CN103823041B - 一种开采沉陷相似试验模型装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开采沉陷相似试验模型装置，包括容积可调立方容器、模型支架座、底板、条形纵梁、活动板组、滑移式激光测距扫描仪和激光扫描简易装置等。利用相似材料类比地下岩土进行试验，可以根据不同开挖方案，通过拉开容器底板的活动板模拟开挖工序，诱导模型架中模拟岩土体塌陷。待塌陷休止，用配套的底部激光扫描简易装置和顶部滑移式激光测距扫描仪对地下空区顶板形态和模拟地表进行扫描，获得三维坐标数据。在不接触、不扰动结构/工程实体的情况下，实现同种试验装置一次试验完成不同拉底方式、不同形态矿岩的模拟开采，全方位揭示诱导开采下空区顶板三维形态与覆岩地表沉陷过程，满足了设计灵活、操作便捷、数据采集可控的需要。
Description
技术领域
本发明涉及工程试验模型装置，具体地说是一种开采沉陷相似试验模型装置。
背景技术
室内相似试验基于相似理论与模型试验，有效解决了实际矿床开采存在的影响因素复杂多变和开采过程不可逆等系列问题，成为工程研究中常用的研究手段与方法，可较好地模拟研究矿床开采引起的地表塌陷、岩层移动等地质灾害现象和过程。现有的众多相似试验设备，在外荷载加载等方面具有优越性，但在不同拉底形状和拉底顺序及开挖后空区顶板冒落观测与地层沉陷空间效应及沉陷规律等方面，却存在明显的不足，难以一次试验实现不同拉底开采方式及同种试验装置适用不同形态矿岩的模拟开采等，操作过程繁琐，观测设备昂贵，难以广泛推广应用。
发明内容
为了实现在不接触、不扰动结构/工程实体的情况下，全方位对诱导开采的空区顶板三维形态与覆岩地表沉陷过程的相似试验模拟，本发明提供一种开采沉陷相似试验模型装置。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种开采沉陷相似试验模型装置，包括四面侧板1围成的可调立方容器、由条形横梁4和承台3构成的模型支架座、由活动板14和合页13组成的活动板组、底板2、条形纵梁5、激光扫描简易装置7和滑移式激光测距扫描装置6。
滑移式激光测距扫描装置6的顶部调角板18上板面固定连接着激光测距仪19，顶部调角板18的底部中段前侧边，通过合页13铰接在内侧平行固定板17的顶端，顶部调角板18的底部中段后侧边与外侧升降板15的顶端相接触。内侧平行固定板17、外侧升降板15夹持着中间夹板16通过两对螺栓21连接在一起。外侧升降板15上设有两条竖直平行的升降槽20。内侧平行固定板17、中间夹板16的板面均设有螺栓孔。两对螺栓21穿过内侧平行固定板17螺栓孔、中间夹板16螺栓孔和外侧升降板15的升降槽20通过螺母固定。
激光扫描简易装置7的导杆28为扁杆体，导杆28上设有滑槽31。导杆28的顶部一侧设有一面板，且固定连接着激光测距仪19。导杆28的顶端铰接在立柱25上，立柱25的底部通过垫片30立设在平板状圆形底座22中央。平板状圆形底座22面板上设有360°圆周方位角刻度和万向水平水准仪24。立柱25下部径向上设有指针26，指针26的指向与360°圆周方位角刻度相对应。立柱25中段一侧设有量角器29，量角器29的中心铰接着滑杆27的一端，滑杆27的另一端连接着滑动螺栓32且通过蝶形螺母固定在导杆28腰部的滑槽31内。
