CN104596855A - 一种倾斜岩层物理相似模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾斜岩层物理相似模拟试验装置及方法，它由外部框架、可倾斜机架、前后挡板、液压支撑装置和悬吊起重装置组成，通过该装置及方法对地层中不同倾角的岩层进行相似模拟试验，通过观察、测量在外部扰动、地应力、施加外力等作用下岩层内部的应力分布、位移变化等物理力学特性，得出相关的技术指标和参数，来研究真实地质岩层在这一过程中的规律性，有利于对岩层施工过程中进行有效的支护，为地质岩层安全施工提供保证。

Description

一种倾斜岩层物理相似模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种岩层物理相似模拟试验装置及方法，尤其涉及倾斜岩层物理相似模拟试验装置及方法。

背景技术

地质岩层在外部扰动、地应力或施加外力等作用下，岩层的破裂和移动规律及围岩的应力分布、位移变化等物理力学特性的研究，是地质岩层研究领域的一个重要课题，更是地质岩层安全施工的重要保证。但由于地质岩层环境的特殊性和复杂性，以及现场实测周期较长、耗费大等因素影响，导致对岩层压力及运动规律进行系统的研究与分析以及岩层内部性状变化原位监测难以全面开展。

因此，相似模拟试验成为了研究这一复杂地质环境的重要科学手段。基于相似模拟试验理论，将复杂的地质岩层通过模型上的相似再现，来研究真实对象中发生的现象和过程的规律性，可以得出相关的技术指标和参数，为实际工程的生产实践和应用提供科学依据，对扰动、地应力以及外部作用力下的岩层运动理论研究有一定的指导意义，从而达到解决实际问题的目的。

传统的相似模拟试验装置一般只能进行水平层面的模拟试验。少数可模拟倾斜岩层的相似模拟试验装置，由于机架上部晃动，不受控制，使得重心不稳定，存在稳定性差、危险性大的隐患，经常造成装填模型的倒塌、滑移；而且在模型机架整体转动过程中，可模拟的倾斜角度受限制、不易控制。上述的相似材料模拟试验装置功能单一、能够模拟的岩层条件受限制，不能实现岩层倾角的安全、有效相似模拟试验。因此现有相似模拟试验装置在很大程度上难于适应现阶段复杂地质条件模拟的需要。

针对上述问题，如何改进现有的相似模拟试验装置，使其既能够进行水平岩层的相似模拟，又能够进行具有倾角的岩层模拟；同时又要保证试验装置的平衡稳定性和安全性以及相似模拟试验的效果，满足现阶段地质岩层研究的需要，成为亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种倾斜岩层物理相似模拟试验的装置并提出利用该装置的方法，通过该装置及方法对地层中不同倾角的岩层进行相似模拟试验，通过观察、测量在外部扰动、地应力、施加外力等作用下岩层内部的应力分布、位移变化等物理力学特性，得出相关的技术指标和参数，来研究真实地质岩层在这一过程中的规律性，有利于对岩层施工过程中进行有效的支护，为地质岩层安全施工提供保证。

为解决上述技术问题，本发明的倾斜岩层物理相似模拟试验装置，所采用的技术方案是：

一种倾斜岩层物理相似模拟试验装置，其特征在于，它由外部框架、可倾斜机架、前后挡板、液压支撑装置和悬吊起重装置组成；其中：

所述的外部框架包括竖向立柱、横向底座、上横梁和双滑轮轨道；横向底座通过螺栓固定在地面上；上横梁内部下端面安装有平行的双滑轮轨道，左、右竖向立柱通过螺栓使底座和上横梁固定为一体；

所述的液压支撑装置包括若干支撑千斤顶；支撑千斤顶安装在外部框架的横向底座上；所述的悬吊起重装置安装在外部框架的双滑轮轨道上，并在双滑轮轨道上设有卧式千斤顶；卧式千斤顶使悬吊起重装置在双滑轮轨道上来回移动；悬吊起重装置由两台电动机、电动机动力轮、吊绳、吊钩、滑轮组成；两台电动机通过钢板相连；

