本發(fā)明涉及一種用于煤礦相似模擬實驗的應(yīng)力位移連續(xù)測量方法。

背景技術(shù)：
相似模擬是在室內(nèi)采用單一的或多種材料混合的相似材料，根據(jù)相似原理制做成相似模型，模型是根據(jù)所模擬的原型來塑造的。在進行模擬實驗時，通常采用縮小比例或在某些特殊情況下放大比例來制作模型。通過對模型巖層應(yīng)力位移的觀測來認(rèn)識與判斷原型或?qū)嶓w上所發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象和巖層移動的變化規(guī)律，以便為采礦工程設(shè)計和施工方案的選擇提供依據(jù)。一般通過應(yīng)變片測量模型巖層應(yīng)力的大小,應(yīng)變片是通過測量模型巖層的應(yīng)變換算成應(yīng)力，從而達到測量目的。應(yīng)變片具有靈敏度高、操作簡單、使用方便、結(jié)構(gòu)受力后出現(xiàn)的微小變形能夠直接被反應(yīng)出來、測量結(jié)果可靠等優(yōu)點被廣泛使用。目前使用應(yīng)變片測模型巖層的應(yīng)變，主要是將應(yīng)變片貼合到基底上，然后將這些應(yīng)變片按一定間隔鋪設(shè)在模型巖層底部來測量應(yīng)力，但此方法測得的應(yīng)變值是一個個分散的應(yīng)變值，則換算成的應(yīng)力值也為一個個分散值，只可獲得鋪設(shè)應(yīng)變片處的模型巖層應(yīng)力，因此，用此方法獲得的一組應(yīng)力值并不能很好的顯示模型巖層在破斷前運動全過程中的應(yīng)力變化情況。目前實驗室測量模型巖層位移主要采用光學(xué)測量方法，在文章編號為1672-9315(2007)01-0035-04公開的“全站儀在開采沉陷三維相似模擬實驗中的應(yīng)用”介紹了全站儀在測量室內(nèi)開采沉陷的三維相似模擬地表以及巖層的移動變形過程。使用全站儀觀測模型巖層的位移是在測量前布置若干測點或測線，間隔一段時間對其進行一次測量，在模型鋪好、開挖過程中、開挖完成后分別測量若干組數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的處理來獲得模型巖層位移變化規(guī)律。人工布置測點在測點布置上就會產(chǎn)生人工誤差，同時也只能獲得測點處的位移變化值；其次，巖層的運動是一個連續(xù)變化的過程，采用全站儀間隔測量無法對模型巖層在破斷前運動全過程位移進行連續(xù)的監(jiān)測。因此，尋求一種可以連續(xù)觀測模型巖層在破斷前運動全過程的應(yīng)力與位移變化的方法，對我們改進相似模擬實驗的方便性及精確性會有很大的幫助。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于通過相似模擬實驗自動連續(xù)測量并記錄模型巖層在破斷前應(yīng)力與位移變化的全過程數(shù)據(jù)，其目的是提供一種用于煤礦相似模擬實驗的應(yīng)力位移連續(xù)測量方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于煤礦相似模擬實驗的應(yīng)力位移連續(xù)測量方法，所述方法是基于相似模擬實驗?zāi)Ｐ停⒃谙嗨颇M實驗載荷的作用下，自動連續(xù)測量并記錄模型巖層在破斷前的應(yīng)力與位移變化，實現(xiàn)相似模擬模型上覆巖層破斷前應(yīng)力與位移的全過程數(shù)據(jù)測量；所述方法是按下列步驟進行的：（一）測量單元的制作1）、根據(jù)上述相似模擬實驗?zāi)Ｐ椭兴伳Ｐ蛶r層的長度和寬度由塑料板制作相等尺寸的第一模板和第二模板；2）、以第一模板短邊的中心線為x軸，短邊邊緣中心處為原點，在第一模板的中心線位置均布若干個應(yīng)變片，并標(biāo)定記錄應(yīng)變片在模板的位置，以及對應(yīng)變片進行編號，再將應(yīng)變片的兩條引線與兩條導(dǎo)線相連并引出，然后由環(huán)氧樹脂覆蓋粘貼第二模板，構(gòu)成應(yīng)力與位移測量單元；（二）相似模擬實驗?zāi)Ｐ椭谱?）