侧板1为长方形面板，侧板1的板面上纵横向分布着连接件胶粒孔组。侧板1的板面上的连接件胶粒孔组分布为：纵向孔距为30cm排列3~4个孔，且纵向孔的起始列孔距侧板1的底侧边为60cm；横向孔距为20cm排列2~3个孔，且横向孔的起始列孔距侧板1的一侧边为120cm；侧板1板面上距其板面一侧边3cm处纵向设有偏心轮孔9孔组，侧边的端面上纵向排列着连接杆孔10孔组。偏心轮孔9孔组与连接杆孔10孔组相对应，每个偏心轮孔9与对应的连接杆孔10垂直相通；纵向排列的连接杆孔10的孔距与侧板1的板面上纵向分布着连接件胶粒孔的孔距对应相等。
底板2为方形板，底板2中央设有宽61cm、长62cm的矩形孔；活动板14为10cm×10cm的方块小板。三片活动板14分别通过合页13一字排列铰接成活动板组。两个铰接在活动板组的合页13的扇页合口方向一致；前后两条条形横梁4平行地架设在左右纵向的承台3上构成模型支架座。底板2设置在模型支架座的顶面。六对活动板组沿底板2矩形孔的两条宽边纵向排列，且通过合页13铰接在底板2上。所述合页13的一扇页面连接在活动板组上，另一扇页面连接在底板2矩形孔的宽边上。铰接在活动板组的合页扇页的合口与铰接在底板2的合页扇页的合口方向均向下。
条形横梁4的底部设有六根条形纵梁5，每根条形纵梁5的两端头分别通过绳索固定前后条形横梁4上。条形纵梁5中段分别对应与活动板组的活动板14相接触。四面侧板1通过三合一连接件连接围成立方容器立设在模型支架座的顶面上。每面侧板1侧边端面上的纵向排列的连接杆孔10对应着相邻的侧板1的板面上纵向的一组连接件胶粒孔。每个连接杆孔10内设有三合一连接件连接杆12，与之对应连接着的相邻的侧板1的板面上连接件胶粒孔内设有三合一连接件胶粒8，通过对应的偏心轮孔9内的三合一连接件偏心轮 11固定连接在一起。
滑移式激光测距扫描装置6跨设在侧板1上端边上。滑移式激光测距扫描装置6的中间夹板16的厚度略大于侧板1的厚度。滑移式激光测距扫描装置6的内侧平行固定板17的内侧面与侧板1的内侧面接触，滑移式激光测距扫描装置6的外侧升降板15的内侧面与侧板1的外侧面接触。激光扫描简易装置7设置在模型支架座底部中央。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1. 便捷经济的空区拉底结构设计，解决了一次试验实现不同拉底方式的开采方案难题；
2. 灵活多样的容积可调结构设计，实现了同种试验装置适用不同形态矿岩的模拟开采；
3. 人工可控的数据采集方式，避免了大量数据的后期繁琐处理。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2模型支架座与条形纵梁连接示意图。
图3为容器侧板结构示意图。
图4为图3中侧板三合一连接件连接位置开孔局部剖面图。
图5为三合一连接件结构图。
图6为容器底板空区拉底结构图。
图7为图1的а向局部视图。
图8为活动板组结构图。
图9为滑移式激光测距扫描装置结构示意图。
图10为滑移式激光测距扫描装置与本发明的空间关系图。
图11为激光扫描简易装置示意图。
图12为图7中激光扫描测点坐标计算原理图。
图13为图8中激光扫描测点坐标计算原理图。
图中序号，1侧板、2 底板、3承台、4条形横梁、5条形纵梁、6滑移式激光测距扫描装置、7激光扫描简易装置、8三合一连接件胶粒、9偏心轮孔、10连接杆孔、11三合一连接件偏心轮、12三合一连接件连接杆、13合页、14活动板、15外侧升降板、16中间夹板、17内侧平行固定板、18顶部调角板、19激光测距仪、20升降槽、21螺栓、22平板状圆形底座、23支脚、24万向水平水准仪、25立柱、26指针、27滑杆、28导杆、29量角器、30垫片、31滑槽、32滑动螺栓。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施案例对本发明作进一步地描述。
