一种煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，包括框体、固定件、侧板，框体包括底板、立柱和加固板；底板包括由两个尺寸相同的木板组成的可分离的左底板和右底板，左底板和右底板前后侧边设有钻孔，通过螺栓使左底板和右底板铰接相连；底板的四角安装立柱，立柱固定在底板的边角上；框体的上部和立柱的中部均通过固定件安装有加固板；侧板呈上空的长方体状，侧板安置在框体内，不同方位的侧板以及侧板与框体间通过固定件相连。本发明可以作为研究探地雷达回波信号与采动覆岩结构变化、地裂缝以及损毁后土地复垦工程质量因素的相关关系的载体，为煤矿区采动损害的监测与治理提供一种多用途的适宜装置和研究方法。
【专利说明】
一种煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种采动损害的物理模拟试验装置，尤其涉及一种煤矿区采动覆岩结构变化、地裂缝以及土地复垦工程的探地雷达信号反演的模拟试验的装置。
【背景技术】
[0002]据有关数据测算，到2050年，煤炭资源在我国一次性消耗能源的比例仍将达到50%，煤炭资源大规模开发的同时，也造成了土地塌陷、损毁、压占，地裂缝频发。经验数据表明，全国平均每开采万吨煤，地表塌陷0.2km2，而在山东省，这种塌陷程度将达到3亩/万吨。在我国，耕地资源与煤炭资源并存叠加的现状更为明显，煤粮复合区的面积占到了全国耕地面积的10%，良田受损相当严峻，加剧了我国人口与土地资源之间的矛盾，煤炭资源的采动损毁规律以及土地复垦工作尤为重要。
[0003]目前，针对于煤炭资源的损毁规律的研究，与现场监测、数值模拟相比，相似材料模拟试验是一种简单的、行之有效的方法，通过运动学相似原理，通过几何相似、时间相似等原则，模拟采动过程中覆岩结构的变化。然而，大型的模拟平台造价相对昂贵，单次做实验的成本相对较大，数据的获取通常采用近景摄影测量设备获取。
[0004]并且，地裂缝作为煤矿区土地损毁的直接表现形式，其平面分布状态的监测技术相对比较成熟，通常有现场监测、INSAR/D-1NSAR、三维激光扫描以及GNSS等技术，而对于地裂缝的地下发育现状的研究相对较少，现场充填注浆、开挖的方式收效甚微，发育形态不明。
[0005]此外，国家现有政策要求，矿区损毁土地遵循“谁破坏、谁复垦”的原则，要求通过一定的工程措施，使其恢复至原有状态和生产能力，国土资源部进行了近500多个土地复垦示范区的建设，土地复垦工程的质量快速、有效的监测也是迫在眉睫，传统的钻孔开挖、现场取样也不能满足现有的需要。
[0006]综上所述，需要寻求一种探测技术，试图去监测煤炭生产过程中的上述损害和修复若干问题。探地雷达作为一种精细的探测技术，利用电磁波的穿透能力和介质间的介电常数的差异，根据回波信号的特征，可以进行隐伏地物、层位等信息的精细探测。一般情况下，在实际探测之前，往往需要在室内进行有关的模拟试验，然而，这种多用途的试验载体却鲜有报道。因此，针对于这种现状，研发一种多用途的相似材料物理模拟试验装置，可以开展探地雷达回波信号与采动覆岩结构变化、与地裂缝分布特征、与土地复垦工程质量因数的相关关系的研究，进而开展示范应用，具有一定的现实意义与实用价值。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中的问题，本发明的目的提供一种煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，可以作为研究探地雷达回波信号与采动覆岩结构变化、地裂缝以及损毁后土地复垦工程质量因素的相关关系的载体，为煤矿区采动损害的监测与治理提供一种多用途的适宜装置和研究方法。
[0008]为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案:
一种煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:包括框体、固定件、侧板，所述侧板为透明板，呈上空的长方体状，侧板安置在框体内，不同方位的侧板之间以及侧板与框体间通过固定件相连，至少一组相对的侧板上设有窗口或孔。
[0009]所述框体包括底板和立柱;所述底板包括由两个尺寸相同的木板组成的可分离的左底板和右底板，所述底板的四角安装立柱，立柱通过三角铁固定在底板的边角上。
[0010]所述左底板和右底板前后侧边设有钻孔，通过螺栓使左底板和右底板铰接相连。
[0011]所述框体的上部和立柱的中部均通过固定件安装有加固板。