、相似模擬材料由石英砂、石灰、石膏和水配比而成，煤層底板、煤層、垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶分別用不同配比的相似模擬材料模擬；2）、煤層底板的配比是石英砂：石灰：石膏=9∶5∶5；煤層的配比是石英砂∶石灰∶石膏=9∶7∶3；垮落帶的配比是石英砂∶石灰∶石膏=9∶6∶4；裂隙帶的配比是石英砂∶石灰∶石膏=9∶5∶5；彎曲下沉帶的配比是石英砂∶石灰∶石膏=7∶5∶5；3）、根據(jù)材料的配比，稱量所需材料質(zhì)量，將材料攪拌均勻，由下到上依次鋪設(shè)煤層底板、煤層、垮落帶、第二測量單元、裂隙帶、第一測量單元和彎曲下沉帶，每一層相似材料鋪設(shè)后進行夯實，各層之間撒入厚度為2~4mm的云母粉，自然風(fēng)干；4）、將各組導(dǎo)線由相似模擬實驗平臺引出，并與電阻應(yīng)變儀及其計算機相連接；（三）模型巖層應(yīng)力與位移測量1）、在應(yīng)力與位移測量前，對相似模擬模型上覆巖層加載是由液壓千斤頂進行加載，同時打開電阻應(yīng)變儀與計算機，利用計算機將各個應(yīng)變片的應(yīng)變值調(diào)到0位置，利用計算機采集各種測量參數(shù)，并進行處理；2）、對相似模擬模型中的煤層進行開挖，同時對開挖過程中各組應(yīng)變片的應(yīng)變值進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，通過計算機的處理獲得整個開挖過程中模型巖層在破斷前的應(yīng)力和位移變化數(shù)據(jù)；開挖結(jié)束后，將所需的數(shù)據(jù)及圖像由計算機導(dǎo)出。實現(xiàn)上述一種用于煤礦相似模擬實驗的應(yīng)力位移連續(xù)測量的技術(shù)方案，首先是制作相似模擬實驗?zāi)Ｐ?，在相似模擬實驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，對相似材料模擬煤層進行開挖，在不斷開挖的過程中，相似模擬模型巖層在破斷前會彎曲下沉，形成類似為梁的彎曲變形，因此將模型巖層簡化為梁的結(jié)構(gòu)。針對相似模擬實驗所遵循的原理，對其提出四點假設(shè)：平面應(yīng)力問題、連續(xù)變形假設(shè)、小變形假設(shè)以及彈性變形假設(shè)，以建立起符合實驗?zāi)Ｐ鸵蟮耐茖?dǎo)公式。考慮到模型巖層在破斷前的變形規(guī)律及實驗?zāi)Ｐ偷倪吔缣卣?，將彎曲下沉帶和裂隙帶巖層簡化為均布荷載下的簡支梁模型，梁的彎曲變形近似為純彎曲變形，如圖5所示：AB為模型巖層的長度，其長為l，q為均布載荷。由材料力學(xué)中簡支梁的受力特征和平衡條件可知：梁的彎矩方程為：由撓曲線的近似微分方程：邊界條件：其撓度方程為：應(yīng)力方程為：假設(shè)梁的彎曲變形始終在彈性范圍內(nèi)，故由胡克定律可得：以上式中：E為彈性模量；I為梁橫截面對中性軸的慣性矩；W為梁的抗彎截面系數(shù)。因為E、I、W為常量，其取值與模型巖層相似材料種類及梁截面形狀大小有關(guān)，由③式可知某一點處的應(yīng)變值ε(x)與均布載荷q及其橫坐標(biāo)位置x有關(guān)，由所布置的應(yīng)變片測得的應(yīng)變值ε(x)及各個應(yīng)變片標(biāo)定的x值，通過式③可計算出多組均布載荷q1、q2、q3……qn，由于應(yīng)變片很靈敏，所測也是模型巖層在斷裂前的變形，可對上述值采用均方根來求等效載荷q；將④中所求得q值帶入①式和②式，則可求得平面內(nèi)任意點處的應(yīng)力和撓度（位移）值，實現(xiàn)模型巖層破斷前應(yīng)力與位移的全過程數(shù)據(jù)測量。本方法采用相似模擬模型的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，應(yīng)力與位移測量精確可靠，在相似模擬實驗過程中自動且連續(xù)測量及記錄模型巖層在破斷前應(yīng)力與位移變化全過程的數(shù)據(jù)，為煤礦設(shè)計開采施工提供了前期的理論依據(jù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方法采用的測量單元制作簡單，采用精度高的電阻應(yīng)變片，用膠將其按一定距離等間隔陣列粘貼于模板中心線上，均勻涂一層環(huán)氧樹脂后，再覆蓋一層模板即可制作成功，應(yīng)變片處在兩層模板之間，避免了與潮濕的相似模擬材料的直接接觸而影響其電阻值，可以使應(yīng)變片保持較高的測量精度，此測量單元制作好之后可以實現(xiàn)多次的重復(fù)利用，因而在相似模擬實驗中可以廣泛而方便地使用。