[发明专利]一种模拟煤层开采引起地层沉降的透明土模型试验装置及其试验方法

说明书

发明提供一种模拟煤层开采引起地层沉降的透明土模型试验装置及其试验方法。该透明土模型试验装置包括可固定在光学平台上的透明模型箱，以及透明水袋和透明软管。所述透明模型箱的一侧周壁上具有一排孔洞。所述透明水袋分隔成数个透明矩形小仓。所述模型箱外设置有一台工业相机和一台激光发射器。工业相机布置在模型箱孔洞对侧。所述激光发射器布置在模型箱的孔洞的临侧。该装置实现上覆土体变形的可视化测量，可对煤层开采过程中上覆土体位移场发展变化进行非插入式量测。试验装置尺寸小，系统设置合理，试验操作方便。

技术领域

本发明涉及岩土工程可视化试验技术领域，特别涉及一种模拟煤层开采引起地层沉降的透明土模型试验装置及其试验方法。

背景技术

在我国因为开采煤炭引起的地面塌陷灾害十分严重。随着社会的不断发展，“绿色开采”是未来煤矿必然的发展趋势。因此，研究地下开采引起的岩层变形，移动和破坏等力学行为发展演变规律和预测方法是非常有必要的。从而为合理安全地开采地下煤炭资源提供科学依据，有利于减少、控制地下开采造成的灾害和损失，具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

煤层开采诱发地层沉降的传统分析方法包括理论分析研究、现场实测研究、模型试验研究、数值模拟研究等。理论解析在上覆岩层的岩性差别较大情况下，特别是在有厚硬岩层、冲积层、地质构造情况下，预计覆岩的移动和变形与实际情况有一定差别。现场实测法通常需要在研究区钻孔，成本高、投入大，针对同一地质条件不具有可重复观测性，不同矿区不同工作面“两带”的发育高度不同，因此现场实测无法直观地探测到上覆岩层力学行为演变规律。传统的模型试验多集中于二维的地下开采引起的地层沉降研究，且目前的模型试验一般都需要在岩土体内部埋设一定数量的传感器或标记物来监测开采诱发的上覆岩体变形，而传感器的嵌入会影响开采诱发的上覆岩体变形，从而影响试验的精度。数值模拟方法在岩土体本构模型的确定及相应的参数确定上仍存在一定不足，存在计算参数难以通过常规试验取得而仅靠经验取值的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟煤层开采引起地层沉降的透明土模型试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟煤层开采引起地层沉降的透明土模型试验装置，包括固定在光学平台上的透明模型箱，以及透明水袋和透明软管。

所述透明模型箱整体为一个矩形箱体。这个矩形箱体的一侧周壁上设置有一排供透明软管穿过的孔洞。所述孔洞间隔布置。各个孔洞中心点的连线呈现为倾斜的线段。所述透明模型箱内填筑有透明土。

所述透明水袋倾斜埋设在透明土中。所述透明水袋与透明模型箱的内壁之间存在间隙。所述透明水袋为透明薄膜袋。所述透明水袋的内腔平均分隔成数个透明分仓。所述透明分仓中充填有水。每个透明分仓均连接有一条透明软管。所述透明软管的一端连接透明水袋，另一端伸出孔洞作为出水口。所述出水口处具有控制水流出速度的阀门。

所述模型箱外设置有一台工业相机和一台激光发射器。工业相机布置在孔洞对侧。所述激光发射器布置在孔洞的临侧。

工作时，所述激光发射器发射激光，在透明土内形成一个透明土散斑场。所述透明分仓中的水依次排出模拟煤层开采。所述工业相机记录透明土散斑场变化。

进一步，所述透明模型箱采用透明亚克力板制成。

进一步，所述工业相机和激光发射器固定在支架上。所述支架高度和角度可调节。所述光学平台上设置有预留螺孔。所述支架采用预留螺孔固定在光学平台上。

本发明还提供一种采用上述试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)按设计尺寸制作透明模型箱、透明水袋和水管。制作完成后擦洗透明模型箱侧壁。

2)在透明模型箱内配置透明土至一排孔洞的高度，随后放置装满水的透明水袋，将连接水袋的水管从孔洞引出，继续在水袋上配置透明土至设计高度。配制完成后静置24小时。