CN107219128B - 多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置，包括岩层模拟与固定***、构造动力模拟***、构造变形控制***、加压***以及信息采集测试与分析***；岩层模拟与固定***内设置有若干层岩层，构造动力模拟***对岩层施加纵向力和横向力，构造变形控制***用于控制岩层的变形使岩层能达到预期的构造形态，加压***采用液压***为构造动力模拟***和构造变形控制***提供动力。本发明还公开了多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置的模拟方法。本发明模拟两期构造运动叠加作用下煤系地层地应力分布特征及其演变过程，为不同构造部位煤系地层的应力分布预测提供科学依据；本发明能模拟褶皱中和面以上和褶皱中和面以下不同构造部位应力大小。
Description
技术领域
本发明属于煤系气开发模拟试验技术领域，特别涉及一种多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置及方法。
背景技术
随着煤层气开采深度的增加，煤系气的勘探开发的热度逐渐上升，然而我国煤系地层形成后，大多经历了多期构造运动作用，多期构造运动的叠加导致小范围内应力分布变得复杂，应力条件的复杂性制约着煤系气勘探开发中渗透率预测、钻井-压裂-排采等工程的准确性和有效性。因此地应力的准确预测是煤系气的勘探开发的一项重要工作。
为了获得深埋于地下千米乃至更深的煤系地层的应力分布特征，我国煤层气工作者通过地质勘探、数理计算等手段做了大量的工作。一些研究者采用力学模拟软件进行应力模拟，得出应力分布规律，在地质条件相对简单的地区，模拟结果相对比较准确。当地质条件比较复杂时，由于无法对过程进行跟踪，其假设条件过于理想化，导致模拟结果与实际存在较大差异；一些研究者采用应变片测量法对地应力进行测量，但更多是点的数据，分布规律及影响因素究竟如何却无法给出较确定的回答。一些研究者采用水力致裂法、测井等方法进行地应力的计算，更多是“点”的数据，勘探开发精细程度很大程度上决定了对开发区地应力分布的理解程度，开发指导显得非常被动。不同煤系地层情况经历不同期次、不同大小构造运动作用后，形成不同形态的褶皱构造下不同构造部位应力如何;影响因素如何;构造动力作用过程中应力的演化特征如何;这些问题至今都没有非常明确的答案，导致目前煤系气开发盲目性较大。因此，亟需研制一种模拟装置，能模拟不同煤系地层条件，并对不同期次构造运动作用下应力大小进行监测，以便为多期构造运动作用后煤系地层不同构造部位渗透率预测奠定基础。
发明内容
本发明针对煤系地层在经过多期构造运动作用后，无法对不同层位、不同构造部位的应力分布特征进行准确的预测的问题，提供一种多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置及方法，该模拟装置及方法不仅能模拟出两期构造运动叠加作用后煤系地层中不同岩层、不同构造部位的水平应力大小，还能模拟出其演变过程；可以对煤系地层处于褶皱中和面以上和以下两种情况下的不同构造部位应力分布及演化特征模拟。通过该模拟测试，可为多期构造动力作用下煤系地层的构造应力分布研究提供试验依据。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置及方法，包括岩层模拟与固定***、构造动力模拟***、构造变形控制***、加压***以及信息采集测试与分析***；
