CN106644732A - 顶板垮落监测试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顶板垮落监测试验系统，该系统包括：地层物理模型，地层物理模型包括根据待模拟地区的地质情况构造堆叠的至少一层地质材料；可视窗口，可视窗口设置于地层物理模型底部；下支撑框架，下支撑框架设置于可视窗口下方，用于支撑可视窗口和地层物理模型；轨道，轨道设置于下支撑框架的下部；探测器件，探测器件设置于轨道上，且能够沿轨道运动。该系统的优点在于：便于观察地层物理模型的垮落情况及垮落后形成的空间随时间和采动的变化过程。
Description
技术领域
本发明涉及采矿过程模拟试验领域，更具体地，涉及一种用于监测顶板垮落后上覆岩层裂隙、位移等的顶板跨落监测试验系统。
背景技术
在采矿过程模拟试验研究中，要充分掌握煤层顶板及采区巷道围岩的变形力学特性，通过三维模型模拟某一个或多个上覆岩层在一定时期内的变形场演化过程。目前广泛采用数码相机拍摄模型观测面在试验期间的图像序列，然后利用数字图像相关技术对这些图像进行分析来获得该观测面的位移场演化过程。现有技术中很多模型试验采用二维平面应变模拟方法，使模型的两侧表面处于自由变形状态，由于平面应力状态与绝大多数岩土工程所处的受力状况不符，因而具有很大的局限性；有的虽然采用平面应变，用透明板代替钢板来为模型观测部位提供边界约束，但由于受到透明板强度和刚度的限制其尺寸往往很小，因而只能观测到模型表面的很小一部分，不能获取模型的全场位移。而且所有的观测窗只是三维立体模型的前后左右方向，观测不到顶板垮落后上覆岩层的裂隙发展状况。
因此，有必要开发一种能够全方位监测模型在采动影响下上覆岩层的垮落过程及位移变化的试验系统。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种顶板垮落监测试验系统，其能够全方位监测模型采动影响上部顶板的垮落过程及裂隙区变化。
根据本发明提出了一种顶板垮落监测试验系统，包括：
地层物理模型，所述地层物理模型包括根据待模拟地区的地质情况构造堆叠的的至少一层地质材料；
可视窗口，所述可视窗口设置于地层物理模型底部；
下支撑框架，所述下支撑框架设置于所述可视窗口下方，用于支撑所述可视窗口和所述地层物理模型；
轨道，所述轨道设置于所述下支撑框架的下部；
探测器件，所述探测器件设置于所述轨道上，且能够沿所述轨道运动。
优选地，还包括皮带输送设备和机械手，所述机械手清扫从所述地层物理模型垮落的地质材料，并通过所述皮带输送设备将所述地质材料送出所述顶板垮落监测试验系统。
优选地，所述探测器件是照相机、摄像机、光纤镜头、激光雷达的至少其中之一。
优选地，还包括设置于所述地层物理模型内部的应力传感器、位移传感器、温度传感器、流量计的至少其中之一。
优选地，所述下支撑框架包括立柱和由所述立柱支撑的网格状框架。
优选地，所述网格状框架包括正方形、长方形或六边形网格。
优选地，所述可视窗口包括与所述网格状框架相对应的网格状窗口，所述网格状窗口包括多个窗口单元。
优选地，所述窗口单元能够打开，从而允许从所述地层物理模型垮落的地质材料通过。
优选地，所述轨道在所述可视窗口上的投影经过所有窗口单元。
优选地，所述窗口单元包括多个子窗口单元。
根据本发明的顶板垮落监测试验系统，其优点在于：
地层物理模型底部设置有可视窗口，便于通过能够沿导轨移动的探测器件观察地层物理模型的地质材料垮落情况及地质材料垮落后形成的空间随时间和采动的变化过程。
下支撑框架可采用由立柱支撑的网格状框架，可视窗口包括与网格状框架相对应的网格状窗口，网格状窗口包括多个窗口单元，而且这些窗口单元能够打开，允许从地层物理模型垮落的地质材料通过，落入下支撑框架底部，从而可以持续探测地层物理模型逐层垮落的全过程。
通过探测器件与传感器的结合，能够模拟地质材料垮落过程中的空间应力场的分布，以及模型内部的温度、流量变化情况，传感器通过导线与数据采集仪和计算机连接，能够模拟隧道和巷道的围岩变形特性，避免施工中遇到突发的重大灾害。
探测器件能够通过每个窗口单元，通过窗口单元探测上方的地层物理模型的图像，将通过窗口单元探测的图像进行拼接，可以得到完整的地层物理模型的层间位移和大变形情况。
本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的顶板垮落监测试验系统的示意图。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的下支撑框架的示意图。
