CN105067774A - 一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置及方法，通过在测点所在位置安置钢管形成竖直探测通道，钢管外壁有刻度对测点位置进行定位，定位完成后把爪式探头放入钢管内，用推杆把探头送入指定位置，依照这种方法按照从下往上的顺序把探头全部安放到位，把钢管一次抽出，绷直测线通过滑轮与直线位移传感器连接，计算机对直线位移传感器进行控制实现数据的实时观测和存储。本发明可以较准确观测到模型内部的岩层移动量，并且可以实现数据的实时采集与存储，结构简单，劳动强度小，观测效果好。

Description

一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置及方法

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监测岩层移动的装置及方法。

背景技术

三维相似材料模拟实验中，对模型内部的岩层移动进行监测是十分重要的一部分，对模型进行开挖后，岩层受重力及开挖过程影响会向下发生垮落，由于各层位岩层的岩性不同，所以在垮落过程中，每个岩层的下沉量一般是不同的，通过对这些变形量进行观测，可以了解到模型内部的岩层位移情况。

覆岩移动规律的研究中，一般采用二维平面模型，在模型中布置应变片或者模型表面设置观测点，再通过高速相机、全站仪等观测装置对岩层移动进行观测，这些方法对于二维相似材料模型适用性较强，但难以直接应用于三维相似材料模拟装置。

对于三维相似材料模拟实验，其岩层移动发生在模型内部，以往的观测方法无法直接获得岩层移动参数。通过查阅相关资料，目前国内也没有切实可行的方法去解决这一问题，所以限制了三维相似材料模拟实验的使用。因此需要找到一种切实可行的方法对模型内部的岩层移动情况进行观测。

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监测岩层移动的装置及方法，采用该项技术方案对三维相似材料模拟实验进行观测，可以对模型开挖后其内部的岩层位移量进行测量，解决了三维相似材料模拟实验的测量难题。可以根据实验目的及要求，合理调整探头位置和数量，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，减少实验人员工作量。整个技术方案其装置及方法简单，使用方便，劳动强度小，测量精度高，可以极大促进三维相似模拟实验的使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种方法，对三维相似材料模拟实验中的岩层位移进行观测。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置，其包括计算机(6)、A/D转换器(5)、直线位移传感器(4)、至少两个测试探头、至少两个测试线、滑轮组(3)、钢管(9)、推杆(10)，其特征在于，至少两个测试探头为测试探头一(1)和测试探头二(7)，至少两个测试线为测试线一(2)和测试线(8)，所述钢管(9)采用直径相同的短钢管旋转连接而成，且所述钢管(9)能够通过控制短钢管的节数来控制钢管长度，所述推杆(10)设置在所述钢管(9)内部，且所述推杆(10)由直径相同的细铁棒组合连接而成，所述推杆(10)的底端焊接有圆形推片(11)，所述测试探头(1)、(7)的形状为一个倒锥形铝合金圆筒(13)，在所述倒锥形铝合金圆筒的侧壁上焊接有尖头弹片(12)，所述尖头弹片(12)在所述倒锥形铝合金圆筒(13)上形成倒钩，测试线一(2)和测试线(8)分别与所述测试探头(1)、(7)连接，且每个测试探头对应一个测线，各个测试探头之间竖直间隔设置，所述钢管(9)和推杆(10)的组合装置用于将测试探头(1)放入模型内部的指定位置，所述滑轮组(3)设置在模型外部，且测线一(2)和测试线二(8)均采用模型外部的滑轮组(3)由竖直方向转变成水平方向后与直线位移传感器(4)连接，所述直线位移传感器(4)通过导线与所述A/D转换器(5)连接，所述A/D转换器(5)通过导线与计算机(6)相连接。

进一步，作为优选，所述的短钢管的内径为20-25mm，长度为100mm，且所述短钢管上标设有刻度及顺序编号，所述短钢管的接口处一端为内壁螺纹，接口处的另一端为外壁螺纹，其中外壁螺纹端的外径等于内壁螺纹端的内径，各个短管之间能够旋转连接。

进一步，作为优选，所述的细铁棒直径为10mm，长度为100mm，且所述细铁棒上标设有刻度及顺序编号，所述细铁棒的一端为中空并内置内螺纹，所述细铁棒的另一端外壁设有外螺纹，各个细铁棒之间能够通过螺纹旋转连接，最下一节细铁棒的端口圆形推片的直径小于钢管(9)的内径4-6mm。

