一种采动覆岩离层异速生长试验监测系统及分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于矿山开采安全监测技术领域，涉及一种新的采动覆岩离层发展过程的 分析方法，特别是一种基于数字散斑技术的采动覆岩离层异速生长相似材料模拟实验的分 析方法。
【背景技术】
[0002] 我国地大物博，资源丰富多样化，其中能源资源存在着煤炭资源丰富，石油、天然 气资源相对较少的特点。随着经济的迅速发展，人们对能源的需求量日益增多，虽然科技的 发达产生了一些新型能源，但是煤炭资源的需求仍然占据着主导地位。大量的需求致使人 们过渡开采煤炭，从而致使了大面积的地层沉陷。我国沉陷区累计已达近12000Km2,累计经 济损失已超过600亿元，随着我国煤炭产业及煤炭产量的不断增长，开采区塌陷面积还会 不断增加。
[0003] 对开采沉陷损害控制及防治进行研究，有利于我国煤炭产业的发展、生态环境的 稳定、社会生活的安定。矿山开采沉陷理论中离层是影响的关键因素，覆岩离层产生的尺寸 的大小、空间位置、发育规律等因素都会对开采沉陷的发生规律产生一定的影响，所以对采 动覆岩离层产生规律的研究能够更进一步的完善开采沉陷理论，从而更有效的控制开采沉 陷所造成的损害。
[0004]目前，国内学者利用理论分析、物理实验、数值模拟等方法对覆岩离层进行了大量 的研究，对于离层的产生条件、发育特征、分布范围、离层的影响因素和离层大小的判别等 方面取得了丰硕的成果。但是，对于离层发展的复杂性、非线性时空规律，特别是单条离层 不同发展阶段的微宏观力学规律和不同发展阶段的速率规律，不同层位离层发展的差异性 研究不足；对离层的跨尺度特征认识、异速发展特征研究、定量化描述、力学行为确定、动 态演化过程反演，特别是考虑采动覆岩离层异速生长等诸多问题更是没有很好的研究和解 决，因此，本发明基于相似材料模拟方案在实验室再现采动覆岩离层发展的全过程，并应用 先进的数字散斑技术对离层的动态演化进行了全面监测，为采动覆岩离层的异速生长理论 提供一种新的研究方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有采动覆岩离层相似材料模拟实验中的不足，基于白光 数字散斑相关技术，提出一种离层异速生长的实验分析方法，改进采动覆岩离层发展过程 中离层变化的人工捕捉困难问题以及监测精度问题，解决采动覆岩离层动态发展过程难于 定量描述的问题，为采动覆岩离层的研究提供更科学有效的研究方法。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现：
[0007] 本发明提供一种采动覆岩离层异速生长试验监测系统，该系统包括实验终端、监 测终端（数据采集前端）和处理终端；所述实验终端包括实验台和实验模型；所述监测终 端包括高速相机、工业相机、支架、白光光源和刻度尺；所述处理终端包括图像采集卡、计算 机和移动硬盘。
[0008] 实验模型固定于实验台上，高速相机和工业相机通过支架固定在实验模型前方， 高速相机依次连接图像采集卡I和计算机I，工业相机依次连接图像采集卡II、计算机II 和移动硬盘；白光光源设置于实验模型前方；刻度尺设置于实验模型的表面，位于高速相 机和工业相机的视野内。
[0009] 所述白光光源数量至少1个。
[0010] -种基于上述采动覆岩离层异速生长试验监测系统的分析方法，步骤为：
[0011] (1)实验终端对煤层开挖的模拟：用与矿山、煤层相似的材料制成实验台与实验 模型，并模拟矿山、煤层开挖的整个过程；
[0012] (2)监测终端对数据的采集：通过高速相机和工业相机采集实验终端的离层照片 信息，利用数字散斑技术对散斑进行拍照摄影，并将采集到的照片信息通过数据传输线路 传送到处理终端；
