CN112344906A - 一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置及方法，包括上下两端分别开口的箱体，箱体的下端开口通过柔性板封堵，箱体中填充有试验土体，柔性板通过多个竖向设置的升降机构支撑，每个升降机构能够独立升降，以模拟塌陷区土层不同位置的沉降；试验土体的上部开挖以形成船池，船池的内壁面处布置有应力应变传感器，应力应变传感器能够与上位机通讯，上位机能够控制升降机构的升降并建立应力应变传感器的数值与试验土体沉降位置的对应关系，以判断土体沉降对于船池的影响。

Description

一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置及方法

技术领域

本公开属于土层沉降模拟技术领域，具体涉及一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

我国煤炭资源丰富，大规模的煤炭开采在带来经济利益的同时,破坏了地下土层结构，易造成采煤塌陷未稳沉区，其中塌陷区大部分为积水区域。目前，采煤塌陷未稳沉区的开发利用率很低，且多偏于水资源利用。目前国内已有大量研究是关于采煤塌陷区水域浮船设计及建造的方法，通过在塌陷水域搭建浮船泵站可以对采煤塌陷区水域进行治理利用与综合开发。浮船泵站对施工环境要求低，投资节约，能有效地改善取水条件，提高水资源利用率，研究者对其的研究关注很多。

发明人认为，在采煤塌陷区修建浮船泵站引水工程时，一般是在采煤塌陷区的边缘区域开挖船池，船池与采煤塌陷区的中心区域引水连通，在船池的侧壁及底壁利用混凝土进行加固，船池引水后能够容纳浮船泵站。

由于塌陷区未稳沉，浮船水泵不会受采煤沉陷的影响，但配套的船池(池底和池壁斜坡)仍受采煤不均匀沉降影响，船池的沉降影响浮船泵站对于塌陷区水资源的利用效率；现有技术方案中未涉及对于此类型区域船池沉降变形的研究。

发明内容

本公开的目的是提供一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置及方法，能够提供研究采煤塌陷区沉降对于船池结构影响的平台，通过模拟采煤塌陷未稳沉区域的岩土体沉降来研究上部船池的沉降变形情况。

为实现上述目的，本公开的第一方面提供一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，包括上下两端分别开口的箱体，箱体的下端开口通过柔性板封堵，箱体中填充有试验土体，柔性板通过多个竖向设置的升降机构支撑，每个升降机构能够独立升降，以模拟塌陷区土层不同位置的沉降。

试验土体的上部开挖形成船池，船池的内壁面处布置有应力应变传感器，应力应变传感器能够与上位机通讯，上位机能够控制升降机构的升降并建立应力应变传感器的数值与试验土体沉降位置的对应关系，以判断土体沉降对于船池的影响。

作为进一步的改进，所述应力应变传感器的数量为多个，多个应力应变传感器分别安装在船池的侧壁面、底壁面以及侧壁面与底壁面的连接处。

作为进一步的改进，箱体中至少一个侧板竖向设置并形成观察板，观察板为透明材质，观察板处配合设有刻度线，用以测量箱体中土体的高度。

作为进一步的改进，多个升降机构分别沿X方向和Y方向阵列分布，X方向与Y方向为水平面内相互垂直的两个方向，在不受外力的情况下：柔性板在X方向和Y方向分别呈波浪形延伸。

本公开的第二方面提供一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验方法，利用了所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，包括以下步骤：

安装未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，将全部升降机构升至贴合箱体的底端面。

准备模拟土样，按照预设的试验设置方案对应配置不同颗粒级配、含水率的岩土体样，用以充当未稳沉塌陷区的地层。

将配制好的土体样层层填入箱体中，按照预设的密实度压实土体。

开挖船池，并在船池的底壁、侧壁及底壁与侧壁交界处安置应力应变传感器。

控制不同升降机构下降不同的高度，通过上位机连接的显示器观测船池各监测位置处的应力应变数据与土体沉降的对应关系，以判断土体沉降对于船池的影响。

以上一个或多个技术方案的有益效果为：

本公开中采用升降机构支撑在试验土体下方的柔性板处，可充分模拟未稳沉塌陷区土层的瞬时沉降和缓慢沉降对上方船池的影响，此外，通过设置不同位置处的升降机构的下降值，便于模拟船池下部不同位置处土层的沉降，研究不同位置处土层的沉降对船池池底及池壁等各个位置的影响，应用于研究未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形的机理。

