CN104991043A - 一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法，其包括计算机、动态电阻应变仪、A/D转换器、导线和应变计，其中，应变计为内空封闭式构造，内壁贴有四组应变花，应变花上覆盖防潮硅橡胶，应变计均采用各自的导线与动态电阻应变仪连接，所述动态电阻应变仪与所述A/D转换器连接，所述A/D转换器与所述计算机连接本发明通过在需要观测的位置放置内贴片铝合金外壳应变计，观测应变仪周围四个点处的主应力大小。由于岩体总是存在不连续性，其抗拉强度远小于抗压强度，所以模型内部的破坏形式以拉破坏为主。根据岩石破坏强度理论，可以得到测点处裂隙带的发育情况。

Description

一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法

技术领域

本发明涉及测试测量技术领域，具体为一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法。

背景技术

在煤矿生产过程中，对采动覆岩中导水裂隙带的发育高度进行研究，掌握覆岩的移动破坏规律及导水裂隙带的发育高度情况，从而合理确定煤层的安全开采上限和采煤方法，对于实现矿井的安全生产、保水采煤及地面生态环境保护，都具有十分重要的理论意义和实际价值。

以往对导水裂隙带的研究中，一般采用二维平面相似材料模拟，采用外部观察的方法对导水裂隙带高度进行观测。由于二维平面模型无横向尺寸，且其边界条件也做了很大的简化，模拟结果往往与实际情况存在着较大的差异。同二维平面模型相比，三维立体模型可以很好的克服这些缺点。但是由于三维立体模型的裂隙主要发生在模型内部，从外部很难进行观测。通过查阅相关资料发现，目前没有一种装置和方法能有效观测三维立体模型内部的导水裂隙带高度。

基于以上技术问题，本发明提供了一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法，其通过在需要观测的位置放置内贴片铝合金外壳应变计，观测应变仪周围四个点处的主应力大小。由于岩体总是存在不连续性，其抗拉强度远小于抗压强度，所以模型内部的破坏形式以拉破坏为主。根据岩石破坏强度理论，可以得到测点处裂隙带的发育情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种装置和方法，对三维相似材料模拟实验中模型内部裂隙带发育状况进行观测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置，其包括计算机(5)、动态电阻应变仪(3)、A/D转换器(4)、导线(2)和应变计(1)；其中，所述应变计(1)为内空的封闭式构造，且所述应变计的内壁贴有四组应变花(8)，所述应变花上覆盖有防潮硅橡胶(12)，所述应变计(1)为竖直排列的多个，且所述应变计(1)均采用各自的导线(2)与所述动态电阻应变仪(3)连接，所述动态电阻应变仪(3)与所述A/D转换器连接，所述A/D转换器与所述计算机连接。

进一步，作为优选，应变计1的外部设置有应变计外壳7，所述应变计外壳7为弹性模量已知的铝合金材料制成。应变计外壳7的一个端面为锥形，另一个端平面为圆筒状，且所述应变计的平面端口一侧留有导线出孔6。应变花8位于所述的应变计外壳7的铝合金圆筒内壁中部且等间距布置，每个所述应变计1包含四组应变花8。

进一步，作为优选，应变花8为45°应变花，每组应变花包含3个应变片，分别为应变片一9，应变片二10，应变片三11，且应变片一9，应变片二10，应变片三11为箔式应变片。

进一步，作为优选，所述的防潮硅橡胶(12)为室温固化硅橡胶。

进一步，作为优选，所述的应变计外壳(7)的圆筒内径为40mm，壁厚为3mm，高总体为55mm，其中锥形部分垂高为10mm，应变计(1)的平面端口的导线从导线出孔(6)导出后用密封胶密封，所述的应变花(8)采用45°的形式粘贴在应变计内壁，应变花(8)位于应变计外壳(7)的铝合金圆筒内壁中部，应变花(8)贴好后在上面涂上一层1-2mm厚的防潮硅橡胶(12)。

