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数字散斑技术在保护层开采物理相似模拟 实验中的应用研究 重庆大学硕士学位论文 （专业学位） 学生姓名杨亚会 指导教师王宏图 教 授 兼职导师范晓刚 高级工程师 学位类别工程硕士（矿业工程领域） 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一七年五月 万方数据 Study and Application of Digital Speckle Technique in Physical Similar Simulation Experiment of Protective Layer Mining A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Professional Degree By Yang Yahui Supervised by Prof.Wang Hongtu Pluralistic Supervised by Sen. Eng. Fan Xiaogang Specialty MEMining Engineering Field College of Resources and Environmental Science of Chongqing University, Chongqing, China May, 2017 万方数据 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 对于具有煤与瓦斯突出的矿井而言，保护层开采是最为有效消突的措施之一， 煤层群保护层开采研究的关键在于保护范围的划定，物理相似模拟是保护层开采 研究中的一种重要方法。物理相似模拟中模型变形的测量技术直接影响着研究结 果的可靠性。数字散斑相关方法作为一种新型现代光学测量方式，具有全场性、 非接触优势，因此引入数字散斑技术进行保护层开采的物理相似模拟具有一定的 研究意义。 论文对数字散斑相关方法进行了理论分析并改进了插值算法以提高精度，通 过对试件实验室测试验证了该方法的可靠性。结合东林煤矿倾斜下保护层开采的 工程背景，采用数字散斑技术进行保护层开采覆岩变形和保护范围的划定研究。 论文取得了如下研究成果 ①通过相似材料试件单轴压缩变形试验，采用数字散斑技术的方法对其位移 等变形破坏特性进行研究，从定性和定量两个方面验证了数字散斑相关方法运用 在保护层物理相似模拟实验中的可行性。 ②在下保护层开采物理相似模拟实验中引入数字散斑技术，通过将上覆岩层 位移等值线云图、平面总应变等值线云图分别与上覆岩层变形破坏实物图相叠加 得到了顶板位移综合分析图和平面总应变综合分析图；在传统物理相似模型表面 变形测量的基础上，提出了一种分析上覆岩层的变形和破坏规律新方法，提高了 测量精度，完善了顶板岩层移动规律的研究手段。 ③确定了顶板位移云图和平面总应变云图呈现的“环形核”等值线分布特征， 以 位移“环形核心”及应变“环形核心”作为“三带”的分界点，确定煤层开采垮落带高 度、裂隙带高度和偏心程度等特征参数；分析得出工作面上方 132.5mm 以内是裂 隙带及垮落带范围，96.5mm 以内为垮落带范围，偏心度为 0.117。 ④利用数值散斑相关方法从下保护层开采物理相似模型表面计算得到保护范 围的上、下边界膨胀变形角分别为 88 、68 ；利用模型内部煤层应力测定方式获 得的保护范围上、下边界卸压角分别为 91 、67.4 ；两种方法所得结果相近，说明 在保护层开采物理相似模拟中用数字散斑相关方法划定的保护范围是可靠的。 关键词关键词物理相似模拟，下保护层开采，数字散斑，有限元插值，保护范围 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT For the coal and gas outburst of the mine, the protective layer of the most effective measures to eliminate one of the measures, The key to the study of protective layer mining of coal seam is the delineation of protection scope. Physical similarity simulation is an important in the study of protective layer mining. The measurement of model deation in physical similar simulation directly affects the reliability of the results. As a new type of modern optical measurement ,DIC has a full-field and non-contact advantage. In this paper, the digital speckle correlation is analyzed theoretically and the interpolation algorithm is to improve the accuracy. The reliability of the is verified by the laboratory test. Combined With the tilt Donglin’s coal mining protecting strata engineering background, the DIC is used to study on deation and protection range of overlying strata in protective layer mining The study results are as follows ①Based on the uniaxial compression deation test of similar materials,the deation and failure characteristics of displacement are studied by DIC. From two aspects of qualitative and quantitative validation of the digital speckle correlation can be used in the similarity simulation experiment of protective layer mining. ②The digital speckle pattern is introduced in the physical similarity simulation experiment of the lower protective layer mining. The comprehensive analysis of the roof displacement and the comprehensive analysis of the total strain are obtained by superimposing the contours of the overlying strata displacement contours and the plane total strain contours and the deation maps of the overlying strata respectively; Based on the measurement of surface deation of traditional physical similar model, a new to analyze the deation and failure law of overlying strata is proposed, which improves the measurement accuracy and perfects the research of the roof rock movement law. ③The distribution characteristics of the “ring nucleus“ contours of the roof displacement cloud map and the plane total strain cloud map are determined, With the displacement “ring core“ and the strain “ring core“ as the “three bands“ of the demarcation point to determine the height of the caving zone, the height of the fissure zone and the degree of eccentricity; The analysis shows that the upper part of the working face is within the range of 132.5mm and the range of fracture zone and 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III collapse zone is 96.5mm, and the eccentricity is 0.117. ④By using the digital speckle correlation , the upper and lower boundary expansion and deation angles of the protective range are 88 and 68 , respectively, from the physical similarity model of the lower protective layer; Using the internal coal seam stress measurement to obtain the protection range, the lower boundary pressure relief angle of 91 , 67.4 ; The results obtained by the two s are similar, indicating that the protection range defined by this is feasible. Keywords Physical similarity simulation， Under protective seam mining， DIC， Finite element interpolation，Protection domain 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 IV 目 录 中文摘要中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ........................................................................................................................................ II 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出问题的提出 .......................................................................................................................... 