采煤沉陷實(shí)習(xí)指導(dǎo)書及成果課件

1、變形與沉陷工程學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書編寫：XXXX學(xué)院實(shí)驗(yàn)一：采煤沉陷區(qū)調(diào)研實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私忾_采沉陷區(qū)的現(xiàn)狀，加深對開采沉陷的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：通過視頻錄像或?qū)嵉乜疾斓姆绞絽⒂^開采沉陷區(qū)東西方向傾斜東西方向曲率 東西方向水平變形東西方向水平移動南北方向傾斜 南北方向曲率南北方向水平移動下沉實(shí)驗(yàn)二：相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫J(rèn)識相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的步驟、作用和意義實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1學(xué)習(xí)相似材料模擬的基本原理相似材料模擬實(shí)驗(yàn)屬于物理模擬實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)用于模擬巖層移動最早開始于蘇聯(lián)，五十年代引入我國。該實(shí)驗(yàn)根據(jù)相似性原理把巖層原型按照一定比例縮小利用相似材料做成模型。對模型中的煤層按照時(shí)間比例開采，通過變形監(jiān)測手段獲

2、取模型上目標(biāo)點(diǎn)的位移量，然后將其換算為實(shí)際值，通過分析該值的變化規(guī)律來分析地表和巖層移動機(jī)理。要使模型系統(tǒng)和原型系統(tǒng)相似，主要體現(xiàn)在以下三類相似2：(1) 幾何相似幾何相似要求模型與原型的幾何形狀相似，即要求二者的長、寬、高保持一定比例，即： al 模型比例尺l- 模型的長度L-原型的長度 作為開采沉陷的相似材料模擬，模型比例尺一般取1/100至1/200。(2) 運(yùn)動學(xué)相似運(yùn)動學(xué)相似要求模型與原型中各個(gè)對應(yīng)點(diǎn)運(yùn)動相似，運(yùn)動時(shí)間保持一定比例，即： at時(shí)間比例l- 模型中各個(gè)對應(yīng)點(diǎn)完成相似運(yùn)動所需的時(shí)間L- 原型中各點(diǎn)完成相似運(yùn)動所需時(shí)間時(shí)間比例尺和幾何比例尺的近似關(guān)系如下： (3) 動力學(xué)相

3、似動力學(xué)相似要求模型與原型間所有作用力都保持相似，即滿足如下條件： RM- 相似材料模型的力學(xué)性質(zhì)RH- 原型的力學(xué)性質(zhì)rM- 相似材料模型的重度rH- 原型的重度lM- 相似材料模型的幾何因子lH- 原型的幾何因子2學(xué)習(xí)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的基本步驟第一步，設(shè)計(jì)相似材料模型的比例和力學(xué)參數(shù)第二步，計(jì)算相似材料的配比和用量第三步，相似材料模型的制造第四步，相似材料模型的模擬開挖和觀測第五步，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得開采沉陷規(guī)律3了解相似材料模擬實(shí)驗(yàn)觀測設(shè)備的使用相似材料模型在模擬開采的過程中要發(fā)生形變，該形變和實(shí)際礦山開采的巖層移動有區(qū)別也有聯(lián)系。區(qū)別是模型形變是細(xì)微的形變，常規(guī)的測量儀器不能滿足其高精度

4、的測量需求；其次模型發(fā)生形變的時(shí)間間隔較短，觀測周期短。聯(lián)系是模型形變和實(shí)地的巖層移動具有相似性，模型上點(diǎn)位移的距離和所花時(shí)間與實(shí)地的巖層移動成比例。相似材料模型變形觀測和實(shí)地的觀測站作用相同，都是通過測得變形值，并找到變形與井下開采的關(guān)系來研究巖層地表移動規(guī)律。相似材料模型形變觀測是本實(shí)驗(yàn)非常重要的環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確高精度變形數(shù)據(jù)的獲取是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。3.1 常規(guī)相似材料模型觀測方法介紹觀測設(shè)備和觀測技術(shù)的好壞直接確定了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，觀測設(shè)備的選取和相關(guān)觀測技術(shù)受到了大量的研究。就相似材料模型形變觀測技術(shù)發(fā)展歷史來看，先有燈光透鏡法、小鋼尺法等；后有經(jīng)緯儀法、全站儀法；再有攝影測量法，有的還把三

5、維激光掃描技術(shù)用到模型觀測中，下面對上述方法進(jìn)行逐一分析：燈光透鏡法：該方法將小燈泡附著在模型表面，燈泡和幕之間安裝一個(gè)放大鏡，通過放大鏡將發(fā)光的燈絲投影在幕上，見圖2-1。該方法通過將位移放大后投影在坐標(biāo)格網(wǎng)紙上來讀取值，可以測得水平和豎直兩個(gè)方向的位移。由于該種方法受到小燈泡質(zhì)量、投影光斑大小等因素影響，當(dāng)小燈泡損壞需要更換時(shí)往往會移動燈泡在模型上的固定點(diǎn)，觀測效果受到人為因素影響較大。圖2-1 燈光透鏡法示意圖模型點(diǎn)位移的計(jì)算方法見下式。 式中F為透鏡焦距，為放大系數(shù)，a為模型觀測點(diǎn)位移。小鋼尺法：該方法把大頭釘釘在模型里，大頭釘頭部懸掛小鋼尺，通過讀取小鋼尺錯(cuò)動的距離來觀測形變，該方法