进一步，本发明还提供了一种采用三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置来观测的方法，其特征在于，其包括以下测试步骤：

a.在三维相似材料模拟实验模型搭建之前，设计好应变计(1)的安放位置和数量；

b.逐层搭建三维相似材料模拟实验模型，到达第一个应变计(1)所在位置后把应变计(1)的锥头向下竖直放置，并保证使一组应变花对着开挖方向；

c.把应变计(1)的导线(2)捆绑并沿平行于开挖工作面的方向引到模型外部；

d.继续往三维相似材料模拟实验台内加料，并用小木锤把应变计(1)周围轻轻夯实，使应变计(1)与模型材料紧密接触，不留间隙；

e.按照上述方法安设其他应变计，直至模型搭建完毕；

f.将所有应变计(1)通过导线(2)与动态电阻应变仪(3)连接，将所述应变电阻应变仪(3)与A/D转换器(4)连接，将A/D转换器(4)与计算机(5)连接之后进行观测。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法，其通过在需要观测的位置放置内贴片铝合金外壳应变计，观测应变仪周围四个点处的主应力大小。由于岩体总是存在不连续性，其抗拉强度远小于抗压强度，所以模型内部的破坏形式以拉破坏为主。根据岩石破坏强度理论，可以得到测点处裂隙带的发育情况。本发明使用本发明的装置和方法可以很好的对三维相似材料模拟实验模型内部导水裂隙带的发育高度进行观测，解决三维相似材料模拟实验内部的测量难题。可以根据测量精度合理调整应变计的安设位置和数量，同时整个观测过程中的读数频率、数据记录和存储均由计算机进行控制，减少了实验人员的工作量。整个技术方案其装置及方法简单，劳动强度小，测试效果好，可以极大促进三维相似模拟实验的使用。

附图说明

图1是本发明的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置的主体结构示意图；

图2是本发明的应变计安放结构示意图；

图3是本发明的应变计剖面图；

图中：1-应变计，2-导线，3-动态电阻应变仪，4-A/D转换器，5-计算机，6-出孔，7-应变计外壳，8-应变花，9-应变片一，10-应变片二，11-应变片三，12-防潮硅橡胶。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1-3所示，本发明提供一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置，其包括计算机5、动态电阻应变仪3、A/D转换器4、导线2和应变计1；其中，所述应变计1为内空的封闭式构造，且所述应变计的内壁贴有四组应变花8，所述应变花上覆盖有防潮硅橡胶12，所述应变计1为竖直排列的多个，且所述应变计1均采用各自的导线2与所述动态电阻应变仪3连接，所述动态电阻应变仪3与所述A/D转换器连接，所述A/D转换器与所述计算机连接。

在本实施例中，应变计1的外部设置有应变计外壳7，所述应变计外壳7为弹性模量已知的铝合金材料制成。应变计外壳7的一个端面为锥形，另一个端平面为圆筒状，且所述应变计的平面端口一侧留有导线出孔6。应变花8位于所述的应变计外壳7的铝合金圆筒内壁中部且等间距布置，每个所述应变计1包含四组应变花8。

此外，应变花8为45°应变花，每组应变花包含3个应变片，分别为应变片一9，应变片二10，应变片三11，且所述的应变片一9，应变片二10，应变片三11为箔式应变片。

其中，防潮硅橡胶12为室温固化硅橡胶，比如704硅橡胶。应变计外壳7的圆筒内径为40mm，壁厚为3mm，高总体为55mm，其中锥形部分垂高为10mm，应变计1的平面端口的导线从导线出孔6导出后用密封胶密封，所述的应变花8采用45°的形式粘贴在应变计内壁，应变花8位于应变计外壳7的铝合金圆筒内壁中部，应变花8贴好后在上面涂上一层1-2mm厚的防潮硅橡胶12。

