CN108444833A - 一种模拟正逆断层形成的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟正逆断层形成的试验装置，涉及煤矿地质技术领域，包含有试验台架（1）、上部垂直加载装置（2）、左侧加载装置（3）、右侧加载装置（4）、液压油囊（5）、承压钢板（6）、钢块（7）和角度调节装置（8）。本发明设计了由液压伺服***控制的上部垂直加载装置、左右两侧的加载装置，实现不同的水平力加载，模拟不同深度的水平应力，U型推板实际对模拟相似地层材料起到水平方向上的密封作用，可独立或者整体施加载荷，尤其是可以模拟地质构造复杂的区域水平应力，实现水平方向分级加载，更接近于真实效果，在一种设备中实现了模拟正断层、逆断层两种断层的形成过程。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿地质技术领域，具体的说是一种模拟正逆断层形成的试验装置。
背景技术
断层切割地层而破坏其连续性及完整性，形成断层带破碎区，使周围岩体应力、位移及破坏形态产生较大差异。在断层尤其是较大断层附近进行施工时，工程扰动和断层的叠加作用可能引起断层附近岩体响应特征远远不同于完整岩体，进而诱发工程灾害，如采矿工程中的矿震、突水、顶板冒落、冲击地压、煤与瓦斯突出等。我国煤炭开采以井工为主，大多在地下施工，不可避免的穿越各种断层。断层较大时对采矿工程影响较大，煤矿经济效益好时采矿工程中常常避开这些断层，因此较大断层附近滞留了大量的煤炭资源。在当前国家压缩产能、煤炭行业大调整的背景下，煤炭企业迫切需要回采这些煤质优良的断层资源，尤其是华东老矿区不得不依靠回收断层附近煤炭资源维持矿区社会稳定。而近断层煤炭资源开采面临着多种重大灾害风险，如突水、顶板冒落、冲击地压、煤与瓦斯突出等。这些灾害发生的根本原因在于采矿活动破坏了断层附近岩层的平衡状态，而认识断层与采矿工程相互作用下区域岩体的应力、变形、破坏演化规律是防治相关灾害的基础。
通过数值模拟构建的断层错动计算模型与真实的断层错动往往会有较大偏差，模型试验能够更加真实可靠的再现断层错动作用下的上覆土体破裂、扩展过程。因此，研究出能够在实验室模拟断层形成过程的试验装置，对于断层对采动应力传导作用机制、采动应力与断层相互作用下致灾机理以及近断层煤炭安全开采与灾害防治等方面的研究具有重大意义。现阶段，断层错动模型试验广泛开展，但试验装置在技术和操作上仍存在着不足：
（1）同一设备只能模拟正断层或逆断层的其中一种断层的形成；
（2）断层错动模拟试验大多数在常重力环境下进行，不能够准确地模拟不同深度处的断层错动活动；
（3）不能模拟不同深度地层所受到的水平应力
（4）试验装置在操作过程中，断层只能沿单一角度进行错动，无法实现多角度的断层错动的模拟；
（5）未考虑断层产生应力变化及形成后内部应力情况。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种模拟正逆断层形成的试验装置，在一个试验装置内能够实现正断层、逆断层形成的模拟试验，结构简单，操作方便，模拟效果真实准确。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种模拟正逆断层形成的试验装置，包含有试验台架、上部垂直加载装置、左侧加载装置、右侧加载装置、液压油囊、承压钢板、钢块和角度调节装置，所述试验台架由横梁、竖向柱和基座组成，所述竖向柱固定于基座的四角，每两根竖向柱之间固定有横梁并高度可调，形成高度可调的长方体结构支架，所述上部垂直加载装置固定设置于横梁下方，所述左侧加载装置和右侧加载装置分别固定设置于试验台架的左侧和右侧，所述试验台架的前后两个侧面分别固定设置透明观测板，所述左侧加载装置和右侧加载装置液压缸活塞杆末端分别连接U型推板，所述液压油囊、角度调节装置和钢块顺次紧邻设置于基座上，所述角度调节装置的倾斜角度可调，所述承压钢板设置于液压油囊上部，在左右两侧的U型推板及试验台架前后两侧的透明观测板形成的空间内填装模拟相似地层材料，模拟逆断层形成试验时，在模拟相似地层材料填装前安装用于起裂和错动的诱发装置。