所述的可倾斜机架包括内框架、活动梁、加载千斤顶、承压块、导轨、吊环和角度尺；可倾斜机架整体安装在外部固定框架内部，并与外部框架之间留有一定的倾斜活动空间；上述的活动梁活动安装在内框架的竖框上，加载千斤顶安装在内框架的顶框上，加载千斤顶的伸出端底部焊接有承压块；上述的吊环焊接在内框架上端面两侧；内框架一侧底端通过转动轴与外部框架底座铰接，内框架的底部支撑在液压支撑装置上；所述的角度尺指针通过螺栓固定在内框架底面上，角度尺刻有0-90°角度刻度，0刻度线与外部框架底座上端面和内框架底框下端面交接处重合，能随可倾斜机架转动，显示出倾斜的角度；内框架的侧框、底框和活动梁的前、后面上均加工有沿框长度方向的开口槽，开口槽中安装有导轨，导轨上安装有若干个既可滑动又能固定的螺纹孔卡扣；

所述的前后挡板通过螺纹孔卡扣安装在可倾斜支架上，形成铺填各岩层相似模拟材料的空间。

一种利用本发明的装置进行倾斜岩层物理相似模拟试验的方法，如下：

第一步，调整可倾斜机架倾斜角度

首先确定相似模型在可倾斜机架内所要铺填的高度，并在对应高度处安装活动梁；启动卧式千斤顶、支撑千斤顶和悬吊起重装置电开关，电动机带动吊绳上的吊钩上下升降，钩住可倾斜机架吊环，使可倾斜机架绕转动轴转动，调整可倾斜机架的倾斜度；此时随着可倾斜机架的转动，卧式千斤顶同时调整悬吊起重装置的电动机位置，使可倾斜机架的悬吊力保持垂直方向；同时，可倾斜机架底部的支撑千斤顶同步升降，当可倾斜机架达到所要求的倾斜角度后，定位停止；

第二步，按比例铺填各岩层相似模拟材料

第2.1步、将前后挡板安装到可倾斜机架上，调整导轨上的螺栓卡扣位置，并用螺栓紧固，使得前后挡板的高度等于第一层模拟岩层所要铺填的相似材料的厚度，形成第一层相似配比材料铺填空间；

第2.2步、按计算好的比例称取实验所需第一层模拟岩层相似材料的原料，并分别倒入搅拌机中加水搅拌，搅拌均匀后倒入第一层相似材料铺填空间，用刮板刮平，刮平后用木板压实，表面上撒云母片作为隔层；

第2.3步、依次类推，直至第二层、第三层、......,将各层相似材料铺填完毕；

第三步，液压加载形成稳定的相似模拟模型

第3.1步、铺填好的相似模拟材料放置一段时间后，启动卧式千斤顶、支撑千斤顶、悬吊起重装置电开关，使铺填好相似模拟材料的可倾斜机架缓慢放平；

第3.2步、启动液压加载装置，模拟地应力对铺填好的相似模拟材料进行加压；

第3.3步、保持加载2-3天后，从上向下间隔拆除前后挡板，间隔2-3天后，拆除剩余前后挡板，形成相似模拟材料模型，以下简称模型，同时在模型底部再安装一块水平托板，使模型稳定；

第四步，通过数字散斑采集图像

第4.1步、对整个模型四周表面均匀喷涂黑色漆，黑色漆晾干后，再在黑色漆上喷洒白色漆，喷洒时使白色漆以斑点的形态均匀飘落在黑色漆面上，形成对比散斑场；

第4.2步、漆面自然风干后，在模型观测面前方一定距离处安放工业相机，通过数据线将工业相机与计算机连接，并在计算机上打开工业相机自动采集图像软件，点击工具栏中的“采集图像”，进行图像调整；使整个模型岩层区域进入工业相机镜头内，点击计算机软件工具栏中的“保存路径”，进入保存路径窗口，选取图片要保存的位置，并将图片格式设置成bmp、帧数设置成1帧/秒；设置完成，点击工具栏中“连续保存”开始采集原始图像；

