一種采動覆巖離層異速生長試驗監(jiān)測系統(tǒng)及分析方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于礦山開采安全監(jiān)測技術領域，涉及一種新的采動覆巖離層發(fā)展過程的 分析方法，特別是一種基于數(shù)字散斑技術的采動覆巖離層異速生長相似材料模擬實驗的分 析方法。
【背景技術】
[0002] 我國地大物博，資源豐富多樣化，其中能源資源存在著煤炭資源豐富，石油、天然 氣資源相對較少的特點。隨著經濟的迅速發(fā)展，人們對能源的需求量日益增多，雖然科技的 發(fā)達產生了一些新型能源，但是煤炭資源的需求仍然占據(jù)著主導地位。大量的需求致使人 們過渡開采煤炭，從而致使了大面積的地層沉陷。我國沉陷區(qū)累計已達近12000Km2,累計經 濟損失已超過600億元，隨著我國煤炭產業(yè)及煤炭產量的不斷增長，開采區(qū)塌陷面積還會 不斷增加。
[0003] 對開采沉陷損害控制及防治進行研究，有利于我國煤炭產業(yè)的發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的 穩(wěn)定、社會生活的安定。礦山開采沉陷理論中離層是影響的關鍵因素，覆巖離層產生的尺寸 的大小、空間位置、發(fā)育規(guī)律等因素都會對開采沉陷的發(fā)生規(guī)律產生一定的影響，所以對采 動覆巖離層產生規(guī)律的研究能夠更進一步的完善開采沉陷理論，從而更有效的控制開采沉 陷所造成的損害。
[0004]目前，國內學者利用理論分析、物理實驗、數(shù)值模擬等方法對覆巖離層進行了大量 的研究，對于離層的產生條件、發(fā)育特征、分布范圍、離層的影響因素和離層大小的判別等 方面取得了豐碩的成果。但是，對于離層發(fā)展的復雜性、非線性時空規(guī)律，特別是單條離層 不同發(fā)展階段的微宏觀力學規(guī)律和不同發(fā)展階段的速率規(guī)律，不同層位離層發(fā)展的差異性 研究不足；對離層的跨尺度特征認識、異速發(fā)展特征研究、定量化描述、力學行為確定、動 態(tài)演化過程反演，特別是考慮采動覆巖離層異速生長等諸多問題更是沒有很好的研究和解 決，因此，本發(fā)明基于相似材料模擬方案在實驗室再現(xiàn)采動覆巖離層發(fā)展的全過程，并應用 先進的數(shù)字散斑技術對離層的動態(tài)演化進行了全面監(jiān)測，為采動覆巖離層的異速生長理論 提供一種新的研究方法。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有采動覆巖離層相似材料模擬實驗中的不足，基于白光 數(shù)字散斑相關技術，提出一種離層異速生長的實驗分析方法，改進采動覆巖離層發(fā)展過程 中離層變化的人工捕捉困難問題以及監(jiān)測精度問題，解決采動覆巖離層動態(tài)發(fā)展過程難于 定量描述的問題，為采動覆巖離層的研究提供更科學有效的研究方法。
[0006] 本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：
[0007] 本發(fā)明提供一種采動覆巖離層異速生長試驗監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括實驗終端、監(jiān) 測終端（數(shù)據(jù)采集前端）和處理終端；所述實驗終端包括實驗臺和實驗模型；所述監(jiān)測終 端包括高速相機、工業(yè)相機、支架、白光光源和刻度尺；所述處理終端包括圖像采集卡、計算 機和移動硬盤。
[0008] 實驗模型固定于實驗臺上，高速相機和工業(yè)相機通過支架固定在實驗模型前方， 高速相機依次連接圖像采集卡I和計算機I，工業(yè)相機依次連接圖像采集卡II、計算機II 和移動硬盤；白光光源設置于實驗模型前方；刻度尺設置于實驗模型的表面，位于高速相 機和工業(yè)相機的視野內。
[0009] 所述白光光源數(shù)量至少1個。
[0010] -種基于上述采動覆巖離層異速生長試驗監(jiān)測系統(tǒng)的分析方法，步驟為：
[0011] (1)實驗終端對煤層開挖的模擬：用與礦山、煤層相似的材料制成實驗臺與實驗 模型，并模擬礦山、煤層開挖的整個過程；
