CN205120387U - 一种试验模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种试验模型，包括试验箱，所述试验箱上包括至少一块观测玻璃，在所述试验箱内浇筑有至少一层相似岩层；其中，在所述相似岩层的外周面与所述观测玻璃之间形成有容置空腔，所述容置空腔贯通所述相似岩层的上下表面；在所述容置空腔内填充有柔性防水层；在所述柔性防水层上间隔地布置有多个位移观测件，所述位移观测件包括观测面和与所述观测面垂直连接的主体部，所述主体部布置在所述柔性防水层上，所述主体部的尾部连接在所述相似岩层的所述上表面上，所述观测面紧贴着所述观测玻璃布置，所述位移观测件能够随着所述相似岩层的移动而移动。

Description

一种试验模型

技术领域

本实用新型涉及矿业工程及水利工程的综合利用技术领域，尤其涉及一种试验模型。

背景技术

煤炭在我国能源结构中占据主体地位的格局相当长时期内难以改变，与此同时我国煤炭资源的开发与利用所引发的环境问题却日益突出。一方面，我国西部富煤地区多处于干旱和半干旱地带，水资源短缺，同时地表生态脆弱；另一方面，在煤炭开采过程中不可避免产生矿井水，如果处理不当不仅会造成地下水资源的破坏，同时还会造成河川径流量减少、水资源枯竭、土地沙漠化、环境污染、地表塌陷等一系列危害。因此，保护水资源和地表生态环境，是我国西部煤炭资源开发面临的重大课题。

利用煤矿采空区建造地下水库，实现保水开采是综合利用地下水资源、保护含水层、煤矿安全生产和矿山废弃后地下水源再利用的重大举措。“绿色煤炭”也是国家重大战略问题，将列入国家科技重大专项的重要研究内容。在地下水库设计和建造中，库址与坝址、库容与特征水位、地下水调控与水质过滤净化，都取决于顶底板岩体渗透性能、导水裂隙带和塌落体的渗透系数和储水系数、以及这些参数的动态变化或变异特征与规律；而这些问题又是取决于煤层采动过程中顶底板岩体破损与裂隙发育过程和演化规律、破损岩体塌落方式、范围、堆积型式、块度分布、孔隙大小与分布等物理特征。在现场条件下，难以直接观察、观看、准确测试这些物理特征和相关物理力学参数，采用大型水岩耦合物理模型试验可以实现这一目的。

在水岩耦合物理模型试验条件下，模型内部传感器的埋设工序复杂、难度大、造价高，同时过多的布设传感器也会对模型试验的结果造成不良影响。如何在密封条件下，对水岩耦合模型试验的表面位移进行动态全过程的实时观测及记录是水岩耦合模型试验的关键技术难题之一，对煤矿分布式地下水库相关问题的研究具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够在密封条件下，对岩层的表面位移进行动态观测的试验模型。

本实用新型技术方案提供一种试验模型，包括试验箱，所述试验箱上包括至少一块观测玻璃，在所述试验箱内浇筑有至少一层相似岩层；其中，在所述相似岩层的外周面与所述观测玻璃之间形成有容置空腔，所述容置空腔贯通所述相似岩层的上下表面；在所述容置空腔内填充有柔性防水层；在所述柔性防水层上间隔地布置有多个位移观测件，所述位移观测件包括观测面和与所述观测面垂直连接的主体部，所述主体部布置在所述柔性防水层上，所述主体部的尾部连接在所述相似岩层的所述上表面上，所述观测面紧贴着所述观测玻璃布置，所述位移观测件能够随着所述相似岩层的移动而移动。

进一步地，所述观测玻璃绕着所述试验箱的一圈设置，相应地，所述容置空腔绕着所述相似岩层的外周面的一圈设置，多个所述位移观测件绕着环形的所述容置空腔内的所述柔性防水层的一圈设置。

进一步地，所述容置空腔沿着所述相似岩层厚度方向的纵剖面呈楔形，在从所述相似岩层的上表面至下表面的方向上，所述观测玻璃与所述相似岩层的所述外周面之间的距离逐渐变小。

进一步地，所述试验箱内浇筑有多层所述相似岩层，每层所述相似岩层与所述观测玻璃之间均设置有所述容置空腔，每个所述容置空腔内均填充有所述柔性防水层，每层所述柔性防水层上均布置有多个所述位移观测件。