实施例：
参见图1，一种开采沉陷相似试验模型装置，包括四面侧板1围成的可调立方容器、由条形横梁4和承台3构成的模型支架座、由活动板14和合页13组成的活动板组、底板2、条形纵梁5、激光扫描简易装置7和滑移式激光测距扫描装置6。
参见图9、图10。滑移式激光测距扫描装置6的顶部调角板18上板面固定连接着激光测距仪19，顶部调角板18的底部中段前侧边通过合页13铰接在内侧平行固定板17的顶端，顶部调角板18的底部中段后侧边与外侧升降板15的顶端相接触。内侧平行固定板17、外侧升降板15夹持着中间夹板16通过两对螺栓21连接在一起。外侧升降板15上设有两条竖直平行的升降槽20。内侧平行固定板17、中间夹板16的板面均设有螺栓孔。两对螺栓21穿过内侧平行固定板17螺栓孔、中间夹板16螺栓孔和外侧升降板15的升降槽20通过螺母固定。
参见图11，激光扫描简易装置7的导杆28为扁杆体，导杆28上设有滑槽31。导杆28的顶部一侧设有一面板，且固定连接着激光测距仪19。导杆28的顶端铰接在立柱25上，立柱25的底部通过垫片30立设在平板状圆形底座22中央。平板状圆形底座22面板上设有360°圆周方位角刻度和万向水平水准仪。立柱25下部径向上设有指针，指针的指向与360°圆周方位角刻度相对应。立柱25中段一侧设有量角器29，量角器29的中心铰接着滑杆27的一端，滑杆27的另一端连接着滑动螺栓32且通过蝶形螺母固定在导杆28腰部的滑槽31内。立柱25、滑杆27和导杆28形成一个活动可变形的三角形，通过滑动螺栓32沿滑槽31的移动，可改变激光源点射线角度；导杆28上部设有激光测距仪19，激光测距仪19的发光点为激光源点位置。
参见图3，侧板1为长方形面板，侧板1的板面上纵横向分布着连接件胶粒孔组。侧板1的板面上的连接件胶粒孔组分布为：纵向孔距为30cm排列3~4个孔，且纵向孔的起始列孔距侧板1的底侧边为60cm；横向孔距为20cm排列2~3个孔，且横向孔的起始列孔距侧板1的一侧边为120cm。侧板1设置排列的几列横向孔，其目的是为了使由四面侧板1围成的立方容器的大小可方便调整。
参见图4，侧板1板面上距其板面一侧边3cm处纵向设有偏心轮孔9孔组，侧边的端面上纵向排列着连接杆孔10孔组。偏心轮孔9孔组与连接杆孔10孔组相对应，每个偏心轮孔9与对应的连接杆孔10垂直相通；纵向排列的连接杆孔10的孔距与侧板1的板面上纵向分布着连接件胶粒孔的孔距对应相等。
参见图1、图6。 底板2为方形板，底板2中央设有宽61cm、长62cm的矩形孔。
参见图8，活动板14为10cm×10cm的方块小板。三片活动板14分别通过合页13一字排列铰接成活动板组。两个铰接在活动板组的合页的扇页合口方向一致。
参见图2、图6，前后两条条形横梁4平行地架设在左右纵向的承台3上构成模型支架座。承台3形状为立方体结构，其高度不小于80cm，长度大于容器底板2长度，用以承放相似试验模型架及条形横梁4；条形横梁4、条形纵梁5厚度不大于8cm，长度超过底板2长，其材质可为木质或型钢。底板2设置在模型支架座的顶面。六对活动板组沿底板2矩形孔的两条宽边纵向排列，且通过合页13铰接在底板2上。所述合页13的一扇页面连接在活动板组上，另一扇页面连接在底板2矩形孔的宽边上。铰接在活动板组的合页扇页的合口与铰接在底板2的合页扇页的合口方向均向下。每组活动板可向两侧承台分一次或多次向下打开。
