1、變形與沉陷工程學實驗指導書編寫：XXXX學院實驗一：采煤沉陷區調研實驗目的：了解開采沉陷區的現狀，加深對開采沉陷的認識。實驗內容：通過視頻錄像或實地考察的方式參觀開采沉陷區東西方向傾斜東西方向曲率 東西方向水平變形東西方向水平移動南北方向傾斜 南北方向曲率南北方向水平移動下沉實驗二：相似材料模擬實驗的認識實驗目的：認識相似材料模擬實驗的步驟、作用和意義實驗內容：1學習相似材料模擬的基本原理相似材料模擬實驗屬于物理模擬實驗，該實驗用于模擬巖層移動最早開始于蘇聯，五十年代引入我國。該實驗根據相似性原理把巖層原型按照一定比例縮小利用相似材料做成模型。對模型中的煤層按照時間比例開采，通過變形監測手段獲

2、取模型上目標點的位移量，然后將其換算為實際值，通過分析該值的變化規律來分析地表和巖層移動機理。要使模型系統和原型系統相似，主要體現在以下三類相似2：(1) 幾何相似幾何相似要求模型與原型的幾何形狀相似，即要求二者的長、寬、高保持一定比例，即： al 模型比例尺l- 模型的長度L-原型的長度 作為開采沉陷的相似材料模擬，模型比例尺一般取1/100至1/200。(2) 運動學相似運動學相似要求模型與原型中各個對應點運動相似，運動時間保持一定比例，即： at時間比例l- 模型中各個對應點完成相似運動所需的時間L- 原型中各點完成相似運動所需時間時間比例尺和幾何比例尺的近似關系如下： (3) 動力學相

3、似動力學相似要求模型與原型間所有作用力都保持相似，即滿足如下條件： RM- 相似材料模型的力學性質RH- 原型的力學性質rM- 相似材料模型的重度rH- 原型的重度lM- 相似材料模型的幾何因子lH- 原型的幾何因子2學習相似材料模擬實驗的基本步驟第一步，設計相似材料模型的比例和力學參數第二步，計算相似材料的配比和用量第三步，相似材料模型的制造第四步，相似材料模型的模擬開挖和觀測第五步，分析實驗數據獲得開采沉陷規律3了解相似材料模擬實驗觀測設備的使用相似材料模型在模擬開采的過程中要發生形變，該形變和實際礦山開采的巖層移動有區別也有聯系。區別是模型形變是細微的形變，常規的測量儀器不能滿足其高精度

4、的測量需求；其次模型發生形變的時間間隔較短，觀測周期短。聯系是模型形變和實地的巖層移動具有相似性，模型上點位移的距離和所花時間與實地的巖層移動成比例。相似材料模型變形觀測和實地的觀測站作用相同，都是通過測得變形值，并找到變形與井下開采的關系來研究巖層地表移動規律。相似材料模型形變觀測是本實驗非常重要的環節，準確高精度變形數據的獲取是實驗成功的關鍵。3.1 常規相似材料模型觀測方法介紹觀測設備和觀測技術的好壞直接確定了試驗數據的質量，觀測設備的選取和相關觀測技術受到了大量的研究。就相似材料模型形變觀測技術發展歷史來看，先有燈光透鏡法、小鋼尺法等；后有經緯儀法、全站儀法；再有攝影測量法，有的還把三

5、維激光掃描技術用到模型觀測中，下面對上述方法進行逐一分析：燈光透鏡法：該方法將小燈泡附著在模型表面，燈泡和幕之間安裝一個放大鏡，通過放大鏡將發光的燈絲投影在幕上，見圖2-1。該方法通過將位移放大后投影在坐標格網紙上來讀取值，可以測得水平和豎直兩個方向的位移。由于該種方法受到小燈泡質量、投影光斑大小等因素影響，當小燈泡損壞需要更換時往往會移動燈泡在模型上的固定點，觀測效果受到人為因素影響較大。圖2-1 燈光透鏡法示意圖模型點位移的計算方法見下式。 式中F為透鏡焦距，為放大系數，a為模型觀測點位移。小鋼尺法：該方法把大頭釘釘在模型里，大頭釘頭部懸掛小鋼尺，通過讀取小鋼尺錯動的距離來觀測形變，該方法