[0012]所述加固板为木条组成的圈状结构;加固板通过螺栓调节伸缩长度。
[0013]所述装置还包括由两个平行的凹槽组成的固定在地面上的移动轨道;所述左底板和右底板下部分别安装有万向轮，所述万向轮呈两行、平行分布;两凹槽中心线的间距等于两行平行万向轮间的距离。
[0014]所述凹槽的材质为探地雷达回波信号响应的非敏感材料，凹槽的抗压强度能够支撑框体及其所含土体的重量。
[0015]优选地，凹槽材质为木质材料，其横纹抗压强度:局部径向/局部弦向/全部径向/全部弦向应大于30/40/20/30 kgf/cm20
[0016]所述前、后侧板的中下部分设有可开启的窗口。
[0017]所述前、后侧板的底部有不同孔径的作为模拟地埋管探测时管线的安放入口的圆孔，所述圆孔呈对称分布;所述左、右侧板上分布有间距相同的作为水分探测仪探针的入口的圆孔。
[0018]—种煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，包括框体、固定件、侧板，所述侧板为透明板，呈上空的长方体状，侧板安置在框体内，不同方位的侧板之间以及侧板与框体间通过固定件相连，所述装置还包括与前、后两个侧板相连的用以模拟地裂缝的分隔板，所述分隔板由至少一节木板组成，每节木板包括上调节块、下调节块和转轴，上调节块与下调节块铰接相连，并通过转轴与前、后侧板相连。
[0019]所述分隔板的木板厚度由上往下逐渐减小，能够模拟灭尖裂缝。
[0020]本发明与现有技术相比，具有以下明显优点:
本发明提出的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，可以作为研究探地雷达回波信号与采动覆岩结构变化、地裂缝以及损毁后土地复垦工程质量因素的相关关系的载体，为煤矿区采动损害的监测与治理提供一种多用途的适宜装置和研究方法。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的结构示意图。
[0022]图2为本发明的移动轨道的结构示意图。
[0023]图3为本发明的固定件的结构示意图。
[0024]图4为本发明的左(右)侧板的结构示意图。
[0025]图5为本发明的分隔板的结构示意图。
[0026]图6为本发明的立柱的结构俯视图。
[0027]图7为本发明的加固板的结构示意图。
[0028]图8为本发明的前(后)侧板的结构示意图。
[0029]图9为本发明的前(后)侧板备选结构的结构示意图。
[0030]图10为本发明的试验I所用装置结构总图。
[0031]图11为本发明的试验2所用装置结构总图。
[0032]图12为本发明的试验3所用装置结构总图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图，对本发明的优选实施例做详细描述。
[0034]如图1-5所示，本发明提供给了一种煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其包括框体1、移动轨道2、固定件3、侧板4和分隔板5。其中:
框体I包含万向轮12、左底板14、右底板15、加固板16以及立柱17，其中左底板14、右底板15通过螺栓铰接相连，螺栓分别在二者接口处的外侧预留的圆孔中安装，通过铁片固定相连。
[0035]左底板14、右底板15下部分别安装有4个万向轮12，考虑到万向轮12的承载力，优选的万向轮直径D为10cm。万向轮12距离底板的边界应大于5cm，呈长方体状的分布形态，左右两端的万向轮12处于同一条直线上。
[0036]底板的四个角点安装有立柱17，立柱17呈长条、直角状，如图6所示。通过固定件3与底板14、15相连，考虑到立柱17需要承受侧向的载荷，所述框体I由加固板16进行加固。加固板16为多木条组成的圈状结构。在框体I的上部，通过螺栓和固定件3安装加固板16;立柱17的中部通过固定件3和螺栓也安装有加固板16。
[0037]考虑到试验模型的可扩展性，单个的加固板16由伸缩板71、套板72和固定孔73组成，长度可调，伸缩板71内嵌于套板72之内，两者滑动连接，如图7所示。调节伸缩板71在套板72中的预留长度，可改变加固板16的长度，伸缩度可达20cm。在固定孔73中安装螺栓，可固定伸缩板71的伸缩量。
[0038]由于本试验装置可用于采动覆岩结构的变化模拟研究，框体I的尺寸基于运动学的相似原理进行设计。其中:几何相似比例为I: 100-1:200，能够模拟埋深为400m的煤层开采;框体I的宽度，还应满足主流的750MHz以上高频的探地雷达天线的探测需求，天线可在框体I中自由拖动。优选地，框体I的长度为4-6m、高度为2-3m以及宽度0.6m。
