CN109489622A

CN109489622A - 模型制作方法及沉降预测装置

Info

Publication number: CN109489622A
Application number: CN201811388857.XA
Authority: CN
Inventors: 王江涛; 贾秋英; 张增场; 赵节霞; 杨潇潇; 王媛; 余运涛; 黄晓艳
Original assignee: China Coal Survey & Remote Sensing Group Co Ltd
Current assignee: China Coal Survey & Remote Sensing Group Co Ltd; Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Co Ltd
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2019-03-19

Abstract

本发明提供一种模型制作方法及沉降预测装置，涉及地理信息领域。该模型制作方法包括：根据目标区域的围岩结构获取所述目标区域的岩层数据，其中，所述岩层数据包括至少两层岩层的堆叠顺序和至少两层岩层的材料数据；根据所述岩层的材料数据获取对应的相似材料；根据所述岩层的堆叠顺序使用所述相似材料制作目标区域的相似模型。实现了最大程度的模拟采空区的地质结构，因此可以准确的反映采空区沉降变形的真实状态，有效的减小预测的误差。

Description

模型制作方法及沉降预测装置

技术领域

本发明涉及地理信息技术领域，具体而言，涉及一种模型制作方法及沉降预测装置。

背景技术

采空区地表土地的利用是目前开采矿区可持续发展的重要战略，但是采空区存在因地面建筑物荷载等因素作用下导致岩体破裂以及地表的移动和变形，导致建筑的破坏，造成巨大损失，因此需要对于采空区的残余沉降进行预测。

现有技术中，采空区相似模型的制作方法为使用石蜡制作采空区的石蜡模型，将配比好的岩体材料浇筑在石蜡模型上，待稳固后将石蜡模型熔化导出，制成采空区的相似模型，这样制作的模型，岩体材料单一，无法准确的反映采空区沉降变形的真实状态，建立的采空区沉降预测存在较大误差。

因此，需要一种准确反映采空区真实状态的模型制作方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种模型制作方法及沉降预测装置，以解决岩体材料单一，无法准确的反映采空区沉降变形的真实状态，建立的采空区沉降预测存在较大误差的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种模型制作方法，包括：

根据目标区域的围岩结构获取目标区域的岩层数据，其中，岩层数据包括至少两层岩层的堆叠顺序和至少两层岩层的材料数据。根据岩层的材料数据获取对应的相似材料。根据岩层的堆叠顺序使用相似材料制作目标区域的相似模型。

进一步地，在根据目标区域的围岩结构获取目标区域的岩层数据之前，还包括：获取目标区域的地理数据，其中，地理数据包括目标区域的围岩结构。

进一步地，岩层的材料数据包括岩层的物理性质和岩层厚度。根据岩层的物理性质，获取对应的相似材料，其中，相似材料包括预设比例的骨架材料和胶结材料。

进一步地，根据岩层的物理性质，获取对应的相似材料之后，还包括：根据预设比例的骨架材料和胶结材料、岩层的厚度，获取岩层的材料总量。

进一步地，根据岩层的堆叠顺序使用相似材料制作目标区域的相似模型包括：将每层岩层的骨架材料和胶合材料混合，得到岩层的混合材料。将各岩层的混合材料根据岩层的堆叠顺序堆叠。

可选地，在根据岩层的堆叠顺序使用相似材料制作目标区域的相似模型之后，还包括：根据预设时间养护目标区域的相似模型。对目标区域的相似模型进行模拟开采。

进一步地，对目标区域的相似模型进行模拟开采包括：获取目标区域的开采数据，其中，开采数据包括已采空区的空间数据以及待开采的开采计划数据。根据开采数据，在目标区域的相似模型上进行模拟开采。

第二方面，本发明实施例还提供了一种沉降预测装置，包括使用第一方面方法建立的目标区域相似模型、支撑组件、加载组件和测量组件。

支撑组件包括至少两根支架、底板。目标区域的相似模型述底板中央，与底板固定连接，支架设于目标区域的相似模型两端，与底板固定连接。加载组件与支架固定连接，设于目标区域的相似模型上方，用于对目标区域的相似模型加载负荷。目标区与的相似模型上设有多个观测标签，测量组件用于获取观测标签的位置信息。

