三维移动变形测量系统及其在三维相似模拟实验中的应用
阅读说明：本技术 三维移动变形测量系统及其在三维相似模拟实验中的应用 (Three-dimensional moving deformation measurement system and application thereof in three-dimensional simulation experiment ) 是由 江宁 赵金海 潘海洋 尹大伟 马俊彪 常西坤 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三维移动变形测量系统及其在三维相似模拟实验中的应用,属于采矿工程中相似模拟实验技术领域。主要结构包括地表移动变形测量系统和用于盛放相似模拟材料的三维模拟实验台,地表移动变形测量系统包括框架体、横向滑轨、测量头、无线数据采集仪和计算机数据处理系统；通过对地表移动变形测量系统的具体部件进行结构及位置的限定,在实验过程中,可以适时、真实准确、全方位的观测三维相似材料模型表面不同位置处的移动变形值,测量的数据实时传输给数据采集仪,经计算机数据处理系统处理后,实时将地表移动变形值显示在电脑屏幕上；本发明测量系统中,测量头的对准,数据的测量、传输和处理均自动同步进行,避免了人为误差。(The invention discloses a three-dimensional moving deformation measuring system and application thereof in a three-dimensional analog simulation experiment, and belongs to the technical field of analog simulation experiments in mining engineering. The main structure comprises a surface moving deformation measuring system and a three-dimensional simulation experiment table for containing similar simulation materials, wherein the surface moving deformation measuring system comprises a frame body, a transverse slide rail, a measuring head, a wireless data acquisition instrument and a computer data processing system; the structure and the position of the specific parts of the earth surface moving deformation measuring system are limited, so that the moving deformation values of different positions on the surface of the three-dimensional similar material model can be observed timely, truly, accurately and omnidirectionally in the experimental process, the measured data are transmitted to the data acquisition instrument in real time, and the earth surface moving deformation values are displayed on a computer screen in real time after being processed by the computer data processing system; in the measuring system, the alignment of the measuring head, the measurement, the transmission and the processing of data are automatically and synchronously carried out, thereby avoiding human errors.)
技术领域
本发明涉及采矿工程中相似模拟技术领域，具体涉及一种用于三维相似模拟实验的三维移动变形测量系统及其方法。
背景技术
地下煤层采出之后，上覆岩层将会产生移动、变形和破坏，在地表形成塌陷盆地或塌陷坑。研究地表移动变形规律对指导“三下”压煤开采及采煤塌陷地综合利用具有重要意义。研究地表移动变形规律主要通过现场实测和室内模拟两种方式。因现场实测周期长、费用高，室内模拟成为研究地表移动变形规律的主要手段。相似模拟实验是在实验室内按相似原理制作与原模型相似的物理模型，在模型回采的同时通过测量岩层的移动和变形，研究煤层回采过程中地表的移动变形规律。相似模拟实验可将回采过程中的岩层移动直观的呈现出来，为科研工作者研究岩层移动变形规律提供了便利，已成为矿业工程、岩土工程等学科的重要研究手段。
地表的移动变形分为水平方向和垂直方向，以往三维相似模拟实验的地表移动变形主要采用位移传感器和人工测量两种方式。
上述两种测量方式均存在不足：