此外，本发明还提供了一种采用三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置来观测的方法，其包括以下测试步骤：

a.在三维相似材料模拟实验模型搭建之前，设计好应变计1的安放位置和数量；

b.逐层搭建三维相似材料模拟实验模型，到达第一个应变计1所在位置后把应变计1的锥头向下竖直放置，并保证使一组应变花对着开挖方向；

c.把应变计1的导线2捆绑并沿平行于开挖工作面的方向引到模型外部；

d.继续往三维相似材料模拟实验台内加料，并用小木锤把应变计1周围轻轻夯实，使应变计1与模型材料紧密接触，不留间隙；

e.按照上述方法安设其他应变计，直至模型搭建完毕；

f.将所有应变计1通过导线2与动态电阻应变仪3连接，将所述应变电阻应变仪3与A/D转换器4连接，将A/D转换器4与计算机5连接之后进行观测。

本发明提供的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法，其通过在需要观测的位置放置内贴片铝合金外壳应变计，观测应变仪周围四个点处的主应力大小。由于岩体总是存在不连续性，其抗拉强度远小于抗压强度，所以模型内部的破坏形式以拉破坏为主。根据岩石破坏强度理论，可以得到测点处裂隙带的发育情况。本发明使用本发明的装置和方法可以很好的对三维相似材料模拟实验模型内部导水裂隙带的发育高度进行观测，解决三维相似材料模拟实验内部的测量难题。可以根据测量精度合理调整应变计的安设位置和数量，同时整个观测过程中的读数频率、数据记录和存储均由计算机进行控制，减少了实验人员的工作量。整个技术方案其装置及方法简单，劳动强度小，测试效果好，可以极大促进三维相似模拟实验的使用。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置，其包括计算机(5)、动态电阻应变仪(3)、A/D转换器(4)、导线(2)和应变计(1)；其中，所述应变计(1)为内空的封闭式构造，且所述应变计的内壁贴有四组应变花(8)，所述应变花上覆盖有防潮硅橡胶(12)，所述应变计(1)为竖直排列的多个，且所述应变计(1)均采用各自的导线(2)与所述动态电阻应变仪(3)连接，所述动态电阻应变仪(3)与所述A/D转换器连接，所述A/D转换器(4)与所述计算机(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置，其特征在于，所述的应变计(1)的外部设置有应变计外壳(7)，所述应变计外壳(7)为弹性模量已知的铝合金材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置，其特征在于，所述的应变计外壳(7)的一个端面为锥形，另一个端平面为圆筒状，且所述应变计的平面端口一侧留有导线出孔(6)。

4.根据权利要求3所述的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置，其特征在于，所述的应变花(8)位于所述的应变计外壳(7)的铝合金圆筒内壁中部且等间距布置，每个所述应变计(1)包含四组应变花(8)。

5.根据权利要求1所述的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置，其特征在于，所述的应变花(8)为45°应变花，每组应变花包含3个应变片，分别为应变片一(9)，应变片二(10)和应变片三(11)，且所述的应变片一(9)，应变片二(10)和应变片三(11)为箔式应变片。

6.根据权利要求1所述的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置及方法，其特征在于，所述的防潮硅橡胶(12)为室温固化硅橡胶。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置，其特征在于，所述的应变计外壳(7)的圆筒内径为40mm，壁厚为3mm，高总体为55mm，其中锥形部分垂高为10mm，应变计(1)的平面端口的导线从导线出孔(6)导出后用密封胶密封，所述的应变花(8)采用45°的形式粘贴在应变计内壁，应变花(8)位于应变计外壳(7)的铝合金圆筒内壁中部，应变花(8)贴好后在上面涂上一层1-2mm厚的防潮硅橡胶(12)。

8.使用权利要求1-7任意一项所述的一种三维相似材料模拟实验中导水裂隙带高度的观测装置来观测的方法，其特征在于，其包括以下测试步骤：

a.在三维相似材料模拟实验模型搭建之前，设计好应变计(1)的安放位置和数量；

b.逐层搭建三维相似材料模拟实验模型，到达第一个应变计(1)所在位置后把应变计(1)的锥头向下竖直放置，并保证使一组应变花对着开挖方向；

c.把应变计(1)的导线(2)捆绑并沿平行于开挖工作面的方向引到模型外部；

d.继续往三维相似材料模拟实验台内加料，并用小木锤把应变计(1)周围轻轻夯实，使应变计(1)与模型材料紧密接触，不留间隙；

e.按照上述方法安设其他应变计，直至模型搭建完毕；

f.将所有应变计(1)通过导线(2)与动态电阻应变仪(3)连接，将所述应变电阻应变仪(3)与A/D转换器(4)连接，将A/D转换器(4)与计算机(5)连接之后进行观测。