本公开中采用柔性板设置在试验土体的下部以实现柔性封堵，柔性板能够在隔离升降机构与试验土体的同时，避免影响土体的沉降调节。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本公开实施例1中整体结构示意图；

图2为本公开实施例1中沉降装置的结构示意图；

图3为本公开实施例1中箱体的剖面视图。

图中，1、箱体；2、沉降装置；3、承载架；4、数据测量及分析系统；11、侧板；12、船池；13、试验土体；21、升降承台；22、升降机构；31、凹槽；32、支撑架；33、搭载承台；34、固定卡扣；35、螺栓；41、应力应变传感器；42、数据传输线路。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

为了方便叙述，本公开中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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公开的限制。

实施例1

如图1-图3所示，本实施例提供一种未稳沉采煤塌陷区船池12沉降变形模型试验装置，包括上下两端分别开口的箱体1，所述箱体1包括多个侧板11，多个侧板11均竖向设置。箱体1的下端开口通过柔性板封堵，箱体1中填充有试验土体13，柔性板通过沉降装置2支撑，沉降装置包括多个竖向设置的升降机构22，每个升降机构22能够独立升降，以模拟塌陷区土层不同位置的沉降。

试验土体13的上部开挖以形成船池12，船池12的内壁面处布置有应力应变传感器41，应力应变传感器能够与上位机通讯，上位机集成有数据测量及分析系统，上位机能够控制升降机构22的升降并建立应力应变传感器的数值与试验土体13沉降位置的对应关系，以判断土体沉降对于船池12的影响。

所述箱体1下端面通过承载架3支撑，多个升降机构22的上端面能够依次拼接形成支撑面，支撑面与箱体1下端开口横截面的形状与尺寸相同。

所述应力应变传感器的数量为多个，多个应力应变传感器分别安装在船池12的侧壁面、底壁面以及侧壁面与底壁面的连接处。

箱体1中至少一个侧板11竖向设置并形成观察板，观察板为透明材质，观察板处配合设有刻度线，用以测量箱体1中土体的高度。

具体的，在本实施例中观察板可以采用有机玻璃材质，箱体1四周由有机玻璃板密封围成，一侧玻璃板内壁刻有刻度尺，可用于对照土体压缩固结。在另外一些实施方式中，也可以采用透明塑料材质，只要能够满足透明以及结构强度的要求即可，可以由本领域技术人员自行设置。

多个升降机构22分别沿X方向和Y方向阵列分布，X方向与Y方向为水平面内相互垂直的两个方向，在不受外力的情况下：柔性板在X方向和Y方向分别呈波浪形延伸。

具体的，当柔性板在X方向和Y方向均呈波浪形延伸时，若升降机构与试验土层将柔性板压成平面，则柔性板的表面会形成褶皱，该褶皱能够在升降机构下降时，自然下垂变形，在柔性板不发生弹性形变的情况下，就能够提供该位置试验土体下沉的空间，避免柔性板变形不到位，影响试验土体的沉降。

多个升降机构22的下端通过升降承台21固定，升降承台21为一个水平布置的板件，在板件的上表面开设有槽体，以固定支撑多个升降机构22的下端，升降承台21与搭载平台33固定连接，搭载平台33为承载架3的一部分结构。

在本实施例中，所述升降机构22采用竖向布置的液压缸，以形成升降柱，液压缸的缸体朝下布置，液压缸的缸体通过升降承台21固定。液压缸的活塞杆竖向朝上设置，为了便于液压缸活塞杆的上端面依次拼接，可以在活塞杆的上端固定连接水平方向的端板。

具体的，在本实施例中，承载架3起固定并承载箱体1、沉降装置2的作用，由支撑架32、搭载平台33、固定卡扣34、螺栓35组成。支撑架3的顶部形成凹槽31，凹槽31用于容纳箱体1，整个箱体1用螺栓35固定于承载架3顶部的凹槽31中。