可选地，测量组件包括图像获取组件。图像获取组件与目标区域的相似模型设置多个观测标签的一面相对设置，用于获取目标区域相似模型上多个观测标签的图像。

可选地，测量组件还包括预测设备。预测设备用于根据多个观测标签的图像获取图像观测标签的位置信息，并根据观测标签的位置信息计算目标区域的相似模型的沉降数据。

本发明的有益效果是：通过目标区域的围岩结构，获取对应的相似材料，并按照岩层的堆叠顺序使用岩层对应的相似材料制作目标区域的相似模型，实现了最大程度的模拟采空区的地质结构，因此可以准确的反映采空区沉降变形的真实状态，有效的减小预测的误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的模型制作方法流程图；

图2为本发明一实施例提供的模型制作方法的岩层堆叠顺序图；

图3为本发明一实施例提供的模型制作方法的岩层厚度示意图；

图4为本发明一实施例提供的模型制作方法中S103的流程图；

图5为本发明另一实施例提供的模型制作方法示意图；

图6为本发明一实施例提供的沉降预测装置示意图；

图7为本发明一实施例提供的沉降预测装置观测标签布设示意图。

图标：101-目标区域相似模型；102-支撑组件；1021-支架；1022-底板；103-测量组件；104-加载组件；105-观测标签。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

目标区域可以是采空区、地下溶洞等可能发生沉降的区域，在本发明中，以采空区为目标区域进行解释，但不代表本发明提供的方法只能运用于采空区的沉降预测。

图1为本发明一实施例提供的模型制作方法流程图。该模型制作方法可以用来制作目标区域的相似模型。

如图1所示，该模型制作方法包括：

S101、根据目标区域的围岩结构获取目标区域的岩层数据，其中，岩层数据包括至少两层岩层的堆叠顺序和至少两层岩层的材料数据。

需要说明，实际情况中，目标区域的围岩结构会非常复杂，无法完全将其复制，在相似模型制作过程中，需要对围岩结构的岩层进行设计。

一种可能的实现方式中，根据目标区域的围岩结构，得到以表1：

表1：岩层堆叠顺序表

围岩结构	堆叠顺序
		表土	表土
泥质中砂岩	砂泥岩
		细粉砂岩互层	泥岩
泥质粉砂岩	砂质页岩
		细粉砂岩互层	灰岩
砾岩	页岩
		粉砂岩	砂砾岩
细粉砂岩互层	粉砂岩
		煤	煤

表1中获取了煤层以上的岩层堆叠顺序。对于煤层以下的岩层堆叠顺序，由于无法直接获取目标区域煤层下的围岩结构，因此按照我国煤矿常见的岩石进行适当分布，最终得到相似模型的岩层堆叠顺序图。

图2为本发明一实施例提供的模型制作方法的岩层堆叠顺序图。

相似模型的岩层堆叠顺序如图2所示，其中，岩层顺序仅表示本实现方式中的岩层顺序，当应用在其他实现方式或场景中时，本领域技术人员可以在不付出创造性劳动的情况下根据实际需求对岩层堆叠顺序进行调整。

S102、根据岩层的材料数据获取对应的相似材料。

在本实施例中，根据岩层的材料数据获取对应的相似材料应遵循以下要求：相似材料的力学性质与岩层材料相似；在相似材料的稳定性较高；改变相似材料配比可以显著改变相似材料的力学性质；相似材料方便制作和凝固时间短；相似材料的成本低廉。

一种可能的实现方式中，选用石英砂和云母作为相似材料的骨架材料，选择石膏和碳酸钙作为胶合材料，同时由于石膏凝结硬化速度快，需添加缓凝剂，例如，在本实施方式中，可以选用硼砂作为缓凝剂。相似材料的骨架材料、胶合材料、缓凝剂可以根据岩层的材料数据进行调整，并不以此为限。

S103、根据岩层的堆叠顺序使用相似材料制作目标区域的相似模型。

使用每一层岩层对应的相似材料，根据岩层的堆叠顺序进行制作。

一种可能的实现方式中，可以根据岩层的堆叠顺序，从下至上，依次将调配好的相似材料堆叠在模具中，等待所有相似材料凝固后，即可获得目标区域的相似模型。

本实施例中，通过目标区域的围岩结构，获取对应的相似材料，并按照岩层的堆叠顺序使用岩层对应的相似材料制作目标区域的相似模型，实现了最大程度的模拟采空区的地质结构，因此可以准确的反映采空区沉降变形的真实状态，有效的减小预测的误差。

