DIC技术在煤矿土木结构开挖试验研究的应用

　　在建筑结构、崩溃采挖的施工和使用过程中，土木结构不可避免会产生裂缝等不同失效形式，影响其安全性和耐久性。土木结构的抗压强度、耐久性以及变形特性研究，为工程施工提供有效的理论指导，还为土木工程结构安全使用提供可靠的判别依据。

　　DIC技术可实时检测煤矿土木模型结构的细微变化，下陷位移情况，边坡失稳的演化过程，与有限元分析进行验证，以便于事先采取适当的安全措施，从而有效防止工程结构塌陷，跨落，边坡失稳，这对于结构安全、高效开采工作有着实际的工程应用价值。

　　一、基坑开挖模拟实验

　　新拓三维自主研发的DIC技术方案，可用于针对岩土隧道领域的结构分析所需要的变形数据采集能力，系统分析软件具有快速准确的应变分析功能，直观输出变形应变分析结果等特点，已越来越多地应用于岩土隧道工程领域。

　　基坑开挖会对地层既有的原状土产生扰动，改变土体的应力场。地铁隧道上进行基坑开挖，会使隧道上方产生卸荷作用，减弱隧道管片的应力，使隧道管片松动，进而产生裂缝，容易使地下水渗入造成隧道危害。

　　基坑模拟试验的支护结构由挡土墙和内支撑组成，挡土墙两侧的止水橡胶和防水油泥，可保证挡土墙移动过程中，挡土墙与模型箱接触面不发生漏水。在基坑开挖过程中，采用DIC技术实时采集土体开挖时临近挡土墙结构的位移和应变。

　　DIC技术具有非接触、全场、精度高的优点，对于了解煤岩土木结构的安全性能以及结构的服役状态具有重要意义。接下来，让我们一起看看DIC技术在煤岩土木结构研究领域的典型应用案例。

　　二、煤矿开采结构沉降模拟试验

　　我国地质环境复杂，使煤矿水害高发，在各种矿难中，水害事故所造成的经济损失是相当严重的，这不仅带来巨大的经济损失，还会造成人员伤亡。在煤矿开采作业时，地面水或地下水通过裂缝涌入，当超负荷时就会造成矿井水害现象的产生。

　　对于煤矿开采过程中上覆岩层离层、垮落跟踪分析，研究煤矿关键位置和结构的位移、变形，对于预防裂缝生长导致透水，及时采取安全措施有重要的价值。采用XTDIC三维全场应变变形测量分析系统，根据相似材料模拟实验，可实时观测煤矿模型表面的位移场及应变场，清晰呈现采场上覆岩层在整个实验过程中的变化。

　　中间开采、侧帮加压位移应变测量数据

　　底部开采位移应变测量数据

　　三、煤矿采挖覆岩变形模拟试验

　　由于煤矿采动的影响，顶板容易跨落，上方地表将达到超充分采动状态，产生很大的地表变形，如果对采煤工作面覆岩移动和变形规律研究较少，生产过程中就容易产生冒顶、偏帮、围岩变形严重等难题，为了解决这些难题，需对煤矿开采工作面进行实测研究，研究采动覆岩位移和变形的演化规律。

　　利用相似材料物理试验，采用XTDIC三维全场应变变形测量分析系统，对采场覆岩移动垮落规律进行研究，可以更好地克服煤炭生产过程中覆岩中关键层跨落等破坏形态引发的事故，为煤矿高效、安全生产提供有力的数据分析保障。

　　实验数据：采挖过程模型结构的应变场、位移场

　　采挖实验开始，模型会垮落，表面出现裂纹，使用XTDIC系统获取模型表面应变场，预测裂纹的变化。从曲线可知，应变先变大后变小，表示模型下部分先垮落导致裂纹变大，随着采挖推进上部分也垮落导致裂纹变小，与实验的记录基本一致。

　　四、“三软”煤层覆岩采动变形模拟试验

　　煤层在开采过程中，采空区上覆岩层在垂直方向自上而下形成垮落带，断裂带和弯曲下沉带，“三软”煤层抗压强度小，顶板和煤层易松软冒落，确定开采工作面上覆岩层顶板带的高度，对于煤层在开采过程中防跨落、下沉有重要的参考价值。

　　使用XTDIC三维全场应变变形测量分析系统，采用实验室相似模拟的方法，通过全程摄影测量顶底板中应力变化和岩层的位移变化，可以更好地研究“三软”不稳定煤层在采动影响下，上覆岩层裂隙场分布及演化规律，试验结果和测量数据对煤矿开采过程中的安全防护具有重要的指导意义。

　　实验数据：三软煤层覆岩模型在采挖过程中的位移图、应变图。

　　新拓三维DIC技术通过直接测量材料和结构表面力学行为，分析测量材料和结构的表面位移、应变特性来检测结构变形和裂隙成长过程等失效形式、失效位置、面积和发展趋势，精准的测量数据有助于保障煤矿土木结构的安全、耐久，对实际工程评估和开发有一定指导意义。