6、只能測定一個(gè)方向的位移。也有人將經(jīng)緯儀和全站儀等常規(guī)的測量儀器用于模型測量方面53-55，該種方法可以逐點(diǎn)觀測模型點(diǎn)的位移，但在模型上目標(biāo)點(diǎn)數(shù)太多的情況下，工作量太大，有局限性。三維激光掃描技術(shù)用于相似材料模型觀測時(shí)，單點(diǎn)觀測精度不高，而且數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。利用常規(guī)攝影測量法觀測相似材料模型形變和前面的逐點(diǎn)觀測方法相比具有非接觸性，自動化高等優(yōu)點(diǎn)，但精度有待提高。3.2 觀測設(shè)備的選取為了獲取優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文采用XJTUDP工業(yè)攝影測量系統(tǒng)來觀測相似材料模型形變。該方法不需要設(shè)置固定的測站，觀測人員站在模型周圍從不同角度隨機(jī)拍照即可，基于數(shù)碼照片運(yùn)用光束法平差算法可獲得觀測點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)，

7、觀測設(shè)備見圖2-2。圖2-2 XJTUDP系統(tǒng)組成該觀測系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、標(biāo)尺、編碼點(diǎn)、非編碼點(diǎn)，單反相機(jī)等部件組成，單點(diǎn)觀測坐標(biāo)精度能達(dá)到1/70000 到 1/150000, 換句話說，如果觀測1m長的工件，誤差會小于0.01mm。3.3 觀測方法及數(shù)據(jù)獲取當(dāng)在模型表面上布置好非編碼點(diǎn)、編碼點(diǎn)以及在模型旁安裝好標(biāo)尺、溫度計(jì)等設(shè)施后，便可以用單反相機(jī)進(jìn)行觀測了，模型上觀測點(diǎn)布置示意圖見圖2-3。 圖2-3 模型觀測布點(diǎn)圖 圖2-4 相機(jī)位置示意圖觀測模型時(shí)，測量人員站在模型四周隨機(jī)拍照，獲得一系列數(shù)碼照片，相機(jī)位置和模型觀測點(diǎn)位置關(guān)系見圖2-4。將數(shù)碼照片讀入坐標(biāo)解算系統(tǒng)進(jìn)行解算便可以獲得：（點(diǎn)

8、號，X，Y，Z）格式的三維坐標(biāo)，坐標(biāo)解算軟件界面見圖2-5。圖2-5 XJTUDP坐標(biāo)解算系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)三：地表沉陷的可視化表達(dá)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆臻_采沉陷圖件的繪制方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制：下沉，傾斜，曲率，水平移動，和水平變形曲線。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過整理改正后，便可計(jì)算觀測線上各測點(diǎn)和各測點(diǎn)間的移動和變形。移動和變形計(jì)算主要包括：下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形的計(jì)算；觀測點(diǎn)下沉速度的計(jì)算；各測點(diǎn)橫向水平移動的計(jì)算。（1）第m次觀測n點(diǎn)的下沉，mm式中，Wn地表第n點(diǎn)的下沉； Un地表第n點(diǎn)的水平移動； Hn0、Hnm分別為首次和m次觀測時(shí)n點(diǎn)的高程；（2）n號點(diǎn)的水平移動本次測量對地表移動觀

9、測站所進(jìn)行的觀測全部是坐標(biāo)觀測。由于坐標(biāo)觀測成果確定的是點(diǎn)的空間位置，在求出方位角的前提下，可根據(jù)點(diǎn)的移動矢量確定沿任意方向的水平移動量。圖3-1 測點(diǎn)數(shù)據(jù)處理示意圖CDABR1R2kkpS圖3-1所示，在工作面ABCD走向主斷面內(nèi)布置R1R2觀測線，其中點(diǎn)R1和R2為控制點(diǎn)。k為觀測線上某一個(gè)觀測點(diǎn)，由于地質(zhì)采礦條件的復(fù)雜性，其受到開采影響后的位移矢量不一定嚴(yán)格沿著R1R2方向。設(shè)k為受到開采影響后的觀測點(diǎn)，k點(diǎn)的位移矢量及其分量可以按下述方法進(jìn)行計(jì)算。設(shè)k點(diǎn)受開采影響前的平面直角坐標(biāo)為k(x1，y1),受開采影響后該點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)變?yōu)閗(x2, y2)，則k k的距離S為：兩點(diǎn)的方位角為

10、：同理，設(shè)R1和R2的平面直角坐標(biāo)分別為R1(x3,y3)，R2 (x4,y4)，則矢量R1R2的方位角為：上述方位角的計(jì)算均假定其位于第I象限，其余情況可參考相關(guān)資料計(jì)算。于是，位移矢量kk與測線R1R2方向的夾角為：設(shè)位移矢量S沿主斷面觀測線方向的分量為S1，沿垂直于主斷面觀測線方向的分量為S2，則按照上述方法對所計(jì)算的位移S分解后，不但能得到觀測線方向上的位移，而且能得到橫向位移。（3）相鄰兩點(diǎn)間的傾斜式中，im-n地表m、n兩點(diǎn)的傾斜變形mm/m； Ln-m地表m、n兩點(diǎn)的水平距離，m； Wm、Wn地表m、n點(diǎn)的下沉值，mm。（4）相鄰兩點(diǎn)間的曲率式中，Km-n-p線段m-n和線段n-p的平均曲率，mm/m2；im-n、in-p地表m-