一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置及方法

本发明涉及采矿工程领域，尤其涉及一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置及方法。

背景技术：

我国是矿产资源大国，种类丰富且分布广泛。随着经济的不断发展，对矿产资源的需求量也在不断增加。除少量属于露天矿外，大部分矿产资源特别是储量丰富的煤炭资源位于地下，且具有深度范围跨度大、赋存地质环境较为复杂的特点。在矿产开采过程中，由于地应力的突然释放，采空区顶部地基发生沉降变形，特别是对于地层较破碎区域，如果支护不及时，容易诱发坍塌事故。此外，在矿产开采后，地下存在大量的空洞、离层、裂缝及欠压密现象，在各种内外因素影响下，如地下水侵蚀作用，地面构筑物(如建筑、道路工程)引起的附加荷载、残留煤柱的风化等，地基及地表将产生严重的沉降变形，内部应力重新分布，严重威胁上方构筑物的安全使用，影响居民正常生活和安全生产。因此开展矿物开采过程中和采后采空区地基稳定性研究对于掌握其灾变机理、指导采空区加固方案设计、具有优化施工方案等具有重要的参考价值。

模型试验因具有直观性强、易操控、成本低、解决现场试验不可逆性等优势，已在采矿工程中特别是采空区的研究中得到了广泛的应用。尽管目前采空区研究常用试验装置能够实现对地基变形和应力的监测，但仍然存在以下问题需要解决：首先，现有装置大都针对于采后采空区范围内地基稳定性研究，矿产开采过程中地基变形和稳定性研究较少；其次，虽然目前采空区变形监测使用了可视化模型槽结合拍照技术，但无法获得整个观测窗范围内地基土的连续变形监测；此外，针对于地基填筑过程中采空区的支护，常采用橡胶气垫作为采空区临时支撑，但由于气垫属于柔性材料，不可避免的产生不规则变形，与周围地基填料模量不协调，使得采空区容易产生初始变形，再有目前试验装置底部为固定约束，无法实现采空区底部不均匀沉降模拟。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置及方法，实现了对整个采空区及其周围地基土在矿物开采和采空区受荷过程中的地基位移实时监测，能够实现对地震荷载等引起的采空区底部不均匀沉降对上部路基土和地表影响的试验模拟。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，包括模型槽，模型槽内部用于填筑地基土相似填料；所述模型槽连接于支撑架内侧，支撑架顶部安装高度可调的反力横梁，所述反力横梁连接淋砂装置或加载装置；所述模型槽底部设置填砂回收装置；

其中，模型槽底部设置若干支撑板，多个相邻的支撑板连接在一起且底部安装电动升降杆，通过电动升降杆控制支撑板升降以实现地基隆起或沉降模拟。

作为进一步的实现方式，所述支撑板底部安装法兰，法兰之间通过连接梁相连；通过连接梁连接支撑板的个数调整地基沉降或隆起范围。

作为进一步的实现方式，所述填砂回收装置包括漏砂管、与漏砂管相连的集砂箱，漏砂管垂直穿过模型槽，集砂箱位于模型槽下方。

作为进一步的实现方式，所述漏砂管延伸至采空区，且漏砂管的延伸端连接梯形接头；漏砂管与集砂箱相连的一端安装开关。

作为进一步的实现方式，所述淋砂装置包括装砂漏斗、透明软管、淋砂管，装砂漏斗通过梯形接头连接透明软管的一端，透明软管的另一端通过梯形接头连接淋砂管，所述淋砂管连接拐弯接头。

作为进一步的实现方式，所述淋砂管与拐弯接头之间安装若干漏砂板，装砂漏斗与梯形接头之间安装阀门。

作为进一步的实现方式，所述加载装置包括伺服千斤顶、压力分散装置和承压板，压力分散装置设置于伺服千斤顶与承压板之间。

作为进一步的实现方式，所述伺服千斤顶安装有压力传感器，进行加载试验时，地基土相似填料内设有土压力计。

作为进一步的实现方式，所述模型槽的前后两侧采用钢化玻璃，前侧的钢化玻璃设置有若干行参考点。

第二方面，本发明实施例还提供了一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验方法，采用所述的试验装置，包括：

确定采空区形状，结合相似比设计确定采空区尺寸和埋深；确定地基土相似填料的模量、相似材料配合比设计和采空区内淋砂密实度；

安装试验装置；关闭开关，同时放置集砂箱；

向模型槽内填筑地基相似土填料至采空区底部，并安装土压力计；根据采空区形状架设采空区模板并采用临时支撑固定在前后钢化玻璃；

填筑采空区顶部填料，根据设计位置安装土压力计，当顶部填料达到设定强度之后，拆除临时支撑和模板；

采用淋砂装置向采空区内淋砂，直至充满整个采空区；继续填筑地基土填料至设计高度；

安装数码相机和补光灯并调整位置、焦距和补光强度，连接土压力采集系统，启动拍照开关和土压力采集系统，打开开关；

待采空区填砂全部漏完后，将反力横梁调整至加载高度，安装加载装置，启动应力采集系统，进行竖向加载；

如果模拟地震引起的不均匀沉降试验工况，预先设计沉降或隆起范围，打开电动升降杆使支撑板达到设计沉降或隆起量，同时监测地基土位移和内部应力数据；

采用dic软件处理采集照片，获取加载过程中地基土位移和应变变化。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式通过在采空区内填筑砂填料，并安装土压力计，实现了对矿物开采过程的全过程模拟和地基土变形、土压力实时监测。