参见图2、图7，条形横梁4的底部设有六根条形纵梁5，每根条形纵梁5的两端头分别通过绳索固定前后条形横梁4上。条形纵梁5中段分别对应与活动板组的活动板14相接触，六根条形纵梁5分别用以承托底板2空区拉底结构的活动板14。参见图1、图3、图4、图5。四面侧板1通过三合一连接件连接围成立方容器立设在模型支架座的顶面上。每面侧板1侧边端面上的纵向排列的连接杆孔10对应着相邻的侧板1的板面上纵向的一组连接件胶粒孔。每个连接杆孔10内设有三合一连接件连接杆12，与对应连接着相邻的侧板1的板面上连接件胶粒孔内设有三合一连接件胶粒8，通过对应的偏心轮孔9内的三合一连接件偏心轮 11固定连接在一起。
参见图1，滑移式激光测距扫描装置6跨设在侧板1上端边上。滑移式激光测距扫描装置6的中间夹板16的厚度略大于侧板1的厚度。滑移式激光测距扫描装置6的内侧平行固定板17的内侧面与侧板1的内侧面接触，滑移式激光测距扫描装置6的外侧升降板15的内侧面与侧板1的外侧面接触。侧板1的底边与侧板1上端边平行，通过手动可使滑移式激光测距扫描装置6整体沿侧板1上端边滑移；内侧平行固定板17紧贴容器侧板1内侧，起确保装置滑移面与容器侧板1面平行的作用；顶部调角板18用合页13与内侧平行固定板17铰接，与外侧升降板15线面接触，顶部调角板18顶面下侧固定激光测距仪19，通过调节外侧升降板15高度，可改变顶部调角板18与水平面夹角，从而达到改变激光侧距仪19夹角的目的。激光扫描简易装置7设置在模型支架座底部中央。
本发明的原理如下：
（1）滑移式激光测距扫描原理
参见图12，根据说明书附图，OABCDEFP共面（简称面OAB）。O点为顶部调角板18底面合页13中心点，A点为O点在顶部调角板18底面与下侧面交线的投影点，E为O点在侧板1顶部水平面上的垂直投影点，B、F为O、E点在外侧升降板15内侧面上的垂直投影点，C为面OAB与外侧升降板15顶部调角板18交线交点，D为激光源点，P点为激光测点， 为面OAB法线方位角；
已知：，，，为直接由量角器量出的夹角，，C、A、D、P绕O点旋转，O点坐标为，求P点坐标；
根据此题意，利用三角几何理论即可求出激光测点P坐标如下：
（2）底部激光扫描原理
参见图13，根据说明书附图，O点为立柱25与导杆28交点。ABCDP面垂直于平板状圆形底座22，A点为O点在ABCDP面上的投影点，B为滑杆27与立柱25交点，D为激光源点，AD＇为AD在过A点与平面平行面上的投影，为导杆28与立柱25的夹角，为ABCDP面的方位角；
已知：，滑杆27长度，，，，测距，量角器29读数，方位角，，，OA垂直于ABCDP面，且ABCDP面绕OO＇轴旋转，O点坐标为， P点坐标即为所测点的坐标；
根据此题意，利用三角几何理论即可求出激光测点P坐标如下：
其中，和可由正弦和余弦定理，根据量角器29读数、、值求出。
本发明的具体使用操作如下：
（1）相似试验模型架拼装。将已安装好底部拉底结构的容器底板2置于承台3上，两条条形横梁4分别垂直承台3平行面置于承台3上和底板2外侧，六根条形纵梁5分别用以承托底板空区拉底结构一列活动板14并用绳索固定在条形横梁4上；将四块长方形侧板1通过三合一连接件依次拼装形成容器侧面结构后，放置于容器底板2上；将滑移式激光测距扫描装置6置于容器侧板1顶部边缘；
（2）相似材料制备与养护。将根据试验相似材料配比方案制备的相似材料装入容器，简单平整地表面，按相似试验规定时间养护；