岩层模拟与固定***内设置并固定有若干层岩层，假定岩层的纵向为前后方向，横向为左右方向，构造动力模拟***设置在岩层的周围并对岩层施加纵向力和横向力，构造变形控制***设置在岩层模拟与固定***内的顶部和底部并用于控制岩层的变形使岩层能达到预期的构造形态，加压***采用液压***为构造动力模拟***和构造变形控制***提供动力；信息采集测试与分析***包括横向应力传感器、纵向应力传感器、高清摄像头、数据采集线路和计算机，横向应力传感器和纵向应力传感器设置在岩层纵向和横向的表面，高清摄像头设置在岩层模拟与固定***内对整个加载过程中模拟岩层的变形变化进行实时拍摄，高清摄像头、横向应力传感器和纵向应力传感器通过数据采集线路与计算机连接。
岩层模拟与固定***包括固定箱体、固定支座和活动压座，固定支座通过沿左右水平方向设置的销轴转动连接在固定箱体内后侧，固定支座前侧开设有固定方槽，固定支座后侧沿左右水平方向设置有一道截面呈弧形的固定支撑槽，固定箱体内后侧壁设置有与固定支撑槽顶压接触的支撑柱；
活动压座后侧开设有与固定方槽前后对应的活动方槽，固定箱体内左侧壁和右侧壁沿前后方向开设有导槽，活动压座两侧设置有伸入并沿导槽前后滑动的导柱，活动压座前侧沿左右水平方向设置有一道截面呈弧形的活动顶压槽；
岩层包括自上而下设置的一层调节岩层和若干层测试岩层，调节岩层和测试岩层的前端部放置在活动方槽内，调节岩层和测试岩层的后端部放置在固定方槽内。
构造动力模拟***包括横向动力模拟机构和纵向动力模拟机构；横向动力模拟机构沿岩层前后方向至少设置三组，
每组横向动力模拟机构均包括垫块、两块左压板、两块右压板、一块拉板、四条预应力钢绞线和一个横向油缸，横向油缸左侧固定在固定箱体的右侧，横向油缸的活塞杆右端与拉板左侧面固定连接，垫块设置在两块右压板右侧和固定箱体右侧壁之间，两块左压板设置在岩层左侧并前后间隔设置，两块右压板设置在岩层右侧并前后间隔设置，前侧的两条预应力钢绞线的左端分别与前侧一块左压板的上部和下部锚固，前侧的两条预应力钢绞线的右端穿过两块右压板和固定箱体右侧壁后与拉板前侧的上部和下部锚固，后侧的两条预应力钢绞线的左端分别与后侧一块左压板的上部和下部锚固，后侧的两条预应力钢绞线的右端穿过垫块以及固定箱体右侧壁后与拉板后侧的上部和下部锚固；
纵向动力模拟机构包括设置在固定箱体内的纵向油缸和驱动杆，纵向油缸的后侧固定连接在固定箱体前侧内壁，驱动杆沿左右水平方向设置，纵向油缸的活塞杆后端与驱动杆中部固定连接，驱动杆后侧顶压在活动压座前侧的活动顶压槽内。
构造变形控制***包括两个前千斤顶、六个中千斤顶和两个后千斤顶，两个前千斤顶分别固定在固定箱体前侧的顶部内壁和底部内壁，两个前千斤顶分别位于岩层的上方和下方且上下对应设置；三个中千斤顶沿左右方向间隔固定在固定箱体的中间顶部内壁，另三个中千斤顶沿左右方向间隔固定在固定箱体的中间底部内壁，上部的三个中千斤顶和下部的三个中千斤顶分别位于岩层的上方和下方且上下一一对应，两个后千斤顶分别固定在固定箱体后侧的顶部内壁和底部内壁，两个后千斤顶分别位于岩层的上方和下方且上下对应设置。
加压***包括液压控制装置、液压泵、液压油罐和液压分流器，液压泵的进口通过第一高压油管与液压油罐连通，液压泵的出口通过第二高压油管与液压分流器的进口连通，液压分流器上设置有三个出口，液压分流器的一个出口通过第三高压油管与纵向油缸连接，液压分流器的第二个出口通过第四高压油管与横向油缸连接，液压分流器的第三个出口通过第五高压油管分别与两个前千斤顶、六个中千斤顶和两个后千斤顶连接，第三高压油管、第四高压油管和第五高压油管上均设置有电子阀门及压力表，第一液压控制装置通过控制线分别与液压泵以及所有的电子阀门和压力表连接。
多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
（1）、模拟岩层的制备与传感器的埋设
