申请/专利权人：安徽理工大学;淮北矿业(集团)有限责任公司

申请日：2019-08-29

公开（公告）日：2023-12-26

公开（公告）号：CN110411840B

主分类号：G01N3/08

分类号：G01N3/08;G01N3/02;G01N33/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.12.26#授权;2019.11.29#实质审查的生效;2019.11.05#公开

摘要：本发明公开了一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置及方法。其装置涉及一种物理模拟试验装置。装置包括支架及部位举升移动系统，所述支架具体为顶面缺失的长方体状空腔结构，所述支架内设有多个平行且按支架水平延伸方向顺序排列的凹型装样盒，相邻装样盒底端无竖直壁的边缘之间通过转轴铰接，所有装样盒连接后构成顶面和与支架水平延伸方向垂直的两竖直面缺失的长方体状空腔结构的装样集盒，每个装样盒正下方的支架内均设置有一个可带动其进行上下往复运动的举升系统。同时本发明提供了一种利用上述装置进行采矿区地表拉张裂隙形成过程的模拟方法；本发明可有效模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的发育及演变过程。

主权项：1.一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙过程的模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、将所有的装样盒（1）放入支架（4）内后通过转轴（2）连接起来构成装样集盒，且转轴（2）的两端均设在支架（4）的外侧；步骤2、在装样集盒内腔底部填充土体（5）并等待土体（5）稳定；步骤3、当需要模拟采空区地表土体塌陷产生拉张裂隙的发育情况时：首先抽离所有的转轴（2），然后操作装样集盒两端中任一端对应举升装置3进行缓慢下行，观察该端对应的装样盒（1）与和其临近装样盒（1）连接处土体（5）产生拉张裂隙的发育情况；一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置，装置包括支架（4），所述支架（4）具体为顶面缺失的长方体状空腔结构，所述支架（4）内设有多个水平平行设置的内部腔体连通的凹型装样盒（1），相邻装样盒（1）临近底端之间通过转轴（2）铰接，每个装样盒（1）正下方的支架（4）内均设置有一个可带动其进行上下往复运动的举升装置（3），每个转轴（2）的两端分别穿过与其临近的支架（4）侧壁设置在支架外侧；所述装样盒（1）具体由一个水平板和两个竖直板构成的一体结构，两个竖直板关于水平板中心处对称设置在其两侧且底端分别与水平板连接构成凹型结构；还设置有两个挡板，所有的装样盒（1）构成一个顶面和两相对竖直面缺失的装样集盒，两个挡板分别固定安装在装样集盒中缺失的两竖直面的位置上，令装样集盒构成仅顶面缺失的长方体状空腔结构，且两挡板分别与对应的装样盒（1）为一体结构；所述装样集盒内腔的底部填充由土样和植物根系构成的土体（5）；所述支架（4）、水平板、竖直板和挡板均由透明塑料制成；当装样盒（1）被对应的举升装置（3）举升至最高点时，该装样盒（1）底端水平标高低于支架（4）顶端的水平标高。

