量化覆岩裂隙演化｜DIC技术在煤岩沉降相似模拟试验中的实践应用

一、行业研究背景

煤炭深部开采在高地应力、强采动扰动作用下，上覆岩层持续发生移动、变形、断裂与垮落，形成典型冒落带、裂隙带、弯曲下沉带“三带”覆岩结构。煤岩组合结构突发失稳极易诱发冲击地压、煤与瓦斯突出、巷道顶板垮塌、地表塌陷等动力灾害，威胁矿井安全生产。

研究煤岩体裂隙萌生、扩展、贯通直至整体失稳的全域变形演化规律，获取连续、高精度的位移、应变定量数据，是揭示围岩失稳内在机理、构建矿山动力灾害预警模型的核心基础。传统监测手段仅能局部定点观测，无法完成全域、全过程、定量化变形监测；新拓三维XTDIC三维应变测量系统，依托数字图像相关（DIC）技术，针对性攻克煤岩沉降相似模拟试验各类测量瓶颈，现已成为矿井相似模拟、煤岩力学室内试验的核心配套测试设备。

采场覆岩裂隙场发育相似材料模拟+DIC测试平台

二、传统监测手段与DIC技术优劣对比

各类传统监测方法仅适用于局部定点监测，短板突出：无法捕捉全域变形、设备布设流程繁琐、传感器自重干扰模型原生变形、微裂隙易漏检，难以输出连续、精准的全域应变数值。

传统方法在局部监测和定点预警方面具有不可替代的价值。然而，煤岩整体破坏失稳是一个全场演化过程，破坏位置往往难以预判，局部测点可能漏掉关键的变形信息。

DIC技术不是彻底替代，而是必要的补充和扩展——它填补了全场变形测量的空白，与传统方法形成互补，共同构建完整的煤岩变形监测体系。

三、DIC技术在煤岩沉降测试中的应用价值

（一）煤岩沉降相似模拟试验现存痛点

1、破裂区域随机，定点监测易丢失核心变形数据；

2、煤岩失稳演化周期长，常规设备无法完整留存全过程数据；

3、人工观测裂隙主观误差大，微裂隙难以量化统计；

4、煤岩界面应变梯度微小，传统设备无法捕捉界面失稳特征。

（二）DIC三维全场测量技术核心优势

针对上述试验痛点，新拓三维XTDIC系统形成成套非接触式全场测量方案，兼顾全域覆盖、动态瞬时捕捉、微米级高精度与裂隙多指标量化分析能力：

1、非接触无附加荷载，适配大尺度相似模型，高速相机捕捉瞬时突变变形；

2、实时输出位移、应变云图，任意时段数据可调取回溯，快速定位高变形区；

3、自动识别裂隙起裂、扩展、开度，结合分形维数完成裂隙量化；

4、可精准捕捉界面微小应变梯度，适配非均质、大变形相似材料。

四、典型工程相似模拟应用案例

案例一：采场覆岩裂隙场发育相似材料模拟试验

研究背景

煤矿开采覆岩裂隙的发育、垮落演化规律，对评估采场围岩稳定性具有重要参考价值；依托相似材料物理模型，结合DIC技术对开挖过程中模型表面动态变形开展全过程监测，还原采动条件下覆岩垮落与裂纹扩展演化过程。

试验结果

分步开挖模拟开采条件下，DIC技术解算出模型全场应变场与位移场。测点应变先升后降，反映模型下部先垮落开裂、上部随后垮落卸荷；岩体位移由开挖侧向左侧逐步扩展，测量得到的变形演化规律，与人工记录的垮落、裂纹发展现象基本一致，完成了相似模型表面开采过程动态变形的全场表征。

覆岩裂隙场发育相似模型试验平台

DIC软件分析应变场云图

DIC软件分析位移场云图

案例二、常规煤层采动覆岩裂隙演化相似模拟试验

研究背景

采空区覆岩裂隙随机发育、应变局部化隐蔽，传统单点监测难以完整刻画裂隙时空演化，测点布设还会破坏模型完整性，数据处理工作量大。

试验结果

DIC非接触测量技术完整保留模型原始结构，高效采集全域变形数据；通过测线应变突变精准定位裂隙萌生位置；同步输出时序云图与关键点变形曲线，完整可视化覆岩垮落、裂隙贯通全过程，清晰划分“三带”发育边界。

覆岩裂隙相似模型+DIC测量试验台

DIC软件分析覆岩位移场云图

DIC软件分析覆岩应变场云图

案例三、特厚煤层综放覆岩采动裂隙演化模拟试验

研究背景

特厚煤层采空区瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯积聚风险高，需量化覆岩裂隙发育高度，确定高位瓦斯抽采钻孔最优层位。

试验结果

工作面回采共发生10次周期来压，平均来压步距23.6m；推进110m初次来压，316m时裂隙最高延伸至顶板140m。位移云图呈梯形扩张，应变峰值集中在采场两端；裂隙分形维数分三阶段线性增长，拟合度＞0.92；明确顶板10~70m为离层裂隙高发育区，直接指导瓦斯抽采钻孔布设。

覆岩三带跨落形态

采动覆岩变形云图

分形维数拟合曲线

案例四：三软煤层覆岩采动裂隙演化模拟试验

研究背景

三软煤层（软顶、软底、软煤）岩层强度低、破碎严重，覆岩垮落演化规律复杂，传统图像观测易丢失微裂隙，难以量化软岩破裂机理。

试验结果

DIC技术可完整记录裂隙萌生、扩展、贯通全流程；弥补传统二值化观测微裂隙漏检缺陷，建立适配软岩模型的裂隙定量观测方法，为软岩顶板管控、瓦斯治理提供精细化数据支撑。

五、方案总结与价值

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，基于数字图像相关DIC技术，形成完整煤岩沉降非接触全域测量方案，可与传统定点监测互补，构建多层次变形监测体系，核心价值如下：

• 全域数据同步采集：一次性输出完整覆岩位移、应变全场分布，解决单点监测数据碎片化问题；
• 全过程回溯分析：完整记录从加载到失稳全周期变形，反向追溯失稳源头；
• 裂隙量化表征：精准识别裂隙发育特征，依托分形维数实现定量统计；
• 揭示采动机理：多维定量数据阐明覆岩沉降、裂隙时空演化规律；
• 支撑灾害防控：为瓦斯抽采、巷道支护、冲击地压与地表塌陷预警提供试验定量依据。