一种基于采动影响的地表土壤理化性质变化模拟系统的制作方法

本发明属于采煤技术领域，涉及一种相似模拟实验系统及其实验方法，尤其涉及一种基于采动影响的地表土壤理化性质变化模拟系统。

背景技术：

由于采动影响造成地表土壤的理化性质变化一直是采矿工程对生态和环境造成影响的一个重要方面，但地表土壤理化性质变化的不易观察性，以及地表土壤在采动影响下变化的缓慢性，每个矿区受采动影响岩层变动的特殊性等等都给对于受采动影响造成地表土壤的理化性质变化的研究带来了诸多不便。

本发明涉及的相似模拟系统是在室内按照相似原理制作与实际情况相似的模型，借助密集布置的液压千斤顶通过和地表下沉模拟控制系统的配合来模拟现实情况不同采动影响下岩层的运动。透明的实验箱体可以直观的观测到受采动影响土壤理化性质的变化，借助传感器和测试仪表可以收集到肉眼观察不到的变化数据，总结土体下沉的规律。本发明对于解决采动影响造成地表土壤的理化性质变化的研究具有重要意义。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于采动影响的地表土壤理化性质变化模拟系统，解决了因采动影响造成地表土壤理化性质变化研究的不直观和不便利性，通过室内相似模拟系统，不仅可以更直观的观测到因采动影响造成地表土壤理化性质变化，而且能模拟不同采动情况下受影响岩层位移造成的地表土壤理化性质变化。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于采动影响的地表土壤理化性质变化模拟系统，包括地表土壤理化性质变化模拟平台、地表土壤理化性质变化模拟控制系统、地表土壤理化性质监测与数据采集系统；所述地表土壤理化性质变化模拟平台为一由底座、液压千斤顶、柔性薄膜及上下贯通的玻璃外框体组成的试验平台，玻璃外框体支撑在底座上方，底座上密集均匀布置若干液压千斤顶，柔性薄膜铺设于玻璃外框体下表面，用于隔离玻璃外框体内的土壤和下方作为支架的液压千斤顶；液压千斤顶并联连接至液压油泵；

所述地表土壤理化性质变化模拟控制系统通过地表下沉模拟编程计算机编写试验地表下沉模拟程序，经过控制箱后通过液压动力机构调节对应液压千斤顶的油管阀门，独立控制每一个液压千斤顶升降；

所述理化性质监测与数据采集系统包括埋藏于试验土壤中的传感器，采集地表土壤理化性质的数据传输给理化性质数据采集处理电脑。

进一步的，所述玻璃外框体用于盛放模拟用的土壤，外周边通过螺栓固定在金属支撑上，金属支撑焊接于金属底座上。

进一步的，所述地表土壤理化性质包括土壤的容重、比重、通气性、透水性、粘着性、磁性。

进一步的，所述液压千斤顶之间的排列间距为4～6cm，本体高度为70cm，油缸外径30cm，行程范围为0～20cm，单个最大负载10t。

进一步的，所述柔性薄膜厚度为0.2mm，最大承受50kn的力。

进一步的，所述土壤的充填高度根据相似比决定，最高充填高度不超过玻璃外框体高度的4/5。

进一步的，将所有液压千斤顶支架区域划分为位于中心内部的实验区域、外围的非实验区域，实验区域内的液压千斤顶在地表下沉模拟控制编程电脑控制下自由升降，非实验区域内的液压千斤顶保持实验开始时设定的高度。

