一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置及方法，使用三维地质探测装置探明研究区域的三维地质信息，然后将三维地质信息，输入三维数据重构系统，重构成三维数据信息，输入3D打印装置；确定不同的地质构造对应的相似材料及配比，然后根据将该三维数据信息确定研究区域三维地层剖面地质信息；通过3D打印装置按照几何相似比和容重相似比来在模型架中打印出3D打印煤岩，并在3D打印煤岩中安装数据监测装置；启动液压加载单元，施加载荷；对应现场实际岩土活动情况，进行仿真模拟，并在该活动过程中，采集数据监测装置中的数据，从而准确反映地下岩层真实情况及岩层活动，同时实现应力、位移多场时变监测与分析。

A Similar Reconstruction Model Experimental Device and Method Based on Three-dimensional Geological Exploration

The invention discloses an experimental device and method of similar reconstruction model based on three-dimensional geological exploration, which uses three-dimensional geological exploration device to prove three-dimensional geological information of research area, then inputs three-dimensional geological information into three-dimensional data reconstruction system, reconstructs three-dimensional data information, and inputs three-dimensional printing device; determines similar materials and proportions corresponding to different geological structures, and then According to the three-dimensional data information, the geological information of the three-dimensional stratum section in the study area is determined; the coal and rock are printed out in the model frame by 3D printing device according to the geometric similarity ratio and the volume-weight similarity ratio, and the data monitoring device is installed in the coal and rock by 3D printing; the hydraulic loading unit is activated to apply the load; the actual geotechnical activities in the field are simulated and simulated, and the work is carried out. In the dynamic process, the data collected from the data monitoring device can accurately reflect the real situation of underground strata and strata activities, and realize multi-field time-varying monitoring and analysis of stress and displacement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置及方法
本专利技术涉及一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置及方法，属于地下岩石工程物理模拟实验领域。
技术介绍