全文数据：模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置及方法技术领域本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种对采空区塌陷后地表产生拉张裂隙进行的模拟试验装置。背景技术随着我国地下各种矿产资源的持续开采，导致上覆岩体冒落、地面沉陷，形成沉陷坡地，并在地表产生大量拉张裂隙，由拉张裂隙所引起的水土流失、建筑物损坏等地质环境问题越来越受到人们的关注。但由于受到多种因素影响，拉张裂隙的发育过程及规律在现场很难被观察、量测，尤其是拉裂过程对土体内部植物根系损伤程度难以观察。故通过室内拉张裂隙模拟装置，对不同类型的土样进行模拟测试，从而直观地对拉张裂隙的发育过程及特征进行观测、记录，并对拉张裂隙对植被根系损伤过程及形式、程度进行直观观察，是非常需要的。地表土体环境对拉张裂隙的发育有较大影响。当平原或丘陵地带，地表均有一定厚度表土层分布，地表下沉表现为程度不同的拉伸变形。在干旱半干旱地区，或在其它地区的非雨季节，土体因水分含量较低而表现为强度高、易断裂为主的脆性变形；而在雨季，土体可能因水分含量高而表现为塑性变形。分布在土体中的植物根系在土体变形过程中提供的摩擦力，产成了锚固作用和加筋作用，对土体开裂变形有着阻滞作用。反之，土体的拉裂变形又对植被根系产生一定的损伤、破坏，了解植物根系在拉裂过程中的损伤形式及程度对植被生长具有非常重要的意义。本发明公开的拉张裂隙模拟装置，通过装入不同含水率、不同类型及含有不同植物根系替代物的土样，通过改变拉张应力环境，可直观观察土样拉张裂隙发育过程、规律及对植被根系损伤的影响。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置及方法，以解决现有技术中无法有效模拟采空区塌陷后地表土体拉张裂隙影响难以判断等技术问题。本发明是通过以下技术方案实现的：本发明提供了一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置，包括支架，所述支架具体为顶面缺失的长方体状空腔结构，所述支架内设有多个水平平行设置的内部腔体连通的凹型装样盒，相邻装样盒临近底端之间通过转轴铰接，每个装样盒正下方的支架内均设置有一个可带动其进行上下往复运动的举升装置，每个转轴的两端分别穿过与其临近的支架侧壁设置在支架外侧。进一步，所述装样盒具体由一个水平板和两个竖直板构成的一体结构，两个竖直板关于水平板中心处对称设置在其两侧且底端分别与水平板连接构成凹型结构。进一步，还设置有两个挡板，所有的装样盒构成一个顶面和两相对竖直面缺失的装样集盒，两个挡板分别固定安装在装样集盒中缺失的两竖直面的位置上，令装样集盒构成仅顶面缺失的长方体状空腔结构，且两挡板分别与对应的装样盒为一体结构。进一步，所述装样集盒内腔的底部填充有由土样和植物根系构成的土体。进一步，所述支架、水平板、竖直板和挡板均由透明塑料制成。进一步，当装样盒被对应的举升装置举升至最高点时，该装样盒底端水平标高低于支架顶端的水平标高。本发明还提供一种利用上述试验装置模拟采空区地表土体产生拉张裂隙过程的模拟方法，该方法包括以下步骤：步骤1、将所有的装样盒放入支架内后通过转轴连接起来构成装样集盒，且转轴的两端均设在支架的外侧；步骤2、在装样集盒内腔底部填充土体并等待土体稳定；步骤3、当需要模拟采空区地表土体塌陷产生拉张裂隙的发育情况时：首先抽离所有的转轴，然后操作装样集盒两端中任一端对应举升装置3进行缓慢下行，观察该端对应的装样盒与和其临近装样盒连接处土体产生拉张裂隙的发育情况。进一步，该方法还包括：当需要模拟步进式塌陷区产生拉张裂隙的发育情况时：首先抽离所有的转轴，选取处于端部的两个举升装置中任意一个为起始端，另一个为结束端，按照由起始端至结束端的方向，顺序操作所有的举升装置令其分别下行至设定高度，相邻两个举升装置中一个下行至设定高度后，在时间间隔T后另一个开始下行，每个举升装置的初始高度、下行高度和下行用时均相同，观察整个过程中拉张裂隙的发育情况。进一步，该方法还包括：当需要模拟采空区内存在支撑结构时地表塌陷区内拉张裂隙发育情况时：任选一个处于非端部区域的转轴为模拟支撑结构，抽离其余的转轴，同步操作该转轴两个的举升装置进行下行，并下行至设定高度，观察整个过程中拉张裂隙的发育情况。进一步，该方法还包括：当需要模拟非塌陷保护区域外围塌陷区域对产生拉张裂隙的影响情况时：任选两个相邻的且处于非端部区域的转轴，令二者之间的装样盒为模拟保护区，抽离其余转轴，操作模拟保护区两侧装样盒对应的两个举升装置，两个举升装置同步或非同步下行，分别下行至设定高度，二者下行时长相同，同步下行时，对应观察模拟保护区两侧同步塌陷的拉张裂隙发育情况，非同步下行时，对应观察模拟保护区两侧非同步塌陷的拉张裂隙发育情况。