所述角度调节装置由轴、光滑板、伸缩板和弧形滑道组成，所述光滑板通过轴连接于前后两透明观测板之间，所述光滑板下部设置伸缩板，所述弧形滑道设置于基座内位于伸缩板的下方，所述弧形滑道上设置凹槽，所述伸缩板通过卡接在凹槽内调节角度。
所述液压油囊、上部垂直加载装置、左侧加载装置和右侧加载装置均由液压伺服控制***控制。
所述的左侧加载装置和右侧加载装置的各个U型推板无缝对接，由液压加载缸带动单独或整体进行移动。
所述诱发装置设置为长度与钢块宽度相同的钢条，固定设置于前后的透明观测板之间。
本发明具有如下有益效果：
1）设计了由液压伺服***控制的上部垂直加载装置、左右两侧的加载装置，实现不同的水平力加载，模拟不同深度的水平应力，U型推板实际对模拟相似地层材料起到水平方向上的密封作用，可独立或者整体施加载荷，尤其是可以模拟地质构造复杂的区域水平应力，实现了水平方向分级加载，更接近于真实效果；
2）在一种设备中实现了模拟正断层、逆断层两种断层的形成过程，上部垂直加载装置能够准确模拟常重力和超重力环境下的正断层形成，设计了结构巧妙的角度调节装置，通过光滑板伸缩板和底部弧形滑道的结合来进行正断层倾角的预设，实现了不同倾角正断层形成的模拟，通过改变诱发装置的位置和形状，来改变逆断层形成时的倾角，实现不同倾角逆断层形成的模拟；
3）能够真实再现逆断层形成的过程、断层两盘相互挤压作用、位移变形及采动过程中顶底板破坏垮落过程，同时可以模拟正逆断层形成后对煤层的开挖，结构简单，操作方便，模拟效果真实准确。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为角度调节装置的结构示意图；
图3为模拟正断层的示意图；
图4为模拟逆断层的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：
如图1所示，一种模拟正逆断层形成的试验装置，包含有试验台架1、上部垂直加载装置2、左侧加载装置3、右侧加载装置4、液压油囊5、承压钢板6、钢块7和角度调节装置8，所述试验台架1由横梁11、竖向柱12和基座13组成，所述竖向柱12固定于基座13的四角，每两根竖向柱12之间固定有横梁11并高度可调，形成高度可调的长方体结构支架，所述上部垂直加载装置2固定设置于横梁11下方，所述左侧加载装置3和右侧加载装置4分别固定设置于试验台架1的左侧和右侧，所述试验台架1的前后两个侧面分别固定设置透明观测板14，所述左侧加载装置3和右侧加载装置4的液压缸活塞杆末端分别连接U型推板31，所述液压油囊5、角度调节装置8和钢块7顺次紧邻设置于基座13上，所述角度调节装置8的倾斜角度可调，所述承压钢板6设置于液压油囊5上部，在左右两侧的U型推板31及试验台架1前后两侧的透明观测板14形成的空间内填装模拟相似地层材料，模拟逆断层形成试验时，在模拟相似地层材料填装前安装用于起裂和错动的诱发装置9。
作为优选的方式，本实施例中，所述液压油囊5、上部垂直加载装置2、左侧加载装置3和右侧加载装置4均由液压伺服控制***控制。
作为优选的方式，本实施例中，所述的左侧加载装置3和右侧加载装置4的各个U型推板31无缝对接，由液压加载缸带动单独或整体进行移动。
作为优选的方式，本实施例中，所述诱发装置9设置为长度与钢块7宽度相同的钢条，固定设置于前后的透明观测板14之间。
如图2所示，作为优选的方式，本实施例中，所述角度调节装置8由轴81、光滑板82、伸缩板83和弧形滑道84组成，所述光滑板82通过轴81连接于前后两透明观测板14之间，所述光滑板82下部设置伸缩板83，所述弧形滑道84设置于基座13内位于伸缩板83的下方，所述弧形滑道84上设置凹槽，所述伸缩板83通过卡接在凹槽内调节角度。所述光滑板82的下部是掏空的，两侧设置螺栓孔，用于固定伸缩板83，使用时，首先将光滑板82绕轴81旋转，转到设定角度，将内部的伸缩板83卡接进弧形滑道84的凹槽内，再用螺栓固定伸缩板83，实现了角度的调节。
本实施例中，所述光滑板82采用聚四氟乙烯板，所述透明观测板14采用透明有机玻璃，通过螺栓与竖向柱12 连接。模拟相似地层材料在铺设过程中两层之间均匀铺撒云母粉，并且每层铺设应力传感器。