[0039]移动轨道2是框体I移动的优选路径，由凹槽21和凹槽22组成，通过螺栓固定在地面上。凹槽21和凹槽22的中心线间距，等于两组平行万向轮12之间的距离。凹槽21、22能够承载框体及其内附土壤的质量，优选组成材料为5cm的实木板，其横纹抗压强度:局部径向/局部弦向/全部径向/全部弦向应满足30/40/20/30(kgf/cm2)。
[0040]在此基础上，将侧板4安置I在框体内。侧板4包含前、后、左、右4个方位、厚度相同的亚克力板，不同方位的侧板4以及侧板4与框体I间，通过固定件3和螺栓相连，安装后呈上空的长方体状。优选的亚克力板厚度不低于3cm。
[0041]考虑模拟煤层开挖，前(后)侧板8的中下部分还有可开启的窗口81，窗口 81长度、宽度为前侧板8的1/2-2/3和1/5-1/4。
[0042]考虑能够模拟土地复垦工程质量监测的需要，左(右)侧板4上分布有间距相同的圆孔41和刻度线42，圆孔41成对分布，作为水分探测仪探针的入口，刻度线42以厘米间隔注记。本装置预留的圆孔孔径和圆孔间距，能够满足高精度TDR测量设备的需求，优选的孔径和间距分别为0.3-0.6cm和3-5cm。为满足层位信息反演和统计数据差异性分析的需求，每隔20cm布设3-5组圆孔对，如图4所示。
[0043]此外，前(后)侧板还有备选结构9，前侧板91和后侧板92的底部有不同孔径的圆孔93，作为地埋管模拟探测时管线的安放入口，呈对称分布，优选的圆孔孔径为Φ 110mm、Φ90mm、Φ 75mm和 Φ 50mm。
[0044]分隔板5为用以模拟地裂缝探测的一个特殊结构，由上调节块51、下调节块52和转轴53组成。上调节块51与下调节块52铰接相连，并通过转轴53与前、后侧板相连。分隔板5姿态可调，考虑裂缝的形态复杂性，分隔板5不局限于2个调节块的结构。调节块51、52的厚度不同，能够模拟浅贯通裂缝和灭尖裂缝。
[0045]由于本试验装置是为探地雷达信号反演的模拟试验所设计的，考虑到金属介质对电磁波强反射的响应特征，本设计的有关结构尽可能的采用木质和亚克力等材质，但考虑到试验装置的稳定性以及特定试验的需求，本发明还可以将有关部件加工成任何适用的材质，而不限于上述的两种材质。再者，本发明并不限于上述的连接结构和连接方法，也可以使用本领域技术人员所常用的卡扣等连接形式。
[0046]根据上述实施例提供的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，具体的操作方法如下:
(I)采动覆岩结构变化的模拟探测实验
①安装本装置的框体1:根据研究区煤层上覆岩层的柱状图，获取煤层的采深、采厚、工作面尺寸以及开采工艺，确定基于运动学的几何相似比例和充分采动条件，在此基础上，根据此相似比例，确定框体的尺寸。将地板、立柱、固定件、加固板以及万向轮，按照实施例中所述方法组装在一起，构成本装置的框体。
[0047]②安装移动轨道与侧板:根据万向轮的间距，将移动轨道的两个凹槽固定在地面上，并将5个亚克力侧板与框体固定相连，其中，前、后侧板选择有可开启窗口的结构，前、后可开启窗口对称分布，如图1O所示。
[0048]③构建相似材料模型:根据柱状图以及各层覆岩属性，根据几何相似、材料相似的原理，进行配料充填框体，形成相似材料模型，等稳定后，根据运动学相似原理，时间比例的数值为几何相似系数的开平方。结合工作面日平均开采速度，确定开挖的频率与尺寸。
[0049]④探地雷达探测实验:将探地雷达天线安置在开挖的相似材料模型平台上，进行多次重复探测，对雷达图像进行解译，提取雷达回波信号的响应特征，结合模型实际的垮落情况，建立二者之间的有关关系，定性或定量的分析岩层的破损程度，也可以根据某一特定层位(如底板)，获取地表以及各岩层的下沉量等数据。
[0050](2)地裂缝的模拟探测
本装置框体1、移动轨道2的安装与(I)中相同，地裂缝的模拟探测应安装分隔板，为开展复杂地裂缝的探测效果的研究，如图11所示，可如下不同操作:
①安装分割板:根据预定的模拟效果，确定分隔板的调节块个数、尺寸和厚度，将分隔板安装在框体的中间，此种做法为单一宽度的地裂缝。
[0051]②扩展试验装置:在进行多宽度地裂缝模拟探测时，可将左、右两块底板的连接去除，打开加固板的可伸缩结构，调节伸缩量，在此基础上，通过万向轮在移动轨道的移动，达到调节裂缝宽度的目的。此外，在模拟细小裂缝的探测研究时，可将分隔板去除，通过左、右底板相向移动，达到此目的。