首先根据所模拟的岩层参数计算出各测试岩层和调节岩层所需的杨氏模量和厚度，测试岩层主要是用来模拟三种不同岩性的煤系地层，也可以根据需要增加或减少层数，测试岩层由水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水按照不同的比例混合后分层铺置形成；调节岩层主要是用来控制褶皱中和面的位置，同样是由水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水按照不同的比例混合后铺置形成，其杨氏模量和铺置厚度满足
时，褶皱中和面始终位于调节岩层内；式中/>
和/>
分别为调节岩层的杨氏模量和厚度，/>
和分别为测试岩层的平均杨氏模量和总厚度；
然后根据计算出的模拟岩层的尺寸制作浇筑模具；用水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水按照一定比例配制成具有四种不同预期强度的混合料待用；浇筑时首先在模具底部浇筑调节岩层，待调节岩层稍微凝固后开始按照顺序依次浇筑三层测试岩层，同时埋设纵向应力传感器和横向应力传感器并引出数据采集线路与计算机连接，将模拟岩层置于阴凉处养护至设计强度并拆除模具；
（2）、模拟岩层的安装与加压***的连接
将固定支座和活动压座按照设计分别安装在固定箱体内的后侧和前侧，销轴转动连接在固定箱体的左侧壁和右侧壁，同时固定箱体内后侧壁设置的支撑柱与固定支撑槽顶压接触；活动压座两侧的导柱伸入并滑动设置在导槽内，将预制好的岩层放置到固定支座的固定方槽和活动压座的活动方槽内，安装并连接加压***以及信息采集测试与分析***，横向应力传感器和纵向应力传感器设置在测试岩层内；调试线路、油路和油泵，保证所有油缸和千斤顶均正常工作；
（3）、构造动力模拟***的安装
将两块左压板放置于模拟岩层的左侧，将两块右压板放置于模拟岩层的右侧，将预应力钢绞线穿过左压板并将预应力钢绞线与左压板锚固，将拉板固定在横向油缸的活塞杆上，将预应力钢绞线的右端穿过拉板并锚固，在两块右压板右侧与固定箱体右侧壁之间放置垫块；
（4）、对岩层设置横向预变形
为保证实验能较好的模拟出所需的构造形态，先通过变形控制千斤顶组进行横向变形预设，即首先通过操作液压控制装置使液压泵工作，两个前千斤顶、两个后千斤顶和在前后方向上位于中间的两个中千斤顶同时对模拟岩层的中部进行加载以达到限制岩层中部发生垂向位移的目的，然后启动在前后方向上位于左侧的两个中千斤顶和右侧的两个中千斤顶对岩层进行施加压力，使岩层在横向上形成褶皱状；
（5）、横向构造动力模拟
通过液压控制装置同时开启三个横向油缸对预应力钢绞线进行张拉加载，同时将步骤（4）中所有的千斤顶卸载，张拉的同时通过横向应力传感器采集横向应力的变化数据，通过摄像画面观察到褶曲变形按照步骤（4）中预设构造形态达到设计要求时停止张拉，在右压板右侧对预应力钢绞线进行锚固使模拟岩层保持当前的应力与变形状态，然后将横向油缸卸载、移去垫块、剪断多余预应力钢绞线，保存应力变化数据和视频数据；
（6）、纵向构造动力模拟
通过液压控制装置开启纵向油缸对经历过横向构造动力的模拟岩层进行直接加载，纵向油缸通过驱动杆驱动活动压座向后移动紧压岩层，由于固定支座两端通过销轴转动连接在固定箱体内，这样更容易在纵向构造动力加载中模拟岩层形成褶曲构造， 纵向加载的同时通过纵向应力传感器和横向应力传感器采集纵向和横向的应力及褶曲变形变化并通过摄像机记录模拟岩层的变形过程，持续加载直至岩层破裂，保存应力和变形变化数据和视频数据；
（7）、实验结束后卸载各装置和设备；
（8）、使用浇筑模具进行浇筑调节岩层位于测试岩层之间的模拟岩层进行上述步骤的模拟过程；
（9）使用浇筑模具进行浇筑调节岩层位于测试岩层最顶部的模拟岩层进行上述步骤的模拟过程。
采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