(1)常用的位移传感器有拉线位移传感器和立体分布式测量装置，如CN201653319U公开了一种立体分布式位移测量装置，其包括多只位移数值读取器与相同数量的坚硬金属片，其中位移数值读取器与坚硬金属片一一对应，再各自对应的一只位移数值读取器，与一只坚硬金属片之间通过一根鱼线连接。其工作原理是通过埋设于模型中的坚硬金属片带动连接线进而牵引数据读取器，实现对地表沉降值的测量，该种方法仅能测量地表竖直方向移动变形值，并且会对模型施加外力，会影响测量结果的准确性；
(2)人工测量误差大。
综上所述，现有技术还有待于进一步改进。目前还没有一种自动化程度高、精度高、非接触式的用于三维相似模拟实验三维移动变形测量系统。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种三维移动变形测量系统，其测量具有自动化程度高、精度高、非接触式的优点。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于三维相似模拟实验的三维移动变形测量系统，其包括地表移动变形测量系统和用于盛放相似模拟材料的三维模拟实验台，所述的相似模拟材料逐层铺设在所述的三维模拟实验台内，并在竖直方向上形成若干分层，在各分层相似模拟材料之间撒有云母粉；
所述的地表移动变形测量系统包括框架体、横向滑轨、测量头、无线数据采集仪和计算机数据处理系统；
所述的框架体是由前框体、左框体、后框体和右框体依次连接而成的方形结构，在所述的框架体的四个顶角的下方对应连接有四根支撑腿；
所述的框架体通过螺栓与所述的三维模拟实验台的四根立柱固定连接；
位于所述三维模拟实验台右侧的两根立柱，其左侧外表面与所述的右框体的左表面位于同一竖直平面内；位于所述三维模拟实验台前侧的两根立柱，其前侧外表面与所述的前框体的后表面位于同一竖直平面内；
所述的横向滑轨为方形杆件，其与所述的框架体之间滑动连接；
所述的测量头包括滑套、无线发射器、水准泡、一个竖直方向测距仪及两个水平方向测距仪，其中一个水平方向测距仪垂直于所述的右框体，另一个水平方向测距仪垂直于所述的前框体；所述的竖直方向测距仪垂直于所述框架体所在的水平面，其还具备对准功能，可辅助所述测量头自动对准测点；
所述的一个竖直方向测距仪和所述的两个水平方向测距仪的轴线在空间交于一点；
所述的水准泡固定于所述测量头的上表面；
所述测量头通过所述滑套与所述横向滑轨滑动连接；
所述测量头测得的数据通过所述无线发射器传输给无线数据采集仪；
所述无线数据采集仪的输出端通过USB接口与所述计算机数据处理系统连接。
作为本发明的一个优选方案，所述的三维模拟实验台整体呈无上盖的箱体结构，包括矩形底座、活动挡板及分别竖直固定在矩形底座四个角上的四根立柱，所述的立柱为顶角朝外的角钢，所述角钢的两个外侧面上均匀设置有若干个螺栓孔；所述的活动挡板设置有若干块，每一块活动挡板的两端均设置有通透孔，通过螺栓配合所述的通透孔及螺栓孔将所述的活动挡板固定连接在所述角钢两外侧面的不同层高位置。
作为本发明的另一个优选方案，所述的支撑腿的底部设置有螺孔，且所述支撑腿的高度可自由调节。
进一步优选，所述的左框体和右框体内设置有滑槽，所述的横向滑轨的两端分别滑动连接在所述的滑槽内。
进一步优选，所述的滑套整体呈方形。
进一步优选，所述计算机数据处理系统包括以下子系统：
输入子系统，根据具体的实验布置人工输入各个测点的编号；
管理子系统，对测量数据自动存储，并可以历史查询以及数据共享；
分析子系统，对测量数据进行分析和计算；
输出子系统，在线动态显示测量数据，生成综合报表和移动变形曲线，并具有打印功能。
上述用于三维相似模拟实验的地表移动变形测量系统布设于三维相似材料模型顶部，实验过程中，可以适时、真实准确、全方位的观测三维相似材料模型表面(地表)不同位置处的移动变形值，测量的数据实时传输给数据采集仪，经计算机数据处理系统处理完毕后，实时将地表移动变形值显示在电脑屏幕上；在实验过程中与测量对象(三维相似材料模型)不接触，不会对测量对象(三维相似材料模型)施加任何的外力，因而进一步保证了观测结果的准确性；测量头的对准，数据的测量、传输和处理均自动同步进行，完全避免了人为因素的干扰，避免了人为误差。
本发明的另一任务在于提供一种用于三维相似模拟实验的三维移动变形测量方法，其依次包括以下步骤：
S1、自下而上，逐层安装活动挡板，并进行相似模拟材料的铺设，直至相似模拟材料全部铺设完毕；
S2、待相似模拟材料固化至其性能指标达到回采要求后，将活动挡板全部拆除；
S3、根据实验目的在模型表面布置测线和测点；
S4、将地表移动变形测量系统通过螺栓安装于所述三维模拟实验台上，调节支撑腿高度保证地表移动变形测量系统处于水平，并将设备调至工作状态，并对测点进行全面测量，作为初始值；
S5、对相似模拟材料进行回采，对回采过程中模型表面各测点的移动变形情况进行测量和数据采集，直至实验回采完毕，通过计算机数据处理系统导出所需要的实验数据和图像。
上述技术方案直接带来的技术效果是，操作步骤简单、控制简便，实验结果真实、准确，且直观。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
(1)结构简单、合理，实验结果真实准确、系统误差小；
(2)测量头的对准、数据的测量、传输和处理均自动同步进行，系统自动化程度高，可实现自动测量及数据分析，完全避免了人为因素的干扰。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明用于三维相似模拟实验的地表移动变形测量系统的结构示意图；
图2为本发明三维模拟实验台结构示意图；
图3为本发明地表移动变形测量系统结构示意图；
图4为本发明测量头结构示意图；