6、只能測定一個方向的位移。也有人將經緯儀和全站儀等常規的測量儀器用于模型測量方面53-55，該種方法可以逐點觀測模型點的位移，但在模型上目標點數太多的情況下，工作量太大，有局限性。三維激光掃描技術用于相似材料模型觀測時，單點觀測精度不高，而且數據處理復雜。利用常規攝影測量法觀測相似材料模型形變和前面的逐點觀測方法相比具有非接觸性，自動化高等優點，但精度有待提高。3.2 觀測設備的選取為了獲取優質的實驗數據，本文采用XJTUDP工業攝影測量系統來觀測相似材料模型形變。該方法不需要設置固定的測站，觀測人員站在模型周圍從不同角度隨機拍照即可，基于數碼照片運用光束法平差算法可獲得觀測點的高精度三維坐標，

7、觀測設備見圖2-2。圖2-2 XJTUDP系統組成該觀測系統由計算機、標尺、編碼點、非編碼點，單反相機等部件組成，單點觀測坐標精度能達到1/70000 到 1/150000, 換句話說，如果觀測1m長的工件，誤差會小于0.01mm。3.3 觀測方法及數據獲取當在模型表面上布置好非編碼點、編碼點以及在模型旁安裝好標尺、溫度計等設施后，便可以用單反相機進行觀測了，模型上觀測點布置示意圖見圖2-3。 圖2-3 模型觀測布點圖 圖2-4 相機位置示意圖觀測模型時，測量人員站在模型四周隨機拍照，獲得一系列數碼照片，相機位置和模型觀測點位置關系見圖2-4。將數碼照片讀入坐標解算系統進行解算便可以獲得：（點

8、號，X，Y，Z）格式的三維坐標，坐標解算軟件界面見圖2-5。圖2-5 XJTUDP坐標解算系統實驗三：地表沉陷的可視化表達實驗目的：掌握開采沉陷圖件的繪制方法實驗內容： 1根據觀測數據繪制：下沉，傾斜，曲率，水平移動，和水平變形曲線。觀測數據經過整理改正后，便可計算觀測線上各測點和各測點間的移動和變形。移動和變形計算主要包括：下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形的計算；觀測點下沉速度的計算；各測點橫向水平移動的計算。（1）第m次觀測n點的下沉，mm式中，Wn地表第n點的下沉； Un地表第n點的水平移動； Hn0、Hnm分別為首次和m次觀測時n點的高程；（2）n號點的水平移動本次測量對地表移動觀

9、測站所進行的觀測全部是坐標觀測。由于坐標觀測成果確定的是點的空間位置，在求出方位角的前提下，可根據點的移動矢量確定沿任意方向的水平移動量。圖3-1 測點數據處理示意圖CDABR1R2kkpS圖3-1所示，在工作面ABCD走向主斷面內布置R1R2觀測線，其中點R1和R2為控制點。k為觀測線上某一個觀測點，由于地質采礦條件的復雜性，其受到開采影響后的位移矢量不一定嚴格沿著R1R2方向。設k為受到開采影響后的觀測點，k點的位移矢量及其分量可以按下述方法進行計算。設k點受開采影響前的平面直角坐標為k(x1，y1),受開采影響后該點的平面直角坐標變為k(x2, y2)，則k k的距離S為：兩點的方位角為

10、：同理，設R1和R2的平面直角坐標分別為R1(x3,y3)，R2 (x4,y4)，則矢量R1R2的方位角為：上述方位角的計算均假定其位于第I象限，其余情況可參考相關資料計算。于是，位移矢量kk與測線R1R2方向的夾角為：設位移矢量S沿主斷面觀測線方向的分量為S1，沿垂直于主斷面觀測線方向的分量為S2，則按照上述方法對所計算的位移S分解后，不但能得到觀測線方向上的位移，而且能得到橫向位移。（3）相鄰兩點間的傾斜式中，im-n地表m、n兩點的傾斜變形mm/m； Ln-m地表m、n兩點的水平距離，m； Wm、Wn地表m、n點的下沉值，mm。（4）相鄰兩點間的曲率式中，Km-n-p線段m-n和線段n-p的平均曲率，mm/m2；im-n、in-p地表m-