图3示出了根据本发明的另一个示例性实施例的顶板垮落监测试验系统的示意图。
附图标记说明：
1、可视窗口；2、地层物理模型；3、下支撑框架；4、轨道；5、探测器件；6、子窗口单元；301、立柱；302、网格状框架。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据示例性实施例的顶板垮落监测试验系统，包括：地层物理模型，地层物理模型包括根据待模拟地区的地质情况构造堆叠的的至少一层地质材料；可视窗口，可视窗口设置于地层物理模型底部；下支撑框架，下支撑框架设置于可视窗口下方，用于支撑可视窗口和地层物理模型；轨道，轨道设置于下支撑框架的下部；探测器件，探测器件设置于轨道上，且能够沿轨道运动。
其中，该顶板垮落监测试验系统还可以包括设置于地层物理模型两侧的液压加载装置和设置于地层物理模型顶部的液压加压装置，地层物理模型包括根据待模拟地区的地质情况堆叠的至少一层地质材料，例如岩石、煤等。现有技术介绍了多种搭建地层物理模型的方法，其不是本发明的重点，在此不进行赘述。地层物理模型用于模拟采区巷道顶板。可视窗口设置于底层物理模型底部，便于观察地层物理模型的地质材料的垮落情况及地质材料垮落后形成的空间随时间和采动的变化过程。
作为优选方案，顶板垮落监测试验系统还包括皮带输送设备和机械手，机械手清扫从地层物理模型垮落的地质材料，并通过皮带输送设备将地质材料送出所述顶板垮落监测试验系统以便于后续观测。
作为优选方案，探测器件是照相机、摄像机、光纤镜头、激光雷达的至少其中之一。
其中，光纤镜头通过可视窗口伸入地层物理模型顶部的裂隙中，深入地质材料内部，进行扫描、拍照或录像，能够窥视地层物理模型顶板内部的裂隙分布情况。
激光雷达可以沿着轨道移动，能够探测到地层物理模型顶板的每一个部位，激光探测与测量(Light Detection And Ranging，LIDAR)可以获取轨道上任一点与对应顶板处的距离，通过数据转换，能够绘制出顶板分层垮落后裂隙的分布的三维图像，同时，获得数字高程模型图(Digital Elevation Model，DEM)，能够确认每一层地质材料在垮落过程中，顶板裂隙的分布情况。
作为优选方案，顶板垮落监测试验系统还包括设置于地层物理模型内部的应力传感器、位移传感器、温度传感器、流量计的至少其中之一。
应力传感器、位移传感器、温度传感器、流量计等传感器设置于地层物理模型地层物理模型内部，可通过导线与数据采集仪和计算机连接，能够感测隧道和巷道的围岩变形特性，便于掌握施工前期施工路线中不良地质情况，避免突发重大灾害。
作为优选方案，下支撑框架包括立柱和由立柱支撑的网格状框架，其中，网格状框架包括长方形、正方形或六边形网格，立柱至少为4根，且立柱是圆柱、立方柱或棱柱。
或者，下支撑框架可以由墙体支撑，墙体至少4面，墙体可以是混凝土、钢筋混凝土或钢架混凝土。
作为优选方案，可视窗口包括与所述网格状框架相对应的网格状窗口，网格状窗口包括多个窗口单元，窗口单元能够单独打开或关闭，或者和其它窗口单元联动打开或关闭，从而允许从所述地层物理模型垮落的块体地质材料或探测元件通过。
其中，可视窗口用于支撑地层物理模型，紧贴在模型底部，可由玻璃钢制成；下支撑框架用于支撑可视窗口和地层物理模型，下支撑框架的网格状框架可以紧贴可视窗口，也可以与可视窗口有一定距离。
作为优选方案，轨道在可视窗口上的投影经过所有窗口单元。探测器件可以沿着轨道的铺设方向沿着下支撑框架的左右方向或者前后方向移动。
作为优选方案，窗口单元包括多个子窗口单元，其中，子窗口单元可以是正方形、长方形或六边形，子窗口单元能够单独打开或关闭，或者和其它子窗口单元联动打开或关闭。
由于轨道能够经过网格状框架，因此沿轨道运动的探测器件能够通过每个网格，可以保证拍到地层物理模型底部的每一个部位，经过图像拼接观察地层物理模型的整体情况，通过数据转换，可以直接把顶板分层垮落后裂隙的分布的三维位置图绘制出来，确认每一层地质材料在垮落过程中，顶板的裂隙分布情况。
本发明的顶板垮落监测试验系统，可以分辨出灰度和裂隙分布情况，其中层状结构模型可以铺成有DEM的层状变化模型，也可以加入断层、陷落柱、褶曲等地质构造的层状模型，模型的层状结构可以采用煤、粉煤灰、沙、土的混合物及碎石块的混合物，使用不同强度的胶进行粘贴。