第4.3步、采集原始图像后，对模型进行加压，工业相机采集记录模型在不同时刻的表面散斑图像，持续5-6天后，点击计算机软件工具栏中的“停止保存”，停止采集图像；

第五步，对采集的图像进行全场位移和应变分析

将原始图像和间隔相同时间采集的系列图像，添加到图像处理软件中，对比变形前后的散斑图变化，对全场位移和应变进行量化分析，从而获得模型位移和应变场的参数信息。

本发明的有益效果：

1、本发明不仅可以进行水平岩层相似模拟试验，还能够满足不同倾斜角度的地质岩层相似模拟试验。在现有技术的物理相似模拟试验装置的基础上，通过外部框架、液压支撑装置和悬吊起重装置多重协调作用，倾斜角度不受装置的限制(0-80°之间)，解决了物理试验平台模型铺填倾斜岩层相似材料的难题，保证了实验模型与工程实际相一致；并且在实施时是进行水平铺填的，使得模型不会滑移、坍塌，实现装置的倾斜效果；同时，保证了铺填过程中模型机架的平衡稳定性，消除了安全隐患。通过角度尺随可倾斜机架的旋转，可准确的显示出机架倾斜的角度，达到试验所要求的倾斜角度目标。因此通过本发明的相似模拟试验装置可适应现阶段复杂地质岩层模拟的需要。

2、利用上述发明装置及方法铺填的相似模拟模型为不同厚度的层状结构，利用液压加载装置、活动梁实现各层相似模拟材料铺填过程中的受力均匀、等厚度压实，使岩层密实度和厚度达到设计要求，保证了相似模拟试验结果的真实可靠；通过一系列的观察与测量得出相关的技术指标和参数，为地质岩层受到自身地应力、外部压力及扰动等作用下，研究岩层运动规律以及施工过程中采取有效的支护提供科学依据和指导意义，为地质岩层安全施工提供了保障。

3、本发明的装置结构紧凑、操作安全，铺填相似模拟模型效率快速高效且方法简单可靠，实验测试方便、周期短、便于观察，模拟过程形象直观可控制。可通过悬吊起重装置和液压支撑装置调整机架的倾斜角度，来实现不同倾斜岩层的模拟测试方案，以满足不同倾斜角度岩层的需要，在岩层物理相似模拟试验研究方面具有广泛的实用性，同时具有广泛的工程模拟测试应用前景。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明的铺填相似模拟岩层过程模型图；

图3是本发明的铺填相似模拟岩层完成模型图；

图4是本发明的拆除挡板之后的模型图；

图5是本发明的各岩层喷涂黑、白漆并形成散斑模之后的模型图；

图6是本发明的整体结构侧视图；

图7是本发明的导轨图。

图中：1-上横梁，2-底座，3-立柱，4-滑轮，5-轨道，6-卧式千斤顶，7-电动机，8-动力轮，9-吊绳，10-吊钩，11-吊环，12-前后挡板，13-转动轴，14-支撑千斤顶，15-活动梁，16-角度尺，17-角度指针，18-模型，19-黑色漆，20-散斑场，21-钢板，22-工业相机，23-计算机，24-承压块，25-内框架，26-加载千斤顶，27-导轨，28-卡扣，29-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

如图1--7所示，一种倾斜岩层物理相似模拟试验装置，它由外部框架、可倾斜机架、前后挡板、液压支撑装置、悬吊起重装置组成；其中：

所述的外部框架包括两个竖向立柱3、一个横向底座2、一个上横梁1和双滑轮轨道5。横向底座2通过螺栓固定在地面上，上横梁1内部下端面安装有平行的双滑轮轨道5。左、右竖向立柱3通过螺栓使底座2和上横梁1上固定为一体。