（3）地表面形态的三维激光测距扫描。移动滑移式激光测距扫描装置6至侧板1最端部侧，松动螺栓21调节外侧升降板15高度，改变顶部调角板18与水平面夹角，使激光测距仪19的激光点落在地表面的起始测点位置，记录此时滑移式激光测距扫描装置6在侧板1的位置、顶部调角板18与水平面的夹角、激光源点至落点的距离读数；完成该点扫描后在不改变外侧升降板15高度的情况下移动装置至下一测点，直至滑移式激光测距扫描装置6达到侧板1的另一端；调节外侧升降板15高度，改变顶部调角板18与水平面夹角，依此开始下一行数据的测距扫描；滑移式激光测距扫描装置6在侧板1上做往复平行滑移运动，最终完成地表面所有测点的测距扫描；
（4）不同拉底方式的相似材料诱导开挖。在拉底结构活动板14的正下方，放置方形桌或垫块，高度接近条形纵梁5，并在方桌或垫块上用预制好的厚度不超过2cm的6根小木条分别支撑拉底结构c列活动板14；解开c列活动板上的条形纵梁5，并将其重新用绳索固定在a列条形纵梁5的左侧，用以支撑底板2的稳定；根据预定的拉底开挖方案，去除相应的支撑小木条，使失去支撑的活动板14在上部荷载作用下自动打开，当拉底面积达到一定时，上部相似材料将冒落形成自然拱，此时即可开展空区冒落顶板形貌和地表沉陷的三维激光测距扫描；按照拉底方案，依次打开其余活动板，并及时激光扫描测量冒落顶板形貌和地表沉陷形态，直至诱导开挖结束；
（5）空区冒落顶板形貌三维激光扫描。清除底板2 下冒落的相似材料，将激光扫描简易装置7放置到容器底板拉底结构中央正下方，通过调节三个支脚23螺母，使万向水平水准仪24中的气泡置于水准仪顶部中央，确保平板状圆形底座22上表面处于水平状态；转动立柱25使指针26指到0刻度位置，调整滑杆27使其内侧面与量角器29最小刻度重合，拧紧蝶形螺母，使立柱25、滑杆27和导杆28组成一个确定的三角形；用激光测距仪19开始测距，并记录好当前扫描激光射线的方位角即指针26方位角、量角器29倾角和源光源点至物体表面测点间距离数据；通过转动立柱25、移动滑杆27改变扫描激光射线的方位角和倾角，即可测出被测物体不同位置至激光源点的距离；
（6）相似试验不同方案的有序开展。根据预定的拉底开挖方案，按步骤3~步骤5的顺序直至试验结束，最后再按步骤3完成最终地表面形态的扫描；
（7）采集数据后处理。根据几何关系，计算确定地表面和空区顶板表面各测点P的三维坐标，并由此建立被测物体的三维空间形态模型。
Claims (3)
1.一种开采沉陷相似试验模型装置，包括激光扫描简易装置(7)、滑移式激光测距扫描装置(6)；所述滑移式激光测距扫描装置(6)的顶部调角板(18)上板面固定连接着激光测距仪(19)，顶部调角板(18)的底部中段前侧边通过合页(13)铰接在内侧平行固定板(17)的顶端，顶部调角板(18)的底部中段后侧边与外侧升降板(15)的顶端相接触；所述内侧平行固定板(17)、外侧升降板(15)夹持着中间夹板(16)通过两对螺栓(21)连接在一起；所述外侧升降板(15)上设有两条竖直平行的升降槽(20)；所述内侧平行固定板(17)、中间夹板(16)的板面均设有螺栓孔；两对螺栓(21)穿过内侧平行固定板(17)螺栓孔、中间夹板(16)螺栓孔和外侧升降板(15)的升降槽(20)通过螺母固定；所述激光扫描简易装置(7)的导杆(28)为扁杆体，导杆(28)上设有滑槽(31)；导杆(28)的顶部一侧设有一面板，且固定连接着激光测距仪(19)；导杆(28)的顶端铰接在立柱(25)上，立柱(25)的底部通过垫片(30)立设在平板状圆形底座(22)中央；所述平板状圆形底座(22)面板上设有360°圆周方位角刻度和万向水平水准仪(24)；所述立柱(25)下部径向上设有指针(26)，指针(26)的指向与360°圆周方位角刻度相对应；所述立柱(25)中段一侧设有量角器(29)，量角器(29)的中心铰接着滑杆(27)的一端，滑杆(27)的另一端连接着滑动螺栓(32)且通过蝶形螺母固定在导杆(28)腰部的滑槽(31)内；
