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1、.专业整理.变形与沉陷工程学实验指导书编写：XXXX学院实验一：采煤沉陷区调研实验目的：了解开采沉陷区的现状，加深对开采沉陷的认识。实验内容：通过视频录像或实地考察的方式参观开采沉陷区东西方向倾斜东西方向曲率 东西方向水平变形东西方向水平移动南北方向倾斜 南北方向曲率南北方向水平移动下沉实验二：相似材料模拟实验的认识实验目的：认识相似材料模拟实验的步骤、作用和意义实验内容：1学习相似材料模拟的基本原理相似材料模拟实验属于物理模拟实验，该实验用于模拟岩层移动最早开始于苏联，五十年代引入我国。该实验根据相似性原理把岩层原型按照一定比例缩小利用相似材料做成模型。对模型中的煤层按照时间比例开采，通过变
2、形监测手段获取模型上目标点的位移量，然后将其换算为实际值，通过分析该值的变化规律来分析地表和岩层移动机理。要使模型系统和原型系统相似，主要体现在以下三类相似2：(1) 几何相似几何相似要求模型与原型的几何形状相似，即要求二者的长、宽、高保持一定比例，即： al 模型比例尺l- 模型的长度L-原型的长度 作为开采沉陷的相似材料模拟，模型比例尺一般取1/100至1/200。(2) 运动学相似运动学相似要求模型与原型中各个对应点运动相似，运动时间保持一定比例，即： at时间比例l- 模型中各个对应点完成相似运动所需的时间L- 原型中各点完成相似运动所需时间时间比例尺和几何比例尺的近似关系如下： (3
3、) 动力学相似动力学相似要求模型与原型间所有作用力都保持相似，即满足如下条件： RM- 相似材料模型的力学性质RH- 原型的力学性质rM- 相似材料模型的重度rH- 原型的重度lM- 相似材料模型的几何因子lH- 原型的几何因子2学习相似材料模拟实验的基本步骤第一步，设计相似材料模型的比例和力学参数第二步，计算相似材料的配比和用量第三步，相似材料模型的制造第四步，相似材料模型的模拟开挖和观测第五步，分析实验数据获得开采沉陷规律3了解相似材料模拟实验观测设备的使用相似材料模型在模拟开采的过程中要发生形变，该形变和实际矿山开采的岩层移动有区别也有联系。区别是模型形变是细微的形变，常规的测量仪器不能
4、满足其高精度的测量需求；其次模型发生形变的时间间隔较短，观测周期短。联系是模型形变和实地的岩层移动具有相似性，模型上点位移的距离和所花时间与实地的岩层移动成比例。相似材料模型变形观测和实地的观测站作用相同，都是通过测得变形值，并找到变形与井下开采的关系来研究岩层地表移动规律。相似材料模型形变观测是本实验非常重要的环节，准确高精度变形数据的获取是实验成功的关键。3.1 常规相似材料模型观测方法介绍观测设备和观测技术的好坏直接确定了试验数据的质量，观测设备的选取和相关观测技术受到了大量的研究。就相似材料模型形变观测技术发展历史来看，先有灯光透镜法、小钢尺法等；后有经纬仪法、全站仪法；再有摄影测量法
5、，有的还把三维激光扫描技术用到模型观测中，下面对上述方法进行逐一分析：灯光透镜法：该方法将小灯泡附着在模型表面，灯泡和幕之间安装一个放大镜，通过放大镜将发光的灯丝投影在幕上，见图2-1。该方法通过将位移放大后投影在坐标格网纸上来读取值，可以测得水平和竖直两个方向的位移。由于该种方法受到小灯泡质量、投影光斑大小等因素影响，当小灯泡损坏需要更换时往往会移动灯泡在模型上的固定点，观测效果受到人为因素影响较大。图2-1 灯光透镜法示意图模型点位移的计算方法见下式。 式中F为透镜焦距，为放大系数，a为模型观测点位移。小钢尺法：该方法把大头钉钉在模型里，大头钉头部悬挂小钢尺，通过读取小钢尺错动的距离来观测
