CT扫描相似材料模拟试验台的制作方法

本发明属于采矿及岩土工程相似材料模拟试验研究领域，具体涉及一种CT扫描相似材料模拟试验台。

背景技术：

煤矿行业生产过程中，采场覆岩移动与变形规律可为采场支护以及瓦斯、火等矿山灾害防治提供理论指导，对于煤层安全高效的回采具有重要意义。相似材料模拟是采矿和岩土工程研究采场覆岩移动与变形规律的重要研究手段。但现有的相似材料模拟试验台，大多都是是二维平面形式，仅能展现某个剖面内的覆岩运动破坏特征，且由于存在模型的边界效应，导致试验现象和数据同实际情况误差较大。少数的三维相似模拟试验台的操作过程面临诸多难题，首先是三维模型在模拟煤层工作面推采时开挖困难，对于常见的厚煤层分层开采，更不易模拟。最为棘手的难点在于，传统的三维相似模拟试验台无法观测模型内部岩体的移动和变形特征，进而无法对深入了解和整体把握采场覆岩的运动形态。

本发明致力于研发一种CT扫描相似材料模拟试验台，解决现有的相似材料模拟试验台存在的诸多不足，实现对煤层回采过程的科学模拟和对覆岩空间移动变形特征的准确观测。

技术实现要素：

本发明公开一种CT扫描相似材料模拟试验台，利用CT扫描技术，能够获取模拟开采过程中采场覆岩移动和变形的剖面形态，并结合CT图像三维重建技术，实现覆岩空间形态三维图像的输出。同时，本发明采用电热丝加热熔化石蜡颗粒材料的方式，可实现对三维相似模型开挖的方便、快捷。

本发明采用的技术方案包括：

一种CT扫描相似材料模拟试验台，其特征在于，包括控制和数据处理系统、试验箱体、扫描系统、电热开挖系统。

所述控制和数据处理系统通过计算机程序控制CT扫描相似材料模拟试验过程中的图像扫描，同时，控制和数据处理系统通过CT三维重建技术形成并输出采场覆岩三维空间形态的图像。

所述试验箱体为一立方体空间，底部有四根支柱，后面为一金属挡板，前、左、右四面均为条形有机玻璃挡板通过螺丝拼接而成。

所述扫描系统包括扫描架和底轮，扫描架为一方形支架，正面环绕试验箱体，其功能在于实现对试验箱体内部的煤岩体进行扫描，得到煤岩体的竖向剖面图像。所述底轮受计算机控制，安设扫描架底部，可在试验箱体前后支柱之间的导轨上滑行，以此带动扫描架前后移动，实现在不同位置处的扫描，进而获得不同位置处的剖面图像。

所述电热开挖系统包括控制器、电热网、石蜡颗粒材料、排液管。所述电热网为多条平行的电热丝，铺设于煤层相似材料开挖的平面区域内，每组电热丝均应平行于模拟工作面。形成多组平行的回路，利用控制器控制电热网中各回路电热丝对石蜡颗粒材料进行加热，使其熔化，由此模拟煤层的开挖。所述石蜡颗粒材料成分为半精炼石蜡，具有熔点低、无毒、加热易熔化的性质，用于模拟煤层材料。所述排液管为两根塑料细管，其管壁排列布置多个圆孔。排液管分别铺设于煤层相似材料开挖的平面区域两端，并留一端头于试验箱体外侧。模型开挖过程中，石蜡颗粒材料熔化后产生的液体可通过排液管排出试验箱体。

一种CT扫描相似材料模拟试验台，其特征在于试验台的操作包括以下步骤：

步骤1、相似模型制作

根据相似模拟理论制定相似比，由此设计各煤岩层的力学参数，并进行煤岩体相似材料的配制，之后按照实际地层层序，在试验箱体底板上铺设模型，并随铺设进行，逐层安装拼接前、左、右三面的有机玻璃挡板，同时注意在安装拼接前面挡板时，煤层部分预留出煤层模拟开挖的槽口。注意在煤层相似材料铺设时，非开挖区域铺设常规的相似材料，开挖区域铺设石蜡颗粒材料作为煤层模拟材料，需将电热网水平铺设于开挖区域铺设的石蜡颗粒材料中。设每组电热丝的加热熔化半径为r，则为了确保能够完全和均匀的熔化整个拟开挖区域，各电热丝的间距应为2r。

步骤2、模型开挖

根据工作面开采实际速度，结合相似理论中的时间相似比，换算出模型每次开挖的进尺m，则每次应当启动组电热丝进行加热开挖，煤层相似材料熔化产生的液体和蒸汽由排液管上的圆孔进入排液管，进而通过排液管排出试验箱体外。

需要说明的是，本试验台可以进行厚煤层分层开采的相似模拟，此时需要在各分层中分别铺设电热网，开挖时逐层进行电加热，由此实现分层模拟开挖。

步骤3、CT扫描

煤层工作面推采至某一位置时，结合三维重建技术所要求的精度，选择导轨上的若干个位置作为扫描点。控制底轮牵引扫描架，在既定位置处对相似模型进行扫描，得到煤岩层的多个竖向剖面图像。

步骤4、三维重建

通过控制和数据处理系统中的三维重建软件，将步骤3中所得到的多张覆岩形态剖面图像进行三维重建，工作面周边的覆岩形态空间图像，进而实现对覆岩移动和破坏的全面、深入的分析，为矿井安全开采提供指导。

