一种用于观测岩层表面位移的试验模型及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种用于观测岩层表面位移的试验模型，包括试验箱，所述试验箱上包括至少一块观测玻璃，在所述试验箱内浇筑有至少一层与待开采的岩层相似的相似岩层；其中，在所述相似岩层的外周面与所述观测玻璃之间形成有容置空腔，所述容置空腔贯通所述相似岩层的上下表面；在所述容置空腔内填充有柔性防水层；在所述柔性防水层上间隔地布置有多个位移观测件，所述位移观测件包括观测面和与所述观测面垂直连接的主体部，所述主体部布置在所述柔性防水层上，所述主体部的尾部连接在所述相似岩层的所述上表面上，所述观测面紧贴着所述观测玻璃布置，所述位移观测件能够随着所述相似岩层的移动而移动。本发明专利技术还公开了一种试验模型的制作方法。

【技术实现步骤摘要】
一种用于观测岩层表面位移的试验模型及其制作方法
本专利技术涉及矿业工程及水利工程的综合利用
，尤其涉及一种用于观测岩层表面位移的试验模型及其制作方法。
技术介绍
煤炭在我国能源结构中占据主体地位的格局相当长时期内难以改变，与此同时我国煤炭资源的开发与利用所引发的环境问题却日益突出。一方面，我国西部富煤地区多处于干旱和半干旱地带，水资源短缺，同时地表生态脆弱；另一方面，在煤炭开采过程中不可避免产生矿井水，如果处理不当不仅会造成地下水资源的破坏，同时还会造成河川径流量减少、水资源枯竭、土地沙漠化、环境污染、地表塌陷等一系列危害。因此，保护水资源和地表生态环境，是我国西部煤炭资源开发面临的重大课题。利用煤矿采空区建造地下水库，实现保水开采是综合利用地下水资源、保护含水层、煤矿安全生产和矿山废弃后地下水源再利用的重大举措。“绿色煤炭”也是国家重大战略问题，将列入国家科技重大专项的重要研究内容。在地下水库设计和建造中，库址与坝址、库容与特征水位、地下水调控与水质过滤净化，都取决于顶底板岩体渗透性能、导水裂隙带和塌落体的渗透系数和储水系数、以及这些参数的动态变化或变异特征与规律；而这些问题又是取决于煤层采动过程中顶底板岩体破损与裂隙发育过程和演化规律、破损岩体塌落方式、范围、堆积型式、块度分布、孔隙大小与分布等物理特征。在现场条件下，难以直接观察、观看、准确测试这些物理特征和相关物理力学参数，采用大型水岩耦合物理模型试验可以实现这一目的。在水岩耦合物理模型试验条件下，模型内部传感器的埋设工序复杂、难度大、造价高，同时过多的布设传感器也会对模型试验的结果造成不良影响。如何在密封条件下，对水岩耦合模型试验的表面位移进行动态全过程的实时观测及记录是水岩耦合模型试验的关键技术难题之一，对煤矿分布式地下水库相关问题的研究具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够在密封条件下，对岩层的表面位移进行动态观测的试验模型及其制作方法。本专利技术技术方案提供一种用于观测岩层表面位移的试验模型，包括试验箱，所述试验箱上包括至少一块观测玻璃，在所述试验箱内浇筑有至少一层与待开采的岩层相似的相似岩层；其中，在所述相似岩层的外周面与所述观测玻璃之间形成有容置空腔，所述容置空腔贯通所述相似岩层的上下表面；在所述容置空腔内填充有柔性防水层；在所述柔性防水层上间隔地布置有多个位移观测件，所述位移观测件包括观测面和与所述观测面垂直连接的主体部，所述主体部布置在所述柔性防水层上，所述主体部的尾部连接在所述相似岩层的所述上表面上，所述观测面紧贴着所述观测玻璃布置，所述位移观测件能够随着所述相似岩层的移动而移动。进一步地，所述观测玻璃绕着所述试验箱的一圈设置，相应地，所述容置空腔绕着所述相似岩层的外周面的一圈设置，多个所述位移观测件绕着环形的所述容置空腔内的所述柔性防水层的一圈设置。进一步地，所述容置空腔沿着所述相似岩层厚度方向的纵剖面呈楔形，在从所述相似岩层的上表面至下表面的方向上，所述观测玻璃与所述相似岩层的所述外周面之间的距离逐渐变小。