CN104501747B - 一种三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置及其测量方法，其主要结构为采用带储液腔结构形式的微压力传感装置，使用时，采用将微压力传感装置直接埋设在相似模拟材料内部的方式，将微压力传感装置分别与储液箱、采集仪和计算机连接，巧妙地将将相似模拟材料内部局部位移监测的复杂的问题转化成简单的压力信号检测与输出，使得本发明具有结构简单、合理、实验结果真实准确、系统误差小；其具有自动读数和全程记录功能，较好地解决了现有技术中所存在的“突变点”监测不到，以及现有技术中存在的只能监测到覆岩下沉，而无法监测到覆岩抬升所致的模拟实验结果不全面、不真实、不准确的技术问题。

Description

一种三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种相似模拟实验装置及其实验方法，尤其涉及一种三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置及其测量方法。

背景技术

覆岩运动规律是采矿工程的重要研究内容，但因其研究对象相对隐蔽给研究带来了诸多不便。

相似模拟是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力学参数及其分布规律，利用在模型上的研究结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布规律。

因此，采用相似模拟材料模拟的方法，在研究开采沉陷引起的覆岩运动及其地表移动规律时,可以直观的表达出在工作面推进过程中，所引起的覆岩及其地表的水平位移、下沉量及其移动规律，为我们研究上覆岩层运动规律提供了方便。

但现有技术中，对于三维相似模拟试验而言，要想监测覆岩内任意点的位移变化过程仍难以实现。

中国专利申请CN201653319U公开了一种立体分布式位移测量装置，其包括多只位移数值读取器与相同数量的坚硬金属片，其中位移数值读取器与坚硬金属片一一对应，在各自对应的一只位移数值读取器与一只坚硬金属片之间通过一根鱼线连接；

其通过以埋设的方式固定在模型内部的坚硬金属片如铁片或钢片等，在模型内部出现模拟岩层运动变化时，该高度层上的坚硬金属片带动鱼线，由鱼线拉伸位移数值读取器，通过位移数值读取器观测读取位移值，进而实现对模型内部岩层位移运动的观测。

但是，这种结构形式的测量装置存在诸多不足之处，主要表现在：

1、在试验过程中，立体分布式位移测量装置不可避免地将对覆岩施加外力，将影响试验结果的准确性；

2、读数不连续，因而可能出现对因回采引起的覆岩运动突变点监测不到的问题；

3、其工作原理仅限于立体分布式位移测量装置，因而只能监测到覆岩下沉，而无法监测到覆岩抬升，使得模拟实验结果不全面、不真实、不准确。

发明内容

本发明的目的之一是，提供一种精度高、实验过程中具有自动读取数据功能、可以实现覆岩运动过程的全记录，并可同时监测到覆岩的上升和下降运动规律的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，其特征在于，包括用于盛放相似模拟材料的框架结构部分和位移监测单元；

所述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分整体呈无上盖的箱体结构，包括矩形底座、分别竖直固定连接在底座四个顶角位置处的四根立柱和可拆卸连接的活动挡板；

所述箱体结构内部的相似模拟材料为层状结构，在竖直方向上依次分为若干层；

所述立柱为顶角朝外的角钢，所述角钢的两外侧面上均匀开设有若干螺孔；

所述活动挡板数量为若干，每一活动挡板的两端均分别开设有若干通透孔，并通过螺栓固定连接在所述角钢的两外侧面上的不同层高位置；

每一活动挡板的侧面上都均匀开设有若干数量的条状缺口；

所述位移监测单元包括储液箱、高压胶管、多通、微压力传感装置、采集仪和计算机；

所述储液箱的顶部两侧分别设置有一透气孔和一注液口；

所述储液箱的底部出液口的标高高于所述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分的顶部，并通过管道与所述多通的进液口连接；