[0052]探测工作与(I)相同，通过上述研究，可以模拟不同宽度的地裂缝的雷达信号响应特征，探讨地裂缝无损探测的可行性与效果。
[0053](3)复垦工程质量的模拟探测
复垦工程质量的表征在于覆土厚度、分层、管线埋设等领域监测，在本例中，需要安装前(后)侧板的备选装置，如图12所示，具体如下:
①安装备选装置:框体安装与(I)中相同，左、右侧板安装含有圆孔的侧板，前(后)侧板安装有备选结构的，将不同孔径的PVC管以及不锈钢管预埋在圆孔中，重上往下以表土、心土以及底土敷设，构成试验模型。
[0054]②雷达探测:探测方式与(I)中相同，可以进行不同材质的管线、不同属性土体对雷达回波信号的响应特征，形成经验公式和数据。
[0055]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的作出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:包括框体、固定件、侧板，所述侧板为透明板，呈上空的长方体状，侧板安置在框体内，不同方位的侧板之间以及侧板与框体间通过固定件相连，至少一组相对的侧板上设有窗口或孔。2.如权利要求1所述的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:所述框体包括底板和立柱;所述底板包括由两个尺寸相同的木板组成的可分离的左底板和右底板，所述底板的四角安装立柱，立柱通过三角铁固定在底板的边角上。3.如权利要求2所述的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:所述左底板和右底板前后侧边设有钻孔，通过螺栓使左底板和右底板铰接相连。4.如权利要求2所述的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:所述框体的上部和立柱的中部均通过固定件安装有加固板。5.如权利要求4所述的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:所述加固板为木条组成的圈状结构;加固板通过螺栓调节伸缩长度。6.如权利要求2所述的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:所述装置还包括由两个平行的凹槽组成的固定在地面上的移动轨道;所述左底板和右底板下部分别安装有万向轮，所述万向轮呈两行、平行分布;两凹槽中心线的间距等于两行平行万向轮间的距离。7.如权利要求6所述的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:所述凹槽的材质为探地雷达回波信号响应的非敏感材料，凹槽的强度能够支撑框体及其所含土体的重量。8.如权利要求1所述的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:所述前、后侧板的中下部分设有可开启的窗口。9.如权利要求1所述的煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:所述前、后侧板的底部有不同孔径的作为模拟地埋管探测时管线的安放入口的圆孔，所述圆孔呈对称分布;所述左、右侧板上分布有间距相同的作为水分探测仪探针的入口的圆孔。10.—种煤矿区采动损害与修复的模拟探测试验装置，其特征在于:包括框体、固定件、侧板，所述侧板为透明板，呈上空的长方体状，侧板安置在框体内，不同方位的侧板之间以及侧板与框体间通过固定件相连，所述装置还包括与前、后两个侧板相连的用以模拟地裂缝的分隔板，所述分隔板由至少一节木板组成，每节木板包括上调节块、下调节块和转轴，上调节块与下调节块铰接相连，并通过转轴与前、后侧板相连。
【文档编号】G01V3/12GK106094042SQ201610387012
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月2日 公开号201610387012.3, CN 106094042 A, CN 106094042A, CN 201610387012, CN-A-106094042, CN106094042 A, CN106094042A, CN201610387012, CN201610387012.3
【发明人】王新静, 胡青峰, 徐海军, 郭贵海, 何培培, 李慧
【申请人】华北水利水电大学