在矿山资源开采过程中，“三下”开采覆岩沉陷控制和矿区生态修复已成为煤炭行业和国家的重大需求。由于复杂多变的地质赋存条件，准确预知采场覆岩结构特征及运移规律、岩体裂隙发育情况、地表沉降特征、矿山压力及其显现严重影响着地表构筑物、交通以及上覆岩层含水层和地表水体的安全。在地下工程领域，相似模拟试验由于简便高效、清楚直观的特点，目前已经成为研究动静荷载作用下岩土模型内部变形破坏特征和应力演化规律的重要手段。然而，目前由于相似材料不透明、监测设备和手段落后等原因，导致实验过程中，无法全程对整个模型的应力、位移多场时变监测与分析。目前动静荷载作用下岩土模型内部变形破坏特征和复杂应力演化规律关键参数的缺失严重影响着“三下”开采覆岩沉陷控制和矿区生态修复。不仅如此，由于物理模拟实验由于尺寸限制，其铺设需要依据钻孔情况来调节不同岩层的模拟材料配比，然后搅拌后，人工铺设在物理模拟试验架上，铺设精度差，难以反映真实情况。因此，迫切需要研发一种动静加载变尺度相似材料试验及多场动态监测分析系统，实现应力、位移多场时变监测与分析，包括多节点动态响应监测、全场矢量化数据处理。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置及方法，以准确反映地下岩层真实情况及岩层活动，同时实现应力、位移多场时变监测与分析。为实现上述目的，本专利技术采用的一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置，包括三维地质勘探系统、三维数据重构系统、3D打印装置、3D打印构件、位移监测系统、应力监测系统、模型架、液压加载系统；所述三维地质勘探系统包括三维地质探测装置和用于接收三维地质探测装置探测出的数据的的三维数据接收装置；所述三维数据重构系统将三维地质勘探系统探测的三维地质信息重构成三维数据信息，然后将该三维数据信息输入至所述3D打印装置；所述3D打印构件包括3D打印煤岩层，3D打印煤岩层由所述3D打印装置根据三维数据信息确定每层岩层和煤层的几何相似比、应力相似比和容重相似比参数选择对应的3D打印材料配比打印而成；所述液压加载系统包括设置在所述模型架上方的液压加载单元、与液压加载单元连接的液压控制系统；所述位移监测系统系统包括设置在3D打印煤岩层表面的位移测点、置于3D打印煤岩层前方的数码相机；所述应力监测系统包括应力采集器和与之相连并埋设在3D打印煤岩层中的应力测量传感器。进一步的，还包括温度及湿度监控系统，温度及湿度监控系统包括温度采集器及与之连接的多个预埋在3D打印煤岩层中中的温度传感器、湿度采集器和与之连接的多个预埋在3D打印煤岩层中中的湿度传感器。进一步的，所述液压加载单元固定在位于所述模型架上方的横梁上，模型架的两侧设有液压柱，横梁的两端分别固定在两侧的液压柱上。进一步的，所述3D打印构件还包括模型架，模型架由PROE软件设计相似模型架形状和尺寸，导入3D打印装置打印而成。本专利技术采用的一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验方法，包括如下步骤：a.使用三维地质探测装置探明研究区域的三维地质信息，该三维地质信息至少包括地层岩性、地质构造、岩层物理力学性质、岩体裂隙发育情况、地下水体赋存条件；b.三维数据接收装置采集三维地质探测装置导出的三维地质信息，输入三维数据重构系统，并由三维数据重构系统将三维地质信息重构成三维数据信息，然后将该三维数据信息输入3D打印装置；c.确定不同的地质构造对应的相似材料及配比，然后根据将该三维数据信息确定研究区域三维地层剖面地质信息；d.通过3D打印装置按照几何相似比和容重相似比来在模型架中打印出3D打印煤岩，并在3D打印煤岩中安装数据监测装置，并设有数据采集装置与之连接；e.启动液压加载单元，按照应力相似比换算的数据对3D打印煤岩层施加载荷；f.对应现场实际岩土活动情况，根据几何相似比在3D打印煤岩层相应位置进行仿真模拟，并在该活动过程中，采集数据监测装置中的数据。进一步的，所述步骤d中的数据监测装置包括温度传感器、湿度传感器和压力传感器，数据采集装置包括分别与温度传感器、湿度传感器和压力传感器对应的温度采集器、湿度采集器和压力采集器。进一步的，根据实验得出3D打印煤岩层的强度跟温度、湿度的关系，并在所述步骤f中，当温度和湿度使3D打印煤岩层的强度达到相似参数时，然后进行仿真模拟。进一步的，所述步骤d中的模型架由3D打印装置打印出。进一步的，所述步骤f中，通过应力监测系统实时监测3D打印煤岩层内部的应力分布规律、变形破坏特征和能量演化规律。本专利技术提出一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置及方法，适用于地下岩土工程物理模拟试验。可以借助三维地质勘探探明研究区域地质概况，通过3D打印按一定几何相似比和应力相似比打印研究区域的平面相似煤岩层，对打印后的相似模型进行地下岩土工程活动的仿真模拟，可以提前预判地下开挖引起的的地表沉降变形规律、岩土体变形破坏特征、岩土体压力显现、地下水渗流规律等，为地下岩土工程的设计和施工提供可靠的科学依据。本专利技术可以实现复杂地质条件下研究区域地下岩土工程内部任意剖面的物理模拟试验，模拟岩层活动准确可靠，具有重要的实际研究指导价值。附图说明图1是本专利技术一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置的结构示意图；图2是本专利技术一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验方法的原理示意图；图中：11.第一液压控制系统，12.液压加载单元，13.横梁，14.液压柱，141.第二液压控制系统；2.模型架，3.3D打印煤岩层，41.温度传感器，411.温度采集器，42.湿度传感器，421.湿度采集器，43.位移测点，431.