所述微压力传感装置数量为若干，每个微压力传感装置的进液管口分别通过相应的高压胶管连接在所述多通的不同出液口上；

所述微压力传感装置包括壳体，所述壳体内部左右两侧分别为压力变送器和储液腔；

所述储液腔与所述进液管口贯通；

所述储液腔靠近压力变送器的一侧的内壁上安装有一微压力传感器，所述储液腔的另一侧上方壁面上设置有一放气孔；

所述放气孔内拧入一封堵用螺栓；

所述微压力传感器与所述压力变送器通讯连接，所述压力变送器通过所述数据线与所述采集仪通讯连接；

所述采集仪具有以太网接口，用于通过网线与所述计算机通讯连接；

所述位移监测单元中的微压力传感装置均匀埋设在各不同层的相似模拟材料内部，各数据线、各高压胶管分别从活动挡板的侧面上的相应的条状缺口中穿出，与设置在所述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分的外部的其余部件连接成一体；

所述储液箱的出液口位于所述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分顶部的上方。

优选为，上述相似模拟材料的层数为五层，自下而上依次为底板、煤层、冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

上述技术方案直接带来的技术效果是，三维相似模拟材料模拟试验位移监测单元中的微压力传感装置均匀埋设在各不同层的相似模拟材料内部，实验过程中，可以适时、真实准确、全方位地检测到相似模拟材料模型内部的位移变化的基础数据，再通过采集仪采集、计算机处理并输出后，供实验人员形象直观地看出相似模拟材料模拟试验实验过程中所产生的液平位移、下沉量和移动规律。

上述技术方案的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，在试验过程中，位移监测单元中的微压力传感装置对相似模拟材料模型不会施加任何的外力，因而进一步保证了试验结果的准确性；

上述技术方案的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，其数据的采集、传输与处理均同步进行，因而实现了对因回采过程中所引起的覆岩运动全方位的监测，较好地解决了现有技术中所存在的“突变点”监测不到的技术问题；

为了更好地理解本发明，现详细说明上述技术方案的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置的工作原理：

在煤层采掘过程中，一旦微压力传感装置在竖直方向上出现位移，其与储液箱中的液面之间的高度差将发生变化。这样，其储液腔中液体所产生并传导出的压力数值将发生变化。将这种微压力传感装置在竖直方向上的位移(量)，同步转化成(液体)压力变化(量)，再经微压力传感器及时检测到、经采集仪采集并传输至计算机，再通过计算机记录、输出。

从上述工作原理可以看出，上述技术方案的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，其利用液体压力等于密度乘以其高度这一简单的物理学道理，巧妙地将这种液位差所引起的压力的变化应用至微压力传感装置中，从而将相似模拟材料内部局部位移监测的复杂的问题转化成简单的压力信号检测与输出，使得上述技术方案的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置不仅可以同步适时地监测到覆岩可能出现的下沉，还可以同步适时地，监测到覆岩可能出现的抬升。

进一步优选，上述储液腔内的液体为水、盐水、或者水银。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，基于上述工作原理可以看出，利用各种不同密度的液体，便于根据实验精度等级需要，或者微压力传感器的灵敏度等情况，进行液位差变化所致压力变化量的放大与缩小比例的灵活调整。这样，既便于操作，又可保证实验所需的精度要求。

进一步优选，上述高压胶管的额定耐压值为4MPa以上。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，实际应用经验表明，在通常实验情况下，高压胶管所可能承受到的压力低于4MPa。选择高压胶管的额定耐压值为4MPa以上，可以有效保证正常实验所需，不会出现被压扁，进而影响实验精确性等问题的出现。

进一步优选，上述微压力传感装置的壳体材质为不锈钢304或工具钢。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，由于微压力传感装置直接埋设在相似模拟材料的内部，其需要承受来自上方相似模拟材料的压力，选择不锈钢304或工具钢主要考虑的是，这两种材料均具有较高的硬度，并且均具有较好的加工性能。这样，可以在有限的加工成本基础上，尽可能提高微压力传感装置的壳体的刚度，确保实验过程中不会出现因为被压扁，进而导致装置失灵等问题的出现。