进一步地，所述观测面为圆形钢片，所述主体部为片状钢片，所述主体部的尾部上设置有尾钉，所述主体部通过所述尾钉连接在所述相似岩层上。

进一步地，所述观测面上设置喷漆层，并在所述喷漆层上设置有十字型标记。

进一步地，所述柔性防水层为防水砂层或防水彩砂层。

进一步地，所述试验模型还包括用于观测所述观测面位移的全站仪或3D激光扫描仪。

进一步地，所述相似岩层还包括可拆除的空腔形成模板，所述容置空腔由从所述相似岩层上拆除的所述空腔形成模板形成。

进一步地，所述空腔形成模板的纵剖面呈楔形。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本实用新型提供的试验模型，通过在相似岩层和观测玻璃之间设置位移观测件，位移观测件能够随着相似岩层的移动而移动，从而通过观测上述位移观测件的动态过程，即可得知相似岩层的表面位移的动态全过程。

本实用新型提供的试验模型，其施工简便易行，观测效果直观可靠，造价低廉，避免了在相似岩层内部过多布设传感器对模型试验结果造成不利影响。

附图说明

图1为本实用新型提供的试验模型的结构示意图；

图2为在试验箱内支设空腔形成模板的示意图；

图3为向试验箱内浇筑相似岩层的示意图；

图4为拆除空腔形成模板的示意图；

图5为容置空腔内填充满柔性防水层的示意图；

图6为从观测玻璃侧看柔性防水层上布置有位移观测件的示意图；

图7为在试验箱内浇筑有两层相似岩层的示意图；

图8为位移观测件的结构示意图；

图9为在喷漆层上设置有十字型标记的示意图。

附图标记对照表：

1-试验箱；11-观测玻璃；2-相似岩层；

20-外周面；21-位移传感器；22-上表面；

23-下表面；3-容置空腔；4-柔性防水层；

5-位移观测件；51-观测面；52-主体部；

53-尾部；54-尾钉；55-喷漆层；

56-十字型标记；6-空腔形成模板。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本实用新型的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

本实用新型中所涉及到相似岩层是指与煤矿开采过程中的待开采的岩石层以一定方式相似制成的相似材料层，其由相似材料按照一定比例制成，其性质、形状、构造或结构与待开采的岩层相似，称之为相似岩层。

如图1-5所示，本实用新型一实施例提供的一种试验模型，包括试验箱1，试验箱1上包括至少一块观测玻璃11，在试验箱1内浇筑有至少一层相似岩层2。

其中，在相似岩层2的外周面20与观测玻璃11之间形成有容置空腔3，容置空腔3贯通相似岩层2的上下表面。

在容置空腔3内填充有柔性防水层4。在柔性防水层4上间隔地布置有多个位移观测件5，位移观测件5包括观测面51和与观测面51垂直连接的主体部52，主体部52布置在柔性防水层4上，主体部52的尾部53连接在相似岩层2的上表面22上，观测面51紧贴着观测玻璃11布置，并且位移观测件5能够随着相似岩层2的移动而移动。

该试验模型主要用于观测岩层的外表面位移或移动。该试验模型包试验箱1，试验箱1上设置有至少一块观测玻璃11，以便于观察内部相似岩层2的位移。在试验箱1内浇筑有至少一层相似岩层2，并在相似岩层2内设置有位移传感器21，用于在相似岩层2的内部监测相似岩层2的位移或移动。相似岩层2的表面位移观测结果可与相似岩层2内的位移传感器21及数值计算结果进行对比分析，以保证结果精确。

在相似岩层2的外周面20与观测玻璃11之间形成有容置空腔3，该容置空腔3贯通相似岩层2的上下表面，并在该容置空腔3内填充有柔性防水层4。柔性防水层4填充满容置空腔3，以起到防止相似岩层2内的水向观测玻璃流动，避免在观测玻璃11上形成水雾，提高了观测效果。

柔性防水层4的上表面能够保持与相似岩层2的上表面22平齐设置，并在相似岩层2由于振动等原因，上表面22下移时，柔性防水层4可以保持填充满相似岩层2的外周面20与观测玻璃11之间的容置空腔3，保持起到隔离水的作用。

在相似岩层2移动时，其上表面22下移，其外周面20发生变形，从而使得容置空腔3也出现变形，而该柔性防水层4可以随着上表面22的下移而下移，柔性防水层4的上表面保持与相似岩层2的上表面22平齐设置，并保持能够填充满变形的容置空腔3，以使的任何时候，都可以起到隔离水的作用。