上述的本发明的一种基于采动影响的地表土壤理化性质变化模拟系统的使用方法，包括以下步骤：

1)调节控制箱使所有液压千斤顶都回油使高度降到一致，在密集排列的千斤顶上铺设柔性薄膜；将玻璃外框体支撑于底座上固定，底部与液压千斤顶齐平；

2)向玻璃外框体内分层充填取自需要模拟的实验地土壤，并根据不同传感器特性及安装要求在土壤中的不同部位埋放传感器；

3)根据需要调控相应的液压千斤顶升降，柔性薄膜上的土壤随着液压千斤顶高度的下降而下沉；

4)传感器另一端连接的理化性质监测和数据采集电脑采集数据并进行处理。

有益效果：本发明提供的基于采动影响的地表土壤理化性质变化模拟系统，与现有技术相比，具有以下优势：

本试验系统可直观、精确的对上覆岩层下沉情况进行精准控制，既可模拟单个工作面开采后地表土壤理化性质的变化情况，又可模拟多个工作面或整个采区开采后地表土壤理化性质的变化情况，与实际情况更加吻合，从而为治理因采动影响导致的地表土壤理化性质的变化提供理论支撑。

附图说明

图1为本发明的整体系统示意图；

图2为地表土壤理化性质变化模拟平台俯视图；

图3为系统控制与数据采集流程示意图。

其中：1-液压油泵，2-压力表，3-压力变送器，4-控制箱，5-地表下沉模拟控制编程电脑，6-液压千斤顶，7-金属底座，8-金属支撑，9-柔性薄膜，10-玻璃外框体，11-土壤，12-液压油管，13-理化性质监测和数据采集电脑，14-实验区域，15-非实验区域。

具体实施方式

本发明公开了一种基于采动影响的地表土壤理化性质变化模拟系统，包括地表土壤理化性质变化模拟平台、地表土壤理化性质变化模拟控制系统、地表土壤理化性质监测与数据采集系统；所述地表土壤理化性质变化模拟平台为一放置有密集布置的液压千斤顶、钢化玻璃箱体及柔性薄膜的试验平台；所述地表下沉模拟控制系统通过地表下沉模拟编程计算机进行液压千斤顶的精准控制；所述理化性质监测与数据采集系统用于对实验箱体中土壤的各项理化性质进行实时检测和收集处理实验数据。本试验系统可直观、精确的对上覆岩层下沉情况进行精准控制，既可模拟单个工作面开采后地表土壤理化性质的变化情况，又可模拟多个工作面或整个采区开采后地表土壤理化性质的变化情况，与实际情况更加吻合，从而为治理因采动影响导致的地表土壤理化性质的变化提供理论支撑。

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种基于采动影响的地表土壤理化性质变化模拟系统，包括三个系统即由1、2、3、4、5、12组成的地表土壤理化性质变化模拟控制系统，由6、7、8、9、10、11组成的地表土壤理化性质变化模拟平台、由13组成的地表土壤理化性质监测与数据采集系统。

如图2所示，为地表模拟平台的俯视图，内圈区域范围内的为实验区域14，区域范围以外至边界部分为非实验区域15。

如图3所示，为一种基于采动影响的地表土壤理化性质变化模拟系统电信号的系统控制与数据采集流程示意图。地表下沉模拟编程电脑发出步骤信号至控制箱，收到信号的控制箱调节对应液压油管压力至目标值，压力变送器显示目标油压，随即液压油泵做出相应调节，待液压油泵上的压力表示数稳定后调节完毕。液压千斤顶依照调节步骤逐步上升或下沉至调节位置，实验过程开始。土壤中的理化性质监测传感器实时工作传送数据至理化性质监测和数据采集系统。

实验开始之前需要如下准备工作：

(1)地表土壤理化性质变化模拟平台包括密集布置的液压千斤顶6、金属底座7，金属支撑8、柔性薄膜9、玻璃外框体10、实验土壤11。在实验开始之前，确保所有液压千斤顶6都密集均匀的被紧固在金属底座7上，然后手动调节控制箱4使所有液压千斤顶6都回油使高度降到一致，在密集排列的千斤顶6上铺设柔性薄膜9。柔性薄膜9四周不固定在金属支撑8上，可随着液压千斤顶6高度的下降而下沉。随后将玻璃外框体10放置于金属支撑8之上，拧紧四周的箱体固定螺栓。待固定好玻璃外框体10后开始向玻璃外框体10内充填取自需要模拟的实验地土壤11，分层充填土壤11的过程中适当压实并根据不同传感器使用特性在方形实验土壤的不同深度及位置埋放传感器，传感器另一端连接理化性质监测和数据采集电脑13，土壤11充填高度根据不同实验的相似比决定，最高充填高度不超过玻璃外框体10高度的4/5，土壤表层尽量模拟地表真实的环境特点。