1、本发明可以模拟两期构造运动叠加作用下煤系地层地应力分布特征及其演变过程，为不同构造部位煤系地层的应力分布预测提供科学依据；
2、本发明能模拟褶皱中和面以上和褶皱中和面以下不同构造部位应力大小。
3、本发明中横向构造动力的加载采用了桥梁施工中常用的预应力技术，该设计可以使模拟岩层在纵向加载过程中的变形不受横向油缸的影响，即在进行纵向加载过程中解放了横向油缸，使模拟岩层更加接近真实的变形情况。
4、本发明中的岩层模拟与固定***主要用于模拟真实的煤系地层及围岩；构造动力模拟***主要是模拟横向和纵向方向应力对岩层的作用过程；构造变形控制***主要用于控制岩层的变形使其能达到预期的构造形态；加压***主要为装置中所有的液压机提供液压动力；信息采集测试与分析***主要是数据进行采集和分析。
5、本发明在纵向构造动力模拟过程中，固定支座受到岩层的向后的推力会以销轴为中心线转动，支撑柱起到支撑固定支座的作用。同样活动压座左右两侧的导柱沿导槽移动，驱动杆顶压活动顶压槽驱动活动压座推动岩层时，活动压座也会以导柱为中心线转动一定角度，但导柱仍然在导槽内可前后移动。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A-A剖视图；
图3是图1中B-B剖视图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明的多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置，包括岩层模拟与固定***、构造动力模拟***、构造变形控制***、加压***以及信息采集测试与分析***；
岩层模拟与固定***内设置并固定有若干层岩层1，假定岩层1的纵向为前后方向，横向为左右方向，构造动力模拟***设置在岩层1的周围并对岩层1施加纵向力和横向力，构造变形控制***设置在岩层模拟与固定***内的顶部和底部并用于控制岩层1的变形使岩层1能达到预期的构造形态，加压***采用液压***为构造动力模拟***和构造变形控制***提供动力；信息采集测试与分析***包括横向应力传感器2、纵向应力传感器3、高清摄像头4、数据采集线路5和计算机6，横向应力传感器2和纵向应力传感器3设置在岩层1纵向和横向的表面，高清摄像头4设置在岩层模拟与固定***内对整个加载过程中模拟岩层1的变形变化进行实时拍摄，高清摄像头4、横向应力传感器2和纵向应力传感器3通过数据采集线路5与计算机6连接。
岩层模拟与固定***包括固定箱体7、固定支座8和活动压座9，固定支座8通过沿左右水平方向设置的销轴10转动连接在固定箱体7内后侧，固定支座8前侧开设有固定方槽，固定支座8后侧沿左右水平方向设置有一道截面呈弧形的固定支撑槽，固定箱体7内后侧壁设置有与固定支撑槽顶压接触的支撑柱11；
活动压座9后侧开设有与固定方槽前后对应的活动方槽，固定箱体7内左侧壁和右侧壁沿前后方向开设有导槽12，活动压座9两侧设置有伸入并沿导槽12前后滑动的导柱13，活动压座9前侧沿左右水平方向设置有一道截面呈弧形的活动顶压槽；
岩层1包括自上而下设置的一层调节岩层14和三层测试岩层15，调节岩层14和测试岩层15的前端部放置在活动方槽内，调节岩层14和测试岩层15的后端部放置在固定方槽内。
构造动力模拟***包括横向动力模拟机构和纵向动力模拟机构；横向动力模拟机构沿岩层1前后方向至少设置三组，