进一步，作为优选，所述的探头(1)中的倒锥形圆筒的上口径为13mm，下口径小于上口径3mm，高度为15mm，且采用铝合金材料制成。

进一步，作为优选，所述直线位移传感器(4)、A/D转换器(5)和计算机(6)构成实验的数据监测、收集和存储系统。

进一步，作为优选，所述钢管(9)外壁涂抹有一层润滑油，且要求保持钢管(9)处于竖直状态。

进一步，作为优选，所述滑轮组处于同一轴线的设置在同一个滑轮套杆上，且连接每个测试探头的测线各自的穿设在滑轮组的各自滑轮上。

此外，本发明还提供了一种监测岩层移动的装置进行监测三维相似材料模拟实验模型内部的岩层变化的方法，其特征在于，其特征包括以下步骤：

a.根据最下边一个测试探头一(1)放置位置的深度，组合钢管(9)和推杆(10)，钢管较埋藏深度至少留有100mm的余量，推杆(10)要求比钢管(9)长100mm；

b.搭建模型，待到达测点所在层位下部50mm位置时，在测点竖直方向放置钢管(9)，钢管(9)外壁涂抹一层润滑油，保持钢管(9)竖直状态，继续搭建模型，直至模型完成；

c.模型搭建结束后，将钢管(9)缓慢上移50mm，然后将测试探头一(1)的圆筒细端朝下放入钢管(9)中，并使探头(1)在尖头弹片固定下位于钢管(9)中心；

d.用推杆(10)压着探头(1)缓慢向下推移，直至探头到达预定位置其倒钩完全脱离钢管(9)内壁，抽出推杆，并对探头测线(2)贴上序号标签；

e.根据测试探头二(7)与测试探头一之间的(1)的竖直距离，把钢管(9)向上移动，重复测试探头一(1)的安装方法，如果模型外钢管的伸出有碍操作，可是酌情减少短钢管节数；

f.重复上述步骤，直至所有测点安放完毕；

g.将所有测线绷直，避免相互缠绕，通过模型上端的滑轮组(3)，将测线变成水平与直线位移传感器(4)的接线柱相连；

h.把直线位移传感器(4)通过导线与A/D转换器(5)连接，A/D转换器(5)通过导线与计算机(6)相连；

i.等待模型风干，待达到湿度要求后，进行模型的开挖，对模型内部岩移观测。

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监测岩层移动的装置及方法，其采用该项技术方案对三维相似材料模拟实验进行观测，可以对模型开挖后其内部的岩层位移量进行测量，解决了三维相似材料模拟实验的测量难题。可以根据实验目的及要求，合理调整探头位置和数量，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，减少实验人员工作量。整个技术方案其装置及方法简单，使用方便，劳动强度小，测量精度高，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监测岩层移动的主体结构示意图；

图2是本发明的一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置的侧视剖面结构示意图；

图3是本发明的图2中A的局部放大图；

图4是本发明的图2中B的俯视图结构图

图5是本发明的探头安放过程示意图

图中：1-探头一，2-测线一，3-滑轮组，4-直线位移传感器，5-A/D转换器，6-计算机，7-探头二，8-测线二，9-钢管，10-推杆，11-圆形推片，12-弹片，13-倒锥形圆筒，14-滑轮，15-滑轮套杆

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1-5所示，本发明提供一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置，其包括计算机6、A/D转换器5、直线位移传感器4、至少两个测试探头、至少两个测线、滑轮组3、钢管9、推杆10，其特征在于，至少两个测试探头为测试探头一1和测试探头二7，至少两个测试线包括测试线一2和测试线8，所述钢管9采用直径相同的短钢管旋转连接而成，且所述钢管9能够通过控制短钢管的节数来控制钢管长度，所述推杆10设置在所述钢管9内部，且所述推杆10由直径相同的细铁棒组合连接而成，所述推杆10的底端焊接有圆形推片11，所述测试探头1、7的形状为一个倒锥形铝合金圆筒13，在所述倒锥形铝合金圆筒的侧壁上焊接有尖头弹片12，所述尖头弹片12在所述倒锥形铝合金圆筒13上形成倒钩，测试线一2和测试线8分别与所述测试探头1、7连接，且每个测试探头对应一个测线，各个测试探头之间竖直间隔设置，所述钢管9和推杆10的组合装置用于将测试探头1放入模型内部的指定位置，所述滑轮组3设置在模型外部，且测线2采用模型外部的滑轮组3由竖直方向转变成水平方向后与直线位移传感器4连接，所述直线位移传感器4通过导线与所述A/D转换器5连接，所述A/D转换器5通过导线与计算机6相连接。