柔性防水层4由柔性的可以伸缩的防水材料制成，其可以为采用具有一定柔韧性和较大延伸性的防水材料，防水卷材、有机防水涂料构成的防水层，也可以为由其防水材料制成的具有柔韧性的防水层。

为了观测相似岩层2的上表面22的位移或移动，在柔性防水层4上间隔地布置有多个位移观测件5。

该位移观测件5包括观测面51和与观测面51垂直连接的主体部52。将主体部52布置在柔性防水层4上，将主体部52的尾部53连接在相似岩层2的上表面22上，将观测面51紧贴着观测玻璃11布置，并且该位移观测件5能够随着相似岩层2的移动而移动。

从而，透过观测玻璃11来监测观测面51的移动或位置，即可得出观测相似岩层2的上表面22的位移或移动情况。通过观测位移观测件5的动态过程，即可得知相似岩层2的上表面22位移的动态全过程。

由此，本实用新型提供的试验模型，其施工简便易行，观测效果直观可靠，造价低廉，避免了在相似岩层内部过多布设传感器对模型试验结果造成不利影响。

较佳地，观测玻璃11绕着试验箱1的一圈设置，相应地，容置空腔3绕着相似岩层2的外周面20的一圈设置，多个位移观测件5绕着环形的容置空腔3内的柔性防水层4的一圈设置，扩大了观测范围，可以在360°范围内对相似岩层2的表面位移进行观测。

较佳地，如图4-5所示，容置空腔3沿着相似岩层2厚度方向的纵剖面呈楔形，在从相似岩层2的上表面22至下表面23的方向上，观测玻璃11与相似岩层2的外周面20之间的距离逐渐变小。从而使得填充在容置空腔3内的柔性防水层4的纵剖面也呈楔形，靠近上表面22处的宽度大于靠近下表面23处的宽度，从而保证，在容置空腔3随着相似岩层2的表面移动而发生变形时，柔性防水层4能够向下填满容置空腔3。

较佳地，如图6-7所示，试验箱1内浇筑有多层相似岩层2，每层相似岩层2与观测玻璃11之间均设置有容置空腔3，每个容置空腔3内均填充有柔性防水层4，每层柔性防水层4上均布置有多个位移观测件5，以尽可能地模拟现实中的岩层分布及位移，提高观测效果。

较佳地，如图8-9所示，观测面51为圆形钢片，主体部52为片状钢片，主体部52的尾部53上设置有尾钉54，主体部52通过尾钉54连接在相似岩层2上。

将位移观测件5设置为由钢片组成，其观测面51为圆形钢片，其主体部52为片状钢片，并在尾部53上设置尾钉54，通过尾钉54将主体部52安装在相似岩层2的上表面22上。如此设置，钢片结构强度高，不会在随着相似岩层2移动时发生弯折，避免影响试验效果，并且便于生产制造。

较佳地，如图8-9所示，观测面51上设置喷漆层55，并在喷漆层55上设置有十字型标记56，便于外部监测人员或监测设备观测该观测面51的位移。

优选地，柔性防水层4为防水砂层或防水彩砂层，便于取材，并能够保证在容置空腔3发生变形时，该柔性防水层4能够保证填充满该容置空腔3，时刻起到隔水效果。

防水砂层由具有防水作用的防水砂组成，其起到防水作用。防水彩砂层由具有防水作用的防水彩砂组成，其在遇到有水进入时，会发生颜色变化，以提醒操作人员有水渗入。

较佳地，试验模型还包括用于观测该观测面51位移的全站仪或3D激光扫描仪。通过架设全站仪和/或3D激光扫描仪，构建表面位移观测系统，对观测面51的位移进行监测，实现对相似岩层2的表面位移进行动态全过程的实时观测及记录，便于操作。

全站仪，即全站型电子测距仪，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。

3D激光扫描仪，又称之为三维激光扫描仪，具有高效率、高精度的独特优势，其能够提供扫描物体表面的三维点云数据，用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

