CN105547526A - 一种断层构造应力的监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断层构造应力监测方法及监测装置，其中所述断层构造应力监测方法包括安装应力传感器、预制断层、施加载荷、确定断层失稳临界应力、理论值与实验值对比分析和获取断层失稳前兆信息；所述断层应力监测装置包括断层相似模拟试验平台和断层应力传感器。本发明通过垂直安装于断层面上的应力传感器，监测断层面上的正应力和剪应力；通过构建断层力学模型，计算断层面上正应力和剪应力与水平载荷和垂直载荷之间的函数关系，分析实验值和理论值之间的误差，确定断层失稳时的临界应力值，为岩土工程和采矿工程学科领域中研究断层滑动失稳诱发岩爆和冲击地压等动力灾害提供理论基础和实验数据支撑，为预测和防治动力灾害的发生提供前兆信息。

Description

一种断层构造应力的监测装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土工程和采矿工程领域，具体地说，涉及一种断层构造应力的监测装置和方法。

背景技术

地球板块在地质演化过程中产生了多种断层地质构造，而这些构造的特征直接决定着矿井地质灾害的发生条件，也是诱发岩爆和冲击地压的主要因素之一。在岩土工程和采矿工程的现场实践中，断层等不利地质构造的滑动失稳诱发动力灾害的强度和频度逐渐增加，而断层构造应力的分布特征是研究断层滑动失稳的主要参数。

当前，断层构造应力的研究主要通过实验室试验和现场监测完成。但是，因为现场监测成本较高，且数据离散性较大，研究人员往往首先通过实验室试验分析断层滑动失稳时的临界应力值，以此进一步分析现场实际条件下的断层失稳前兆信息，例如水平和垂直加载条件下断层构造应力监测的相似模拟实验。但在该类实验中，由于断层面的封闭性，断层面上的应力监测装置安装十分不便。现有方法中，监测断层构造应力的传感器一般布置于断层面附近，传感器监测到的应力值相对于断层的滑动略显滞后，无法准确测得断层滑动时的正应力和剪应力。

发明内容

本发明提供一种断层构造应力的监测装置和方法，所述断层构造应力包括断层面上的正应力和剪应力，所要解决的技术问题是由于断层面的封闭性，而现有技术中断层面上的应力监测装置安装十分不便，监测断层构造应力的传感器一般布置于断层面附近，传感器监测到的应力值相对于断层的滑动略显滞后，无法准确测得断层滑动时的正应力和剪应力。

本发明的目的在于：在水平和垂直载荷作用下，监测断层面上正应力和剪应力的大小；在水平和垂直载荷作用下，计算断层面上正应力和剪应力理论值的大小；比较和分析实验监测值和理论值之间的误差，确定断层失稳时的临界应力值，为岩土工程和采矿工程学科领域中研究断层滑动失稳诱发岩爆和冲击地压等动力灾害提供理论基础和实验数据支撑，为预测和防治动力灾害的发生提供前兆信息。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种断层构造应力的监测方法，包括如下步骤：

步骤1，安装应力传感器：将应力传感器通过连接线固定在断层监测相似模拟试验平台的第一固定端和第二固定端之间，并施加一定的绳索预紧力，避免因水平载荷的施加使得牵引应力传感器的绳索松弛；

步骤2，预制断层：在断层监测相似模拟试验平台上铺设相似模拟材料，按照预制断层面的位置分左右两部分铺设，形成断层，并使所述断层与所述应力传感器相互垂直，待相似模型铺设完毕后，将应力传感器调零；

步骤3，施加载荷并监测应力：通过断层监测相似模拟试验平台的载荷施加装置向步骤2中制备的带有断层的相似模型进行分级逐步施加水平载荷和垂直载荷，应力传感器监测得到不同的载荷下的断层处的正应力和剪应力，并将其传送至应力监测仪中；

步骤4，监测断层失稳临界应力：随着步骤3中施加的水平载荷和垂直载荷的逐渐增大，相似模型的变形也随之不断增大，直至预制断层发生滑动失稳，应力传感器监测得到滑动失稳时断层处的正应力和剪应力，并将其传送至应力监测仪中；

步骤5，理论值与实验值对比分析：根据静力学原理，构建断层力学理论模型，推导断层面上正应力σ和剪应力τ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系，并将由所述函数关系确定的应力曲线绘制到计算机中；

步骤6，分析断层失稳前兆信息：使用应力监测仪将步骤3和步骤4中得到实验数据与步骤5中构建的断层力学理论模型进行对比分析，通过相似比还原实际工程背景下断层构造的正应力和剪应力，确定断层失稳时的应力值，为预测断层滑动失稳提供前兆信息。