(2)本发明的一个或多个实施方式通过设置淋砂装置，实现了采空区内部填料与地基土模量的匹配设计，解决了目前采用气囊用作采空区临时支撑容易产生地基不均匀沉降的问题。

(3)本发明的一个或多个实施方式通过电动升降杆带动支撑板上下移动，实现了对地震荷载等引起的采空区底部不均匀沉降对上部路基土和地表影响的试验模拟。

(4)本发明的一个或多个实施方式采用dic数据处理软件，实现了对整个采空区及其周围地基土在矿物开采和采空区受荷过程中的地基位移实时监测。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式安装淋砂装置的结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的安装加载装置的结构示意图；

其中，1、反力横梁，2、吊装装置，3、装砂漏斗，4、阀门，5、梯形接头，6、透明软管，7、淋砂管，8、漏砂板，9、拐弯接头，10、竖梁，11、框架，12、连接构件，13、参考点，14、采空区，15、漏砂管，16、开关，17、集砂箱，18、电动升降杆，19、支撑板，20、法兰，21、地基土相似填料，22、底梁，23、土压力计，24、伺服千斤顶，25、压力传感器，26、压力分散装置，27、承压板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，包括模型槽、地基土相似填料21、加载装置、数据采集系统、淋砂装置、填砂回收装置，淋砂装置和填砂回收装置构成采空区充填与回收装置，模型槽设置于支撑架内。

进一步的，模型槽采用长方体结构，其尺寸可以根据实际试验要求设置。模型槽的顶部为开口，其前后两侧为钢化玻璃，前侧的钢化玻璃设置有若干行参考点13；模型槽的左右两侧为钢板。在本实施例中，参考点13布置五排，每排具有多个。

模型槽的底部由若干支撑板19沿长度方向拼接而成，支撑板19底部安装法兰20；相邻若干支撑板19的法兰20之间通过连接梁连接，从而使支撑板19形成多段结构。每段连接梁底部安装电动升降杆18，通过电动升降杆18能够使支撑板19升降。通过改变连接梁长度实现相连接的支撑板19个数调整，从而调整地基沉降或隆起范围。

在本实施例中，模型槽尺寸为2.5m×0.25m×1.6m(长×宽×高)，钢化玻璃的厚度为19mm，钢板厚度为20mm；所述支撑板19采用钢板，其厚度为20cm；连接梁采用钢梁。

进一步的，所述模型槽的两端分别安装框架11，通过框架11支撑模型槽。所述框架11与支撑架之间通过连接构件12相邻。

所述支撑架包括底梁22和两个竖梁10，底梁22的两端分别连接一个竖梁10。多个间隔设置的连接构件12连接于框架11与竖梁10之间；电动升降杆18固定于底梁22上方。

进一步的，两个竖梁10之间安装反力横梁1，反力横梁1用于安装淋砂装置或加载装置，安装淋砂装置时的反力横梁1高度高于安装加载装置的高度。在本实施例中，反力横梁1为高度15cm的工字钢，通过高强螺栓与竖梁10连接。

进一步的，如图1所示，淋砂装置通过吊装装置2连接在反力横梁1下方，所述吊装装置2为现有结构，例如吊钩。

所述淋砂装置包括装砂漏斗3、梯形接头5、透明软管6、淋砂管7、漏砂板8和拐弯接头9，装砂漏斗3通过梯形接头5连接透明软管6的一端，透明软管6的另一端通过梯形接头5连接淋砂管7，所述淋砂管7连接拐弯接头9。与装砂漏斗3连接的梯形接头5安装方向与连接淋砂管7的梯形接头5安装方向相反。

所述淋砂管7与拐弯接头9之间安装若干漏砂板8，装砂漏斗3与梯形接头5之间安装阀门4。在本实施例中，淋砂管7采用有机玻璃管；漏砂板8为厚度2mm、直径与淋砂管7内径相等的圆形钢板，漏砂板8设置孔隙率为20％的圆孔，圆孔直径为2.5mm；通过调整阀门4大小、漏砂板8的数量和间距、淋砂高度等变量，控制淋砂密实度为0％-98％范围内，根据采空区周围地基土模量，确定具体变量组合。