图中，1、三维模拟实验台，11、底座，12、挡板，13、立柱一，14、立柱二，15、立柱三，16、立柱四，2、地表移动变形测量系统，22、横向滑轨，23、测量头，24、无线数据采集仪，25、计算机，211、右框体，212、后框体，213、左框体，214、前框体，215、支撑腿，231、水平方向测距仪一，232、水平方向测距仪二，233、竖直方向测距仪，234、滑套，235、无线发射器，236、水准泡。
具体实施方式
本发明提出了一种用于三维相似模拟实验的地表移动测量系统及其方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
本发明述及的“立柱的内表面”是指放置相似模拟材料的一面，“立柱的外表面”是指与其内表面相对的面。
如图1所示，本发明一种用于三维相似模拟实验的三维移动变形测量系统，包括三维模拟实验台1和地表移动变形测量系统2，其中，三维模拟实验台1用于盛放相似模拟材料。三维模拟实验台1内部的相似模拟材料为层状结构，在竖直方向上依次分为若干层，各分层相似模拟材料之间撒有云母粉。
如图2所示，上述三维模拟实验台1整体呈无上盖的箱体结构，包括位于下方的矩形底座11、可拆卸连接的挡板12、分别竖直固定连接在底座四个顶角位置处的四根立柱，立柱一13、立柱二14、立柱三15、立柱四16，其中，挡板12安装在该箱体结构的四个侧面上，其中每个面的安装均是将活动挡板的两端可拆卸连接在对应的两根立柱上，为了实现可拆卸连接，本发明优选，将每根立柱设置为顶角朝外的角钢结构，并在角钢的两外侧面上均匀开设有若干螺栓孔；每一活动挡板的两端均分别开设有通透孔，并通过螺栓固定连接在角钢的两外侧面的不同层高位置；当进行相似模拟材料铺设之前，逐层安装该活动挡板，待相似模拟材料固化至性能指标达到回采要求后，再将每块活动挡板拆除。活动挡板的具体数量，本领域技术人员可根据实验要求进行调整，其与立柱的可拆卸连接方式，还可通过其它结构来代替，并不限于此。
如图3所示，地表移动变形测量系统2包括框架、横向滑轨22、测量头23、无线数据采集仪24和计算机数据处理系统25。
上述框架体为方形，由彼此固定连接的前框体214、左框体213、后框体212和右框体211及与所述框架体的四个顶角位置固定连接的四根支撑腿215组成；优选支撑腿215底部开设有螺孔；支撑腿215可自由调节高度，具体借鉴现有技术中的可调节高度机构调节其高度。
上述的右框体211的左表面与三维模拟实验台1右侧立柱二和立柱四右侧外表面位于同一竖直平面内。
上述前框体214的后表面与三维模拟实验台1前侧立柱一和立柱二前侧外表面位于同一竖直平面内。
上述的框架体通过螺栓与三维模拟实验台1的四根立柱固定连接。
上述的左框体213和右框体211开设有水平方向的滑槽。
上述横向滑轨为方形杆件，与框架体滑动连接。
如图4所示，测量头23包括水平方向测距仪一231、水平方向测距仪二232、竖直方向测距仪233、滑套234、无线发射器235和水准泡236。
上述的水平方向测距仪沿水平方向布置，其中水平方向测距仪一231垂直于右框体211，水平方向测距仪二232垂直于前框体214。
上述的竖直方向测距仪233沿竖直方向布置，并垂直于框架体所在的水平面。
上述的竖直方向测距仪233同时具备对准功能，可辅助测量头自动对准测点。
上述的水平方向测距仪一231、水平方向测距仪二232和竖直方向测距仪233的轴线在空间交于一点。
上述的滑套234整体呈方形。
上述的水准泡236固定于测量头23的上表面。
上述的测量头23通过所述滑套234与所述横向滑轨22滑动连接。
上述的测量头23测得的数据通过所述无线发射器235传输给无线数据采集仪24。
上述的无线数据采集仪24输出端通过USB接口与计算机数据处理系统25连接。
上述的计算机数据处理系统包括以下子系统：
(1)输入子系统，根据具体的实验布置人工输入各个测点的编号；
(2)管理子系统，对测量数据自动存储，并可以历史查询以及数据共享；
(3)分析子系统，对测量数据进行分析和计算；
(4)输出子系统，在线动态显示测量数据，生成综合报表和移动变形曲线，并具有打印功能。
上述测量系统，在实验过程中，可以适时、真实准确、全方位的观测三维相似材料模型表面(地表)不同位置处的移动变形值，测量的数据实时传输给数据采集仪，经计算机数据处理系统处理完毕后，实时将地表移动变形值显示在电脑屏幕上；在实验过程中与测量对象(三维相似材料模型)不接触，不会对测量对象(三维相似材料模型)施加任何的外力，因而进一步保证了观测结果的准确性。
在了解上述用于三维相似模拟实验的三维移动变形测量系统的基础上，对其测量方法做详细说明。
具体包括以下步骤：
第一步，自下而上，逐层安装活动挡板，并进行相似模拟材料的铺设，直至相似模拟材料全部铺设完毕；
第二步，待相似模拟材料固化至其性能指标达到回采要求后，将活动挡板全部拆除；
第三步，根据实验目的在模型表面布置测线和测点；
第四步，将地表移动变形测量系统通过螺栓安装于所述三维模拟实验台上，调节支撑腿高度保证地表移动变形测量系统处于水平，并将设备调至工作状态，并对测点进行全面测量，作为初始值；
第五步，对相似模拟材料进行回采，对回采过程中模型表面各测点的移动变形情况进行测量和数据采集，直至实验回采完毕，通过计算机数据处理系统导出所需要的实验数据和图像。
上述测量方法，其操作步骤简单、控制简便，实验结果真实、准确，且直观。
本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
需要说明的是：在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。