优选的，步骤2中，所述相似模拟材料采取逐层铺设的方法，先逐层铺设断层一侧的相似模拟材料，之后在断层面出均匀的铺洒一层云母粉，然后再逐层铺设断层另一侧的相似模拟材料。

优选的，所述断层处的云母粉的铺设厚度为10～50μm。

优选的，步骤2中，所述相似模拟材料为由沙土、石灰、石膏和水混合而成的复合材料。

优选的，步骤5中，将由所述函数关系确定的应力曲线绘制到计算机中，得到正应力σ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系曲线以及剪应力τ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系曲线，应力监测仪将应力传感器收集的实验数据与理论数据进行实时对比。

断层力学理论模型的建立，具体如下:

如图2所示，设断层岩体水平载荷和垂直载荷分别为q_x和q_y，因模型尺寸较小，故自身重力与载荷相比可以忽略不计。模型高为h，厚度方向取单位1，断层角度为α，断层面上正应力和剪应力分别为σ和τ。因为整个系统在断层失稳前是平衡体系，所以以断层面为斜边取一个三角形进行建模，如图3所示。

由图3的几何关系可知，三角形底边长断层面长图中力学量均为应力量纲，因此需要换算成力的量纲来计算，及力＝应力×面积。

根据弹性力学和静力学基本理论，建立三角形在x方向和y方向的平衡方程，并注意到模型在厚度方向取单位长度1，公式如下所示：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΣF}}_x=0,q_{x}h+\mathrm{\σ}\sin \mathrm{\α}\frac{h}{\sin \mathrm{\α}}+\mathrm{\τ}\cos \mathrm{\α}\frac{h}{\sin \mathrm{\α}}=0\\ {\mathrm{\ΣF}}_y=0,q_y\frac{h}{\tan \mathrm{\α}}+\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\α}\frac{h}{\sin \mathrm{\α}}-\mathrm{\τ}\sin \mathrm{\α}\frac{h}{\sin \mathrm{\α}}=0\end{array}---\left(1\right)$

化简(1)式，得

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΣF}}_x=0,q_x+\mathrm{\σ}+\mathrm{\τ}\frac{1}{\tan \mathrm{\α}}=0\\ {\mathrm{\ΣF}}_y=0,q_y\frac{1}{\tan \mathrm{\α}}+\mathrm{\σ}\frac{1}{\tan \mathrm{\α}}-\mathrm{\τ}=0\end{array}---\left(2\right)$

求解(2)式，得

$\begin{array}{cc}\mathrm{\σ}=-\frac{q_x{\tan }^2\mathrm{\α}+q_y}{{\tan }^2\mathrm{\α}+1}& \mathrm{\τ}=-\frac{(q_x-q_y)tan\mathrm{\α}}{{\tan }^2\mathrm{\α}+1}\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中σ和τ分别为断层面上的正应力和剪应力，负号仅表示计算结果的正应力和剪应力方向和假设方向相反；q_x和q_y分别为水平载荷和垂直载荷。

式(3)为断层面上正应力σ和剪应力τ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系。由式(3)结果可知，断层正应力σ和剪应力τ只与水平载荷q_x、垂直载荷q_y及断层角度α有关，与其他因素无关。因此，可以根据式(3)计算出水平载荷和垂直载荷增加时，理论上的断层正应力和剪应力的大小，以此和监测结果进行对比，并且修正监测结果。

本发明的断层构造应力监测方法的有益效果在于：本发明的断层的应力监测方法，通过垂直安装于断层面上的应力传感器，监测得出断层的正应力和剪应力；通过构建断层力学模型，计算出水平和垂直加载条件下断层面上正应力和剪应力的大小，并且和监测所得结果进行对比，确定断层失稳时的应力值，为两类学科领域中研究断层滑动失稳诱发岩爆和冲击地压等动力灾害提供理论基础和实验数据支撑，为预测和防治动力灾害的发生提供前兆信息。

本发明还提供了一种断层构造应力监测装置，包括断层监测相似模拟试验平台和断层应力传感器，所述断层监测相似模拟试验平台的两侧分别设置有第一固定端和第二固定端，所述断层应力传感器的两侧分别通过连接线与第一固定端和第二固定端相连接，所述断层监测相似模拟试验平台包括载荷施加装置和应力监测仪，所述应力监测仪与应力传感器电连接。