本发明所带来的有益成果如下：

本发明所研发的CT扫描相似材料模拟试验台，采用CT扫描技术，得到了采场周边各位置岩体变形和破坏剖面图像，同时结合三维重建技术，能够构建覆岩变形破坏的三维立体形态，便于对煤层开采过程中覆岩运移和破坏特征的研究。同时，该试验台采用电热丝加石蜡颗粒材料的方式代替了传统相似模拟实验的人工开挖，并可以通过铺设多层电热网逐层加热的方式，实现厚煤层分层开采的有效模拟，节省人力，可操作性强。总体来看，本试验台可以科学、有效地模拟煤层开采过程中采场覆岩的移动和变形规律，并且能够实现对采场覆岩的空间形态特征的有效观测，进而可以更为深入和全面的掌握采动覆岩的移动和变形规律，为采场支护和矿山灾害防治提供指导，有利于煤矿行业的安全生产。

附图说明

图1为CT扫描相似材料模拟试验台

图2为电热网铺设平面示意图

附图标记说明：

图中：1、计算机，2、试验箱体，3、支柱，4、扫描架，5、底轮，6、导轨，7、排液管，8、控制器，9、开挖槽口，10、电热丝。

具体实施方式

本发明提供了一种CT扫描相似材料模拟试验台，下面通过附图和实施例，以某矿3煤层开采为工程背景，模拟研究该煤层开采过程中的覆岩移动、变形的空间形态。对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

首先对本发明所包括的试验硬件作如下说明：

结合图1所示，CT扫描相似材料模拟试验台，包括：

一种CT扫描相似材料模拟试验台，其特征在于，包括控制和数据处理系统、试验箱体、扫描系统、电热开挖系统。

所述控制和数据处理系统通过计算机1控制CT扫描相似材料模拟试验过程中的扫描过程，同时，控制和数据处理系统通过CT三维重建技术形成并输出采场覆岩三维空间形态的图像。

所述试验箱体为一立方体空间，底部有四根支柱3，后面为一金属挡板，前、左、右四面均为条形有机玻璃挡板通过螺丝拼接而成。

所述扫描系统包括扫描架4和底轮5，扫描架4为一方形支架，正面环绕试验箱体2，其功能在于实现对试验箱体内部的煤岩体模型进行扫描，得到煤岩体的竖向剖面形态。所述底轮5受计算机1控制，安设扫描架4底部，可在试验箱体2前后支柱之间的导轨6上滑行，以此带动扫描架4前后移动，实现在不同位置处的扫描，进而获得不同位置处的剖面图像。

所述电热开挖系统包括排液管7、控制器8、电热网、石蜡颗粒材料。所述石蜡颗粒材料成分为半精炼石蜡，具有熔点低、无毒、加热易熔化的性质，用于模拟煤层材料。所述电热网由多条平行铺设的电热丝10组成，铺设于煤层相似材料开挖的平面区域内，每组电热丝应注意平行于模拟工作面。形成多组平行的回路，利用控制器8控制电热网中各回路电热丝对石蜡颗粒材料进行加热，使其熔化，由此模拟煤层的开挖。所述排液管7为两根塑料细管，其管壁排列布置多个圆孔。排液管7分别铺设于煤层相似材料开挖的平面区域两端，并留一端头于试验箱体2外侧。模型开挖过程中，石蜡颗粒材料熔化后产生的液体可通过排液管7排出试验箱体2。

一种CT扫描相似材料模拟试验台，其特征在于试验台的操作包括以下步骤：

步骤1、相似模型制作

根据煤层实际地层条件，进行钻孔采样，测试出煤岩层力学性质参数，制定相似比，由此设计各煤岩层的力学参数，并进行煤岩体相似材料的配制，模型煤岩层用料配比及铺设层次如表1所示。对于3煤层，非开挖区域采用表1中对应的配方所配制得到的相似材料。开挖区域，则采用石蜡颗粒材料。

表1模型岩层用料配比及铺设层次

相似材料配制完成后，按照实际地层层序，在试验箱体2底板上铺设模型，并随铺设进行，逐层安装拼接前、左、右三面的有机玻璃条形挡板，在煤层相似材料铺设时，将电热网水平铺设于煤层中，每组电热丝10应注意平行于煤层工作面。同时注意在安装拼接前面挡板时，煤层部分预留出煤层模拟开挖槽口9。

步骤2、模型开挖

按照煤层实际推采速度和时间相似比，利用控制器依次启动电热网中的各组电热丝10，按照煤层回采的方向对煤层相似材料加热，首先应注意按照工作面回采方向依次启动各组电热丝进行加热，依据煤层实际推采速度和时间相似比，推算出模型工作面每次的开挖进尺为6cm，且已知每组电热丝的熔化半径为1cm的煤层相似材料，则每次应当启动组电热丝10加热熔化石蜡颗粒材料，煤层相似材料熔化产生的液体和蒸汽由排液管7上圆孔进入排液管7，进而通过排液管7排出试验箱体2外，并注意在熔化完全后关闭相应的电热丝。

步骤3、CT扫描

当模拟工作面推采150cm时，决定对工作面覆岩移动、变形的空间形态进行扫描，根据三维重建要求的精度，将相似模型在长度方向上均分出300个节点，进而利用控制器8控制底轮5牵引扫描架4，在各节点处进行扫描，得到模型内煤岩层的多个竖向剖面图像。

步骤4、三维重建

通过控制和数据处理系统中的三维重建软件，将步骤三中所得到的多张覆岩形态剖面图像进行特征点检测与匹配，并计算基础矩阵，获取三维点云图，最终得到工作面周边的覆岩形态三维图像。通过覆岩和裂隙的三维图像，结合相关理论，对煤层开采过程中的巷道支护工艺提供依据，并可对瓦斯等矿山灾害防治提供指导。