[0013] (3)处理终端对数据的处理与分析：计算机利用DSCM(白光数字散斑相关方法） 软件对拍摄到的散斑图像进行运算，根据图像在变形前后的散斑灰度特征变化，在图像上 建立起前后的变形对应关系得到变形信息，得到采动覆岩离层的切应变变化云图以及相关 系数，根据材料的应力应变关系得到应力的变化情况；引入异速生长理论，定义相关的异速 增长系数a，计算得出a值，并根据a值判定某一层位离层在某时刻的生长状态。
[0014] 试验开始前，利用时间自动同步器进行两台计算机的时间校准，保证采集数据的 同步性。
[0015] 步骤（2)中，为避免由于高速相机和工业相机的偏移而给数字散斑相关计算带来 麻烦，通过计算机控制高速相机和工业相机的开关。
[0016] 步骤（2)中，用刻度尺对实验模型进行标定，刻度尺紧贴实验模型表面设置，并拍 摄一幅刻度尺的图像，根据图像中刻度尺长度和像素数的对应关系，得出像素和长度单位 的换算关系。
[0017] 步骤⑵中，试验初期的相机拍照速度为0. 5-1. 5秒/张，试验中后期的相机拍照 速度为4-6秒/张。
[0018] 步骤（3)中，在用数字散斑相关方法测量模型的变形时，先在模型变形发生前后 分别拍摄两张散斑图，用灰度函数表示如下：
[0019] 变形前：{F} = {F(x，y)，X= 1，? ? ?，M，y= 1，? ? ?，N}
[0020] 变形后：{G}={G(X，y)，X= 1，? ? ?，M，y= 1，? ? ?，N}
[0021] 式中：MXN为散斑场的大小，单位为象素；
[0022]从模型变形前的散斑图中选取一个小区域，并在变形后的散斑图中搜索与之匹配 的粒子结构，得到该区域的位移和变形信息，涉及的相关系数C的计算公式为：
[0024] 式中：{f} = {f(x，y)，X= 1，? ? ?i，y= 1，? ? ?，j}和{g} = {g(x，y)，X= 1，? ? ?i，y =1，. . .，j}为两个小区域的样本图像的灰度函数；/,分别为f(X，y)，g(x,y)的平均 项。
[0029] 式中：u为X方向的位移分量，V为y方向的位移分量，e.为X方向的应变张量， ey方向的应变张量，Txy为xy平面的切应变；
[0030] 离层发展呈现出异速生长模式，速度V的计算公式为：
[0032] 式中：P为曲线的拟合系数，X为梁的柔度特征值，W_为弹性地基梁的最大下沉 值，P'为岩梁上覆土体自重荷载，E' 1'为岩梁的抗弯刚度，d为岩梁的边界长度，X为计 算点距梁中点的水平距离，t为开挖对应的时间。
[0033] 异速生长关系判定的公式为：
值为常数;WtS离层下位岩层的下沉挠度，1±为离层上位岩层的下沉挠度。
[0036] 根据计算得到的常数a即为异速增长系数，其反应的是下位岩层的相对增长率 与上位岩层的相对增长率的比率，根据a值得大小可以判定：
[0037] (1)当a >1时，表现为正异速生长结果，下位岩层的下沉速率大于上位岩层的下 沉速率，离层处于起裂、发展阶段；
[0038] (2)当a= 1时，表现为同速生长结果，下位岩层的下沉速率等于上位岩层的下沉 速率，此时离层发展到最大；
[0039] (3)当a〈1时，表现为负异速生长结果，下位岩层的下沉速率小于上位岩层的下 沉速率，离层处于闭合阶段。
[0040] 本发明的实验终端用与矿山、煤层相似的材料制成实验台与实验模型，最大限度 模拟矿山、煤层开挖的整个过程，最接近实际的开采过程，因此对实际开采工作具有重要的 指导意义。
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