其特征在于：还包括四面侧板(1)围成的可调立方容器、由前后两条条形横梁(4)和承台(3)构成的模型支架座、由三片活动板(14)和合页(13)组成的活动板组、底板(2)和条形纵梁(5)；所述侧板(1)为长方形面板，侧板(1)的板面上纵横向分布着连接件胶粒孔组；所述侧板(1)板面上距其板面一侧边3cm处纵向设有偏心轮孔(9)孔组，侧边的端面上纵向排列着连接杆孔(10)孔组；所述偏心轮孔(9)孔组与连接杆孔(10)孔组相对应，每个偏心轮孔(9)与对应的连接杆孔(10)垂直相通；所述纵向排列的连接杆孔(10)的孔距与侧板(1)的板面上纵向分布着连接件胶粒孔的孔距对应相等；所述底板(2)为方形板，底板(2)中央设有宽61cm、长62cm的矩形孔；所述活动板(14)为10cm×10cm的方块小板；所述三片活动板(14)分别通过合页(13)一字排列铰接成六对活动板组；所述铰接在活动板组的合页(13)的扇页合口方向一致；所述前后两条条形横梁(4)平行地架设在左右纵向的承台(3)上构成模型支架座；底板(2)设置在模型支架座的顶面；所述六对活动板组沿底板(2)矩形孔的两条宽边纵向排列，且通过合页(13)铰接在底板(2)上；所述合页(13)的一扇页面连接在活动板组上，另一扇页面连接在底板(2)矩形孔的宽边上；所述铰接在活动板组的合页扇页的合口与铰接在底板(2)的合页扇页的合口方向均向下；所述条形横梁(4)的底部设有六根条形纵梁(5)，每根条形纵梁(5)的两端头分别通过绳索固定前后条形横梁(4)上；条形纵梁(5)中段分别对应与活动板组的活动板(14)相接触；所述四面侧板(1)通过三合一连接件连接围成立方容器立设在模型支架座的顶面上；每面侧板(1)侧边端面上的纵向排列的连接杆孔(10)对应着相邻的侧板(1)的板面上纵向的一组连接件胶粒孔；每个连接杆孔(10)内设有三合一连接件连接杆(12)，与之对应连接着的相邻的侧板(1)的板面上连接件胶粒孔内设有三合一连接件胶粒(8)，通过对应的偏心轮孔(9)内的三合一连接件偏心轮(11)固定连接在一起；所述滑移式激光测距扫描装置(6)跨设在侧板(1)上端边上；所述滑移式激光测距扫描装置(6)的内侧平行固定板(17)的内侧面与侧板(1)的内侧面接触，所述滑移式激光测距扫描装置(6)的外侧升降板(15)的内侧面与侧板(1)的外侧面接触；所述激光扫描简易装置(7)设置在模型支架座底部中央。
2.根据权利要求1所述的一种开采沉陷相似试验模型装置，其特征在于：所述滑移式激光测距扫描装置(6)的中间夹板(16)的厚度大于侧板(1)的厚度。
3.根据权利要求1所述的一种开采沉陷相似试验模型装置，其特征在于：侧板(1)的板面上的连接件胶粒孔组分布为：纵向孔距为30cm排列3～4个孔，且纵向孔的起始列孔距侧板(1)的底侧边为60cm；横向孔距为20cm排列2～3个孔，且横向孔的起始列孔距侧板(1)的一侧边为120cm。
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