本發(fā)明屬于采礦及巖土工程相似材料模擬試驗(yàn)研究領(lǐng)域，具體涉及一種CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)。

背景技術(shù)：

煤礦行業(yè)生產(chǎn)過程中，采場(chǎng)覆巖移動(dòng)與變形規(guī)律可為采場(chǎng)支護(hù)以及瓦斯、火等礦山災(zāi)害防治提供理論指導(dǎo)，對(duì)于煤層安全高效的回采具有重要意義。相似材料模擬是采礦和巖土工程研究采場(chǎng)覆巖移動(dòng)與變形規(guī)律的重要研究手段。但現(xiàn)有的相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，大多都是是二維平面形式，僅能展現(xiàn)某個(gè)剖面內(nèi)的覆巖運(yùn)動(dòng)破壞特征，且由于存在模型的邊界效應(yīng)，導(dǎo)致試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)同實(shí)際情況誤差較大。少數(shù)的三維相似模擬試驗(yàn)臺(tái)的操作過程面臨諸多難題，首先是三維模型在模擬煤層工作面推采時(shí)開挖困難，對(duì)于常見的厚煤層分層開采，更不易模擬。最為棘手的難點(diǎn)在于，傳統(tǒng)的三維相似模擬試驗(yàn)臺(tái)無法觀測(cè)模型內(nèi)部巖體的移動(dòng)和變形特征，進(jìn)而無法對(duì)深入了解和整體把握采場(chǎng)覆巖的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

本發(fā)明致力于研發(fā)一種CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，解決現(xiàn)有的相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)存在的諸多不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層回采過程的科學(xué)模擬和對(duì)覆巖空間移動(dòng)變形特征的準(zhǔn)確觀測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開一種CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，利用CT掃描技術(shù)，能夠獲取模擬開采過程中采場(chǎng)覆巖移動(dòng)和變形的剖面形態(tài)，并結(jié)合CT圖像三維重建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)覆巖空間形態(tài)三維圖像的輸出。同時(shí)，本發(fā)明采用電熱絲加熱熔化石蠟顆粒材料的方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維相似模型開挖的方便、快捷。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

一種CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于，包括控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、試驗(yàn)箱體、掃描系統(tǒng)、電熱開挖系統(tǒng)。

所述控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)程序控制CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)過程中的圖像掃描，同時(shí)，控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過CT三維重建技術(shù)形成并輸出采場(chǎng)覆巖三維空間形態(tài)的圖像。

所述試驗(yàn)箱體為一立方體空間，底部有四根支柱，后面為一金屬擋板，前、左、右四面均為條形有機(jī)玻璃擋板通過螺絲拼接而成。

所述掃描系統(tǒng)包括掃描架和底輪，掃描架為一方形支架，正面環(huán)繞試驗(yàn)箱體，其功能在于實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)箱體內(nèi)部的煤巖體進(jìn)行掃描，得到煤巖體的豎向剖面圖像。所述底輪受計(jì)算機(jī)控制，安設(shè)掃描架底部，可在試驗(yàn)箱體前后支柱之間的導(dǎo)軌上滑行，以此帶動(dòng)掃描架前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在不同位置處的掃描，進(jìn)而獲得不同位置處的剖面圖像。

所述電熱開挖系統(tǒng)包括控制器、電熱網(wǎng)、石蠟顆粒材料、排液管。所述電熱網(wǎng)為多條平行的電熱絲，鋪設(shè)于煤層相似材料開挖的平面區(qū)域內(nèi)，每組電熱絲均應(yīng)平行于模擬工作面。形成多組平行的回路，利用控制器控制電熱網(wǎng)中各回路電熱絲對(duì)石蠟顆粒材料進(jìn)行加熱，使其熔化，由此模擬煤層的開挖。所述石蠟顆粒材料成分為半精煉石蠟，具有熔點(diǎn)低、無毒、加熱易熔化的性質(zhì)，用于模擬煤層材料。所述排液管為兩根塑料細(xì)管，其管壁排列布置多個(gè)圓孔。排液管分別鋪設(shè)于煤層相似材料開挖的平面區(qū)域兩端，并留一端頭于試驗(yàn)箱體外側(cè)。模型開挖過程中，石蠟顆粒材料熔化后產(chǎn)生的液體可通過排液管排出試驗(yàn)箱體。