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置及方法，设备结构简单，通过在采样集盒内铺设由土壤和植物根系构成的土体，然后放置在举升装置上后，通过调整不同的举升装置，对应的装样盒可进行不同程度的举升或下落，从而与其相邻的装样盒之间产生落差，从而在二者连接处可产生相应的拉张裂隙，从而实现了模拟土体产生拉张裂隙的目的，对明确拉张裂隙的发育过程、对植物根系的影响都具有指导作用；通过插拔对应的转轴，可有效地明确不同影响因素对地表土体拉张裂隙发育的作用机理；通过顺序升降对应的装样盒，可有效明确步进式采空区地表拉张裂隙的发育情况和特点；实现了采空区地表土壤产生拉张裂隙的多中情况模拟，有助于拉张裂隙的研究推进。附图说明图1是实施例中一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置内部结构主示意图；图2是实施例中一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置的外部结构主视图；图3是实施例中装样集盒的俯视图。图中：1、装样盒；2、转轴；3、举升装置；4、支架；5、土体；6、把手；7、支撑结构。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1请参阅图1-3，本实施例中一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置，包括支架4，支架4具体为顶面缺失的长方体状空腔结构，支架4内设有多个平行且按支架4水平延伸方向顺序排列的凹型装样盒1；特别的，在本实施例中装样盒1具体由一个水平板和两个竖直板构成的一体结构，两个竖直板关于水平板中心处对称且固定安装在其顶部的设置构成凹型结构；相邻装样盒1底端无竖直壁的边缘之间通过转轴2铰接即相邻两个水平板中未安装有竖直板的边缘处之间通过转轴2铰接，所有装样盒1连接后构成顶面和与支架4水平延伸方向垂直的两竖直面缺失的长方体状空腔结构的装样集盒；特别的，在本实施例中还设置有两个挡板，每个挡板分别固定安装在装样集盒中缺失的两竖直面的位置上，令装样集盒构成仅顶面缺失的长方体状空腔结构，且两挡板分别与对应的装样盒1为一体结构；即装样集盒两端对应的装样盒上分别安装有一个挡板，构成两个顶面和一个竖直面缺失的长方体状空腔结构，即两个端部装样盒，两个端部装样盒缺失竖直面的一侧均朝向彼此，处于二者之间的装样盒1则无两个竖直面和一个顶面；每个装样盒1正下方的支架4内均设置有一个可带动其进行上下往复运动的举升装置3，每个转轴2的两端分别穿过或架设在与其临近的支架4侧壁上。特别的，在本实施例中，装样集盒内底部填充有由土样和植物根系构成的土体5。优选的，在本实施例中，为了便于观察装样集盒中的变化情况，支架4、水平板、竖直板和挡板均由透明塑料制成。优选的，装样盒1至少为三个，特别的，在本实施例中装样盒1为四个参考图1-3。优选的，特别的，为了实现支架4对装样集盒的有效限位，使得其仅能够上下行，设置有当装样盒1被对应的举升装置3举升至最高点时，该装样盒1底端水平标高低于支架4顶端的水平标高。优选的，在本实施例中，举升装置3具体为线性气缸。优选的，在本实施例中，为了便于移动装样集盒，两个挡板的外壁上均安装有一个把手6。优选的，在本实施例中，为了避免每个装样盒1在试验的过程中脱离对应的举升装置3从而失去平衡，令每个举升装置3均通过一个支撑结构7与对应的装样盒1连接。通过上述设置，支撑结构7可有效支撑对应的装样盒1。优选的，在本实施例中还设置有控制器在附图中并未示出，控制器为微型单片机，其与各个举升装置3分别连接，实现对其的精确控制，避免人工操作的弊端，提高了操作精度和试验准确性。实施例2本发明还提供利用权利要求1所述装置进行拉张裂隙模拟的方法，具体的为：首先通过转轴2连接所有的装样盒1；1当需要模拟采空区地表土体塌陷时，在装样集盒内底部铺设由土壤和植物根系组成的土体5，然后通过把手6将装样集盒放入支架4内并通过多个举升装置3架设或者将装样盒1直接放入支架4内，并通过举升装置3支撑，然后利用转轴2穿过对应的穿孔，使得相邻装样盒1连接，然后再填充土体5；待土体5稳定后，抽离所有的转轴2，使得每个装样盒1能够独立上下行；然后控制处于最外侧的举升装置3进行下降，对应的装样盒1在重力的作用下同步下，其它的装样盒1因被支撑，不动作，从而使得下降的装样盒1与邻近的装样盒1之间产生高度差，进而产生对应的拉张裂隙，观察下降不同高度时拉张裂隙的发育程度。2当需要观测采空区内巷道等支撑结构对地表土体拉张裂隙发育的影响时：在装样集盒内土体5稳定后，选取处于中部的一个转轴2保留，其余的均抽出，然后对未抽出转轴2两侧的举升装置3进行下降，对应的两个装样盒1产生下行趋势，但是受到未抽出转轴2的影响相当于巷道等支撑结构对其地表进行投影支撑，使得支撑处不下降，其外侧受力下降，二者呈倾斜下行趋势，进而可对处于转轴2正上方的土体5产生拉张裂隙，观察不同下行位置时拉张裂隙的发育程度。3当需要观测研究步进式塌陷区产生拉张裂隙的发育情况时因矿区的开采情况多为步进式开采，其对应的采空区多采用按照等同间隔进行放顶，其对应的塌陷区则表现为步进式的塌陷：其操作情况与1类似，即将所有的转轴2抽出后，由一个处于最外侧的举升装置3开始进行下降，等时间间隔的顺序操作举升装置3，每个装样盒1下行时间、下行高度、初始高度均相同，相邻装样盒1顺序下行时间间隔相等从而精确模拟步进式塌陷时，地表土体拉张裂隙的发育情况，使得装样盒1顺序下行，观察整个过程中的拉张裂隙发育情况。