上述外部框架长度为5m、高度为3.8m、宽度为0.4m。其中，左、右立柱为长×宽×高分别为0.2m×0.3mm×3.6m的四面形钢板件；横向底座2为上端面长5m、下端面长5.5m、高度0.4m、宽度0.4m的梯形钢板件；上横梁1为长×宽×高分别为5m×0.4mm×0.4m的四面形钢板件。上横梁1内部的双轨道间距为0.15m。

所述的液压支撑装置包括若干支撑千斤顶14；支撑千斤顶14安装在外部框架的横向底座2与可倾斜机架之间；

所述的悬吊起重装置安装在外部框架的双滑轮轨道5上，并在双滑轮轨道5上设有卧式千斤顶6；卧式千斤顶6使悬吊起重装置在双滑轮轨道5上来回移动；悬吊起重装置由两台电动机7、电动机动力轮8、吊绳9、吊钩10、滑轮4组成；两台电动机7通过钢板21相连；

所述的可倾斜机架包括内框架25、活动梁15、加载千斤顶26、承压块24、导轨27、吊环11和角度尺16；可倾斜机架整体安装在外部固定框架内部，并与外部框架之间留有一定的倾斜活动空间；上述的活动梁15活动安装在内框架25竖框上，加载千斤顶26安装在内框架25的顶框上，加载千斤顶26的伸出端底部焊接有承压块24；上述的吊环11焊接在内框架25上端面两侧；内框架25一侧底端通过转动轴13与外部框架底座2铰接，内框架25的底部支撑在支撑千斤顶14上；所述的角度尺16安装在转动轴13上，角度指针17通过螺栓固定在内框架25底面上，角度尺16刻有0-90°角度刻度，0刻度线与外部框架底座2上端面和内框架25底框下端面交接处重合，能随可倾斜机架转动，显示出倾斜的角度；内框架25的侧框、底框和活动梁15的前、后面上均加工有沿框长度方向的开口槽，开口槽中安装有导轨27，导轨27上安装有若干个既可滑动又能固定的带螺纹孔的卡扣28，导轨27如图7所示；

上述内框架25长×宽×高分别为2.2m×0.3mm×2.8m；其中，侧框为长×宽×高分别为0.2m×0.3mm×2.8m的四面形钢板件；液压加载装置由6个加载千斤顶26组成，每个千斤顶可分2级加载；承压块24为长×宽×厚分别为0.33m×0.3mm×0.02m的钢板；

所述的前后挡板12安装在内框架25上，通过螺纹孔卡扣28用螺栓29固紧，形成铺填各岩层相似模拟材料的空间。

下面根据一个例子说明利用本发明的装置进行倾斜岩层物理相似模拟试验的方法。

某煤矿为倾斜砂岩岩层，倾角50度，为了安全施工，对岩层的破裂和移动规律及围岩的应力分布、位移变化等物理力学特性进行研究。因此，计划对岩层进行相似模拟试验，确定岩层试验高度1.8米。

试验的方法，如下：

第一步，调整可倾斜机架倾斜角度

如图1所示：首先确定相似模型在可倾斜机架内所要铺填的高度1.8米，并在1.8米处安装活动梁15；

如图2所示，启动卧式千斤顶6、支撑千斤顶14和悬吊起重装置电开关，电动机7带动吊绳9上的吊钩10上下升降，钩住可倾斜机架吊环11，使可倾斜机架绕转动轴13转动，支撑千斤顶14抬升速度与悬吊起重装置的吊钩10升降速度一致，均设置为2mm/s；此时随着可倾斜机架的转动，卧式千斤顶6同时调整悬吊起重装置的电动机7位置，使可倾斜机架的悬吊力保持垂直方向；角度指针17随可倾斜机架倾斜提升，当角度指针17指到角度尺上50°刻度时，同步停止卧式千斤顶6、支撑千斤顶14、悬吊起重装置开关，此时可倾斜机架一侧提升的角度即为所要模拟岩层的倾斜角度50°；