每组横向动力模拟机构均包括垫块16、两块左压板17、两块右压板38、一块拉板18、四条预应力钢绞线19和一个横向油缸20，横向油缸20左侧固定在固定箱体7的右侧，横向油缸20的活塞杆右端与拉板18左侧面固定连接，垫块16设置在两块右压板38右侧和固定箱体7右侧壁之间，两块左压板17设置在岩层1左侧并前后间隔设置，两块右压板38设置在岩层1右侧并前后间隔设置，前侧的两条预应力钢绞线19的左端分别与前侧一块左压板17的上部和下部锚固，前侧的两条预应力钢绞线19的右端穿过两块右压板38和固定箱体7右侧壁后与拉板18前侧的上部和下部锚固，后侧的两条预应力钢绞线19的左端分别与后侧一块左压板17的上部和下部锚固，后侧的两条预应力钢绞线19的右端穿过垫块16以及固定箱体7右侧壁后与拉板18后侧的上部和下部锚固；
纵向动力模拟机构包括设置在固定箱体7内的纵向油缸21和驱动杆22，纵向油缸21的后侧固定连接在固定箱体7前侧内壁，驱动杆22沿左右水平方向设置，纵向油缸21的活塞杆后端与驱动杆22中部固定连接，驱动杆22后侧顶压在活动压座9前侧的活动顶压槽内。
构造变形控制***包括两个前千斤顶23、六个中千斤顶24和两个后千斤顶25，两个前千斤顶23分别固定在固定箱体7前侧的顶部内壁和底部内壁，两个前千斤顶23分别位于岩层1的上方和下方且上下对应设置；三个中千斤顶24沿左右方向间隔固定在固定箱体7的中间顶部内壁，另三个中千斤顶24沿左右方向间隔固定在固定箱体7的中间底部内壁，上部的三个中千斤顶24和下部的三个中千斤顶24分别位于岩层1的上方和下方且上下一一对应，两个后千斤顶25分别固定在固定箱体7后侧的顶部内壁和底部内壁，两个后千斤顶25分别位于岩层1的上方和下方且上下对应设置。
加压***包括液压控制装置26、液压泵27、液压油罐28和液压分流器29，液压泵27的进口通过第一高压油管30与液压油罐28连通，液压泵27的出口通过第二高压油管31与液压分流器29的进口连通，液压分流器29实际是一个高压容器，液压分流器29上设置有三个出口，液压分流器29的一个出口通过第三高压油管32与纵向油缸21连接，液压分流器29的第二个出口通过第四高压油管33与横向油缸20连接，液压分流器29的第三个出口通过第五高压油管34与构造变形控制***的两个前千斤顶23、六个中千斤顶24和两个后千斤顶25连接，第三高压油管32、第四高压油管33和第五高压油管34上均设置有电子阀门35及压力表36，第一液压控制装置26通过控制线37分别与液压泵27以及所有的电子阀门35和压力表36连接。
多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
（1）、模拟岩层1的制备与传感器的埋设：首先根据所模拟的岩层1参数计算出各测试岩层15和调节岩层14所需的杨氏模量和厚度，测试岩层15主要是用来模拟三种不同岩性的煤系地层，也可以根据需要增加或减少层数，测试岩层15由水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水按照不同的比例混合后分层铺置形成；调节岩层14主要是用来控制褶皱中和面的位置，同样是由水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水按照不同的比例混合后铺置形成，其杨氏模量和铺置厚度满足
时，褶皱中和面始终位于调节岩层14内；式中/>
和/>
分别为调节岩层14的杨氏模量和厚度，/>
和/>
分别为测试岩层15的平均杨氏模量和总厚度；
然后根据计算出的模拟岩层1的尺寸制作浇筑模具；用水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水按照一定比例配制成具有四种不同预期强度的混合料待用；浇筑时首先在模具底部浇筑调节岩层14，待调节岩层14稍微凝固后开始按照顺序依次浇筑三层测试岩层15，同时埋设纵向应力传感器3和横向应力传感器2并引出数据采集线路5与计算机6连接，将模拟岩层1置于阴凉处养护至设计强度并拆除模具；