在根据目标区域的围岩结构获取目标区域的岩层数据之前，还包括：获取目标区域的地理数据，其中，地理数据包括目标区域的围岩结构。

可选地，地理数据还可以包括水文数据、气候数据等，这些地理数据可以用来更深层的模拟目标区域的地理环境，例如在目标区域的相似模型中加入降水因素、气温因素等，使模型的相似度更高。

岩层的材料数据包括岩层的物理性质和岩层厚度。根据岩层的物理性质，获取对应的相似材料，其中，相似材料包括预设比例的骨架材料和胶结材料。

岩层的材料数据中的岩层厚度为目标区域实际围岩结构的岩层厚度，无法直接应用在相似模型中，因此，需要根据岩层厚度、岩层几何相似常数α_l、密度相似常数、时间相似常数α_t计算并获取符合相似模型制作要求的岩层数据。

在本实施例中，以上参数可以设置为α_l＝200，密度相似常数为1500kg/m³，同时将煤层下的围岩结构按照我国煤矿常见的岩石进行适当分布，得到表2：

表2：岩层厚度表

围岩结构	厚度(m)	堆叠顺序	厚度(m)
				表土	115.1	表土	20
泥质中砂岩	86.1	砂泥岩	50
				细粉砂岩互层	13.56	泥岩	30
泥质粉砂岩	4.14	砂质页岩	14
				细粉砂岩互层	21.89	灰老	4
砾岩	9.85	页岩	22
				粉砂岩	11.54	砂砾岩	10
细粉砂岩互层	14.09	粉砂岩	26
				煤	5.78	煤	4
-	-	砂砾岩	20
				-	-	页岩	20
-	-	粗砂岩	20
				-	-	砾岩	20
-	-	石灰老	20

根据表2中的岩层厚度比例，获取目标区域相似模型中的岩层厚度。

一种可能的实现方式中，相似模型总高设置为1.55m，模拟采深设置为0.9m，采厚为0.02m，采宽为2m，根据上表中岩层的厚度比例，获取相似模型中的岩层厚度，其中，模拟采深为煤层上沿到地表的距离，采厚为煤层的厚度，相似模型总高为最底层岩层下表面到地表的距离。

图3为本发明一实施例提供的模型制作方法的岩层厚度示意图，其中，图3中岩层厚度的单位为米。

如图3所示，在本实现方式中，实际获得的相似模型总高为1.39m、采深0.89m、采厚0.02m，符合设计要求。

需要说明的是，上述实现方式中使用的参数仅为举例说明，并非必须如此设置，本领域技术人员可以在不经过创造性劳动的情况下，根据实际情况调整参数，使用不同的参数获取相似模型。

具体的，岩层的物理性质包括力学性质，参照图3所示各岩层的材料数据，使用如下公式计算相似材料的力学性质：

式中，R_M拉、R_M压为相似材料的抗拉、抗压强度；R_H拉、R_H压为岩层材料的抗拉、抗压强度；为相似模型的比例尺；为重度比。

根据上述公式获得相似材料的力学性质后，在配比表中获取对应的预设比例，其中，根据对应的预设比例将骨架材料和胶合材料进行混合凝固后，得到的材料具有相应的力学性质。

具体地，根据岩层的物理性质，获取对应的相似材料之后，还包括：根据预设比例的骨架材料和胶结材料、岩层的厚度，获取岩层的材料总量。

其中，岩层的材料总量根据如下公式进行计算：

Q＝l×b×m×ρ_m×k

式中，Q为岩层的材料总重量，1为相似模型长度，b为相似模型宽度，m为岩层的厚度，k为材料损失系数，ρ_m为相似材料的质量密度。

图4为本发明一实施例提供的模型制作方法中S103的流程图。

如图4所示，根据岩层的堆叠顺序使用相似材料制作目标区域的相似模型包括：

S103-1、将每层岩层的骨架材料和胶合材料混合，得到岩层的混合材料。

其中，根据预设比例将骨架材料和胶合材料混合，得到相应岩层的混合材料，骨架材料和胶合材料需要通过特定的介质进行混合，例如使用水、缓凝剂等介质将骨架材料和胶合材料进行混合，得到岩层的混合材料。每中不同材质的岩层均使用不同的预设比例进行混合，例如，可以使用质量比为砂∶云母粉∶胶结物∶石膏∶碳酸钙＝80∶17∶3∶7∶3的材料进行混合以获得砂泥岩的混合材料，还可使用质量比为砂∶云母粉∶胶结物∶石膏∶碳酸钙＝70∶12∶18∶3∶7的材料进行混合以获得灰岩的混合材料等。

