采煤沉陷實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(shū)與成果

./變形與沉陷工程學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)編寫(xiě)：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_(kāi)采沉陷區(qū)的現(xiàn)狀,加深對(duì)開(kāi)采沉陷的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：通過(guò)視頻錄像或?qū)嵉乜疾斓姆绞絽⒂^開(kāi)采沉陷區(qū)東西方向傾斜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(dòng)南北方向傾斜南北方向曲率南北方向水平移動(dòng)下沉實(shí)驗(yàn)二：相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫J(rèn)識(shí)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(dòng)最早開(kāi)始于蘇聯(lián),五十年代引入我國(guó)。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(duì)模型中的煤層按照時(shí)間比例開(kāi)采,通過(guò)變形監(jiān)測(cè)手段獲取模型上目標(biāo)點(diǎn)的位移量,然后將其換算為實(shí)際值,通過(guò)分析該值的變化規(guī)律來(lái)分析地表和巖層移動(dòng)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(lèi)相似[2]：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(zhǎng)、寬、高保持一定比例,即：al–模型比例尺l-模型的長(zhǎng)度L-原型的長(zhǎng)度作為開(kāi)采沉陷的相似材料模擬,模型比例尺一般取1/100至1/200。運(yùn)動(dòng)學(xué)相似運(yùn)動(dòng)學(xué)相似要求模型與原型中各個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)相似,運(yùn)動(dòng)時(shí)間保持一定比例,即：at–時(shí)間比例l-模型中各個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)完成相似運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間L-原型中各點(diǎn)完成相似運(yùn)動(dòng)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：動(dòng)力學(xué)相似動(dòng)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(kāi)挖和觀測(cè)第五步,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得開(kāi)采沉陷規(guī)律3了解相似材料模擬實(shí)驗(yàn)觀測(cè)設(shè)備的使用相似材料模型在模擬開(kāi)采的過(guò)程中要發(fā)生形變,該形變和實(shí)際礦山開(kāi)采的巖層移動(dòng)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(cè)量?jī)x器不能滿足其高精度的測(cè)量需求；其次模型發(fā)生形變的時(shí)間間隔較短,觀測(cè)周期短。聯(lián)系是模型形變和實(shí)地的巖層移動(dòng)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(dòng)成比例。相似材料模型變形觀測(cè)和實(shí)地的觀測(cè)站作用相同,都是通過(guò)測(cè)得變形值,并找到變形與井下開(kāi)采的關(guān)系來(lái)研究巖層地表移動(dòng)規(guī)律。相似材料模型形變觀測(cè)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(cè)方法介紹觀測(cè)設(shè)備和觀測(cè)技術(shù)的好壞直接確定了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量,觀測(cè)設(shè)備的選取和相關(guān)觀測(cè)技術(shù)受到了大量的研究。就相似材料模型形變觀測(cè)技術(shù)發(fā)展歷史來(lái)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(cè)量法,有的還把三維激光掃描技術(shù)用到模型觀測(cè)中,下面對(duì)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(guò)放大鏡將發(fā)光的燈絲投影在幕上,見(jiàn)圖2-1。該方法通過(guò)將位移放大后投影在坐標(biāo)格網(wǎng)紙上來(lái)讀取值,可以測(cè)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(huì)移動(dòng)燈泡在模型上的固定點(diǎn),觀測(cè)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(jiàn)下式。式中F為透鏡焦距,β為放大系數(shù),a為模型觀測(cè)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(guò)讀取小鋼尺錯(cuò)動(dòng)的距離來(lái)觀測(cè)形變,該方法只能測(cè)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(cè)量?jī)x器用于模型測(cè)量方面[53-55],該種方法可以逐點(diǎn)觀測(cè)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(cè)時(shí),單點(diǎn)觀測(cè)精度不高,而且數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。利用常規(guī)攝影測(cè)量法觀測(cè)相似材料模型形變和前面的逐點(diǎn)觀測(cè)方法相比具有非接觸性,自動(dòng)化高等優(yōu)點(diǎn),但精度有待提高。3.2觀測(cè)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(cè)量系統(tǒng)來(lái)觀測(cè)相似材料模型形變。該方法不需要設(shè)置固定的測(cè)站,觀測(cè)人員站在模型周?chē)鷱牟煌嵌入S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(cè)點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo),觀測(cè)設(shè)備見(jiàn)圖2-2。圖2-2XJTUDP系統(tǒng)組成該觀測(cè)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(cè)坐標(biāo)精度能達(dá)到1/70000到1/150000,換句話說(shuō),如果觀測(cè)1m長(zhǎng)的工件,誤差會(huì)小于0.01mm。3.3觀測(cè)方法與數(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)以與在模型旁安裝好標(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(cè)了,模型上觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖2-3。圖2-3模型觀測(cè)布點(diǎn)圖圖2-4相機(jī)位置示意圖觀測(cè)模型時(shí),測(cè)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(cè)點(diǎn)位置關(guān)系見(jiàn)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)號(hào),X,Y,Z〕格式的三維坐標(biāo),坐標(biāo)解算軟件界面見(jiàn)圖2-5。圖2-5XJTUDP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_(kāi)采沉陷圖件的繪制方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制：下沉,傾斜,曲率,水平移動(dòng),和水平變形曲線。觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理改正后,便可計(jì)算觀測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)和各測(cè)點(diǎn)間的移動(dòng)和變形。移動(dòng)和變形計(jì)算主要包括：下沉、傾斜、曲率、水平移動(dòng)和水平變形的計(jì)算；觀測(cè)點(diǎn)下沉速度的計(jì)算；各測(cè)點(diǎn)橫向水平移動(dòng)的計(jì)算。〔1〕第m次觀測(cè)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(dòng)；Hn0、Hnm——分別為首次和m次觀測(cè)時(shí)n點(diǎn)的高程；〔2〕n號(hào)點(diǎn)的水平移動(dòng)本次測(cè)量對(duì)地表移動(dòng)觀測(cè)站所進(jìn)行的觀測(cè)全部是坐標(biāo)觀測(cè)。由于坐標(biāo)觀測(cè)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(dòng)矢量確定沿任意方向的水平移動(dòng)量。圖3-1測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理示意圖ΔΔCDABR1R2kk′θp圖3-1測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理示意圖ΔΔCDABR1R2kk′θpS設(shè)k′為受到開(kāi)采影響后的觀測(cè)點(diǎn),k點(diǎn)的位移矢量與其分量可以按下述方法進(jìn)行計(jì)算。設(shè)k點(diǎn)受開(kāi)采影響前的平面直角坐標(biāo)為k<x1,y1>,受開(kāi)采影響后該點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)變?yōu)閗′<x2,y2>,則kk′的距離S為：兩點(diǎn)的方位角為：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(cè)線R1R2方向的夾角為：設(shè)位移矢量S沿主斷面觀測(cè)線方向的分量為S1,沿垂直于主斷面觀測(cè)線方向的分量為S2,則按照上述方法對(duì)所計(jì)算的位移S分解后,不但能得到觀測(cè)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-n和n-p點(diǎn)間的平均傾斜值,