6、形变，该方法只能测定一个方向的位移。也有人将经纬仪和全站仪等常规的测量仪器用于模型测量方面53-55，该种方法可以逐点观测模型点的位移，但在模型上目标点数太多的情况下，工作量太大，有局限性。三维激光扫描技术用于相似材料模型观测时，单点观测精度不高，而且数据处理复杂。利用常规摄影测量法观测相似材料模型形变和前面的逐点观测方法相比具有非接触性，自动化高等优点，但精度有待提高。3.2 观测设备的选取为了获取优质的实验数据，本文采用XJTUDP工业摄影测量系统来观测相似材料模型形变。该方法不需要设置固定的测站，观测人员站在模型周围从不同角度随机拍照即可，基于数码照片运用光束法平差算法可获得观测点的高精
7、度三维坐标，观测设备见图2-2。图2-2 XJTUDP系统组成该观测系统由计算机、标尺、编码点、非编码点，单反相机等部件组成，单点观测坐标精度能达到1/70000 到 1/150000, 换句话说，如果观测1m长的工件，误差会小于0.01mm。3.3 观测方法及数据获取当在模型表面上布置好非编码点、编码点以及在模型旁安装好标尺、温度计等设施后，便可以用单反相机进行观测了，模型上观测点布置示意图见图2-3。 图2-3 模型观测布点图 图2-4 相机位置示意图观测模型时，测量人员站在模型四周随机拍照，获得一系列数码照片，相机位置和模型观测点位置关系见图2-4。将数码照片读入坐标解算系统进行解算便可
8、以获得：（点号，X，Y，Z）格式的三维坐标，坐标解算软件界面见图2-5。图2-5 XJTUDP坐标解算系统实验三：地表沉陷的可视化表达实验目的：掌握开采沉陷图件的绘制方法实验内容： 1根据观测数据绘制：下沉，倾斜，曲率，水平移动，和水平变形曲线。观测数据经过整理改正后，便可计算观测线上各测点和各测点间的移动和变形。移动和变形计算主要包括：下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形的计算；观测点下沉速度的计算；各测点横向水平移动的计算。（1）第m次观测n点的下沉，mm式中，Wn地表第n点的下沉； Un地表第n点的水平移动； Hn0、Hnm分别为首次和m次观测时n点的高程；（2）n号点的水平移动本次测量
9、对地表移动观测站所进行的观测全部是坐标观测。由于坐标观测成果确定的是点的空间位置，在求出方位角的前提下，可根据点的移动矢量确定沿任意方向的水平移动量。图3-1所示，在工作面ABCD走向主断面内布置R1R2观测线，其中点R1和R2为控制点。k为观测线上某一个观测点，由于地质采矿条件的复杂性，其受到开采影响后的位移矢量不一定严格沿着R1R2方向。设k为受到开采影响后的观测点，k点的位移矢量及其分量可以按下述方法进行计算。设k点受开采影响前的平面直角坐标为k(x1，y1),受开采影响后该点的平面直角坐标变为k(x2, y2)，则k k的距离S为：两点的方位角为：同理，设R1和R2的平面直角坐标分别为
10、R1(x3,y3)，R2 (x4,y4)，则矢量R1R2的方位角为：上述方位角的计算均假定其位于第I象限，其余情况可参考相关资料计算。于是，位移矢量kk与测线R1R2方向的夹角为：设位移矢量S沿主断面观测线方向的分量为S1，沿垂直于主断面观测线方向的分量为S2，则按照上述方法对所计算的位移S分解后，不但能得到观测线方向上的位移，而且能得到横向位移。（3）相邻两点间的倾斜式中，im-n地表m、n两点的倾斜变形mm/m； Ln-m地表m、n两点的水平距离，m； Wm、Wn地表m、n点的下沉值，mm。（4）相邻两点间的曲率式中，Km-n-p线段m-n和线段n-p的平均曲率，mm/m2；im-n、in-p地表m-n和n-p点间的平均倾斜值，mm/m； Ln-m、Ln-p地表m-n和n-p点间的水平距离，m。 （5）相邻两点的水平变形式中，m-n地表m、n点间的水平变形，mm/m； un、um分别为地表m、n点的水平移动，mm； lm-n地表m、n点间的水平距离，m。2根据地表形变预计数据，绘制地表变形等值线以下沉等值线为例： .学习帮手.