第二步，按比例铺填各岩层相似模拟材料

1、如图2所示：选择长度与宽度适中的前后挡板12安装到内框架25上，调整导轨27上的螺栓卡扣28位置，并用螺栓29紧固，使得前后挡板12的高度等于第一层模拟岩层所要铺填的相似材料的厚度，形成第一层相似配比材料铺填空间；

2、按计算好的比例称取实验所需第一层模拟岩层相似材料的原料，并分别倒入搅拌机中加水搅拌，搅拌均匀后倒入第一层相似材料铺填空间，用刮板刮平，刮平后用木板压实，表面上撒云母片作为隔层；

3、依次类推，直至第二层、第三层、......,将各层相似材料铺填完毕。

第三步，液压加载形成稳定的相似模拟模型

1、如图3所示：铺填好的相似模拟模型放置一段时间后，启动卧式千斤顶6、支撑千斤顶14、悬吊起重装置电开关，以2mm/s的下降速度使铺填好的相似模拟材料的可倾斜机架缓慢放平；

2、启动液压加载装置，模拟地应力对铺填好的相似模拟材料进行加压；

3、如图4所示，保持加载2-3天后，从上向下间隔拆除前后挡板12，间隔2-3天后，拆除剩余前后挡板12，形成相似模拟材料模型，以下简称模型18；

第四步，通过数字散斑采集图像

1、如图5所示，用黑色漆19对整个模型18四周表面均匀喷涂，黑色漆19晾干后，再在黑色漆19上喷洒白色漆，喷洒时使白色漆以斑点的形态均匀飘落在黑色漆面上，形成对比散斑场20；

2、如图6所示，漆面自然风干后，在模型18观测面前方一定距离处安放工业相机22，通过数据线将工业相机22与计算机23连接，并在计算机23上打开工业相机自动采集图像软件，点击工具栏中的“采集图像”，进行图像调整；使整个模型岩层区域进入工业相机22镜头内，点击计算机23软件工具栏中的“保存路径”，进入保存路径窗口，选取图片要保存的位置，并将图片格式设置成bmp、帧数设置成1帧/秒；设置完成，点击工具栏中“连续保存”开始采集原始图像；

3、采集原始图像后，启动液压加载装置对模型进行加压，工业相机22采集记录模型在不同时刻的表面散斑场20图像，持续5-6天后，点击计算机23软件工具栏中的“停止保存”，停止采集图像；

第五步，对采集的图像进行全场位移和应变分析

将原始图像和选取的间隔相同时间采集的系列图像，添加到图像处理软件中，对比变形前后的散斑图变化，对全场位移和应变进行量化分析，从而获得模型18位移和应变场的参数信息。

Claims (2)

1.一种倾斜岩层物理相似模拟试验装置，其特征在于，它由外部框架、可倾斜机架、前后挡板、液压支撑装置和悬吊起重装置组成；其中：

所述的外部框架包括竖向立柱、横向底座、上横梁和双滑轮轨道；横向底座通过螺栓固定在地面上；上横梁内部下端面安装有平行的双滑轮轨道，左、右竖向立柱通过螺栓使底座和上横梁固定为一体；

所述的液压支撑装置包括多个支撑千斤顶；支撑千斤顶安装在外部框架的横向底座上；

所述的悬吊起重装置安装在外部框架的双滑轮轨道上，并在双滑轮轨道上设有卧式千斤顶；卧式千斤顶使悬吊起重装置在双滑轮轨道上来回移动；悬吊起重装置由两台电动机、电动机动力轮、吊绳、吊钩和滑轮组成；两台电动机通过钢板相连；

所述的可倾斜机架包括内框架、活动梁、加载千斤顶、承压块、导轨、吊环和角度尺；可倾斜机架整体安装在外部固定框架内部，并与外部框架之间留有一定的倾斜活动空间；上述的活动梁活动安装在内框架的竖框上，加载千斤顶安装在内框架的顶框上，加载千斤顶的伸出端底部焊接有承压块；上述的吊环焊接在内框架上端面两侧；内框架一侧底端通过转动轴与外部框架底座铰接，内框架的底部支撑在液压支撑装置上；所述的角度尺指针通过螺栓固定在内框架底面上，角度尺刻有0-90°角度刻度，0刻度线与外部框架底座上端面和内框架底框下端面交接处重合，能随可倾斜机架转动，显示出倾斜的角度；内框架的侧框、底框和活动梁的前、后面上均加工有沿框长度方向的开口槽，开口槽中安装有导轨，导轨上安装有多个既可滑动又能固定的螺纹孔卡扣；