较佳地，如图2-3所示，相似岩层2还包括可拆除的空腔形成模板6，容置空腔3由从相似岩层2上拆除的空腔形成模板6形成。

如图2-4所示，容置空腔3的形成方式如下：

首先，在试验箱1内靠近观测玻璃11的一侧支设空腔形成模板6。

之后，向试验箱1内浇筑一层相似岩层2。

之后，在相似岩层2满足强度要求后，拆除空腔形成模板6，从而在观测玻璃11与相似岩层2的外周面20之间形成有容置空腔3。

较佳地，如图2-3所示，空腔形成模板6的纵剖面呈楔形，在从相似岩层2的上表面22至下表面23的方向上，空腔形成模板6的宽度逐渐减小，即其纵剖面为上款下窄形，以形成楔形的容置空腔3。

综上，本实用新型提供的试验模型，通过在相似岩层和观测玻璃间布设位移观测件，并可以利用全站仪和/或3D激光扫描仪实现了对观测面的位移进行监测，实现对相似岩层的表面位移进行动态全过程的实时观测及记录，便于操作。

将位移观测件与相似岩层浇筑依次进行，施工简便易行，观测效果直观可靠，造价低廉，避免了在相似岩层内过多布设传感器对模型试验结果造成不利影响，同时观测结果可与相似岩层内的位移传感器及数值计算结果进行对比分析。

该试验模型的制作方法如下：

首先，在试验箱1内靠近观测玻璃11的一侧支设空腔形成模板6。

之后，向试验箱1内浇筑一层相似岩层2。

之后，在相似岩层2满足强度要求后，拆除空腔形成模板6，从而在观测玻璃11与相似岩层2的外周面20之间形成有容置空腔3。

之后，向容置空腔3内填充满柔性防水层4。

之后，在柔性防水层4上间隔地均布多个位移观测件5，将位移观测件5的观测面51紧贴着观测玻璃11布置，将位移观测件5的主体部52布置在柔性防水层4上，将主体部52的尾部53连接在相似岩层2的上表面22上；并且位移观测件5能够随着相似岩层2的移动而移动。

之后，通过架设全站仪和3D激光扫描仪，对观测面51的位移进行监测，实现对相似岩层2的表面位移进行动态全过程的实时观测及记录，便于操作。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上的仅是本实用新型的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本实用新型原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种试验模型，其特征在于，包括试验箱，所述试验箱上包括至少一块观测玻璃，在所述试验箱内浇筑有至少一层相似岩层；

其中，在所述相似岩层的外周面与所述观测玻璃之间形成有容置空腔，所述容置空腔贯通所述相似岩层的上下表面；

在所述容置空腔内填充有柔性防水层；

在所述柔性防水层上间隔地布置有多个位移观测件，所述位移观测件包括观测面和与所述观测面垂直连接的主体部，所述主体部布置在所述柔性防水层上，所述主体部的尾部连接在所述相似岩层的所述上表面上，所述观测面紧贴着所述观测玻璃布置，所述位移观测件能够随着所述相似岩层的移动而移动。

2.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述观测玻璃绕着所述试验箱的一圈设置，相应地，所述容置空腔绕着所述相似岩层的外周面的一圈设置，多个所述位移观测件绕着环形的所述容置空腔内的所述柔性防水层的一圈设置。

3.根据权利要求1或2所述的试验模型，其特征在于，所述容置空腔沿着所述相似岩层厚度方向的纵剖面呈楔形，在从所述相似岩层的上表面至下表面的方向上，所述观测玻璃与所述相似岩层的所述外周面之间的距离逐渐变小。

4.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述试验箱内浇筑有多层所述相似岩层，每层所述相似岩层与所述观测玻璃之间均设置有所述容置空腔，每个所述容置空腔内均填充有所述柔性防水层，每层所述柔性防水层上均布置有多个所述位移观测件。

5.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述观测面为圆形钢片，所述主体部为片状钢片，所述主体部的尾部上设置有尾钉，所述主体部通过所述尾钉连接在所述相似岩层上。

6.根据权利要求5所述的试验模型，其特征在于，所述观测面上设置喷漆层，并在所述喷漆层上设置有十字型标记。

7.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述柔性防水层为防水砂层或防水彩砂层。

8.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述试验模型还包括用于观测所述观测面位移的全站仪或3D激光扫描仪。

9.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述相似岩层还包括可拆除的空腔形成模板，所述容置空腔由从所述相似岩层上拆除的所述空腔形成模板形成。

10.根据权利要求9所述的试验模型，其特征在于，所述空腔形成模板的纵剖面呈楔形。