S103-2、将各岩层的混合材料根据岩层的堆叠顺序堆叠。

在本实施例中，还包括一个与模型尺寸对应的模具，将岩层的混合材料在模具中按照岩层的堆叠顺序，从下至上依次堆叠。

可选地，当目标区域的岩层为倾斜岩层时，其制作方法与水平岩层方法一致，可以增设对应的辅助装置保证岩层的倾斜角度与预设一致，例如，使用板子固定岩层的混合材料，使其能够成为保持与岩层倾斜角一致的岩层。

图5为本发明另一实施例提供的模型制作方法示意图。

如图5所示，在S103之后，还包括：

S104、根据预设时间养护目标区域的相似模型。

具体地，目标区域的相似模型在堆叠完成后需要一定的凝固时间，在凝固过程中需要对目标区域的相似模型进行养护，防止模型出现开裂、变形等影响模型质量的情况。

S105、对目标区域的相似模型进行模拟开采。

上述目标区域的相似模型为未开采的模型，需对目标区域的相似模型进行开采，以获得与目标区域开采程度一致的相似模型。

具体地，对目标区域的相似模型进行模拟开采包括：获取目标区域的开采数据，其中，开采数据包括已采空区的空间数据以及待开采的开采计划数据。根据开采数据，在目标区域的相似模型上进行模拟开采。

一种可能的实现方式中，模拟开采使用挖掘工具破坏对应的岩层，例如，使用铲子、钻头等工具，挖掘对应的岩层，完成开采。

图6为本发明一实施例提供的沉降预测装置结构示意图。

如图6所示，该沉降预测装置包括：目标区域相似模型101、支撑组件102、加载组件104和测量组件103。

支撑组件102包括至少两根支架1021、底板1022。目标区域相似模型101述底板1022中央，与底板1022连接，支架1021设于目标区域相似模型101两端，与底板1022连接。

在本实施例中，支架1021数量为两根，两根支架1021对称设于底板1022两端，与底板1022垂直，且与底板1022固定连接，目标区域相似模型101设于两支架1021之间，且与底板1022固定连接，其中，固定连接的方式包括通过连接件连接、卡接、焊接等方式连接，在此不做限制。

加载组件104与支架1021连接，设于目标区域相似模型101上方，用于对目标区域相似模型101加载负荷。

在本实施例中，加载组件104与支架1021可拆卸连接，以便于调整加载组件104与目标区域相似模型101之间的距离。

可选的，加载组件104还可以与支架1021固定连接，通过在底座和目标区域相似模型101之间设置抬升机构将目标区域相似模型101抬升，来调整加载组件104与目标区域相似模型101之间的距离，在此不做具体限定。

为了更好的说明观测标签的布设，下面给出一种可能的实现方式进行说明。

结合图6，如图7所示，目标区域相似模型101的第一面上设有多个观测标签105，测量组件103用于获取观测标签105的位置信息。

可选的，测量设备可以是标尺、三维光点测量装置等可以获取观测标签105位置信息的设备，在此不做限制。

在本实施例中，观测标签105分为编码标签和非编码标签，编码标签可以由一个中心点和周围的环状编码组成，用于自动识别和计算空间坐标系，非编码标签可以为一个圆形或椭圆形的点，用于测量关键部分的三维坐标，可以根据编码标签计算出非编码标签的坐标。编码标签和非编码标签的形状、样式可以为其他的样式，只要在识别过程中能够清晰识别即可，在此不做限制。

观测标签105的布设方式应遵循以下的要求：编码标签与非编码标签按1∶3至1∶4的比例布设；被测物表面每平方米区域应布设约10个观测标签105(包括编码标签和非编码标签)；非编码标签根据需测量的面进行布设；布设时应保证观测标签105平整、干净；被测物周围地面每间隔约30cm应布设一个编码标签；布设非编码标签时应尽可能的在不同角度获取图像时都能获取到8个以上；用来确定坐标X、Y的标签要集中布设，以便与其他标签区分；标尺不要压在被测物上，以免被测物变形。

对于本实施例中的目标区域相似模型101，还应遵循：观测标签105的范围大于目标区域相似模型101形变的范围；变形剧烈的区域，如采空区上方、开切眼和采空区右边界等，应该增加观测标签105的密度；观测标签105的布设，不能影响目标区域相似模型101原有的力学性质。