（2）、模拟岩层1的安装与加压***的连接：将固定支座8和活动压座9按照设计分别安装在固定箱体7内的后侧和前侧，销轴10转动连接在固定箱体7的左侧壁和右侧壁，同时固定箱体7内后侧壁设置的支撑柱11与固定支撑槽顶压接触；活动压座9两侧的导柱13伸入并滑动设置在导槽12内，将预制好的岩层1放置到固定支座8的固定方槽和活动压座9的活动方槽内，安装并连接加压***以及信息采集测试与分析***，横向应力传感器2和纵向应力传感器3设置在如图1、2、3所示的测试岩层15内；调试线路、油路和油泵，保证所有油缸和千斤顶均正常工作；
（3）、构造动力模拟***的安装：将两块左压板17放置于模拟岩层1的左侧，将两块右压板38放置于模拟岩层的右侧，将预应力钢绞线19穿过左压板17并将预应力钢绞线19与左压板17锚固，将拉板18固定在横向油缸20的活塞杆上，将预应力钢绞线19的右端穿过拉板18并锚固，在两块右压板38右侧与固定箱体7右侧壁之间放置垫块16；
（4）、对岩层1设置横向预变形：为保证实验能较好的模拟出所需的构造形态，先通过变形控制千斤顶组进行横向变形预设，即首先通过操作液压控制装置26使液压泵27工作，两个前千斤顶23、两个后千斤顶25和在前后方向上位于中间的两个中千斤顶24同时对模拟岩层1的中部进行加载以达到限制岩层1中部发生垂向位移的目的，然后启动在前后方向上位于左侧的两个中千斤顶24和右侧的两个中千斤顶24对岩层1进行施加压力，使岩层1在横向上均形成褶皱状；
（5）、横向构造动力模拟：通过液压控制装置26同时开启三个横向油缸20对预应力钢绞线19进行张拉加载，同时将步骤（4）中所有的千斤顶卸载，张拉的同时通过横向应力传感器2采集横向应力的变化数据，通过摄像画面观察到褶曲变形按照步骤（4）中预设构造形态达到设计要求时停止张拉，在右压板38右侧对预应力钢绞线19进行锚固使模拟岩层1保持当前的应力与变形状态，然后将横向油缸20卸载、移去垫块16、剪断多余预应力钢绞线19，保存应力变化数据和视频数据；
（6）、纵向构造动力模拟：通过液压控制装置26开启纵向油缸21对经历过横向构造动力的模拟岩层1进行直接加载，纵向油缸21通过驱动杆22驱动活动压座9向后移动紧压岩层1，由于固定支座8两端通过销轴10转动连接在固定箱体7内，这样更容易在纵向构造动力加载中模拟岩层1形成褶曲构造， 纵向加载的同时通过纵向应力传感器3和横向应力传感器2采集纵向和横向的应力及褶曲变形变化并通过摄像机记录模拟岩层1的变形过程，持续加载直至岩层1破裂，保存应力和变形变化数据和视频数据；
（7）、实验结束后卸载各装置和设备；
（8）、使用浇筑模具进行浇筑调节岩层14位于测试岩层15之间的模拟岩层1进行上述步骤的模拟过程；
（9）使用浇筑模具进行浇筑调节岩层14位于测试岩层15最顶部的模拟岩层1进行上述步骤的模拟过程。
Claims (6)
1.多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置，其特征在于：包括岩层模拟与固定***、构造动力模拟***、构造变形控制***、加压***以及信息采集测试与分析***；
岩层模拟与固定***内设置并固定有若干层岩层，假定岩层的纵向为前后方向，横向为左右方向，构造动力模拟***设置在岩层的周围并对岩层施加纵向力和横向力，构造变形控制***设置在岩层模拟与固定***内的顶部和底部并用于控制岩层的变形使岩层能达到预期的构造形态，加压***采用液压***为构造动力模拟***和构造变形控制***提供动力；信息采集测试与分析***包括横向应力传感器、纵向应力传感器、高清摄像头、数据采集线路和计算机，横向应力传感器和纵向应力传感器设置在岩层纵向和横向的表面，高清摄像头设置在岩层模拟与固定***内对整个加载过程中模拟岩层的变形变化进行实时拍摄，高清摄像头、横向应力传感器和纵向应力传感器通过数据采集线路与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置，其特征在于：岩层模拟与固定***包括固定箱体、固定支座和活动压座，固定支座通过沿左右水平方向设置的销轴转动连接在固定箱体内后侧，固定支座前侧开设有固定方槽，固定支座后侧沿左右水平方向设置有一道截面呈弧形的固定支撑槽，固定箱体内后侧壁设置有与固定支撑槽顶压接触的支撑柱；
