阅读说明：本技术 平面移动变形测量系统及其在二维相似模拟实验中的应用 (Plane movement deformation measurement system and application thereof in two-dimensional analog simulation experiment ) 是由 江宁 陈绍杰 赵金海 尹大伟 马俊彪 潘海洋 常西坤 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种平面移动变形测量系统及其在二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。其主要结构包括用于盛放相似模拟材料的二维模拟实验台及岩层移动变形测量系统,岩层移动变形测量系统包括框架体、竖向滑轨、测量头、无线数据采集仪及计算机处理系统,通过对岩层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、全方位的观测二维相似材料模型不同位置处的移动变形值,测量的数据实时传输给采集仪,经计算机数据处理系统处理完毕后,实时将岩层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 plane movement deformation measurement system and application thereof in a two-dimensional analog simulation experiment, and belongs to the technical field of analog simulation experiments in mining engineering. Its major structure is including two-dimensional simulation experiment platform and the rock stratum removal deformation measurement system that is used for holding similar simulation material, the rock stratum removes deformation measurement system includes the frame body, vertical slide rail, the measuring head, wireless data acquisition appearance and computer processing system, carry out the injecing of structure and position through the concrete part to the rock stratum removal deformation measurement system, in the experimentation, can be in good time, really accurate, the removal deformation value of the different positions departments of omnidirectional observation two-dimensional similar material model, the data real-time transmission of measurement gives the collection appearance, after the processing of computer data processing system finishes, in real time with rock stratum removal deformation value display on the computer screen. 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.)

平面移动变形测量系统及其在二维相似模拟实验中的应用

技术领域

本发明涉及采矿工程中相似模拟实验技术领域，具体涉及一种用于二维相似模拟实验的平面移动变形测量系统及其测量方法。

背景技术

岩层移动变形规律是采矿工程的重要研究内容，但因其研究对象具有隐蔽性，给研究带来了诸多不便。

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位移、应力等指标，研究岩层的移动变形和应力分布规律。相似材料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。

岩层移动包括水平移动和垂直移动，以往二维相似模拟实验岩层移动主要采用全站仪、拉线位移传感器和人工测量三种方式。

上述三种测量方式均存在不足：

(1)全站仪测量为人工操作、费时、自动化程度低、具有人为误差；

(2)拉线位移传感器测量方法是通过埋设于模型中的坚硬金属片带动连接线进而牵引拉线位移传感器读取器，实现对岩层沉降值的测量，该种方法仅能测量地表竖直方向的移动值，并且会对相似材料模型施加外力，会影响测量结果的准确性；

(3)人工测量误差大。

综上所述，现有技术目前还没有一种自动化程度高、精度高、非接触式的用于二维相似模拟实验的平面移动变形测量系统。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种平面移动变形测量系统，其具有自动化程度高、精度高、非接触式的测量优势。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种用于二维相似模拟实验的平面移动变形测量系统，其包括岩层移动变形测量系统及用于盛放相似模拟材料的二维模拟实验台，所述的相似模拟材料逐层铺设在所述的二维模拟实验台内，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；

所述的岩层移动变形测量系统包括框架体、竖向滑轨、测量头、无线数据采集仪及计算机处理系统，所述的框架体是由左框体、上框体、右框体及下框体依次连接而成的方形结构，在所述的框架体的四个角上均安装有支座；

所述的竖向滑轨为方形杆件，其与所述的框架体之间通过滑槽滑动连接；

所述框架体通过螺栓与所述的二维模拟实验台的左立柱、右立柱固定连接；

所述左框体的右表面与所述二维模拟实验台的左立柱的内表面位于同一竖直平面内，所述下框体的上表面与所述二维模拟实验台的底座的上表面位于同一水平面内；

所述的测量头与所述的竖向滑轨之间通过滑套连接，所述的测量头包括竖直方向测距仪、水平方向测距仪、滑套、对准装置及无线发射器；所述水平方向测距仪垂直于所述的左框体，所述竖直方向测距仪垂直于所述的下框体；所述对准装置沿水平方向布置，并垂直于所述框架体所在的竖直平面；所述水平方向测距仪、竖直方向测距仪和对准装置的轴线在空间交于一点；

所述测量头测得的数据通过所述的无线发射器传输给所述的无线数据采集仪；

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，上述的二维模拟实验台整体呈一无上盖的长方体结构，其包括底座、左立柱、右立柱、活动挡板、反力架及千斤顶，上述的左立柱、右立柱固定连接在上述的底座上，上述的左、右立柱均为顶角朝里的U型钢，上述U型钢的两外侧面上均匀开设有若干螺孔，上述的反力架连接在上述的左、右立柱的顶部；上述的千斤顶设置有若干个，其并列设置在上述的反力架的下方，上述的活动挡板设置有若干块，其两端分别可拆卸连接在上述的左、右立柱上。

作为本发明的另一个优选方案，每块活动挡板的两端均设置有通透孔，通过上述通透孔与螺栓配合将上述的活动挡板活动连接在左、右立柱上。

进一步的，上述计算机数据处理系统包括：

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。

进一步的，在上述的上框体和下框体内设置上述滑槽，上述的竖向滑轨在上述滑槽内可左右滑动；

进一步的，上述的滑套整体结构呈方形。

上述测量系统中，用于二维相似模拟实验的岩层移动变形测量系统布设于二维相似材料模型外侧，实验过程中，可以适时、真实准确、全方位的观测二维相似模型不同位置处的移动变形值，测量的数据实时传输给无线数据采集仪，经计算机数据处理系统处理完毕后，实时将岩层移动变形值显示在电脑屏幕上；用于二维相似模拟实验的平面移动变形测量系统，在实验过程中与测量对象(二维相似材料模型)不接触，不会对测量对象(二维相似材料模型)施加任何的外力，因而进一步保证了观测结果的准确性；用于二维相似模拟实验的平面移动变形测量系统，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。