一种实现方式中，观测标签105布设在支撑组件102上，布设间距为0.1米；观测标签105沿着岩层层位布设，目标区域相似模型101上厚度小于0.1米的岩层设置一排观测标签105，位于岩层的中央位置；厚度为0.1～0.2米的岩层设置两排观测标签105，分别位于岩层的上边界和岩层的下边界；厚度大于0.2米的岩层设置3排观测标签105，分别位于岩层的上边界、岩层的下边界以及岩层的中央；表土层垂直方向每隔5cm布置一排观测标签105；关键岩层每个观测标签105之间的水平间距为5cm，其中，关键岩层指煤层以上的稳定岩层。

需要说明的是，以上要求是观测标签105可选的布设要求，本领域技术人员应当明确，当不符合上述要求时，本申请的方案依然能够实现，不以此为限。

可选地，测量组件还包括预测设备，预测设备用于根据多个观测标签105的图像获取观测标签105的位置信息，并根据观测标签105的位置信息计算目标区域相似模型101的沉降数据。

其中，图像获取设备获取目标区域相似模型101加载前和加载后的多张图像信息后，预测设备根据目标区域相似模型101加载前和加载后的多张图像信息获取目标区域的沉降预测数据。

沉降预测装置包括了上述方法制作的目标区域相似模型，因此其有益效果与之类似，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种模型制作方法，其特征在于，包括：

根据目标区域的围岩结构获取所述目标区域的岩层数据，其中，所述岩层数据包括至少两层岩层的堆叠顺序和至少两层岩层的材料数据；

根据所述岩层的材料数据获取对应的相似材料；

根据所述岩层的堆叠顺序使用所述相似材料制作目标区域的相似模型。

2.如权利要求1所述的模型制作方法，其特征在于，在根据所述目标区域的围岩结构获取所述目标区域的岩层数据之前，还包括：

获取所述目标区域的地理数据，其中，所述地理数据包括所述目标区域的围岩结构。

3.如权利要求1所述的模型制作方法，其特征在于，所述岩层的材料数据包括岩层的物理性质和岩层厚度；

根据所述岩层的物理性质，获取对应的相似材料，其中，所述相似材料包括预设比例的骨架材料和胶结材料。

4.如权利要求3所述的模型制作方法，其特征在于，所述根据所述岩层的物理性质，获取对应的相似材料之后，还包括：

根据所述预设比例的骨架材料和胶结材料、所述岩层的厚度，获取所述岩层的材料总量。

5.如权利要求4所述的模型制作方法，其特征在于，所述根据所述岩层的堆叠顺序使用所述相似材料制作目标区域的相似模型包括：

将每层所述岩层的骨架材料和胶合材料混合，得到岩层的混合材料；

将各所述岩层的混合材料根据所述岩层的堆叠顺序堆叠。

6.如权利要求1所述的模型制作方法，其特征在于，在所述根据所述岩层的堆叠顺序使用所述相似材料制作目标区域的相似模型之后，还包括：

根据预设时间养护所述目标区域的相似模型；

对所述目标区域的相似模型进行模拟开采。

7.如权利要求6所述的模型制作方法，其特征在于，所述对所述目标区域的相似模型进行模拟开采包括：

获取所述目标区域的开采数据，其中，所述开采数据包括已采空区的空间数据以及待开采的开采计划数据；

根据所述开采数据，在所述目标区域的相似模型上进行模拟开采。

8.一种沉降预测装置，其特征在于，包括：

目标区域的相似模型、支撑组件、加载组件和测量组件；

所述支撑组件包括至少两根支架、底板；

所述目标区域的相似模型述底板中央，与所述底板固定连接，所述支架设于所述目标区域的相似模型两端，与所述底板固定连接；

所述加载组件与所述支架固定连接，设于所述目标区域的相似模型上方，用于对所述目标区域的相似模型加载负荷；

所述目标区与的相似模型上设有多个观测标签，所述测量组件用于获取所述观测标签的位置信息。

9.如权利要求8所述的沉降预测装置，其特征在于，所述测量组件包括图像获取组件；

所述图像获取组件与所述目标区域的相似模型设置多个所述观测标签的一面相对设置，用于获取所述目标区域相似模型上多个观测标签的图像。

10.如权利要求8所述的沉降预测装置，其特征在于，所述测量组件还包括预测设备；

所述预测设备用于根据所述多个观测标签的图像获取所述图像观测标签的位置信息，并根据所述观测标签的位置信息计算所述目标区域的相似模型的沉降数据。