1 1.2 研究目的及意义研究目的及意义 .................................................................................................................. 2 1.3 研究现状研究现状 .............................................................................................................................. 3 1.3.1 保护层物理相似模拟观测方法研究现状 ............................................................... 3 1.3.2 数字散斑相关方法研究现状 .................................................................................. 3 1.4 研究的主要内容研究的主要内容 .................................................................................................................. 4 1.5 技术路线技术路线 .............................................................................................................................. 5 2 基于有限元插值法的数字散斑技术基于有限元插值法的数字散斑技术 ......................................................................... 6 2.1 数字散斑相关方法基本构成数字散斑相关方法基本构成 .............................................................................................. 6 2.1.1 散斑场的类别 .......................................................................................................... 6 2.1.2 数字散斑采集及测量系统 ...................................................................................... 7 2.2 数字散斑相关方法基本原理数字散斑相关方法基本原理 .............................................................................................. 7 2.2.1 数字散斑相关计算基本流程 .................................................................................. 7 2.2.2 数字散斑图像位移相关计算 .................................................................................. 8 2.3 数字散斑相关系数数字散斑相关系数 ............................................................................................................ 11 2.4 数字散斑相关搜索法数字散斑相关搜索法 ........................................................................................................ 12 2.4.1 整像素搜索法 ........................................................................................................ 12 2.4.2 亚像素搜索法 ........................................................................................................ 14 2.5 基于有限元插值法的数字散斑技术基于有限元插值法的数字散斑技术 ................................................................................ 15 2.6 本章小结本章小结 ............................................................................................................................ 17 3 数字散斑在保护层物理相似实验中的可行性研究数字散斑在保护层物理相似实验中的可行性研究 ....................................... 18 3.1 试验对象试验对象 ............................................................................................................................ 18 3.2 试验设备试验设备 ............................................................................................................................ 18 3.3 相似材料及其配比相似材料及其配比 ............................................................................................................ 19 3.4 试验过程试验过程 ............................................................................................................................ 20 3.4.1 试件的制备过程 .................................................................................................... 20 3.4.2 试件的加载过程 .................................................................................................... 20 3.5 试验数据的试验数据的处理处理 ................................................................................................................ 21 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 V 3.6 试验结果与分析试验结果与分析 ................................................................................................................ 22 3.6.1 变形与破坏特性研究 ............................................................................................ 22 3.6.2 位移量的误差比较 ................................................................................................ 23 3.7 本章小结本章小结 ............................................................................................................................ 24 4 保护层开采层间煤岩及相似材料力学性质研究保护层开采层间煤岩及相似材料力学性质研究 ............................................ 26 4.1 保护层开采层间煤岩力学性质试验保护层开采层间煤岩力学性质试验 ................................................................................ 26 4.1.1 保护层开采周围煤岩层取样 ................................................................................. 26 4.1.2 煤岩体单轴压缩试验 ............................................................................................ 26 4.1.3 保护层开采层间煤岩力学参数 ............................................................................. 30 4.2 相似材料力学性质试验相似材料力学性质试验 .................................................................................................... 