在本实施例中，短钢管的内径为20-25mm，长度为100mm，且短钢管上标设有刻度及顺序编号，所述短钢管的接口处一端为内壁螺纹，接口处的另一端为外壁螺纹，其中外壁螺纹端的外径等于内壁螺纹端的内径，各个短管之间能够旋转连接。细铁棒直径为10mm，长度为100mm，且所述细铁棒上标设有刻度及顺序编号，所述细铁棒的一端为中空并内置内螺纹，所述细铁棒的另一端外壁设有外螺纹，各个细铁棒之间能够通过螺纹旋转连接，最下一节细铁棒的端口圆形推片的直径小于钢管(9)的内径4-6mm。

另外，探头1中的倒锥形圆筒的上口径为13mm，下口径小于上口径3mm，高度为15mm，且采用铝合金材料制成。直线位移传感器4、A/D转换器5和计算机6构成实验的数据监测、收集和存储系统。钢管9外壁涂抹有一层润滑油，且要求保持钢管9处于竖直状态。滑轮组处于同一轴线的设置在同一个滑轮套杆上，且连接每个测试探头的测线各自的穿设在滑轮组的各自滑轮上。

此外，本发明还提供了一种监测岩层移动的装置进行监测三维相似材料模拟实验模型内部的岩层变化的方法，其特征在于，其特征包括以下步骤：

a.根据最下边一个测试探头一1放置位置的深度，组合钢管9和推杆10，钢管较埋藏深度至少留有100mm的余量，推杆10要求比钢管9长100mm；

b.搭建模型，待到达测点所在层位下部50mm位置时，在测点竖直方向放置钢管9，钢管9外壁涂抹一层润滑油，保持钢管9竖直状态，继续搭建模型，直至模型完成；

c.模型搭建结束后，将钢管9缓慢上移50mm，然后将测试探头一1的圆筒细端朝下放入钢管9中，并使探头1在尖头弹片固定下位于钢管9中心；

d.用推杆10压着探头1缓慢向下推移，直至探头到达预定位置其倒钩完全脱离钢管9内壁，抽出推杆，并对探头测线2贴上序号标签；

e.根据测试探头二7与测试探头一之间的1的竖直距离，把钢管9向上移动，重复测试探头一1的安装方法，如果模型外钢管的伸出有碍操作，可是酌情减少短钢管节数；

f.重复上述步骤，直至所有测点安放完毕；

g.将所有测线绷直，避免相互缠绕，通过模型上端的滑轮组3，将测线变成水平与直线位移传感器4的接线柱相连；

h.把直线位移传感器4通过导线与A/D转换器5连接，A/D转换器5通过导线与计算机6相连；

i.等待模型风干，待达到湿度要求后，进行模型的开挖，对模型内部岩移观测。

本发明采用该项技术方案对三维相似材料模拟实验进行观测，可以对模型开挖后其内部的岩层位移量进行测量，解决了三维相似材料模拟实验的测量难题。可以根据实验目的及要求，合理调整探头位置和数量，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，减少实验人员工作量。整个技术方案其装置及方法简单，使用方便，劳动强度小，测量精度高，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监测岩层移动的装置，其包括计算机(6)、A/D转换器(5)、直线位移传感器(4)、至少两个测试探头、至少两个测试线、滑轮组(3)、钢管(9)、推杆(10)，其特征在于，至少两个测试探头至少包括测试探头一(1)和测试探头二(7)，至少两个测试线至少包括测试线一(2)和测试线(8)，所述钢管(9)采用直径相同的短钢管旋转连接而成，且所述钢管(9)能够通过控制短钢管的节数来控制钢管长度，所述推杆(10)设置在所述钢管(9)内部，且所述推杆(10)由直径相同的细铁棒组合连接而成，所述推杆(10)的底端焊接有圆形推片(11)，所述测试探头(1)、(7)的形状为一个倒锥形铝合金圆筒(13)，在所述倒锥形铝合金圆筒的侧壁上焊接有尖头弹片(12)，所述尖头弹片(12)在所述倒锥形铝合金圆筒(13)上形成倒钩，测试线一(2)和测试线(8)分别与所述测试探头(1)、(7)连接，且每个测试探头对应一个测线，各个测试探头之间竖直间隔设置，所述钢管(9)和推杆(10)的组合装置用于将测试探头(1)