一種CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于試驗(yàn)臺(tái)的操作包括以下步驟：

步驟1、相似模型制作

根據(jù)相似模擬理論制定相似比，由此設(shè)計(jì)各煤巖層的力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)行煤巖體相似材料的配制，之后按照實(shí)際地層層序，在試驗(yàn)箱體底板上鋪設(shè)模型，并隨鋪設(shè)進(jìn)行，逐層安裝拼接前、左、右三面的有機(jī)玻璃擋板，同時(shí)注意在安裝拼接前面擋板時(shí)，煤層部分預(yù)留出煤層模擬開挖的槽口。注意在煤層相似材料鋪設(shè)時(shí)，非開挖區(qū)域鋪設(shè)常規(guī)的相似材料，開挖區(qū)域鋪設(shè)石蠟顆粒材料作為煤層模擬材料，需將電熱網(wǎng)水平鋪設(shè)于開挖區(qū)域鋪設(shè)的石蠟顆粒材料中。設(shè)每組電熱絲的加熱熔化半徑為r，則為了確保能夠完全和均勻的熔化整個(gè)擬開挖區(qū)域，各電熱絲的間距應(yīng)為2r。

步驟2、模型開挖

根據(jù)工作面開采實(shí)際速度，結(jié)合相似理論中的時(shí)間相似比，換算出模型每次開挖的進(jìn)尺m，則每次應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)組電熱絲進(jìn)行加熱開挖，煤層相似材料熔化產(chǎn)生的液體和蒸汽由排液管上的圓孔進(jìn)入排液管，進(jìn)而通過排液管排出試驗(yàn)箱體外。

需要說明的是，本試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行厚煤層分層開采的相似模擬，此時(shí)需要在各分層中分別鋪設(shè)電熱網(wǎng)，開挖時(shí)逐層進(jìn)行電加熱，由此實(shí)現(xiàn)分層模擬開挖。

步驟3、CT掃描

煤層工作面推采至某一位置時(shí)，結(jié)合三維重建技術(shù)所要求的精度，選擇導(dǎo)軌上的若干個(gè)位置作為掃描點(diǎn)?？刂频纵啝恳龗呙杓?，在既定位置處對(duì)相似模型進(jìn)行掃描，得到煤巖層的多個(gè)豎向剖面圖像。

步驟4、三維重建

通過控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的三維重建軟件，將步驟3中所得到的多張覆巖形態(tài)剖面圖像進(jìn)行三維重建，工作面周邊的覆巖形態(tài)空間圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)覆巖移動(dòng)和破壞的全面、深入的分析，為礦井安全開采提供指導(dǎo)。

本發(fā)明所帶來的有益成果如下：

本發(fā)明所研發(fā)的CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，采用CT掃描技術(shù)，得到了采場(chǎng)周邊各位置巖體變形和破壞剖面圖像，同時(shí)結(jié)合三維重建技術(shù)，能夠構(gòu)建覆巖變形破壞的三維立體形態(tài)，便于對(duì)煤層開采過程中覆巖運(yùn)移和破壞特征的研究。同時(shí)，該試驗(yàn)臺(tái)采用電熱絲加石蠟顆粒材料的方式代替了傳統(tǒng)相似模擬實(shí)驗(yàn)的人工開挖，并可以通過鋪設(shè)多層電熱網(wǎng)逐層加熱的方式，實(shí)現(xiàn)厚煤層分層開采的有效模擬，節(jié)省人力，可操作性強(qiáng)?？傮w來看，本試驗(yàn)臺(tái)可以科學(xué)、有效地模擬煤層開采過程中采場(chǎng)覆巖的移動(dòng)和變形規(guī)律，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采場(chǎng)覆巖的空間形態(tài)特征的有效觀測(cè)，進(jìn)而可以更為深入和全面的掌握采動(dòng)覆巖的移動(dòng)和變形規(guī)律，為采場(chǎng)支護(hù)和礦山災(zāi)害防治提供指導(dǎo)，有利于煤礦行業(yè)的安全生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)

圖2為電熱網(wǎng)鋪設(shè)平面示意圖

附圖標(biāo)記說明：

圖中：1、計(jì)算機(jī)，2、試驗(yàn)箱體，3、支柱，4、掃描架，5、底輪，6、導(dǎo)軌，7、排液管，8、控制器，9、開挖槽口，10、電熱絲。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，下面通過附圖和實(shí)施例，以某礦3煤層開采為工程背景，模擬研究該煤層開采過程中的覆巖移動(dòng)、變形的空間形態(tài)。對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

首先對(duì)本發(fā)明所包括的試驗(yàn)硬件作如下說明：

結(jié)合圖1所示，CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，包括：

一種CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于，包括控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、試驗(yàn)箱體、掃描系統(tǒng)、電熱開挖系統(tǒng)。

所述控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)1控制CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)過程中的掃描過程，同時(shí)，控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過CT三維重建技術(shù)形成并輸出采場(chǎng)覆巖三維空間形態(tài)的圖像。