沉降装置2由升降承台21、16个升降柱22、数据传输线路42等组成。16根方形升降柱22均匀分布于升降承台21上，每个升降柱的升降位移及速度可由上位机上连接的自动化操作系统4控制，升降柱用以模拟未沉稳塌陷区地层沉降。沉降装置2通过升降平台与承载架3的搭载平台33垂直接触并由固定卡扣34及螺栓35固定。试验过程中，由上位机控制沉降装置2设置沉降量及沉降速度，监测数据主要由贴于船池12内部的应力应变传感器41来提供。所有的软件控制及实时数据记录都由上位机操控。

实施例2

本实施例提供一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验方法，利用了实施例1中所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，包括以下步骤：

安装沉降装置，将沉降装置的升降平台放置于承载架的搭载平台上，用固定卡扣及螺栓固定；通过上位机调节将全部升降柱升至贴合箱体的底板，此时将位移数据清零。

将箱体放置于承载架上侧的凹槽31中并用螺栓固定；按照试验设置方案对应配置不同颗粒级配、含水率的岩土体样13，用以充当未稳沉塌陷区的地层；将配制好的土体样层层填入箱体中，按照设计好的密实度压实土体(此过程可对应透明玻璃板11上的刻度看压实程度)。

设置船池类型12并安置应力应变传感器41。按照试验方案开挖船池12(棱台状、方体状均可)，船池内壁可用相似材料压实并涂抹，用于模拟实际工程中的船池材质；将应力应变传感器41贴于船池的底部、池壁、底部及池壁交界处等重要监测位置，如图3所示。

按照试验方案，通过上位机控制与沉降装置相连的软件操作系统，设置不同沉降柱的下降位移，随后观察船池各监测位置处的应力应变数据。同时，操作软件系统可控制升降柱持续缓慢的下降，下降速度下降时间都可根据自行试验方案设置。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，其特征在于，包括上下两端分别开口的箱体，箱体的下端开口通过柔性板封堵，箱体中填充有试验土体，柔性板通过多个竖向设置的升降机构支撑，每个升降机构能够独立升降，以模拟塌陷区土层不同位置的沉降；

试验土体的上部开挖有船池，船池的内壁面处布置有应力应变传感器，应力应变传感器能够与上位机通讯，上位机能够控制升降机构的升降并建立应力应变传感器的数值与试验土体沉降位置的对应关系，以判断土体沉降对于船池的影响。

2.根据权利要求1所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，其特征在于，所述箱体下端面通过承载架支撑，多个升降机构的上端面能够依次拼接形成支撑面，支撑面与箱体下端开口横截面的形状与尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，其特征在于，所述应力应变传感器的数量为多个，多个应力应变传感器分别安装在船池的侧壁面、底壁面以及侧壁面与底壁面的连接处。

4.根据权利要求1所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，其特征在于，箱体中至少一个侧板竖向设置并形成观察板，观察板为透明材质，观察板处配合设有刻度线，用以测量箱体中土体的高度。

5.根据权利要求1所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，其特征在于，多个升降机构分别沿X方向和Y方向阵列分布，X方向与Y方向为水平面内相互垂直的两个方向，在不受外力的情况下：柔性板在X方向和Y方向分别呈波浪形延伸。

6.根据权利要求2所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，其特征在于，多个升降机构的下端通过升降承台固定，升降承台通过承载架固定。

7.根据权利要求6所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，其特征在于，所述升降机构包括竖向布置的液压缸，液压缸的缸体朝下布置，液压缸的缸体通过升降承台固定。

8.根据权利要求1所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，其特征在于，所述箱体包括多个侧板，多个侧板均竖向设置。

9.一种未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验方法，利用了权利要求1-8中任意一项所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

安装未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验装置，将全部升降机构升至贴合箱体的底端面；

准备模拟土样，按照预设的试验设置方案对应配置不同颗粒级配、含水率的岩土体样，用以充当未稳沉塌陷区的地层；

将配制好的土体样层层填入箱体中，按照预设的密实度压实土体；

开挖船池，并在船池的底壁、侧壁及底壁与侧壁交界处安置应力应变传感器；

控制不同升降机构下降不同的高度，通过上位机连接的显示器观测船池各监测位置处的应力应变数据与土体沉降的对应关系，以判断土体沉降对于船池的影响。

10.根据权利要求9所述的未稳沉采煤塌陷区船池沉降变形模型试验方法，其特征在于，所述密实度通过层填入箱体的试验土体的高度与沿竖向压实后土体高度的比值表征，比值越大密实度越大。

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