[0012] (2)監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)的采集：通過高速相機和工業(yè)相機采集實驗終端的離層照片 信息，利用數(shù)字散斑技術對散斑進行拍照攝影，并將采集到的照片信息通過數(shù)據(jù)傳輸線路 傳送到處理終端；
[0013] (3)處理終端對數(shù)據(jù)的處理與分析：計算機利用DSCM(白光數(shù)字散斑相關方法） 軟件對拍攝到的散斑圖像進行運算，根據(jù)圖像在變形前后的散斑灰度特征變化，在圖像上 建立起前后的變形對應關系得到變形信息，得到采動覆巖離層的切應變變化云圖以及相關 系數(shù)，根據(jù)材料的應力應變關系得到應力的變化情況；引入異速生長理論，定義相關的異速 增長系數(shù)a，計算得出a值，并根據(jù)a值判定某一層位離層在某時刻的生長狀態(tài)。
[0014] 試驗開始前，利用時間自動同步器進行兩臺計算機的時間校準，保證采集數(shù)據(jù)的 同步性。
[0015] 步驟（2)中，為避免由于高速相機和工業(yè)相機的偏移而給數(shù)字散斑相關計算帶來 麻煩，通過計算機控制高速相機和工業(yè)相機的開關。
[0016] 步驟（2)中，用刻度尺對實驗模型進行標定，刻度尺緊貼實驗模型表面設置，并拍 攝一幅刻度尺的圖像，根據(jù)圖像中刻度尺長度和像素數(shù)的對應關系，得出像素和長度單位 的換算關系。
[0017] 步驟⑵中，試驗初期的相機拍照速度為0. 5-1. 5秒/張，試驗中后期的相機拍照 速度為4-6秒/張。
[0018] 步驟（3)中，在用數(shù)字散斑相關方法測量模型的變形時，先在模型變形發(fā)生前后 分別拍攝兩張散斑圖，用灰度函數(shù)表示如下：
[0019] 變形前：{F} = {F(x，y)，X= 1，? ? ?，M，y= 1，? ? ?，N}
[0020] 變形后：{G}={G(X，y)，X= 1，? ? ?，M，y= 1，? ? ?，N}
[0021] 式中：MXN為散斑場的大小，單位為象素；
[0022]從模型變形前的散斑圖中選取一個小區(qū)域，并在變形后的散斑圖中搜索與之匹配 的粒子結構，得到該區(qū)域的位移和變形信息，涉及的相關系數(shù)C的計算公式為：
[0024] 式中：{f} = {f(x，y)，X= 1，? ? ?i，y= 1，? ? ?，j}和{g} = {g(x，y)，X= 1，? ? ?i，y =1，. . .，j}為兩個小區(qū)域的樣本圖像的灰度函數(shù)；/,分別為f(X，y)，g(x,y)的平均 項。
[0029] 式中：u為X方向的位移分量，V為y方向的位移分量，e.為X方向的應變張量， ey方向的應變張量，Txy為xy平面的切應變；
[0030] 離層發(fā)展呈現(xiàn)出異速生長模式，速度V的計算公式為：
[0032] 式中：P為曲線的擬合系數(shù)，X為梁的柔度特征值，W_為彈性地基梁的最大下沉 值，P'為巖梁上覆土體自重荷載，E' 1'為巖梁的抗彎剛度，d為巖梁的邊界長度，X為計 算點距梁中點的水平距離，t為開挖對應的時間。
[0033] 異速生長關系判定的公式為：
值為常數(shù);WtS離層下位巖層的下沉撓度，1±為離層上位巖層的下沉撓度。
[0036] 根據(jù)計算得到的常數(shù)a即為異速增長系數(shù)，其反應的是下位巖層的相對增長率 與上位巖層的相對增長率的比率，根據(jù)a值得大小可以判定：
[0037] (1)當a >1時，表現(xiàn)為正異速生長結果，下位巖層的下沉速率大于上位巖層的下 沉速率，離層處于起裂、發(fā)展階段；
[0038] (2)當a= 1時，表現(xiàn)為同速生長結果，下位巖層的下沉速率等于上位巖層的下沉 速率，此時離層發(fā)展到最大；
[0039] (3)當a〈1時，表現(xiàn)為負異速生長結果，下位巖層的下沉速率小于上位巖層的下 沉速率，離層處于閉合階段。
[0040] 本發(fā)明的實驗終端用與礦山、煤層相似的材料制成實驗臺與實驗模型，最大限度 模擬礦山、煤層開挖的整個過程，最接近實際的開采過程，因此對實際開采工作具有重要的 指導意義。
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