本发明的顶板垮落监测试验系统还可应用于模拟渗流、模拟关键隔水层的应力分布情况、模拟瓦斯气体的流动情况、模拟瓦斯气体在裂隙中移动的情况等工作环境。
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
实施例1
图1示出了根据本发明的示例性实施例的顶板垮落监测试验系统的示意图，图2示出了根据本发明的示例性实施例的下支撑框架的示意图。
根据示例性实施例的顶板垮落监测试验系统包括：
地层物理模型2，地层物理模型2包括根据待模拟地区的地质情况构造堆叠的至少一层地质材料；
可视窗口1，可视窗口1设置于地层物理模型2底部，可视窗口1采用钢化玻璃；
下支撑框架3，下支撑框架3设置于可视窗口1下方，用于支撑可视窗口1和地层物理模型2；
轨道4，轨道4设置于下支撑框架3的下部，靠近可视窗口1；
探测器件5，探测器件5设置于轨道4上，且能够沿轨道4运动。
其中，下支撑框架3包括立柱301和由立柱支撑的网格状框架302，其中立柱301为9根，且立柱301是圆柱，网格状框架302包括长方形网格。
可视窗口1包括与网格状框架相对应的网格状窗口，网格状窗口包括多个窗口单元，窗口单元能够打开，从而允许从地层物理模型2垮落的地质材料通过。
轨道4在可视窗口1上的投影经过所有的窗口单元，探测器件5能够沿着轨道4运动，记录每一个窗口单元上方的地层物理模型2的采动的变化过程及位移变化情况。
在另一个示例性实施例中(见图3)，一些窗口单元还包括多个子窗口单元6，子窗口单元6是长方形，子窗口单元6可以单独打开或关闭，或者可以与其他子窗口单元6联动打开或关闭。
根据示例性实施例的顶板垮落监测试验系统还包括设置于地层物理模型2内部的应力传感器、位移传感器、温度传感器、流量计的至少其中之一，这些传感器设置于地层物理模型2内部，通过导线与数据采集仪和计算机连接，感测隧道和巷道的围岩变形特性。
对地层物理模型2顶部施加油压和水压，获得均匀压力，即为顶板上的压力，施加压力后地层物理模型2的地质材料垮落，每垮落一层，则通过机械手清扫垮落的地质材料，并通过皮带输送设备将垮落的地质材料送出监测试验系统。
继续观察垮落后的地层物理模型2，通过探测器件5，例如照相机、摄像机、光纤镜头、激光雷达等，沿着轨道4运行，对每一个窗口单元上方的地层物理模型的图像进行探测，能够探测到地层物理模型2的每一个部位的裂隙分布，然后工作人员通过例如图像拼接获得地层物理模型2的整体裂隙分布。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种顶板垮落监测试验系统，其特征在于，包括：
地层物理模型，所述地层物理模型包括根据待模拟地区的地质情况堆叠的至少一层地质材料；
可视窗口，所述可视窗口设置于所述地层物理模型底部；
下支撑框架，所述下支撑框架设置于所述可视窗口下方，用于支撑所述可视窗口和所述地层物理模型；
轨道，所述轨道设置于所述下支撑框架的下部；
探测器件，所述探测器件设置于所述轨道上，且能够沿所述轨道运动。
2.根据权利要求1所述的顶板垮落监测试验系统，其特征在于，还包括皮带输送设备和机械手，所述机械手清扫从所述地层物理模型垮落的地质材料，并通过所述皮带输送设备将所述地质材料送出所述顶板垮落监测试验系统。
3.根据权利要求1所述的顶板垮落监测试验系统，其特征在于，所述探测器件是照相机、摄像机、光纤镜头、激光雷达的至少其中之一。
4.根据权利要求1所述的顶板垮落监测试验系统，其特征在于，还包括设置于所述地层物理模型内部的应力传感器、位移传感器、温度传感器、流量计的至少其中之一。
5.根据权利要求1所述的顶板垮落监测试验系统，其特征在于，所述下支撑框架包括立柱和由所述立柱支撑的网格状框架。
6.根据权利要求5所述的顶板垮落监测试验系统，其特征在于，所述网格状框架包括正方形、长方形或六边形网格。
7.根据权利要求5所述的顶板垮落监测试验系统，其特征在于，所述可视窗口包括与所述网格状框架相对应的网格状窗口，所述网格状窗口包括多个窗口单元。
8.根据权利要求7所述的顶板垮落监测试验系统，其特征在于，所述窗口单元能够打开，从而允许从所述地层物理模型垮落的地质材料通过。
9.根据权利要求7所述的顶板垮落监测试验系统，其特征在于，所述轨道在所述可视窗口上的投影经过所有窗口单元。
10.根据权利要求7所述的顶板垮落监测试验系统，其特征在于，所述窗口单元包括多个子窗口单元。
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