进一步优选，上述活动挡板上均匀焊接有若干加强筋。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，活动挡板上均匀焊接有若干加强筋也是基于在保证其强度的基础上，尽可能降低主要零部件的制作成本的考虑。

本发明的目的之二是，提供一种上述三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置的测量方法。

本发明为实现该目的所采用的技术方案是，一种三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，依次将各数据线和各高压胶管分别从各活动挡板侧面上的相应的条状缺口中穿出，在活动挡板的两侧依次完成位移监测单元的组装；

将储液箱悬挂至一定高度，以使储液箱的出液口位于用于盛放相似模拟材料的框架结构部分顶部的上方位置；

向储液箱内加入适量的液，依次用螺丝刀打开各微压力传感装置上的封堵螺栓待储液腔的放气口开始流出液时，拧紧封堵螺栓；

第二步，自下而上，逐层安装活动挡板，并进行相似模拟材料的铺设，同时将位移监测单元中的各微压力传感装置均匀埋设在相似模拟材料的内部，直至相似模拟材料全部铺设完毕；

第三步，待相似模拟材料固化至其性能指标达到回采所需条件后，将活动挡板全部拆除，并打开采集仪和计算机，利用计算机将各微压力传感装置中的压力传感器的初始值调至0位置；

并根据实验所需检测的参数种类，进行采集仪的参数设置；

第四步，沿煤层的采掘工作面由外至里开挖对相似模拟材料进行回采实验，对回采过程中各测点的位移情况进行实时监测与数据采集，直至试验回采完毕、并等待一定时间后，通过计算机导出所需要的实验数据及图像。

上述技术方案直接带来的技术效果是，操作步骤简单、控制简便，实验结果真实、准确，且直观。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、结构简单、合理、实验结果真实准确、系统误差小；

2、本发明的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置具有自动读数，并进行覆岩运动过程的全记录功能；其数据的采集、传输与处理均同步进行，实现了对因回采过程中所引起的覆岩运动全方位的监测，较好地解决了现有技术中所存在的“突变点”监测不到的技术问题；

3、本发明的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，其实验操作简单、不仅可以监测到覆岩下沉，还可以监测到覆岩抬升。

附图说明

图1为本发明的用于盛放相似模拟材料的框架结构部分结构示意图；

图2为本发明的位移测量装置的结构示意图；

图3为本发明的微压力传感装置的剖视结构(放大)示意图；

图4为本发明的相似模拟材料(模型)的层状结构示意图。

附图标记说明：1、储液箱，2、注液口及密封盖，3、透气孔，4、高压胶管，5、多通，6、微压力传感装置，7、数据传输线，8、采集仪，9、网线，10、计算机，11、压力变送器，12、壳体，13、微压力传感器，14、储液腔，15、放气孔，21、底座，22、立柱，23、活动挡板，24、条状缺口，25、加强筋，31、底板，32、煤层，33、冒落带，34、裂隙带，35、弯曲下沉带。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，其包括用于盛放相似模拟材料的框架结构部分和位移监测单元；

上述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分整体呈无上盖的箱体结构，包括矩形底座、分别竖直固定连接在底座四个顶角位置处的四根立柱和可拆卸连接的活动挡板；

上述箱体结构内部的相似模拟材料为层状结构，在竖直方向上依次分为若干层；

上述立柱为顶角朝外的角钢，上述角钢的两外侧面上均匀开设有若干螺孔；

上述活动挡板数量为若干，每一活动挡板的两端均分别开设有若干通透孔，并通过螺栓固定连接在上述角钢的两外侧面上的不同层高位置；

每一活动挡板的侧面上都均匀开设有若干数量的条状缺口24；

如图2、图3所示，上述位移监测单元包括储液箱1、若干数量的高压胶管4、多通5、若干数量的微压力传感装置6、采集仪8和计算机10；

上述储液箱的顶部两侧分别设置有一透气孔3和一注液口2；

上述储液箱1的底部出液口的标高高于上述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分的顶部，并通过管道与上述多通5的进液口连接；

