧边上。
在第二个方面，本发明提供了一种模拟制造地表采动裂缝的方法，其包括以下步骤：
(1)打通一条斜巷到实验场地下方的设计高度；
(2)在所述设计高度的区域进行条带式挖掘，每挖掘完成一个条带则在其中铺设如本发明第一方面所述的装置，并控制所述装置的支撑顶板与所述条带顶部相接，直到地下实验区域建造完毕；
(3)通过控制所述装置中各可伸缩单元的可伸缩支柱进行不同程度收缩，从而使其上相应覆层区域移动变形来模拟地表移动变形量，以模拟形成开采所致地表采动裂缝。
根据本发明，所述实验场地所需面积较大，需要在相对空旷的地区进行，防止对地面及人员造成伤害。
根据本发明，所述实验场地的面积大小取决于模拟实际开采的不同研究目的和需要，可为≥2500m2。在一些实施例中，所述实验场地为50m×50m的区域。
根据本发明，所述设计高度为根据不同研究需要和实验目的所选择的地下深度，如在一些实施例中，为了模拟制造地下25m处开采造成的地表裂缝，则选取设计高度为地下25m。
根据本发明的一些实施方式，所述条带的宽度优选为2m-6m。在一些实施例中，所述条带的宽度为4m。
根据本发明，所述条带的高度取决于地表裂缝的模拟需求和所述装置中可伸缩支柱的行程范围，优选≥4m。
根据本发明，所述条带的数目根据所选取实验场地的大小和条带宽度决定。
根据本发明，在进行条带式挖掘前，要先挖出一条通行的甬道，供工作人员通行。
根据本发明的一些实施方式，所述条带之间并列紧密相连。
根据本发明的一些实施方式，所述地下实验区域最小边长/其上覆层厚度≥1.4。
根据本发明，可通过控制所述装置可伸缩单元中可伸缩支柱进行不同程度收缩，从而带动其上相应覆层移动产生变形，以模拟开采造成的覆岩移动，通过设置各可伸缩支柱不同高度及高度差，模拟沉陷盆地各区域的覆岩移动变形量。也可以模拟覆岩的连续及非连续变形。
根据本发明的一些实施方式，步骤(3)中，所述装置的可伸缩支柱的起始高度为其最高值。
在第三个方面，本发明提供了一种用于研究地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系的现场实验方法，其包括以下步骤：
S1：选取实验场地，所述实验场地包括无植被区和植被区，所述植被区包括实验区和对照区，并收集所述植被区植被的生长状况信息；
S2：根据本发明第二方面所述的方法在所述无植被区和实验区模拟制造地表采动裂缝，对照区不制造地表采动裂缝；
S3：选取形成的具有代表性的地表采动裂缝，通过布设的地表采动裂缝监测装置获取采动影响下的无植被区和实验区地表裂缝发育情况；
S4：监测所述植被区的植被生长状况；同时使用多光谱扫描仪定期对各植被区进行扫描，获得NDVI指数；
S5：根据获取到的各区地表裂缝发育情况、植被生长状况、NDVI指数变化情况，分析地表采动裂缝与植被生长状况的相互影响关系。
根据本发明，所述植被区为根据实验不同需要进行选择的覆盖有植被的区域，所述植被一般为本地原生植被，也可以根据实验需要进行一定的人工干预。所述植被区根据研究目的的不同可以包括各植被区，例如根据目标植被的不同类型，可以包括灌木植被区、草本植被区、藤本植被区和乔木植被区等；也可以根据研究需要选取不同植被覆盖度下的各区域，例如植被丰富区。
根据本发明，所述各植被区均包括实验区和对照区。
本发明中，“植被丰富区”指地表植被覆盖率大于75％的区域，其上植被类型可以选自草本、灌木、亚灌木、藤本和乔木及其任意的组合。
本发明中，“地表采动裂缝发育情况”指任何能反映地表采动裂缝发育过程形态的参数信息，如反映地表采动裂缝的宽度、落差及平错变化的参数及信息。
“地表采动裂缝监测装置”指任何可以使获取所述地表采动裂缝发育情况的仪器、设备或装置，例如可以为包含伸缩位移传感器、角度传感器和倾角传感器等可以实时、高精度地对地表采动裂缝的宽度、落差以及平错变化进行监测的装置。
根据本发明的一些实施方式，地表采动裂缝监测装置为实时监测装置。
根据本发明的一些实施方式，通过在各植被区设置监测点来收集植被生长状况信息或对植被生长状况进行监测，所述监测点的个数取决于所述植被区的大小，将所述植被区平均分为若干个区域，每个区域设置一个监测点，所述监测点的个数优选≥9个。
根据本发明的一些实施方式，通过在各植被区监测点地表植物附近设置植物生长监测装置来收集植被生长状况信息或对植被生长状况进行监测。“附近”指所述植物生长监测装置能有效监测植被生长状况的位置，取决于所采用的具体监测仪器或设备的要求。
本发明中，“植物生长监测装置”指任何能获得反映植物生长状况信息的仪器、设备或装置，优选为能对地下植物根系的根数、根长、根长密度和根系形态变化进行观测，获取在采动影响下植物根系所发生的变化的植物根系监测装置，例如包含微根管***的装置。