本发明的另一目的在于提供一种用于二维相似模拟实验的平面移动变形测量方法，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、根据实验目的布置测线和测点；

S4、将岩层移动变形测量系统通过螺栓安装于所述二维模拟实验台上，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，对回采过程中对各测点的位移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为本发明测量系统的结构示意图；

图2为本发明二维模拟实验台结构示意图；

图3为本发明岩层移动变形测量系统示意图；

图4为本发明框架体结构示意图；

图5为本发明竖向滑杆结构示意图；

图6为本发明测量头结构示意图。

图中：1、二维模拟实验台，11、底座，12、立柱，13、反力架，14、活动挡板，15、液压千斤顶，2、岩层移动变形测量系统，21、框架体，22、竖向滑轨，23、测量头，24、无线数据采集仪，25、计算机数据处理系统，211、左框体，212、上框体，213、右框体，214、下框体，215、滑槽，216、支座，231、无线发射器，232、竖直方向测距仪，233、水平方向测距仪，234、滑套，235、对准装置。

具体实施方式

本发明提出了一种平面移动变形测量系统及其在二维相似模拟实验中的应用，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。

本发明所指“内”均是指放置相似模拟材料的面为内。

如图1所示，本发明一种平面移动变形测量系统，包括用于盛放相似模拟材料的二维模拟实验台1和固定在二维模拟实验台1上的岩层移动变形测量系统2。

上述用于盛放相似模拟材料的二维模拟实验台1整体为一无上盖的长方体结构，包括底座11、竖直固定连接在底座两端的两根立柱12、可拆卸连接的活动挡板14、反力架13和安装在反力架上的液压千斤顶15。

上述的两根立柱12其固定在底座11上，可拆卸连接的活动挡板14，其中所指“可拆卸”是指活动挡板14与两根立柱之间的连接方式为可拆卸，当进行相似模拟材料铺设之前，将活动挡板14安装在两根立柱上，当相似模拟材料固化至其性能指标达到回采要求后，即可将活动挡板14全部拆除。具体的可拆卸连接方式，优选螺栓与螺孔的连接方式，当然，本发明不限于此。

上述的两根立柱，如图2所示，其为顶角朝里的U型钢，在该U型钢的两个外侧面上均匀设置有若干个螺栓孔，活动挡板14数量为若干，每一活动挡板14的两端均分别开设有通透孔，若干个螺栓孔的设计，方便与活动挡板14上的通透孔通过螺栓连接在一起，通透孔通过螺栓固定连接在上述U型钢的两外侧面的不同层高位置。

上述的活动挡板14的具体数量，本领域技术人员可根据具体要求进行合理选择。

上述反力架13通过螺栓与上述立柱12固定连接。

上述液压千斤顶15数量为4个，通过螺栓与上述反力架13固定连接。

上述岩层移动变形测量系统2包括框架体21、竖向滑轨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21为方形，由彼此固定连接的左框体211、上框体212、右框体213、下框体214，在框架体21的4个顶角位置固定连接有4个支座216。

上述的左框体211的右表面与所述二维模拟实验台1左侧立柱内表面位于同一竖直平面内。

上述的下框体213的上表面与所述二维模拟实验台底座11的上表面位于同一水平面内。

支座216开设有螺孔；框架体21通过螺栓与所述二维模拟实验台立柱12固定连接。

上框体212和下框体214开设有水平方向的滑槽215。

竖向滑轨22为方形杆件，与框架21通过滑槽215滑动连接。

结合图3至图6所示，测量头23包括竖直方向测距仪232、水平方向测距仪233、滑套234、对准装置235、无线发射器231。

上述水平方向测距仪233沿水平方向布置，并垂直于左框体211。

上述竖直方向测距仪232沿竖直方向布置，并垂直于下框体214。

对准装置235沿水平方向布置，并垂直于框架体21所在竖直平面。

上述的水平方向测距仪233、竖直方向测距仪232和对准装置235的轴线在空间交于一点。

上述滑套234整体呈方形。

上述的测量头23通过滑套234与竖向滑轨22滑动连接。

上述的测量头23测得的数据通过上述的无线发射器231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接口与上述计算机数据处理系统连接。

上述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。

本发明，用于二维相似模拟实验的平面移动变形测量系统，其主要技术创新点在于，一方面，用于二维相似模拟实验的岩层移动变形测量系统，在实验过程中与测量对象(二维相似材料模型)不接触，不会对测量对象(二维相似材料模型)施加任何的外力，因而进一步保证了观测结果的准确性；另一方面，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。

在了解上述用于二维相似模拟实验的平面移动变形测量系统的基础上，对其测量方法做详细说明。

用于二维相似模拟实验的平面移动变形测量方法，依次包括以下步骤：

第一步，自下而上，逐层安装活动挡板14，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14全部拆除；

第三步，根据实验目的布置测线和测点；

第四步，将岩层移动变形测量系统2通过螺栓安装于所述二维模拟实验台1上，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，对回采过程中各测点的位移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。