所述液压千斤顶6之间的排列间距为4～6cm密集均匀的分布于4m*4m的金属底座7上，液压千斤顶6之间通过液压油管12并联，液压油管12一端连接液压千斤顶6，另一端连接液压油泵1，每个液压千斤顶6都可以单独通过地表下沉模拟控制系统控制升降。

所述金属支撑8为高度1m的金属长条，一端焊接在金属底座7上，另一端安装紧固装置，玻璃外框体10可以通过紧固螺栓固定在金属支撑8上。

所述柔性薄膜9具有很好的延伸性，铺设于玻璃外框体10和液压千斤顶6之间既能在液压千斤顶6加压起到阻止土壤11掉落至液压千斤顶6之间的缝隙造成堵塞，又能在液压千斤顶6卸压下降时不阻碍土体变形下沉的作用。

所述钢化玻璃组成的外框体10为上下面都开口的4m*4m*2.5m的长方状框体，具有良好的可视性和承压能力，箱体10内放置模拟用的土壤11，土壤11充填至离玻璃外框体10的上边缘50cm处为止。

所述土壤11取自需要模拟地表土壤理化性质变化的矿区，土壤11在玻璃外框体10中适当密实，土壤11上方尽量模拟矿区真实环境特征，尽量做到与现实环境相似从而达到模拟的真实性。

(2)地表土壤理化性质变化模拟控制系统包括电液伺服液压油泵1，压力表2，压力变送器3，控制箱4，地表下沉模拟控制编程电脑5。实验开始之前地表下沉模拟控制编程电脑5编好实验步骤，实验开始之后依照步骤发出电信号至控制箱4，压力变送器3显示设定油压，电液伺服液压油泵1根据电信号调节相应液压油管12阀门的开合，使对应液压千斤顶6达到设定压力。

所述电液伺服液压油泵1主要由电信号处理装置和液压动力机构组成，地表下沉模拟控制编程电脑5发出的电信号经过控制箱4后通过液压动力机构调节对应油管阀门，压力变送器3显示目标油压，压力表2显示液压油管12实际压力，待压力表2示数稳定至和压力变送器3示数一样后调节完成。

所述地表下沉模拟控制编程电脑5可以在实验开始之前编写好实验步骤，实验开始之后不需要再人为操作。实验程序要求保证4m*4m的密集布置液压千斤顶6每边各向里推进0.5m即中间3m*3m的支架区域为实验区域14，实验区域14为可编程控制区域，即液压千斤顶6可以在地表下沉模拟控制编程电脑5控制下自由升降。而外围的非实验区域15部分的液压千斤顶6则在实验时保持不可被编程控制的状态，即只能保持实验开始时设定的高度而不能控制升降。这样可以模拟实验区域的土壤11处于周围土壤的土体压力之中。

所述液压油管12一端连接电液伺服液压油泵，另一端并联所有液压千斤顶，管路之间相互独立，互不干扰。

(3)理化性质监测与数据采集系统包括埋藏在土壤11中的传感器，理化性质数据采集处理电脑13。实验开始之前根据不同的实验要求埋藏不同的传感器到实验土壤11中，此时对实验土壤11的理化性质进行第一次检测。实验开始之后理化性质数据采集处理电脑13实时收集来自传感器探头收集的实验数据，只需要观察玻璃外框体10中的实验现象和及时处理地表土壤理化性质监测与数据采集系统中的数据。

所述传感器可根据不同实验要求更换不同的装置以检测土壤理化性质的不同方面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。