根据本发明，多光谱扫描仪是利用不同的光谱波段对植被来进行扫描，根据扫描到的影像获取能够反映植被生长状况的归一化植被指数(NDVI指数)，以此来反应采动对植被生长的影响。
在第四个方面，本发明提供了一种如本发明第一方面所述的装置和/或如本发明第二方面所述的方法和/或如本发明第三方面所述的实验方法在研究地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系中的应用。
本发明的方法能够模拟各种开采情况下覆岩及地表的移动变形情况，模拟效果直观、与现场气候及生态环境一致，且实验条件稳定易控制，便于探究地表采动裂缝与植被生长状况的相互影响规律。
本发明能够自动化地模拟井下开采所造成的覆岩移动变形，并对地表采动裂缝的形成过程进行模拟，实验结果可靠、直观。本发明的实验方法对地表采动裂缝在植被区和无植被区的发育过程进行模拟和通过模拟覆岩移动过程中对植被根系及生长状况的监测，能够用于研究地表采动裂缝和植被生长状况的相互影响关系，有利于获得地表采动裂缝的形成规律、地表植物对采动裂缝的影响关系和采动及地表裂缝对地表植被的影响关系。
附图说明
图1一个用于模拟制造地表采动裂缝的装置图。
图2数控可伸缩液压支柱和底座示意图。
图3支撑顶板及防漏网示意图。
图4一种地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系的大田实验的实施示意图。
图5一种地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系的实验区域分布图。
其中：1、数控可伸缩液压支柱，2、支撑底板，3、支撑顶板，4、防漏网，5、地表采动裂缝实时监测装置，6、植物根系监测装置，7、多光谱扫描仪，8、斜巷，9、预制螺栓，10、底座，11、预制孔，12、铰接接口，13、无植被区，14、草本植被区实验区，15、灌木植被区实验区，16、植被丰富区实验区。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，该实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
本发明的用于模拟制造地表采动裂缝的装置包括至少两个可伸缩单元和至少一个防漏网4，可伸缩单元包括支撑底板2、数控可伸缩液压支柱1和支撑顶板3，数控可伸缩液压支柱1的一端连有底座10，底座10上设有预制孔11，支撑底板2上设有与底座10上预制孔11对应的预制孔，底座10和支撑底板2的预制孔以螺栓固定连接。
数控可伸缩液压支柱1的另一端表面设有预制螺栓9，支撑顶板3与预制螺栓9对应设有预制孔，数控可伸缩支柱1通过预制螺栓9和支撑顶板3上的预制孔与支撑顶板3固定连接；
相邻的可伸缩单元的支撑顶板3之间连有防漏网4，防漏网4通过铰接接口12固定在支撑顶板3的侧边上。
实施例1
本实验在神东矿区展开，该矿区的特点为薄松散层，因此实验在沟谷地形区域开展，从沟的一侧打平硐的形式进入岩土层内部，设计高度为地下25m，实施示意图如图4。
第一步，本实验选取神东矿区周边一块50m×50m沟谷旁荒地进行，该地区没有人工建筑及设施且具有一定密度的植被。
第二步，将选取的实验场地划分为无植被区、草本植被区实验区、灌木植被区实验区和植被丰富区实验区，各区域植被均为本地原生植被，其中为符合实验要求无植被区和草本植被区的植被经过了人为处理。区域分布如图4。另外，以实验场地各植被区区域周边的与各植被区相同大小的区域作为对照区，其中草本植被区的植被经过同样的处理。
第三步，使用挖掘机打通一条斜巷到实验场地下方的设计高度(即地下25m处)，之后开始在地下实验区域进行挖掘，挖掘区域为实验场地正下方50m×50m的区域，挖掘高度为5m。
第四步，在挖掘过程中，先挖出一条供工作人员通行的甬道，随后进行条带式挖掘，每挖一个条带就在该区域铺设支撑底板、数控可伸缩液压支柱、支撑顶板和防漏网，直到地下实验区域建造完毕，条带宽度为4m，长度为50m，共沿挖掘方向铺设了12个条带，每个条带内铺设两行设备。
第五步，通过控制各数控可伸缩液压支柱进行不同程度收缩，从而带动其上相应覆层移动产生变形，以模拟开采造成的覆岩移动，通过设置各数控可伸缩支柱不同高度及高度差，模拟沉陷盆地各区域的覆岩移动变形量，也可以模拟覆岩的连续及非连续变形。
第六步，在各植被区实验区和对照区分别选取9个位置设置植物根系监测装置，出现地表裂缝后选取各实验区域具有代表性的裂缝布设地表采动裂缝实时监测装置，同时在模拟覆岩移动后每天使用多光谱扫描仪对各区域扫描一次直到实验结束，获得NDVI指数。
第七步，根据获取到的各区域地表裂缝分布及变化情况、植物根系发育情况、NDVI指数变化情况，分析地表采动裂缝与植被生长状况的相互影响关系。