所述試驗(yàn)箱體為一立方體空間，底部有四根支柱3，后面為一金屬擋板，前、左、右四面均為條形有機(jī)玻璃擋板通過螺絲拼接而成。

所述掃描系統(tǒng)包括掃描架4和底輪5，掃描架4為一方形支架，正面環(huán)繞試驗(yàn)箱體2，其功能在于實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)箱體內(nèi)部的煤巖體模型進(jìn)行掃描，得到煤巖體的豎向剖面形態(tài)。所述底輪5受計(jì)算機(jī)1控制，安設(shè)掃描架4底部，可在試驗(yàn)箱體2前后支柱之間的導(dǎo)軌6上滑行，以此帶動(dòng)掃描架4前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在不同位置處的掃描，進(jìn)而獲得不同位置處的剖面圖像。

所述電熱開挖系統(tǒng)包括排液管7、控制器8、電熱網(wǎng)、石蠟顆粒材料。所述石蠟顆粒材料成分為半精煉石蠟，具有熔點(diǎn)低、無毒、加熱易熔化的性質(zhì)，用于模擬煤層材料。所述電熱網(wǎng)由多條平行鋪設(shè)的電熱絲10組成，鋪設(shè)于煤層相似材料開挖的平面區(qū)域內(nèi)，每組電熱絲應(yīng)注意平行于模擬工作面。形成多組平行的回路，利用控制器8控制電熱網(wǎng)中各回路電熱絲對(duì)石蠟顆粒材料進(jìn)行加熱，使其熔化，由此模擬煤層的開挖。所述排液管7為兩根塑料細(xì)管，其管壁排列布置多個(gè)圓孔。排液管7分別鋪設(shè)于煤層相似材料開挖的平面區(qū)域兩端，并留一端頭于試驗(yàn)箱體2外側(cè)。模型開挖過程中，石蠟顆粒材料熔化后產(chǎn)生的液體可通過排液管7排出試驗(yàn)箱體2。

一種CT掃描相似材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于試驗(yàn)臺(tái)的操作包括以下步驟：

步驟1、相似模型制作

根據(jù)煤層實(shí)際地層條件，進(jìn)行鉆孔采樣，測(cè)試出煤巖層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，制定相似比，由此設(shè)計(jì)各煤巖層的力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)行煤巖體相似材料的配制，模型煤巖層用料配比及鋪設(shè)層次如表1所示。對(duì)于3煤層，非開挖區(qū)域采用表1中對(duì)應(yīng)的配方所配制得到的相似材料。開挖區(qū)域，則采用石蠟顆粒材料。

表1模型巖層用料配比及鋪設(shè)層次

相似材料配制完成后，按照實(shí)際地層層序，在試驗(yàn)箱體2底板上鋪設(shè)模型，并隨鋪設(shè)進(jìn)行，逐層安裝拼接前、左、右三面的有機(jī)玻璃條形擋板，在煤層相似材料鋪設(shè)時(shí)，將電熱網(wǎng)水平鋪設(shè)于煤層中，每組電熱絲10應(yīng)注意平行于煤層工作面。同時(shí)注意在安裝拼接前面擋板時(shí)，煤層部分預(yù)留出煤層模擬開挖槽口9。

步驟2、模型開挖

按照煤層實(shí)際推采速度和時(shí)間相似比，利用控制器依次啟動(dòng)電熱網(wǎng)中的各組電熱絲10，按照煤層回采的方向?qū)γ簩酉嗨撇牧霞訜?，首先?yīng)注意按照工作面回采方向依次啟動(dòng)各組電熱絲進(jìn)行加熱，依據(jù)煤層實(shí)際推采速度和時(shí)間相似比，推算出模型工作面每次的開挖進(jìn)尺為6cm，且已知每組電熱絲的熔化半徑為1cm的煤層相似材料，則每次應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)組電熱絲10加熱熔化石蠟顆粒材料，煤層相似材料熔化產(chǎn)生的液體和蒸汽由排液管7上圓孔進(jìn)入排液管7，進(jìn)而通過排液管7排出試驗(yàn)箱體2外，并注意在熔化完全后關(guān)閉相應(yīng)的電熱絲。

步驟3、CT掃描

當(dāng)模擬工作面推采150cm時(shí)，決定對(duì)工作面覆巖移動(dòng)、變形的空間形態(tài)進(jìn)行掃描，根據(jù)三維重建要求的精度，將相似模型在長(zhǎng)度方向上均分出300個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而利用控制器8控制底輪5牽引掃描架4，在各節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行掃描，得到模型內(nèi)煤巖層的多個(gè)豎向剖面圖像。

步驟4、三維重建

通過控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的三維重建軟件，將步驟三中所得到的多張覆巖形態(tài)剖面圖像進(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)與匹配，并計(jì)算基礎(chǔ)矩陣，獲取三維點(diǎn)云圖，最終得到工作面周邊的覆巖形態(tài)三維圖像。通過覆巖和裂隙的三維圖像，結(jié)合相關(guān)理論，對(duì)煤層開采過程中的巷道支護(hù)工藝提供依據(jù)，并可對(duì)瓦斯等礦山災(zāi)害防治提供指導(dǎo)。