3D-DIC非接觸式三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)是基于數(shù)字圖像相關(guān)算法（DIC）的一種光學(xué)測定應(yīng)變、變形的方法。由CCD相機、光源、支架、數(shù)據(jù)采集器和DIC軟件組成。

新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，3D-DIC技術(shù)通過兩個工業(yè)相機采集圖像，識別被測物體表面特征變化，然后通過DIC軟件計算得到3D位移場、3D應(yīng)變場、3D變形場數(shù)據(jù)。將XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)與礦井瓦斯防治與利用方向結(jié)合，有以下幾方面的應(yīng)用展望：

1）煤層致裂增透，裂縫起裂；

2）溫度場與應(yīng)變場耦合分析；

3）鉆孔封孔材料的性能測定。

在當(dāng)今智能化高強度開采條件下，特厚煤層礦井瓦斯涌出量不斷增大，逐漸成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的重大隱患之一，進行卸壓瓦斯抽采成為解決這一問題的關(guān)鍵手段。3D-DIC非接觸式全場應(yīng)變測量系統(tǒng)可在瓦斯防治領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

3D-DIC非接觸式全場應(yīng)變測量系統(tǒng)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于諸多科學(xué)及工程領(lǐng)域，尤其是力學(xué)性能表征方面，下面為大家介紹DIC技術(shù)在特厚煤層鉆孔瓦斯抽采方面的典型應(yīng)用。

特厚煤層覆巖采動裂隙演化模擬實驗

實驗背景

為了解決特厚煤層綜放開采條件下采空區(qū)瓦斯涌出量大的問題，開展覆巖裂隙演化物理相似模擬實驗，以此為基礎(chǔ)設(shè)計試驗工作面采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔的合理層位，以實現(xiàn)更科學(xué)、合理的卸壓瓦斯抽采效果。

DIC試驗系統(tǒng)及設(shè)備

試驗沿煤層走向開采進行模擬，得到工作面開采過程中煤層底板應(yīng)力變化規(guī)律、覆巖采動變形破裂規(guī)律及采場三帶高度分布規(guī)律等。試驗系統(tǒng)由無線應(yīng)力傳感系統(tǒng)、新拓三維XTDIC-CONST型非接觸式全場應(yīng)變測量系統(tǒng)、二維平面試驗平臺等組成。

物理相似模擬及3D-DIC變形測量試驗臺

覆巖裂隙分布特征

工作面來壓步距分析

隨著工作面回采，物理相似模擬實驗開挖過程中共經(jīng)歷10次周期來壓，平均來壓步距23．6 m。當(dāng)工作面推進110 m，頂板發(fā)生第 1 次周期來壓，來壓步距20 m，垮落高度距煤層頂板20 m，空洞高度3 m，離層裂隙距煤層頂板最遠35 m。當(dāng)工作面推進316 m，發(fā)生第8 次周期來壓，來壓步距24 m，離層裂隙高度為煤層頂板上140 m。

工作面推進距與來壓步距統(tǒng)計

3D-DIC技術(shù)用于覆巖垮落形態(tài)分析

工作面推進至最后，頂板垮落的情況如圖所示。當(dāng)煤層開采后，在采空區(qū)上方的覆巖由彈性狀態(tài)逐漸向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變。當(dāng)工作面推進到一定距離時，其上覆巖體發(fā)生移動、破斷及冒落，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。在冒落帶巖層斷裂成塊狀，在裂隙帶巖層產(chǎn)生變形、斷裂和裂隙，在彎曲帶巖層整體結(jié)構(gòu)基本上未受到破壞。

3D-DIC技術(shù)分析覆巖垮落最終形態(tài)

采動覆巖變形特征

通過XTDIC三維全場應(yīng)變系統(tǒng)對采動模型變形測量可知，位移云圖同樣總是呈現(xiàn)梯形，當(dāng)工作面推進至 316 m 時，相似模型覆巖應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如圖所示：

XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

由最大主應(yīng)變云圖可知，隨著工作面推進距離的變長，“梯形”應(yīng)變區(qū)也隨之變大，上部離層應(yīng)變進一步上升至模型頂部。但與此同時，模型中應(yīng)變量最大的區(qū)域仍處于采場兩端。

通過分形維數(shù)進行采場裂隙分布規(guī)律定量化表征，計算覆巖裂隙分形維數(shù)與工作面推進距離關(guān)系如下所示：

分形維數(shù)同推進距的關(guān)系

分形維數(shù)各階段擬合結(jié)果

分形維數(shù)隨著工作面推進長度逐漸增大，且增長量隨推進距增大而減小。分析可知，距煤層頂板10～70 m范圍內(nèi)離層率最大且呈現(xiàn)出駝峰形分布，其中該層位內(nèi)距切眼20～295 m處離層率最大，采場中部的離層率最低。距煤層頂板70～130m范圍內(nèi)離層率同樣呈駝峰分布，離層率最大值向采場中部靠近，峰值位于距切眼60m及100m處。而距煤層頂板130～190m范圍內(nèi)離層分布變?yōu)橥剐危逯滴挥诰嗲醒?80m處。

試驗結(jié)論

( 1) 通過物理模擬實驗，采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，可測量工作面覆巖裂隙動態(tài)演化特征，更科學(xué)地分析工作面冒落帶高度，冒采比，裂隙帶發(fā)育情況，裂采比。

( 2) 結(jié)合試驗工作面采動裂隙發(fā)育情況和現(xiàn)場頂板情況，有助于確定頂板高位鉆孔，用于治理上隅角集聚瓦斯與采空區(qū)裂隙帶高濃度瓦斯。

( 3) 通過分析采空區(qū)裂隙發(fā)育情況，以鉆孔瓦斯抽采濃度為考察指標(biāo)，有助于比較和分析對比普通鉆孔與定向長鉆孔的瓦斯抽采效果，進行更科學(xué)合理的卸壓瓦斯抽采。

案例摘自：【李振興，陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司玉華煤礦，特厚煤層綜放開采定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)】