进一步地，所述试验箱内浇筑有多层所述相似岩层，每层所述相似岩层与所述观测玻璃之间均设置有所述容置空腔，每个所述容置空腔内均填充有所述柔性防水层，每层所述柔性防水层上均布置有多个所述位移观测件。进一步地，所述观测面为圆形钢片，所述主体部为片状钢片，所述主体部的尾部上设置有尾钉，所述主体部通过所述尾钉连接在所述相似岩层上。进一步地，所述观测面上设置喷漆层，并在所述喷漆层上设置有十字型标记。进一步地，所述柔性防水层为防水砂层或防水彩砂层。进一步地，所述试验模型还包括用于观测所述观测面位移的全站仪或3D激光扫描仪。进一步地，所述相似岩层还包括可拆除的空腔形成模板，所述容置空腔由从所述相似岩层上拆除的所述空腔形成模板形成。进一步地，所述空腔形成模板的纵剖面呈楔形。本专利技术技术方案还提供一种用于观测岩层表面位移的试验模型的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在试验箱内靠近观测玻璃的一侧支设空腔形成模板；步骤2：向所述试验箱内浇筑一层相似岩层；步骤3：在所述相似岩层满足强度要求后，拆除所述空腔形成模板，从而在所述观测玻璃与所述相似岩层的外周面之间形成有容置空腔；步骤4：向所述容置空腔内填充满柔性防水层；步骤5：在所述柔性防水层上间隔地均布多个位移观测件，将所述位移观测件的观测面紧贴着所述观测玻璃布置，将所述位移观测件的主体部布置在所述柔性防水层上，将所述主体部的尾部连接在所述相似岩层的所述上表面上；并且所述位移观测件能够随着所述相似岩层的移动而移动。进一步地，在所述试验箱外侧支设全站仪或3D激光扫描仪，通过所述全站仪或所述3D激光扫描仪实时观测并记录所述观测面的位移。进一步地，在所述试验箱内依照所述步骤1至所述步骤5依次浇筑有多层所述相似岩层。进一步地，所述观测玻璃绕着所述试验箱的一圈设置，相应地，所述容置空腔绕着所述相似岩层的外周面的一圈设置，多个所述位移观测件绕着环形的所述容置空腔内的所述柔性防水层的一圈设置。进一步地，所述容置空腔沿着所述相似岩层厚度方向的纵剖面呈楔形，在从所述相似岩层的上表面至下表面的方向上，所述观测玻璃与所述相似岩层的所述外周面之间的距离逐渐变小。进一步地，所述空腔形成模板的纵剖面呈楔形。进一步地，所述观测面为圆形钢片，所述主体部为片状钢片，所述主体部的尾部上设置有尾钉，所述主体部通过所述尾钉连接在所述相似岩层上。进一步地，所述观测面上设置喷漆层，并在所述喷漆层上设置有十字型标记。进一步地，所述柔性防水层为防水砂层或防水彩砂层。采用上述技术方案，具有如下有益效果：本专利技术提供的试验模型及其制作方法，通过在相似岩层和观测玻璃之间设置位移观测件，位移观测件能够随着相似岩层的移动而移动，从而通过观测上述位移观测件的动态过程，即可得知相似岩层的表面位移的动态全过程。本专利技术提供的试验模型及其制作方法，其施工简便易行，观测效果直观可靠，造价低廉，避免了在相似岩层内部过多布设传感器对模型试验结果造成不利影响。附图说明图1为本专利技术提供的试验模型的结构示意图；图2为在试验箱内支设空腔形成模板的示意图；图3为向试验箱内浇筑相似岩层的示意图；图4为拆除空腔形成模板的示意图；图5为容置空腔内填充满柔性防水层的示意图；图6为从观测玻璃侧看柔性防水层上布置有位移观测件的示意图；图7为在试验箱内浇筑有两层相似岩层的示意图；图8为位移观测件的结构示意图；图9为在喷漆层上设置有十字型标记的示意图。附图标记对照表：1-试验箱；11-观测玻璃；2-相似岩层；20-外周面；21-位移传感器；22-上表面；23-下表面；3-容置空腔；4-柔性防水层；5-位移观测件；51-观测面；52-主体部；53-尾部；54-尾钉；55-喷漆层；56-十字型标记；6-空腔形成模板。具体实施方式下面结合附图来进一步说明本专利技术的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。