本測量方法的優(yōu)點還在于將多個應(yīng)變片陣列布置在模板上，模板埋設(shè)在被測模型巖層底部，由于所選模板材料的特性，可以實現(xiàn)與上覆巖層的同步變形。應(yīng)變片通過導(dǎo)線與電阻應(yīng)變儀和計算機相連接，所以數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理都是與巖層運動同步進行，通過編程將上述推理計算過程編成軟件程序，將應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力及位移值，因而可以對整層模型巖層在發(fā)生破斷變形前其內(nèi)部應(yīng)力及位移變化的全過程進行測量。附圖說明圖1是本發(fā)明相似模擬實驗?zāi)Ｐ图捌錅y量系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明應(yīng)力與位移測量單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4本發(fā)明應(yīng)力與位移測量單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5本發(fā)明均布載荷下的簡支梁模型受力圖。圖6是本發(fā)明具體實施過程相似模擬實驗?zāi)Ｐ图捌錅y量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1：彎曲下沉帶；2：裂隙帶；3：垮落帶；4：煤層；5：煤層底板；6：開挖部分；7：第一測量單元；8：第二測量單元、9：液壓千斤頂；10：電阻應(yīng)變儀；11：計算機；12：第一模板；13：第二模板；14：應(yīng)變片；15：導(dǎo)線；16：應(yīng)變片敏感柵；17：應(yīng)變片基底；18：相似模擬實驗平臺；19：泥巖；20：石灰?guī)r；21：細砂巖；22：砂質(zhì)泥巖；23：泥巖；24:砂質(zhì)泥巖；25：:3#煤層；26：砂質(zhì)泥巖；27：測量單元A；28：測量單元B；29：測量單元C；30：測量單元D。具體實施方式下面對本發(fā)明的具體實施方案做出進一步的說明。具體實施方式如附圖，實施一種相似模擬實驗用于測量煤礦上覆巖層應(yīng)力位移方法，該方法是按下列步驟進行的。（一）測量單元的制作1）本次實驗是要測量模擬某礦3#煤層（25）開挖造成上覆巖層下沉?xí)r其內(nèi)部應(yīng)力及位移變化情況，根據(jù)實驗條件及原型條件，選用選用實驗室現(xiàn)有的長×高×寬=1600mm×1500mm×200mm的相似模擬實驗平臺（18）。2）根據(jù)相似模擬實驗中所鋪模型巖層的長度和寬度以相等尺寸長×寬=1600mm×200mm制作第一模板（12）和第二模板（13）。3）根據(jù)模板尺寸選取電阻應(yīng)變片（14）尺寸：應(yīng)變片敏感柵（16）長30mm，寬3mm；應(yīng)變片基底（17）長30mm，寬6mm，如圖3所示。4）以第一模板（12）短邊的中心線為x軸，短邊邊緣中心處為原點，在第一模板（12）的中心線位置等間隔100mm標(biāo)定并記錄應(yīng)變片（14）粘貼位置的x值(共粘貼16個應(yīng)變片)，用膠將應(yīng)變片緊緊地粘貼在第一模板（12）標(biāo)定的位置；在應(yīng)變片（14）粘貼完畢后，用環(huán)氧樹脂覆蓋粘貼第二模板（13）。5）將應(yīng)變片（14）的兩條引線與兩條導(dǎo)線（15）相連接并編號，以便進行數(shù)據(jù)的記錄與處理。整個應(yīng)力與位移測量單元如圖2所示。（二）相似模擬實驗?zāi)Ｐ偷匿佋O(shè)1）根據(jù)某礦3#煤層（25）鉆孔資料及井下確定的各巖層與煤的物理力學(xué)參數(shù)，原型及實驗裝置條件確定相似模擬實驗；相似模擬材料由石英砂、石灰、石膏、水配比而成，泥巖（19）、石灰?guī)r（20）、細砂巖（21）、砂質(zhì)泥巖（22）、3#煤層（25）分別用不同配比的相似模擬材料模擬。