30 4.2.1 试验目的 ................................................................................................................. 30 4.2.2 相似材料试件单轴压缩试验 ................................................................................ 31 4.2.3 相似试件单轴压缩试验设计 ................................................................................ 31 4.2.4 相似试件单轴压缩试验过程 ................................................................................ 32 4.2.5 相似试件单轴压缩试验结果及分析 ..................................................................... 34 4.3 本章小结本章小结 ............................................................................................................................ 34 5 倾斜下保护层开采物理相似模拟实验倾斜下保护层开采物理相似模拟实验 ................................................................. 36 5.1 上覆岩层移动的相关理论上覆岩层移动的相关理论 ................................................................................................ 36 5.1.1 上覆岩层活动规律假说 ........................................................................................ 36 5.1.2 关键层理论 ............................................................................................................ 37 5.1.3 顶板岩层移动破坏的分带 ..................................................................................... 37 5.2 相似模拟实验相似模拟实验 ..................................................................................................................... 38 5.2.1 物理相似模拟相似三定理 ..................................................................................... 38 5.2.2 实验对象概括 ........................................................................................................ 38 5.2.3 相似模拟实验方案设计 ........................................................................................ 40 5.3 相似模拟实验结果与分析相似模拟实验结果与分析 ................................................................................................ 44 5.3.1 倾斜煤层开采上覆岩层变形破坏特征分析 ........................................................ 44 5.3.2 基于膨胀变形量的保护范围划定 ........................................................................ 46 5.4 本章小结本章小结 ............................................................................................................................ 47 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................................ 49 6.1 结论结论 .................................................................................................................................... 49 6.2 展望展望 .................................................................................................................................... 49 致致 谢谢 ....................................................................................................................................... 51 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 52 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 VI 附附 录录 1 ..................................................................................................................................... 56 附附 录录 2 ..................................................................................................................................... 63 A. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目 ..................................................................... 63 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 问题的提出 我国是能源资源大国，资源储量相当丰富。在现阶段虽然因为太阳能、风能、 核能等一些可再生的清洁能源的不断增加使得煤炭在总体消费能源中所占比重有 所下滑，但煤炭资源作为具有丰富储量的能源，在短期甚至未来相当长的一段时 间之内，其他能源无法撼动其主体地位，即煤炭资源将继续在能源结构中牢牢占 据着第一主要消费能源的位置[1]。 随着煤炭资源的不断开采，我国煤矿的开采深度逐渐向深部转移[2]，造成了煤 炭开采的难度增加。随着煤田地质条件复杂化，加上高地应力和煤层低透气性等 原因[3-22]，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井也逐年增多。随之而来的是瓦斯治理愈 加困难，矿井瓦斯灾害事故也随之频发，瓦斯严重威胁着井下作用人员的安全。 基于此，解决瓦斯灾害保证矿井的安全高效生产成为了当务之急。下图给出的是 历年来煤与瓦斯突出事故数及死亡人数[23,24]。 图 1.1 煤与瓦斯突出事故数及死亡人数 Fig 1.1 The number of coal and gas outburst accidents and death 众所周知，在区域防突措施中，保护层开采方式是最为经济安全而且行之有 效的方法[17]，在赋存条件允许的情况下，几乎所有的有突出危险的矿井都会首选 保护层开采。 煤矿安全规程明确规定“在煤与瓦斯突出矿井开采煤层群时， 必须首先开采保护层”。 国有煤矿瓦斯治理规定中也明确规定“突出矿井必须 首先开采保护层，不具备开采保护层条件的，必须对突出煤层进行预抽”。此外， 煤矿瓦斯治理经验五十条中规定“强制性开采保护层，做到尽保可保，并抽 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 采瓦斯，降低瓦斯压力”。因此，保护层开采是有煤与瓦斯突出矿井的保证安全生 产的根本手段。 为了保护突出危险性大的煤层而先开采的不突出或突出危险小的煤层叫做保 护层；后开采的突出危险煤层叫被保护层。位于被保护层上部的保护层叫上保护 层；位于被保护层下部的叫下保护层。保护层开采的关键在于如何准确、科学的 确定有效保护范围[25]；在保护层开采中，保护层工作面采场围岩破坏、变形是被 保护层瓦斯解吸释放的先决条件，采场围岩的变形破坏对保护层开采卸压效果起 着重要作用。故保护层开采保护范围的划定及采场上覆岩层变形破坏规律的研究 对煤矿瓦斯灾害的防治具有重要意义。 1.2 研究目的及意义 我国西南地区的开采的煤层绝大多数属于低透气性煤层，且具有瓦斯含量高、 瓦斯压力大的特点，增加了发生煤与瓦斯灾害的可能，南桐矿区是重庆市煤炭主 要供应基地，对重庆乃至整个西南地区的工业及经济建设起着重要作用，但其煤 层赋存条件复杂，煤与瓦斯突出严重。东林煤矿是南桐矿区内煤与瓦斯突出灾害 较严重的矿井之一，所开采的 K4、K6 煤层均为突出煤层。矿井多次发生煤与瓦 斯突出事故并造成人员伤亡，因此，煤与瓦斯突出灾害是东林煤矿实现煤与瓦斯 安全高效共采的最重要、最关键的制约因素。 保护层开采可以增加煤层透气性，并通过瓦斯抽采等手段降低瓦斯压力，从 而有效地解决煤与瓦斯的突出危险。由于保护层开采的卸压机理主要是保护层开 采后在竖直方向形成“三带”，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，使得被保护层应力 降低，透气性增大，煤层瓦斯通过裂隙带、冒落带进入保护层开采空间或通过卸 压抽采排出；故研究保护层开采上覆岩层的变形破坏对于降低瓦斯压力具有重要 的实际意义；然而在保护层开采后，在采空区上、下形成了卸压区，在其附近的 煤柱则产生了集中应力区，这增加了突出危险性；另外，在被保护层的保护带周 围，地应力相应集中，比未开采保护层之前原始