数码相机，44.应力监测传感器，441.应力采集器；51.三维地质探测装置，52.三维数据接收装置，53.三维数据重构系统；6.地层剖面。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。地下岩层是由多层不同构造的岩层一层层积累而成，每层岩层的岩性、厚度、物理力学性质均不同，且在漫长的地质时间中，通过不同的地质运动，形成如裂隙、溶洞、地下水等不同的地质构造；在地下矿山开采过程中，这些地质构造对开采工作影响极大，而目前的相似模型试验中，多是实验人员依据钻孔情况来描绘出二维的底层剖面情况，然后调节模拟材料的比例分别模拟每一层的岩层或煤层，随后铺设在模型架上，这种实验方式难以准确还原现场实际情况。如图1所示，本专利技术一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置，包括三维地质勘探系统、三维数据重构系统、3D打印装置、3D打印构件、位移监测系统、应力监测系统、模型架、液压加载系统；三维地质勘探系统包括三维地质探测装置和用于接收三维地质探测装置探测出的数据的的三维数据接收装置；三维地质探测装置由物探、钻探和化探装置组合应用而成。物探应用三维地质雷达，其原理如下：电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射，利用一个天线发射电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，根据接收到波的双程走时、幅度和波形资料等，推断地下介质的分布情况；钻探利用深部钻机采取地层的剖面实况，借助钻孔窥视仪、钻孔电磁波层析成像CT技术，从而验证地下介质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置，其特征在于：包括三维地质勘探系统、三维数据重构系统、3D打印装置、3D打印构件、位移监测系统、应力监测系统、模型架、液压加载系统；所述三维地质勘探系统包括三维地质探测装置和用于接收三维地质探测装置探测出的数据的的三维数据接收装置；所述三维数据重构系统将三维地质勘探系统探测的三维地质信息重构成三维数据信息，然后将该三维数据信息输入至所述3D打印装置；所述3D打印构件包括3D打印煤岩层，3D打印煤岩层由所述3D打印装置根据三维数据信息确定每层岩层和煤层的几何相似比、应力相似比和容重相似比参数选择对应的3D打印材料配比打印而成；所述液压加载系统包括设置在所述模型架上方的液压加载单元、与液压加载单元连接的液压控制系统；所述位移监测系统系统包括设置在3D打印煤岩层表面的位移测点、置于3D打印煤岩层前方的数码相机；所述应力监测系统包括应力采集器和与之相连并埋设在3D打印煤岩层中的应力测量传感器。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置，其特征在于：包括三维地质勘探系统、三维数据重构系统、3D打印装置、3D打印构件、位移监测系统、应力监测系统、模型架、液压加载系统；所述三维地质勘探系统包括三维地质探测装置和用于接收三维地质探测装置探测出的数据的的三维数据接收装置；所述三维数据重构系统将三维地质勘探系统探测的三维地质信息重构成三维数据信息，然后将该三维数据信息输入至所述3D打印装置；所述3D打印构件包括3D打印煤岩层，3D打印煤岩层由所述3D打印装置根据三维数据信息确定每层岩层和煤层的几何相似比、应力相似比和容重相似比参数选择对应的3D打印材料配比打印而成；所述液压加载系统包括设置在所述模型架上方的液压加载单元、与液压加载单元连接的液压控制系统；所述位移监测系统系统包括设置在3D打印煤岩层表面的位移测点、置于3D打印煤岩层前方的数码相机；所述应力监测系统包括应力采集器和与之相连并埋设在3D打印煤岩层中的应力测量传感器。2.根据权利要求1所述的一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置，其特征在于：还包括温度及湿度监控系统，温度及湿度监控系统包括温度采集器及与之连接的多个预埋在3D打印煤岩层中中的温度传感器、湿度采集器和与之连接的多个预埋在3D打印煤岩层中中的湿度传感器。3.根据权利要求2所述的一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置，其特征在于：所述液压加载单元固定在位于所述模型架上方的横梁上，模型架的两侧设有液压柱，横梁的两端分别固定在两侧的液压柱上。4.根据权利要求3所述的一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验装置，其特征在于：所述3D打印构件还包括模型架，模型架由PROE软件设计相似模型架形状和尺寸，导入3D打印装置打印而成。5.一种基于三维地质勘探的相似重构模型实验方法，其特征在于：包括如...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕腾，刘飞，倪晓燕，龚鹏，冯宇，雷鸣，郭瑞，张磊，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11