本实验中选取的设备尺寸均是根据所需条件设计，在其他实验中运用时可根据具体的需要进行相应调整。
虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、具体实施方式的各部分和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。
Claims (10)
1.一种用于模拟制造地表采动裂缝的装置，其特征在于，包括至少两个可伸缩单元和至少一个防漏网，
其中，所述可伸缩单元包括支撑底板、可伸缩支柱和支撑顶板，所述可伸缩支柱的一端与支撑底板的中心固定连接，另一端与所述支撑顶板的中心固定连接；
相邻的可伸缩单元的支撑顶板之间通过防漏网连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑顶板和支撑底板为平行四边形，优选地，所述支撑顶板和支撑底板为正方形；更优选所述支撑顶板和支撑底板的形状和大小相同。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，相邻的可伸缩单元的支撑底板相连。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述可伸缩支柱的缸径为90mm-150mm，最小高度≥1700mm，工作行程≥2000mm，优选所述可伸缩支柱为数控可伸缩支柱，更优选为数控可伸缩液压支柱。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑底板为混凝土浇筑的底板，和/或所述支撑顶板为高强度钢板；和/或所述防漏网为金属网，优选为铁丝网，和/或所述防漏网目数≥50。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于，所述可伸缩支柱的一端连有底座，所述可伸缩支柱和支撑底板通过所述底座固定连接；优选地，所述底座上设有预制孔，所述支撑底板上设有与所述底座上预制孔对应的预制孔，所述底座和所述支撑底板的预制孔以螺栓固定连接；
和/或所述可伸缩支柱的另一端表面设有预制螺栓，所述支撑顶板与所述预制螺栓对应设有预制孔，所述数控可伸缩支柱通过预制螺栓和所述支撑顶板上的预制孔与所述支撑顶板固定连接；
和/或所述防漏网通过铰接接口固定在所述支撑顶板的侧边上。
7.一种模拟制造地表采动裂缝的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)打通一条斜巷到实验场地下方的设计高度；
(2)在所述设计高度的区域进行条带式挖掘，每挖掘完成一个条带则在其中铺设如权利要求1-6中任一项所述的装置，并控制所述装置的支撑顶板与所述条带顶部相接，直到地下实验区域建造完毕，优选地，所述条带的宽度为2m-6m；
(3)通过控制所述装置中各可伸缩单元的可伸缩支柱进行不同程度收缩，从而使其上相应覆层区域移动变形来模拟地表移动变形量，模拟形成开采所致地表采动裂缝，
优选地，所述地下实验区域的最小边长/其上覆层厚度≥1.4。
8.一种用于研究地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系的现场实验方法，其包括以下步骤：
S1：选取实验场地，所述实验场地包括无植被区和植被区，所述植被区包括实验区和对照区，并收集所述植被区植被的生长状况信息；
S2：根据权利要求7所述的方法在所述无植被区和实验区模拟制造地表采动裂缝，对照区不制造地表采动裂缝；
S3：选取形成的具有代表性的地表采动裂缝，通过布设的地表采动裂缝监测装置获取采动影响下的无植被区和实验区地表采动裂缝发育情况；
S4：监测所述植被区的植被生长状况；同时使用多光谱扫描仪定期对各植被区的植被进行扫描，获得NDVI指数，
优选地，通过在各植被区地表植物附近设置植物生长监测装置来收集植被生长状况信息及对植被生长状况进行监测；
S5：根据获取到的各区地表裂缝发育情况、植被生长状况、NDVI指数变化情况，分析地表采动裂缝与植被生长状况的相互影响关系。
9.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于，所述地表采动裂缝监测装置包括伸缩位移传感器、角度传感器和/或倾角传感器；
和/或所述植物生长检测装置为植物根系监测装置，优选包括微根管***。
10.一种如权利要求1-6中任一项所述的装置或如权利要求7所述的方法或如权利要求8或9所述的实验方法在研究地表采动裂缝与植被生长状况相互影响关系中的应用。
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