活动压座后侧开设有与固定方槽前后对应的活动方槽，固定箱体内左侧壁和右侧壁沿前后方向开设有导槽，活动压座两侧设置有伸入并沿导槽前后滑动的导柱，活动压座前侧沿左右水平方向设置有一道截面呈弧形的活动顶压槽；
岩层包括自上而下设置的一层调节岩层和若干层测试岩层，调节岩层和测试岩层的前端部放置在活动方槽内，调节岩层和测试岩层的后端部放置在固定方槽内。
3.根据权利要求2所述的多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置，其特征在于：构造动力模拟***包括横向动力模拟机构和纵向动力模拟机构；横向动力模拟机构沿岩层前后方向至少设置三组，
每组横向动力模拟机构均包括垫块、两块左压板、两块右压板、一块拉板、四条预应力钢绞线和一个横向油缸，横向油缸左侧固定在固定箱体的右侧，横向油缸的活塞杆右端与拉板左侧面固定连接，垫块设置在两块右压板右侧和固定箱体右侧壁之间，两块左压板设置在岩层左侧并前后间隔设置，两块右压板设置在岩层右侧并前后间隔设置，前侧的两条预应力钢绞线的左端分别与前侧一块左压板的上部和下部锚固，前侧的两条预应力钢绞线的右端穿过两块右压板和固定箱体右侧壁后与拉板前侧的上部和下部锚固，后侧的两条预应力钢绞线的左端分别与后侧一块左压板的上部和下部锚固，后侧的两条预应力钢绞线的右端穿过垫块以及固定箱体右侧壁后与拉板后侧的上部和下部锚固；
纵向动力模拟机构包括设置在固定箱体内的纵向油缸和驱动杆，纵向油缸的后侧固定连接在固定箱体前侧内壁，驱动杆沿左右水平方向设置，纵向油缸的活塞杆后端与驱动杆中部固定连接，驱动杆后侧顶压在活动压座前侧的活动顶压槽内。
4.根据权利要求3所述的多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置，其特征在于：构造变形控制***包括两个前千斤顶、六个中千斤顶和两个后千斤顶，两个前千斤顶分别固定在固定箱体前侧的顶部内壁和底部内壁，两个前千斤顶分别位于岩层的上方和下方且上下对应设置；三个中千斤顶沿左右方向间隔固定在固定箱体的中间顶部内壁，另三个中千斤顶沿左右方向间隔固定在固定箱体的中间底部内壁，上部的三个中千斤顶和下部的三个中千斤顶分别位于岩层的上方和下方且上下一一对应，两个后千斤顶分别固定在固定箱体后侧的顶部内壁和底部内壁，两个后千斤顶分别位于岩层的上方和下方且上下对应设置。
5.根据权利要求4所述的多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置，其特征在于：加压***包括液压控制装置、液压泵、液压油罐和液压分流器，液压泵的进口通过第一高压油管与液压油罐连通，液压泵的出口通过第二高压油管与液压分流器的进口连通，液压分流器上设置有三个出口，液压分流器的一个出口通过第三高压油管与纵向油缸连接，液压分流器的第二个出口通过第四高压油管与横向油缸连接，液压分流器的第三个出口通过第五高压油管分别与两个前千斤顶、六个中千斤顶和两个后千斤顶连接，第三高压油管、第四高压油管和第五高压油管上均设置有电子阀门及压力表，第一液压控制装置通过控制线分别与液压泵以及所有的电子阀门和压力表连接。
6.采用如权利要求5所述的多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、模拟岩层的制备与传感器的埋设