4当需要观察保护区外围塌陷区对应周边产生拉张裂隙的情况时：任选两个相邻的且处于非端部区域的转轴2，令二者之间的装样盒1为模拟保护区，抽离其余转轴2，操作模拟保护区两侧装样盒1对应的两个举升装置3，两个举升装置3同步或非同步下行，分别下行至设定高度，二者下行时长相同，同步下行时，对应观察模拟保护区两侧同步塌陷的拉张裂隙发育情况，非同步下行时，对应观察模拟保护区两侧非同步塌陷的拉张裂隙发育情况。5当需要观察不同含水率、不同类型及含有不同植物根系替代物的土样进行1-4不同情况的观测时，只需制备并更换相应的土体5便可。由上述内容可知，本发明提供了一种能够有效模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的模拟装置和方法，通过上述装置和方法可有效地模拟不同的拉张裂隙发育情况，实现了拉张裂隙的有效模拟，对于研究采空区地表拉张裂隙发育具有指导作用；设备整体结构简单，操作方便，便于实现试验目的，制造成本低，有助于推广和使用。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置，装置包括支架4，其特征在于，所述支架4具体为顶面缺失的长方体状空腔结构，所述支架4内设有多个水平平行设置的内部腔体连通的凹型装样盒1，相邻装样盒1临近底端之间通过转轴2铰接，每个装样盒1正下方的支架4内均设置有一个可带动其进行上下往复运动的举升装置3，每个转轴2的两端分别穿过与其临近的支架4侧壁设置在支架外侧。2.根据权利要求1所述的一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置，其特征在于，所述装样盒1具体由一个水平板和两个竖直板构成的一体结构，两个竖直板关于水平板中心处对称设置在其两侧且底端分别与水平板连接构成凹型结构。3.根据权利要求2所述的一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置，其特征在于，还设置有两个挡板，所有的装样盒1构成一个顶面和两相对竖直面缺失的装样集盒，两个挡板分别固定安装在装样集盒中缺失的两竖直面的位置上，令装样集盒构成仅顶面缺失的长方体状空腔结构，且两挡板分别与对应的装样盒1为一体结构。4.根据权利要求3所述的一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置，其特征在于，所述装样集盒内腔的底部填充由土样和植物根系构成的土体5。5.根据权利要求4所述的一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置，其特征在于，所述支架4、水平板、竖直板和挡板均由透明塑料制成。6.根据权利要求5所述的一种模拟采空区地表土体产生拉张裂隙的试验装置，其特征在于，当装样盒1被对应的举升装置3举升至最高点时，该装样盒1底端水平标高低于支架4顶端的水平标高。7.一种利用权利要求6所述的试验装置模拟采空区地表土体产生拉张裂隙过程的模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、将所有的装样盒1放入支架4内后通过转轴2连接起来构成装样集盒，且转轴2的两端均设在支架4的外侧；步骤2、在装样集盒内腔底部填充土体5并等待土体5稳定；步骤3、当需要模拟采空区地表土体塌陷产生拉张裂隙的发育情况时：首先抽离所有的转轴2，然后操作装样集盒两端中任一端对应举升装置3进行缓慢下行，观察该端对应的装样盒1与和其临近装样盒1连接处土体5产生拉张裂隙的发育情况。8.根据权利要求7所述的模拟方法，其特征在于，该方法还包括：当需要模拟步进式塌陷区产生拉张裂隙的发育情况时：首先抽离所有的转轴2，选取处于端部的两个举升装置3中任意一个为起始端，另一个为结束端，按照由起始端至结束端的方向，顺序操作所有的举升装置3令其分别下行至设定高度，相邻两个举升装置3中一个下行至设定高度后，在时间间隔T后另一个开始下行，每个举升装置3的初始高度、下行高度和下行用时均相同，观察整个过程中土体5产生拉张裂隙的发育情况。9.根据权利要求8所述的模拟方法，其特征在于，该方法还包括：当需要模拟采空区内存在支撑结构时地表塌陷区内拉张裂隙发育情况时：任选一个处于非端部区域的转轴2为模拟支撑结构，抽离其余的转轴2，同步操作该转轴2两个的举升装置3进行下行，并下行至设定高度，观察整个过程中土体5产生拉张裂隙的发育情况。10.根据权利要求9所述的模拟方法，其特征在于，该方法还包括：当需要模拟非塌陷保护区域外围塌陷区域对产生拉张裂隙的影响情况时：任选两个相邻的且处于非端部区域的转轴2，令二者之间的装样盒1为模拟保护区，抽离其余转轴2，操作模拟保护区两侧装样盒1对应的两个举升装置3，两个举升装置3同步或非同步下行，分别下行至设定高度，二者下行时长相同，同步下行时，对应观察模拟保护区两侧同步塌陷的拉张裂隙发育情况，非同步下行时，对应观察模拟保护区两侧非同步塌陷的拉张裂隙发育情况。

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