上述微压力传感装置6通过相应的高压胶管4连接在上述多通5的不同出液口上；

上述微压力传感装置6包括壳体12，上述壳体12内部左右两侧分别为压力变送器11和储液腔14；

上述储液腔14靠近压力变送器11的一侧的内壁上安装有一微压力传感器13，上述储液腔14的另一侧上方壁面上设置有一放气孔15；

上述放气孔15内拧入一封堵用螺栓；

上述微压力传感器13与上述压力变送器11通讯连接，上述压力变送器11通过上述数据线7与上述采集仪8通讯连接；上述采集仪8具有以太网接口，用于通过网线9与上述计算机10通讯连接；

如图4所示，上述位移监测单元中的微压力传感装置6均匀埋设在各不同层的相似模拟材料内部，各数据线、各高压胶管分别从活动挡板的侧面上的相应的条状缺口中穿出，与设置在上述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分的外部的其余部件连接成一体；

上述储液箱的出液口位于上述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分顶部的上方。

上述储液腔内的液体优选为水、盐水、或者水银。

基于本发明的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置的工作原理，利用各种不同密度的液体，便于根据实验精度等级需要，或者微压力传感器的灵敏度等情况，进行液位差变化所致压力变化量的放大与缩小比例的灵活调整。这样，既便于操作，又可保证实验所需的精度要求。

上述高压胶管的额定耐压值优选为4MPa以上。

实际应用经验表明，在通常实验情况下，高压胶管所可能承受到的压力低于4MPa。选择高压胶管的额定耐压值为4MPa以上，可以有效保证正常实验所需，不会出现被压扁，进而影响实验精确性等问题的出现。

上述微压力传感装置的壳体材质优选为不锈钢304或工具钢。

由于微压力传感装置直接埋设在相似模拟材料的内部，其需要承受来自上方相似模拟材料的压力，选择不锈钢304或工具钢主要考虑的是，这两种材料均具有较高的硬度，并且均具有较好的加工性能。这样，可以在有限的加工成本基础上，尽可能提高微压力传感装置的壳体的刚度，确保实验过程中不会出现因为被压扁，进而导致装置失灵等问题的出现。

如图1所示，还可以优选为，上述活动挡板上均匀焊接有若干加强筋。

活动挡板上均匀焊接有若干加强筋也是基于在保证其强度的基础上，尽可能降低主要零部件的制作成本的考虑。

如图4所示，上述相似模拟材料(模型)的层数为五层，自下而上依次为底板31、煤层32、冒落带33、裂隙带34和弯曲下沉带35。

上述的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置的测量方法，包括以下步骤：

第一步，依次将各数据线和各高压胶管分别从各活动挡板侧面上的相应的条状缺口中穿出，在活动挡板的两侧依次完成位移监测单元的组装；

将储液箱1悬挂至一定高度，以使储液箱的出液口位于用于盛放相似模拟材料的框架结构部分顶部的上方位置；

向储液箱1内加入适量的液，依次用螺丝刀打开各微压力传感装置6上的封堵螺栓待储液腔的放气口15开始流出液时，拧紧封堵螺栓；

第二步，自下而上，逐层安装活动挡板，并进行该层的相似模拟材料的铺设，同时将位移监测单元中的各微压力传感装置6均匀埋设在该层的相似模拟材料的内部，直至相似模拟材料全部铺设完毕；

第三步，待相似模拟材料固化至其性能指标达到回采所需条件后，将活动挡板全部拆除，并打开采集仪8和计算机10，利用计算机10对各微压力传感装置6进行调零，将各微压力传感装置6中的压力传感器的初始值调至0；

并根据实验所需检测的参数种类，进行采集仪的参数设置；

第四步，沿煤层的采掘工作面由外至里开挖对相似模拟材料进行回采实验，对回采过程中各测点的位移情况进行实时监测与数据采集，直至试验回采完毕、并等待一定时间后，通过计算机导出所需要的实验数据及图像。