首先根据所模拟的岩层参数计算出各测试岩层和调节岩层所需的杨氏模量和厚度，测试岩层主要是用来模拟三种不同岩性的煤系地层，也可以根据需要增加或减少层数，测试岩层由水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水按照不同的比例混合后分层铺置形成；调节岩层主要是用来控制褶皱中和面的位置，同样是由水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水按照不同的比例混合后铺置形成，其杨氏模量和铺置厚度满足
时，褶皱中和面始终位于调节岩层内；式中
和
分别为调节岩层的杨氏模量和厚度，
和
分别为测试岩层的平均杨氏模量和总厚度；
然后根据计算出的模拟岩层的尺寸制作浇筑模具；用水泥、石膏粉、石英砂、粘土、水按照一定比例配制成具有四种不同预期强度的混合料待用；浇筑时首先在模具底部浇筑调节岩层，待调节岩层稍微凝固后开始按照顺序依次浇筑三层测试岩层，同时埋设纵向应力传感器和横向应力传感器并引出数据采集线路与计算机连接，将模拟岩层置于阴凉处养护至设计强度并拆除模具；
（2）、模拟岩层的安装与加压***的连接
将固定支座和活动压座按照设计分别安装在固定箱体内的后侧和前侧，销轴转动连接在固定箱体的左侧壁和右侧壁，同时固定箱体内后侧壁设置的支撑柱与固定支撑槽顶压接触；活动压座两侧的导柱伸入并滑动设置在导槽内，将预制好的岩层放置到固定支座的固定方槽和活动压座的活动方槽内，安装并连接加压***以及信息采集测试与分析***，横向应力传感器和纵向应力传感器设置在测试岩层内；调试线路、油路和油泵，保证所有油缸和千斤顶均正常工作；
（3）、构造动力模拟***的安装
将两块左压板放置于模拟岩层的左侧，将两块右压板放置于模拟岩层的右侧，将预应力钢绞线穿过左压板并将预应力钢绞线与左压板锚固，将拉板固定在横向油缸的活塞杆上，将预应力钢绞线的右端穿过拉板并锚固，在两块右压板右侧与固定箱体右侧壁之间放置垫块；
（4）、对岩层设置横向预变形
为保证实验能较好的模拟出所需的构造形态，先通过变形控制千斤顶组进行横向变形预设，即首先通过操作液压控制装置使液压泵工作，两个前千斤顶、两个后千斤顶和在前后方向上位于中间的两个中千斤顶同时对模拟岩层的中部进行加载以达到限制岩层中部发生垂向位移的目的，然后启动在前后方向上位于左侧的两个中千斤顶和右侧的两个中千斤顶对岩层进行施加压力，使岩层在横向上形成褶皱状；
（5）、横向构造动力模拟
通过液压控制装置同时开启三个横向油缸对预应力钢绞线进行张拉加载，同时将步骤（4）中所有的千斤顶卸载，张拉的同时通过横向应力传感器采集横向应力的变化数据，通过摄像画面观察到褶曲变形按照步骤（4）中预设构造形态达到设计要求时停止张拉，在右压板右侧对预应力钢绞线进行锚固使模拟岩层保持当前的应力与变形状态，然后将横向油缸卸载、移去垫块、剪断多余预应力钢绞线，保存应力变化数据和视频数据；
（6）、纵向构造动力模拟
通过液压控制装置开启纵向油缸对经历过横向构造动力的模拟岩层进行直接加载，纵向油缸通过驱动杆驱动活动压座向后移动紧压岩层，由于固定支座两端通过销轴转动连接在固定箱体内，这样更容易在纵向构造动力加载中模拟岩层形成褶曲构造， 纵向加载的同时通过纵向应力传感器和横向应力传感器采集纵向和横向的应力及褶曲变形变化并通过摄像机记录模拟岩层的变形过程，持续加载直至岩层破裂，保存应力和变形变化数据和视频数据；
（7）、实验结束后卸载各装置和设备；
（8）、使用浇筑模具进行浇筑调节岩层位于测试岩层之间的模拟岩层进行上述步骤的模拟过程；
（9）使用浇筑模具进行浇筑调节岩层位于测试岩层最顶部的模拟岩层进行上述步骤的模拟过程。
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