进一步的，所述填砂回收装置包括漏砂管15、集砂箱17，集砂箱17设于模型槽下方，漏砂管15一端与集砂箱17连通，且漏砂管15与集砂箱17的连接端安装开关16；漏砂管15垂直穿过支撑板19，其另一端延伸至采空区14。

在本实施例中，漏砂管15为直径2cm的pvc管，在采空区14底部连接梯形接头，用于收集采空区14填砂。可根据实际情况设置多个漏砂管15，通过调整开关16开启大小模拟开采速度。

进一步的，如图2所示，所示加载装置包括伺服千斤顶24、压力分散装置26和承压板27，若干伺服千斤顶24可拆卸连接于反力横梁1下方，伺服千斤顶24安装有压力传感器25，通过压力传感器25采集压力信息。在进行加载试验时，地基土相似填料21内设有土压力计23；在本实施例中，每个参考点13一侧均设置土压力计23。

在本实施例中，所述压力传感器25为轮辐式结构，量程为200kn，精度为20n；土压力计23为应变式土压力盒，通过动态应变采集仪器和配套系统获取地基土内部应力变化。可以理解的，在其他实施例中，压力传感器25、土压力计23也可以选择其他形式。优选地，伺服千斤顶24最大加载荷载为15吨。

所述承压板27设置于模型槽上方，伺服千斤顶24与承压板27之间设置压力分散装置26；通过伺服千斤顶24使承压板27能够对模型槽内部地基土相似填料21进行加载。在本实施例中，所述压力分散装置26为锥台形状的金属块。

所述数据采集系统除了包括所述压力传感器25、土压力计23以外，还包括数码相机、补光灯，数码相机像素不小于2000万，通过dic软件处理矿物开采和加载过程中的照片，以获得整个观测窗范围内地基土瞬时和累积位移、瞬时和累积应变等数据。

进一步的，地基土相似填料21设于模型槽内部，根据试验相似比设计，由不同材料配制形成；相似比设计如下：

(1)几何相似常数：

cl＝lm/lp＝1/50(1)

上式中cl为模型与原型几何相似比，lm为模型尺寸，lp为原型尺寸。

(2)时间相似常数：

上式中ct为模型与原型时间相似比，tm为模型过程时间，tp为原型过程时间，单位均为s。

(3)密度相似常数：

cρ＝ρm/ρp＝＝1/1.5(3)

上式中cρ为模型与原型密度相似比，ρm为模型材料密度，ρp为原型材料密度。

(4)强度相似常数：

cσ＝σm/σp＝cl·cρ＝1/75(4)

上式中cσ为模型与原型材料强度相似比，σm为模型材料强度，σp为原型材料强度。

在本实施例中，地基土相似填料21包括骨料河砂、石灰、石膏和粉煤灰，并加入一定比例拌合水。通过试配不同掺合料之间的质量比，制作100mm×100mm×100mm的立方体抗压强度试验试件，经标准条件养护后测试抗压强度和模量，根据试验结果确定最终的材料配比，制备不同地基层填料。

本实施例用于矿产开采及采后塌陷区变形和应力分布监测，解决了目前试验装置在应用场景、控制技术和监测技术上的局限性。

实施例二：

本实施例提供了一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验方法，采用实施例一所述的装置，包括以下步骤：

根据采空区现场地质条件或研究内容确定采空区14形状，结合相似比设计确定采空区14尺寸和埋深。

根据采空区14现场岩层强度和相似比确定地基土相似填料21的模量、相似材料配合比设计和采空区内淋砂密实度。

安装模型槽，连接模型槽与底梁22和竖梁10；根据采空区14大小和形状设置漏砂管15的位置和数量，并关闭开关16，同时放置集砂箱17。

向模型槽内填筑地基相似土填料21至采空区14底部，并根据设计位置安装土压力计23；随后根据采空区14形状架设采空区模板并采用临时支撑固定在前后钢化玻璃板上。

填筑采空区14顶部填料，根据设计位置安装土压力计23，当顶部填料达到一定强度之后，拆除临时支撑和模板，采用淋砂装置按照设计相对密实度向采空区14内淋砂，直至充满整个采空区14；随后继续填筑地基土填料21至设计高度。

安装数码相机和补光灯并调整位置、焦距和补光强度，连接土压力采集系统(包括应变式土压力盒、动态应变采集仪器和配套系统)，启动拍照开关和土压力采集系统，打开开关16。

待采空区14填砂全部漏完后，将反力横梁1调整至适宜加载高度，安装加载装置，启动应力采集系统，进行竖向加载。

如果模拟地震引起的不均匀沉降试验工况，首先应设计沉降或隆起范围，打开电动升降杆18使得模型槽底部支撑板19达到设计沉降或隆起量，期间监测地基土位移和内部应力数据。

采用dic软件处理采集照片，获取加载过程中地基土位移和应变变化。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。