所述的前后挡板通过螺纹孔卡扣安装在可倾斜支架上，形成铺填各岩层相似模拟材料的空间。

2.一种利用权利要求1所述的装置对倾斜岩层进行物理相似模拟试验的方法，其特征在于，

第一步，调整可倾斜机架倾斜角度

首先确定相似模型在可倾斜机架内所要铺填的高度，并在对应高度处安装活动梁；启动卧式千斤顶、支撑千斤顶和悬吊起重装置电开关，电动机带动吊绳上的吊钩上下升降，钩住可倾斜机架吊环，使可倾斜机架绕转动轴转动，调整可倾斜机架的倾斜度；此时随着可倾斜机架的转动，卧式千斤顶同时调整悬吊起重装置的电动机位置，使可倾斜机架的悬吊力保持垂直方向；同时，可倾斜机架底部的支撑千斤顶同步升降，当可倾斜机架达到所要求的倾斜角度后，定位停止；

第二步，按比例铺填各岩层相似模拟材料

第2.1步、将前后挡板安装到可倾斜机架上，调整导轨上的螺栓卡扣位置，并用螺栓紧固，使得前后挡板的高度等于第一层模拟岩层所要铺填的相似材料的厚度，形成第一层相似配比材料铺填空间；

第2.2步、按计算好的比例称取实验所需第一层模拟岩层相似材料的原料，并分别倒入搅拌机中加水搅拌，搅拌均匀后倒入第一层相似材料铺填空间，用刮板刮平，刮平后用木板压实，表面上撒云母片作为隔层；

第2.3步、依次类推，直至第二层、第三层、......,将各层相似材料铺填完毕；

第三步，液压加载形成稳定的相似模拟模型

第3.1步、铺填好的相似模拟材料放置一段时间后，启动卧式千斤顶、支撑千斤顶和悬吊起重装置电开关，使铺填好相似模拟材料的可倾斜机架缓慢放平；

第3.2步、启动液压加载装置，模拟地应力对铺填好的相似模拟材料进行加压；

第3.3步、保持加载2-3天后，从上向下间隔拆除前后挡板，间隔2-3天后，拆除剩余前后挡板，形成相似模拟材料模型，以下简称模型，同时在模型底部再安装一块水平托板，使模型稳定；

第四步，通过数字散斑采集图像

第4.1步、对整个模型四周表面均匀喷涂黑色漆，黑色漆晾干后，再在黑色漆上喷洒白色漆，喷洒时使白色漆以斑点的形态均匀飘落在黑色漆面上，形成对比散斑场；

第4.2步、漆面自然风干后，在模型观测面前方一定距离处安放工业相机，通过数据线将工业相机与计算机连接，并在计算机上打开工业相机自动采集图像软件，点击工具栏中的“采集图像”，进行图像调整；使整个模型岩层区域进入工业相机镜头内，点击计算机软件工具栏中的“保存路径”，进入保存路径窗口，选取图片要保存的位置，并将图片格式设置成bmp、帧数设置成1帧/秒；设置完成，点击工具栏中“连续保存”开始采集原始图像；

第4.3步、采集原始图像后，对模型进行加压，工业相机采集记录模型在不同时刻的表面散斑图像，持续5-6天后，点击计算机软件工具栏中的“停止保存”，停止采集图像；

第五步，对采集的图像进行全场位移和应变分析

将原始图像和间隔相同时间采集的系列图像，添加到图像处理软件中，对比变形前后的散斑图变化，对全场位移和应变进行量化分析，从而获得模型位移和应变场的参数信息。