优选的，所述第一固定端的高度低于所述第二固定端的高度；所述第一固定端和第二固定端之间的连线与垂直面的夹角度数等于所述预制断层面与水平面之间的夹角度数。

优选的，所述断层监测相似模拟试验平台包括平台底座、第一侧板、第二侧板、上顶板、至少一块前挡板和至少一块后挡板，所述第一侧板固定连接在平台底座的一侧，所述第一侧板上设有多个均匀分布水平通孔；第二侧板滑动连接在平台底座上与第一侧板相对的一侧，所述第二侧板上设有多个均匀分布的水平通孔，上顶板套设在第一侧板和第二侧板的上端，所述上顶板与第一侧板可拆卸的滑动连接，所述上顶板与第二侧板可拆卸的滑动连接，所述前挡板与第一侧板和第二侧板可拆卸的连接，所述后挡板与第一侧板和第二侧板可拆卸的连接。

优选的，所述载荷施加装置包括第一水平压头、第二水平压头和竖直压头，所述第一水平压头贯穿套接在所述水平通孔内，所述第二水平压头贯穿套接在所述水平通孔内，所述竖直压头与上顶板可拆卸的滑动连接。。

本发明的断层构造应力监测装置的有益效果在于：通过垂直安装于断层面上的应力传感器，监测得出断层处的正应力和剪应力。

附图说明

图1为本发明的断层监测试验平台的结构示意图；

图2为本发明的断层力学理论模型整体的示意图；

图3为本发明的断层力学理论模型局部的示意图。

附图标记说明

1、应力传感器，2、第一固定端，3、第二固定端，4、断层，5、断层滑移方向示意，6、水平载荷q_x，7、水平载荷q_y。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明提供一种断层构造应力监测装置，包括断层监测相似模拟试验平台和断层应力传感器1，所述断层监测相似模拟试验平台的两侧分别设置有第一固定端2和第二固定端3，所述断层应力传感器1的两侧分别通过连接线与第一固定端2和第二固定端3相连接，所述断层监测相似模拟试验平台包括载荷施加装置和应力监测仪，所述应力监测仪与应力传感器1电连接。所述第一固定端2的高度低于所述第二固定端3的高度，所述第一固定端2和第二固定端3之间的连线与垂直面的夹角度数等于所述预制断层面与水平面之间的夹角度数。所述断层监测相似模拟试验平台包括平台底座、第一侧板、第二侧板、上顶板、至少一块前挡板和至少一块后挡板，所述第一侧板固定连接在平台底座的一侧，所述第一侧板上设有多个均匀分布水平通孔；第二侧板滑动连接在平台底座上与第一侧板相对的一侧，所述第二侧板上设有多个均匀分布的水平通孔，上顶板套设在第一侧板和第二侧板的上端，所述上顶板与第一侧板可拆卸的滑动连接，所述上顶板与第二侧板可拆卸的滑动连接，所述前挡板与第一侧板和第二侧板可拆卸的连接，所述后挡板与第一侧板和第二侧板可拆卸的连接。所述载荷施加装置包括第一水平压头、第二水平压头和竖直压头，所述第一水平压头贯穿套接在所述水平通孔内，所述第二水平压头贯穿套接在所述水平通孔内，所述竖直压头与上顶板可拆卸的滑动连接。

本发明还提供一种断层构造应力的监测方法，包括如下步骤：

步骤1，安装应力传感器：将应力传感器1通过连接线固定在断层监测相似模拟试验平台的第一固定端2和第二固定端3之间；

步骤2，预制断层：在断层监测相似模拟试验平台上铺设由沙土、石灰、石膏和水混合而成的相似模拟材料，按照预制断层面的位置分左右两部分铺设，先逐层铺设断层4一侧的相似模拟材料，之后在断层面出均匀的铺洒一层云母粉，然后再逐层铺设断层4另一侧的相似模拟材料，形成断层4，并使所述断层4与所述应力传感器1相互垂直，待相似模型铺设完毕后，将应力传感器1调零，其中所述断层4处的云母粉的铺设厚度为10～50μm；

步骤3，施加载荷并监测应力：通过断层监测相似模拟试验平台的载荷施加装置向步骤2中制备的带有断层的相似模型进行分级逐步施加水平载荷和垂直载荷，应力传感器1监测得到不同的载荷下的断层4处的正应力和剪应力，并将其传送至应力监测仪中；

步骤4，监测断层失稳临界应力：随着步骤3中施加的水平载荷和垂直载荷的逐渐增大，相似模型的变形也随之不断增大，直至预制断层发生滑动失稳，应力传感器1监测得到滑动失稳时断层4处的正应力和剪应力，并将其传送至应力监测仪中；

步骤5，理论值与实验值对比分析：根据静力学原理，构建断层力学理论模型，推导断层面上正应力σ和剪应力τ与水平载荷qx和垂直载荷qy之间的函数关系，并将由所述函数关系确定的应力曲线绘制到计算机中，得到正应力σ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系曲线以及剪应力τ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系曲线，应力监测仪将应力传感器1收集的实验数据与理论数据进行实时对比；