如图3所示，在进行正断层形成模拟试验时，先用角度调节装置8进行断层倾角的预设，左侧加载装置3最下部的一排液压缸轻微加载，推动承压钢板6与光滑板82接触。铺设好模拟相似地层材料后，上部垂直加载装置2向下进行加载，加载的同时降低液压油囊5的油压，使承压钢板6随着液压油囊5的卸载而沿着光滑板82缓慢下滑，与此同时，左侧加载装置3的所有液压缸向左侧移动，使模拟相似地层材料向左侧和下部释放，从而形成预设角度的正断层。
如图4所示，进行逆断层形成模拟试验时，将液压油囊5中的油压控制在较高水平，使液压油囊5能支撑住上部的承压钢板6和填装区内的模拟相似地层材料的重力。在材料填装区最底部放置诱发装置9，填装完成后，进行左右两个方向的水平加载，使铺设好的相似模拟材料在诱发装置9处发生起裂和错动。可通过改变诱发装置9的形状和位置，来改变逆断层形成时的倾角。
综上所述，利用本发明能够真实再现正断层和逆断层的形成过程、断层两盘相互挤压作用、位移变形及采动过程中顶底板破坏垮落的过程，同时可以模拟正逆断层形成后对煤层的开挖。本发明中左侧加载装置3和右侧加载装置4可独立施加载荷，每个液压缸不同程度的带动U型推板31伸出，可实现不同的水平力加载，使每一水平应力可根据现场实际情况进行施加，可以模拟不同的深部水平应力，尤其是可以模拟地质构造复杂的区域水平应力，实现水平方向分级加载；设计的角度调节装置8结构简单，设计巧妙，利用光滑板82与伸缩板83结合的方式，通过伸缩板83卡接在下方弧形滑道84的凹槽内，而上部光滑板82绕轴固定，再将伸缩板83与光滑板82固定，如此实现正断层倾斜角度的预先设定，效果更接近真实，更符合实际现场，可为现场煤层的开采提供正确的理论指导。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种模拟正逆断层形成的试验装置，其特征在于，包含有试验台架（1）、上部垂直加载装置（2）、左侧加载装置（3）、右侧加载装置（4）、液压油囊（5）、承压钢板（6）、钢块（7）和角度调节装置（8），所述试验台架（1）由横梁（11）、竖向柱（12）和基座（13）组成，所述竖向柱（12）固定于基座（13）的四角，每两根竖向柱（12）之间固定有横梁（11）并高度可调，形成高度可调的长方体结构支架，所述上部垂直加载装置（2）固定设置于横梁（11）下方，所述左侧加载装置（3）和右侧加载装置（4）分别固定设置于试验台架（1）的左侧和右侧，所述试验台架（1）的前后两个侧面分别固定设置透明观测板（14），所述左侧加载装置（3）和右侧加载装置（4）的液压缸活塞杆末端分别连接U型推板（31），所述液压油囊（5）、角度调节装置（8）和钢块（7）顺次紧邻设置于基座（13）上，所述角度调节装置（8）的倾斜角度可调，所述承压钢板（6）设置于液压油囊（5）上部，在左右两侧的U型推板（31）及试验台架（1）前后两侧的透明观测板（14）形成的空间内填装模拟相似地层材料，模拟逆断层形成试验时，在模拟相似地层材料填装前安装用于起裂和错动的诱发装置（9）。
2.根据权利要求1所述的一种模拟正逆断层形成的试验装置，其特征在于，所述角度调节装置（8）由轴（81）、光滑板（82）、伸缩板（83）和弧形滑道（84）组成，所述光滑板（82）通过轴（81）连接于前后两透明观测板（14）之间，所述光滑板（82）下部设置伸缩板（83），所述弧形滑道（84）设置于基座（13）内位于伸缩板（83）的下方，所述弧形滑道（84）上设置凹槽，所述伸缩板（83）通过卡接在凹槽内调节角度。
3.根据权利要求1所述的一种模拟正逆断层形成的试验装置，其特征在于，所述液压油囊（5）、上部垂直加载装置（2）、左侧加载装置（3）和右侧加载装置（4）均由液压伺服控制***控制。
4.根据权利要求1所述的一种模拟正逆断层形成的试验装置，其特征在于，所述的左侧加载装置（3）和右侧加载装置（4）的各个U型推板（31）无缝对接，由液压加载缸带动单独或整体进行移动。
5.根据权利要求1所述的一种模拟正逆断层形成的试验装置，其特征在于，所述诱发装置（9）设置为长度与钢块宽度相同的钢条，固定设置于前后的透明观测板（14）之间。
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