采煤沉陷實習(xí)指導(dǎo)書與成果

1、.專業(yè)整理 .變形與沉陷工程學(xué)實驗指導(dǎo)書編寫：XXXX 學(xué)院. 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .實驗一：采煤沉陷區(qū)調(diào)研實驗?zāi)康?：了解開采沉陷區(qū)的現(xiàn)狀 ，加深對開采沉陷的認(rèn)識。實驗內(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. 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .東西方向曲率東西方向水平變形. 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .東西方向水平移動南北方向傾斜. 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .南北方向曲率南北方向水平移動. 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .下沉實驗二：相似材料模擬實驗的認(rèn)識實驗?zāi)康?：認(rèn)識相似材料模擬實驗的步驟、作用和意義實驗內(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驗屬于物理模擬實驗 ，該實驗用

2、于模擬巖層移動最早開始于蘇聯(lián) ，五十年代引入我國 。 該實驗根據(jù)相似性原理把巖層原型按照一定比例. 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .縮小利用相似材料做成模型。對模型中的煤層按照時間比例開采，通過變形監(jiān)測手段獲取模型上目標(biāo)點的位移量，然后將其換算為實際值，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：all / Lal 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) 運動學(xué)相似

3、運動學(xué)相似要求模型與原型中各個對應(yīng)點運動相似 ，運動時間保持一定比例，即：att /Tat時間比例l- 模型中各個對應(yīng)點完成相似運動所需的時間L- 原型中各點完成相似運動所需時間時間比例尺和幾何比例尺的近似關(guān)系如下：atal(3) 動力學(xué)相似動力學(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 ：l MrMRHRMrHl HRM- 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)相似材料模擬實驗的基本步驟第一步，設(shè)計相似材料模型的比例和力學(xué)參數(shù). 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .第二步

4、，計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，分析實驗數(shù)據(jù)獲得開采沉陷規(guī)律3 了解相似材料模擬實驗觀測設(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的測量需求；其次模型發(fā)生形變的時間間隔較短，觀測周期短 。聯(lián)系是模型形變和實地的巖層移動具有相似性，模型上點位移的距離和所花時間與實地的巖層移動成比例。相似材料模型變形觀測和實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

5、本實驗非常重要的環(huán)節(jié) ，準(zhǔn)確高精度變形數(shù)據(jù)的獲取是實驗成功的關(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方向的

6、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往往會移動燈泡在模型上的固定點 ，觀測效果受到人為因素影響較大 。. 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .N6A21mMa35n4LldD1-小燈泡 ( 測點 ) ， 2- 透鏡， 3- 透鏡架， 4- 角鋼， 5- 幕， 6- 模型。圖 2-1燈光透鏡法示意圖模型點位移的計算方法見下式。= (D - d - F)/FaA/ 式中 F 為透鏡焦距 ，為放大系數(shù) ， a 為模型觀測點位移 。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，通過讀取小鋼尺錯動的距離來觀測形變，該方法只能測定一個方向的位移。也有人將

7、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 ，該種方法可以逐點觀測模型點的位移 ，但在模型上目標(biāo)點數(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 ，單點觀測精度不高，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觀測方法相比具有非接觸性 ，自動化高等優(yōu)點 ，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)的實驗數(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)碼照片運用光束法平差算法可獲得觀測點的高精. 學(xué)習(xí)幫手

8、 .專業(yè)整理 .度三維坐標(biāo) ，觀測設(shè)備見圖 2-2 。圖 2-2 XJTUDP 系統(tǒng)組成該觀測系統(tǒng)由計算機(jī) 、標(biāo)尺、編碼點 、非編碼點 ，單反相機(jī)等部件組成 ，單點觀測坐標(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 、編碼點以及在模型旁安裝好標(biāo)尺 、溫度計等設(shè)施后 ，便可以用單反相機(jī)進(jìn)行觀測了 ，模型上觀測點布置示意圖見圖 2-3 。圖 2-3模型觀測布點圖圖 2-4相機(jī)位置示意圖. 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .觀測模型時 ，測量人員站在模型四周隨機(jī)拍照 ，獲得一系列數(shù)

9、碼照片 ，相機(jī)位置和模型觀測點位置關(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). 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .實驗三：地表沉陷的可視化表達(dá)實驗?zāi)康?：掌握開采沉陷圖件的繪制方法實驗內(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，便可計算觀測線上各測點和各測點間的移動和變形。 移動和變形計算主要包括：下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形的計算；觀測點下沉速度的計算 ；各測點橫向水平移動的計算。（1）第 m 次觀測

10、 n 點的下沉WnH n 0H nm ，mm式中，Wn 地表第 n 點的下沉 ；Un 地表第 n 點的水平移動 ；Hn0 、Hnm 分別為首次和 m 次觀測時 n 點的高程 ；（2）n 號點的水平移動本次測量對地表移動觀測站所進(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的空間位置 ，在求出方位角的前提下 ，可根據(jù)點的移動矢量確定沿任意方向的水平移動量 。圖 3-1 所示，在工作面 ABCD 走向主斷面內(nèi)布置 R1 R2 觀測線，其中點 R1 和R2 為控制點 。k 為觀測線上某一個DCSkpk. 學(xué)習(xí)幫手 .R1R2AB圖 3-1 測點數(shù)據(jù)處理示意圖.專業(yè)整理 .觀測點，由于地質(zhì)采礦條

11、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 R1 R2 方向 。設(shè) k為受到開采影響后的觀測點 ，k 點的位移矢量及其分量可以按下述方法進(jìn)行計算 。設(shè) k 點受開采影響前的平面直角坐標(biāo)為 k(x1， y1 ),受開采影響后該點的平面直角坐標(biāo)變?yōu)?k(x2 , y2)，則 k k 的距離 S 為：S(x2 x1 )2( y2 y1 )2兩點的方位角kk' 為：kk'arctan y2y1x 2x1同理，設(shè) R 和 R 的平面直角坐標(biāo)分別為 R，則矢量R1R2121(x3,y3 ) R2(x4,y4 )的方位角為 ：R R2arctan y4y31x4x3上述方位角的計

12、算均假定其位于第I 象限，其余情況可參考相關(guān)資料計算 。于是 ，位移矢量 kk 與測線 R1 R2 方向的夾角為 ：R1R2kk '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S1ScosS2Ssin按照上述方法對所計算的位移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）相鄰兩點間的傾斜. 學(xué)習(xí)幫手 .專業(yè)整理 .im nWnWmLnm式中，im-n 地表 m 、n 兩點的傾斜變形 mm/m ；Ln-m 地表 m 、 n 兩點的水平距離 ，m ；Wm 、W n 地表 m、n 點的下沉值 ，mm 。（4）相鄰兩點間的曲率Km nin pim np1 (LmnLnp )2式中，K 線段m-n和線段n-p的平均曲率 ，mm/m2；m-n-pim-n 、 in-p 地表 m-n 和 n-p 點間的平均傾斜值 ，mm/m ； Ln-m