步骤6，分析断层失稳前兆信息：使用应力监测仪将步骤3和步骤4中得到实验数据与步骤5中构建的断层力学理论模型进行对比分析，确定断层失稳时的应力值，为预测断层滑动失稳提供前兆信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种断层构造应力的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，安装应力传感器：将应力传感器(1)通过连接线固定在断层监测相似模拟试验平台的第一固定端(2)和第二固定端(3)之间；

步骤2，预制断层：在断层监测相似模拟试验平台上铺设相似模拟材料，按照预制断层面的位置分左右两部分铺设，形成断层(4)，并使所述断层(4)与所述应力传感器(1)相互垂直，待相似模型铺设完毕后，将应力传感器(1)调零；

步骤3，施加载荷并监测应力：通过断层监测相似模拟试验平台的载荷施加装置向步骤2中制备的带有断层的相似模型进行分级逐步施加水平载荷和垂直载荷，应力传感器(1)监测得到不同的载荷下的断层(4)处的正应力和剪应力，并将其传送至应力监测仪中；

步骤4，监测断层失稳临界应力：随着步骤3中施加的水平载荷和垂直载荷的逐渐增大，相似模型的变形也随之不断增大，直至预制断层发生滑动失稳，应力传感器(1)监测得到滑动失稳时断层(4)处的正应力和剪应力，并将其传送至应力监测仪中；

步骤5，理论值与实验值对比分析：根据静力学原理，构建断层力学理论模型，推导断层面上正应力σ和剪应力τ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系，并将由该函数关系确定的应力曲线绘制到计算机中；

步骤6，分析断层失稳前兆信息：使用应力监测仪将步骤3和步骤4中得到实验数据与步骤5中构建的断层力学理论模型进行对比分析，确定断层失稳时的临界应力值，为预测断层滑动失稳提供前兆信息。

2.根据权利要求1所述的断层构造应力的监测方法，其特征在于：步骤2中，所述相似模拟材料采取逐层铺设的方法，先逐层铺设断层(4)一侧的相似模拟材料，之后在断层面出均匀的铺洒一层云母粉，然后再逐层铺设断层(4)另一侧的相似模拟材料。

3.根据权利要求2所述的断层构造应力的监测方法，其特征在于：所述断层(4)处的云母粉的铺设厚度为10～50μm。

4.根据权利要求1所述的断层构造应力的监测方法，其特征在于：步骤2中，所述相似模拟材料为由沙土、石灰、石膏和水混合而成的复合材料。

5.根据权利要求1所述的断层构造应力的监测方法，其特征在于：步骤5中，将函数关系确定的应力曲线绘制到计算机中，得到正应力σ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系曲线以及剪应力τ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系曲线，应力监测仪将应力传感器(1)收集的实验数据与理论数据进行实时对比。

6.一种断层构造应力监测装置，其特征在于：包括断层监测相似模拟试验平台和断层应力传感器(1)，所述断层监测相似模拟试验平台的两侧分别设置有第一固定端(2)和第二固定端(3)，所述断层应力传感器(1)的两侧分别通过连接线与第一固定端(2)和第二固定端(3)相连接，所述断层监测相似模拟试验平台包括载荷施加装置和应力监测仪，所述应力监测仪与应力传感器(1)电连接。

7.根据权利要求6所述的断层构造应力监测装置，其特征在于：所述第一固定端(2)的高度低于所述第二固定端(3)的高度，所述第一固定端(2)和第二固定端(3)之间的连线与垂直面的夹角度数等于所述预制断层面与水平面之间的夹角度数。

8.根据权利要求6所述的断层构造应力监测装置，其特征在于：所述断层监测相似模拟试验平台包括平台底座、第一侧板、第二侧板、上顶板、至少一块前挡板和至少一块后挡板，所述第一侧板固定连接在平台底座的一侧，所述第一侧板上设有多个均匀分布水平通孔；第二侧板滑动连接在平台底座上与第一侧板相对的一侧，所述第二侧板上设有多个均匀分布的水平通孔，上顶板套设在第一侧板和第二侧板的上端，所述上顶板与第一侧板可拆卸的滑动连接，所述上顶板与第二侧板可拆卸的滑动连接，所述前挡板与第一侧板和第二侧板可拆卸的连接，所述后挡板与第一侧板和第二侧板可拆卸的连接。

9.根据权利要求8所述的断层构造应力监测装置，其特征在于：所述载荷施加装置包括第一水平压头、第二水平压头和竖直压头，所述第一水平压头贯穿套接在所述水平通孔内，所述第二水平压头贯穿套接在所述水平通孔内，所述竖直压头与上顶板可拆卸的滑动连接。