本专利技术中所涉及到相似岩层是指与煤矿开采过程中的待开采的岩石层以一定方式相似制成的相似材料层，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于观测岩层表面位移的试验模型，其特征在于，包括试验箱，所述试验箱上包括至少一块观测玻璃，在所述试验箱内浇筑有至少一层与待开采的岩层相似的相似岩层；其中，在所述相似岩层的外周面与所述观测玻璃之间形成有容置空腔，所述容置空腔贯通所述相似岩层的上下表面；在所述容置空腔内填充有柔性防水层；在所述柔性防水层上间隔地布置有多个位移观测件，所述位移观测件包括观测面和与所述观测面垂直连接的主体部，所述主体部布置在所述柔性防水层上，所述主体部的尾部连接在所述相似岩层的所述上表面上，所述观测面紧贴着所述观测玻璃布置，所述位移观测件能够随着所述相似岩层的移动而移动。

【技术特征摘要】
1.一种用于观测岩层表面位移的试验模型，其特征在于，包括试验箱，所述试验箱上包括至少一块观测玻璃，在所述试验箱内浇筑有至少一层与待开采的岩层相似的相似岩层；其中，在所述相似岩层的外周面与所述观测玻璃之间形成有容置空腔，所述容置空腔贯通所述相似岩层的上下表面；在所述容置空腔内填充有柔性防水层；在所述柔性防水层上间隔地布置有多个位移观测件，所述位移观测件包括观测面和与所述观测面垂直连接的主体部，所述主体部布置在所述柔性防水层上，所述主体部的尾部连接在所述相似岩层的上表面上，所述观测面紧贴着所述观测玻璃布置，所述位移观测件能够随着所述相似岩层的移动而移动。2.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述观测玻璃绕着所述试验箱的一圈设置，相应地，所述容置空腔绕着所述相似岩层的外周面的一圈设置，多个所述位移观测件绕着环形的所述容置空腔内的所述柔性防水层的一圈设置。3.根据权利要求1或2所述的试验模型，其特征在于，所述容置空腔沿着所述相似岩层厚度方向的纵剖面呈楔形，在从所述相似岩层的上表面至下表面的方向上，所述观测玻璃与所述相似岩层的所述外周面之间的距离逐渐变小。4.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述试验箱内浇筑有多层所述相似岩层，每层所述相似岩层与所述观测玻璃之间均设置有所述容置空腔，每个所述容置空腔内均填充有所述柔性防水层，每层所述柔性防水层上均布置有多个所述位移观测件。5.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述观测面为圆形钢片，所述主体部为片状钢片，所述主体部的尾部上设置有尾钉，所述主体部通过所述尾钉连接在所述相似岩层上。6.根据权利要求5所述的试验模型，其特征在于，所述观测面上设置喷漆层，并在所述喷漆层上设置有十字型标记。7.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述柔性防水层为防水砂层。8.根据权利要求7所述的试验模型，其特征在于，所述防水砂层为防水彩砂层。9.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述试验模型还包括用于观测所述观测面位移的全站仪或3D激光扫描仪。10.根据权利要求1所述的试验模型，其特征在于，所述相似岩层还包括可拆除的空腔形成模板，所述容置空腔由从所述相似岩层上拆除的所述空腔形成模板形成。...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓丽，梁涛，李全生，张凯，
申请(专利权)人：中国神华能源股份有限公司，清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11