2）泥巖（19）的配比是石英砂：石灰：石膏=9:6:4,其高度205mm；石灰?guī)r（20）的配比是石英砂：石灰：石膏=7:3:7,其高度285mm；細砂巖（21）的配比是石英砂：石灰：石膏=7:5:5,其高度165mm；砂質(zhì)泥巖（22）的配比是石英砂：石灰：石膏=9:5:5，其高度265mm;泥巖（23）的配比是石英砂：石灰：石膏=9:6:4，其高度125mm；砂質(zhì)泥巖（24）的配比是石英砂：石灰：石膏=9:5:5，其高度185mm；3#煤層（25）的配比是石英砂：石灰：石膏=9:7:3，其高度150mm；砂質(zhì)泥巖（26）的配比是石英砂：石灰：石膏=9:5:5，其高度120mm；3）根據(jù)材料的配比，利用電子稱精確稱量所需材料的質(zhì)量，將材料攪拌均勻，由下到上依次鋪設(shè)砂質(zhì)泥巖（26）、3#煤層（25）、砂質(zhì)泥巖（24）、測量單元D（30）、泥巖（23）、測量單元C（29）、砂質(zhì)泥巖（22）、測量單元B（28）、細砂巖（21）、測量單元A（27）、石灰?guī)r（20）、泥巖（19），每一層相似材料在鋪設(shè)好后要及時夯實，各層之間撒入厚度為2~4mm的云母粉。4）、將各組導(dǎo)線（15）從相似模擬實驗平臺（18）引出與電阻應(yīng)變儀（10）相連接，電阻應(yīng)變儀（10）與計算機（11）相連接。三、模型巖層應(yīng)力與位移測量1）在應(yīng)力與位移測量前，對相似模擬模型上覆巖層加載是由液壓千斤頂（9）進行加載，同時打開電阻應(yīng)變儀（10）與計算機（11），利用計算機（11）將各個應(yīng)變片（14）的應(yīng)變值調(diào)到0位置，利用計算機（11）采集各種測量參數(shù)，并進行處理。2）對相似模擬模型中的3#煤層（25）從E到F進行開挖，同時對開挖過程中各個應(yīng)變片（14）的應(yīng)變值進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，通過計算機（11）的處理獲得整個開挖過程中模型巖層在破斷前的應(yīng)力和位移變化數(shù)據(jù)；開挖結(jié)束后，將所需的數(shù)據(jù)及圖像由計算機（11）導(dǎo)出，此過程如圖6所示。實現(xiàn)上述一種用于煤礦相似模擬實驗的應(yīng)力位移連續(xù)測量的技術(shù)方案，首先是制作相似模擬實驗?zāi)Ｐ停谙嗨颇M實驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，對相似材料模擬煤層進行開挖，在不斷開挖的過程中，相似模擬模型巖層在破斷前會彎曲下沉，形成類似為梁的彎曲變形，因此將模型巖層簡化為梁的結(jié)構(gòu)。針對相似模擬實驗所遵循的原理，對其提出四點假設(shè)：平面應(yīng)力問題、連續(xù)變形假設(shè)、小變形假設(shè)以及彈性變形假設(shè)，以建立起符合實驗?zāi)Ｐ鸵蟮耐茖?dǎo)公式?？紤]到模型巖層在破斷前的變形規(guī)律及實驗?zāi)Ｐ偷倪吔缣卣鳎Ｐ蛶r層簡化為均布荷載下的簡支梁模型，梁的彎曲變形近似為純彎曲變形，如圖5所示：AB為模型巖層的長度，其長為l，q為均布載荷。由材料力學(xué)中簡支梁的受力特征和平衡條件可知：梁的彎矩方程為:由撓曲線的近似微分方程:邊界條件:其撓度方程為:應(yīng)力方程為：假設(shè)梁的彎曲變形始終在彈性范圍內(nèi)，故由胡克定律可得：以上式中：E為彈性模量為梁橫截面對中性軸的慣性矩為梁的抗彎截面系數(shù)所述E、I、W對于所測模型巖層（梁）為常量，其取值與相似材料類型及其截面形狀大小有關(guān)，b為模型巖層寬度，h為模型巖層高度。由③式可知某一點處的應(yīng)變值ε(x)與均布載荷q及其橫坐標(biāo)位置x有關(guān)，由所布置的應(yīng)變片測得的應(yīng)變值ε(x)及各個應(yīng)變片標(biāo)定的x值，通過式③可計算出多組均布載荷q1、q2、q3……qn，由于應(yīng)變片很靈敏，我們所測也是模型巖層在斷裂前的變形，可對上述值采用均方根來求等效載荷q；將④中所求得q值帶入①式和②式，則可求得平面內(nèi)任意點處的應(yīng)力和撓度（位移）值。通過編程將上述推理計算過程編成軟件程序，測量過程中將應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力及位移值，因而我們可以對整層模型巖層在發(fā)生破斷變形前其內(nèi)部應(yīng)力及位移變化的全過程進行測量。