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技术方案

本发明专利技术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；本发明专利技术测量系统中，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。

Three dimensional moving deformation measurement system and its application in three dimensional similar simulation experiment

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及采矿工程中相似模拟
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。作为本专利技术的一个优选方案，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。作为本专利技术的另一个优选方案，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。本专利技术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，本专利技术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专利技术做进一步说明：图1为本专利技术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为本专利技术三维模拟实验台结构示意图；图3为本专利技术地表移动变形测量系统结构示意图；图4为本专利技术测量头结构示意图；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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n所述的水准泡固定于所述测量头的上表面；/n所述测量头通过所述滑套与所述横向滑轨滑动连接；/n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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：
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。


2.根据权利要求1所述的一种用于三维相似模拟实验的三维移动变形测量系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：江宁，赵金海，潘海洋，尹大伟，马俊彪，常西坤，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37