放入模型内部的指定位置，所述滑轮组(3)设置在模型外部，且测线一(2)和测试线二(8)均采用模型外部的滑轮组(3)由竖直方向转变成水平方向后与直线位移传感器(4)连接，所述直线位移传感器(4)通过导线与所述A/D转换器(5)连接，所述A/D转换器(5)通过导线与计算机(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置，其特征在于，所述的短钢管的内径为20-25mm，长度为100mm，且所述短钢管上标设有刻度及顺序编号，所述短钢管的接口处一端为内壁螺纹，接口处的另一端为外壁螺纹，其中外壁螺纹端的外径等于内壁螺纹端的内径，各个短管之间能够旋转连接。

3.根据权利要求1所述的一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置，其特征在于，所述的细铁棒直径为10mm，长度为100mm，且所述细铁棒上标设有刻度及顺序编号，所述细铁棒的一端为中空并内置内螺纹，所述细铁棒的另一端外壁设有外螺纹，各个细铁棒之间能够通过螺纹旋转连接，最下一节细铁棒的端口圆形推片的直径小于钢管(9)的内径4-6mm。

4.根据权利要求1所述的一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置，其特征在于，所述的测试探头(1)中的倒锥形圆筒的上口径为13mm，下口径小于上口径3mm，高度为15mm，且采用铝合金材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置，其特征在于，所述直线位移传感器(4)、A/D转换器(5)和计算机(6)构成实验的数据监测、收集和存储系统。

6.根据权利要求1所述的一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置，其特征在于，所述钢管(9)外壁涂抹有一层润滑油，且要求保持钢管(9)处于竖直状态。

7.根据权利要求1所述的一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置，其特征在于，所述滑轮组(3)处于同一轴线的设置在同一个滑轮套杆上，且连接每个测试探头的测线各自的穿设在滑轮组的各自的滑轮上。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种三维相似材料模拟实验中监测岩层移动的装置进行监测三维相似材料模拟实验模型内部的岩层变化的方法，其特征在于，其特征包括以下步骤：

a.根据最下边一个测试探头一(1)放置位置的深度，组合钢管(9)和推杆(10)，钢管较埋藏深度至少留有100mm的余量，推杆(10)要求比钢管(9)长100mm；

b.搭建模型，待到达测点所在层位下部50mm位置时，在测点竖直方向放置钢管(9)，钢管(9)外壁涂抹一层润滑油，保持钢管(9)竖直状态，继续搭建模型，直至模型完成；

c.模型搭建结束后，将钢管(9)缓慢上移50mm，然后将测试探头一(1)的圆筒细端朝下放入钢管(9)中，并使探头(1)在尖头弹片固定下位于钢管(9)中心；

d.用推杆(10)压着探头(1)缓慢向下推移，直至探头到达预定位置其倒钩完全脱离钢管(9)内壁，抽出推杆，并对探头测线(2)贴上序号标签；

e.根据测试探头二(7)与测试探头一之间的(1)的竖直距离，把钢管(9)向上移动，重复测试探头一(1)的安装方法，如果模型外钢管的伸出有碍操作，可是酌情减少短钢管节数；

f.重复上述步骤，直至所有测点安放完毕；

g.将所有测线绷直，避免相互缠绕，通过模型上端的滑轮组(3)，将测线变成水平与直线位移传感器(4)的接线柱相连；

h.把直线位移传感器(4)通过导线与A/D转换器(5)连接，A/D转换器(5)通过导线与计算机(6)相连；

i.等待模型风干，待达到湿度要求后，进行模型的开挖，对模型内部岩移观测。