Claims (7)

1.一种三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，其特征在于，包括用于盛放相似模拟材料的框架结构部分和位移监测单元；

所述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分整体呈无上盖的箱体结构，包括矩形底座、分别竖直固定连接在底座四个顶角位置处的四根立柱和可拆卸连接的活动挡板；

所述箱体结构内部的相似模拟材料为层状结构，在竖直方向上依次分为若干层；

所述立柱为顶角朝外的角钢，所述角钢的两外侧面上均匀开设有若干螺孔；

所述活动挡板数量为若干，每一活动挡板的两端均分别开设有若干通透孔，并通过螺栓固定连接在所述角钢的两外侧面上的不同层高位置；

每一活动挡板的侧面上都均匀开设有若干数量的条状缺口；

所述位移监测单元包括储液箱、高压胶管、多通、微压力传感装置、采集仪和计算机；

所述储液箱的顶部两侧分别设置有一透气孔和一注液口；

所述储液箱的底部出液口的标高高于所述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分的顶部，并通过管道与所述多通的进液口连接；

所述微压力传感装置数量为若干，每个微压力传感装置的进液管口分别通过相应的高压胶管连接在所述多通的不同出液口上；

所述微压力传感装置包括壳体，所述壳体内部左右两侧分别为压力变送器和储液腔；

所述储液腔与所述进液管口贯通；

所述储液腔靠近压力变送器的一侧的内壁上安装有一微压力传感器，所述储液腔的另一侧上方壁面上设置有一放气孔；

所述放气孔内拧入一封堵用螺栓；

所述微压力传感器与所述压力变送器通讯连接，所述压力变送器通过数据线与所述采集仪通讯连接；

所述采集仪具有以太网接口，用于通过网线与所述计算机通讯连接；

所述位移监测单元中的微压力传感装置均匀埋设在各不同层的相似模拟材料内部，各数据线、各高压胶管分别从活动挡板的侧面上的相应的条状缺口中穿出，与设置在所述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分的外部的其余部件连接成一体；

所述储液箱的出液口位于所述用于盛放相似模拟材料的框架结构部分顶部的上方。

2.根据权利要求1所述的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，所述储液腔内的液体为水、盐水、或者水银。

3.根据权利要求1所述的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，所述高压胶管的额定耐压值为4MPa以上。

4.根据权利要求1所述的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，所述微压力传感装置的壳体材质为不锈钢304或工具钢。

5.根据权利要求1所述的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，所述活动挡板上均匀焊接有若干加强筋。

6.根据权利要求1所述的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置，所述相似模拟材料的层数为五层，自下而上依次为底板、煤层、冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

7.一种如权利要求1所述的三维相似模拟材料模拟试验位移测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，依次将各数据线和各高压胶管分别从各活动挡板侧面上的相应的条状缺口中穿出，在活动挡板的两侧依次完成位移监测单元的组装；

将储液箱悬挂至一定高度，以使储液箱的出液口位于用于盛放相似模拟材料的框架结构部分顶部的上方位置；

向储液箱内加入适量的液体，依次用螺丝刀打开各微压力传感装置上的封堵螺栓，待储液腔的放气口开始流出液体时，拧紧封堵螺栓；

第二步，自下而上，逐层安装活动挡板，并进行相似模拟材料的铺设，同时将位移监测单元中的各微压力传感装置均匀埋设在相似模拟材料的内部，直至相似模拟材料全部铺设完毕；

第三步，待相似模拟材料固化至其性能指标达到回采所需条件后，将活动挡板全部拆除，并打开采集仪和计算机，利用计算机将各微压力传感装置中的微压力传感器的初始值调至0位置；

并根据实验所需检测的参数种类，进行采集仪的参数设置；

第四步，沿煤层的采掘工作面由外至里开挖对相似模拟材料进行回采实验，对回采过程中各测点的位移情况进行实时监测与数据采集，直至试验回采完毕、并等待一定时间后，通过计算机导出所需要的实验数据及图像。