CN108414347B - 可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统。其包括试验台、控制系统、加载系统及液压系统，试验台包括前、后板、上板、下板、左侧板及右侧板，下板与左右侧板之间、上板与左右侧板之间均为活动连接；垂向加载系统位于上板上方，水平加载系统位于左侧板侧方，当垂向加载系统运行时，上板、左侧板及右侧板可做垂直运动，当水平加载系统运行时，左侧板、上板可做水平运动；上板和下板均是由不同角度切割后再拼合的组合板，在每条切割线的中部设置有连接孔，在连接孔中设置有钢块，通过钢块实现相邻两块切割板的固定连接。本发明可实现深部高应力加载下岩体裂隙发育、演化致使断层形成活化的全过程可视化模拟。

Description

可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统

技术领域

本发明属于煤矿深部岩体裂隙发育模拟设备领域，具体涉及一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统。

背景技术

随着我国矿井开采向深部发展，深部断层活化引起的动力灾害越来越频繁，而断层岩体的裂隙演化是断层致灾的本质原因。一般情况下，通过现场实测得到深部断层致灾的机理和规律较为困难，且指导性不强，而且不够经济，故有必要研发一套模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验装置，进行深部断层致灾机理的研究。

目前现有技术中对断层活化的模拟试验大多是通过人工错层铺设来实现的，违背了断层形成的力学机制，与实际情况多有不符；且对于研究不同倾角的断层活化及裂隙演化试验而言，需反复铺设岩层进行研究，劳动强度大，再者大多数试验模拟设备较为粗糙，仅可用于模拟断层的宏观活化，而无法直观显现断层活化前、中、后期的应力、位移变化规律和断层岩体裂隙发育特征。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术缺陷，本发明提出了一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统，其可直观显现断层活化前、中、后期的应力、位移变化规律和断层岩体裂隙发育特征；可实现深部岩体裂隙发育、演化致使断层形成和活化的全过程可视化模拟。

其技术解决方案包括：

一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统，其包括试验台、控制系统、加载系统及液压系统，所述的加载系统用于对所述试验台进行垂向和水平加载，所述的控制系统用于对加载系统施加的加载载荷进行控制；所述的试验台为一长方体结构，其包括前、后板、上板、下板、左侧板及右侧板，所述的前、后板为可视化板，所述下板的右下方固定在试验台的固定边界处，其左下方设置有刚性弹簧，所述刚性弹簧的底部固定在试验台的固定边界处；

所述的下板与左右侧板之间、上板与左右侧板之间均为活动连接；

所述加载系统包括垂向加载系统和水平加载系统，所述垂向加载系统位于所述上板上方，所述水平加载系统位于所述左侧板侧方，当所述垂向加载系统运行时，所述的上板、左侧板及右侧板可做垂直运动，当所述的水平加载系统运行时，所述的左侧板、上板可做水平运动；

所述的上板和下板均是由不同角度切割后再拼合的组合板，在每条切割线的中部设置有矩形的连接孔，在所述连接孔中设置有矩形钢块，通过所述矩形钢块实现相邻两块切割板的固定连接。

作为本发明的一个优选方案，在所述上板、左侧板上均设置有滑槽，所述的垂向加载系统的压头、水平加载系统的压头均嵌入所述滑槽内部。

作为本发明的另一个优选方案，所述的垂向加载系统的油缸、所述的水平加载系统的油缸均固定在试验台的固定边界处，所述的右侧板通过螺纹压头固定在试验台的固定边界处。

进一步的，当模拟预应力试验时，首先通过垂向加载系统施加载荷，待竖直方向达到预定值后，调整右侧板的顶端与所述上板的底面相切时，再开启水平加载系统施加载荷。

进一步的，当进行加载试验时，通过拔出上板或下板上任意一个连接孔中的矩形钢块来模拟不同倾角正断层的形成过程。

进一步的，所述的试验台内部还设置有应力传感器、声发射监测仪。

进一步的，所述上板上的滑槽位于所述连接孔的上部。

进一步的，所述下板的两侧设置有第一凸起部，所述左侧板和右侧板上相对连接处设置有第一滑动部，所述下板与左侧板、下板与右侧板之间通过第一凸起部与第一滑动部实现活动连接。

进一步的，所述上板的两侧设置有第二凸起部，所述左侧板和右侧板上相对连接处设置有第二滑动部，所述上板与左侧板、上板与右侧板之间通过第二凸起部与第二滑动部实现活动连接。

本发明所带来的有益技术效果为：

(1)可实现深部岩体裂隙发育、演化致使断层形成和活化的全过程可视化模拟；

(2)可实现深部不同倾角断层形成与裂隙扩演的全过程可视化模拟；

(3)采用不同配比的模拟材料进行分层铺设，可实现不同岩性组合的断层形成与裂隙演化规律的研究，真实模拟现场不同岩性组合的断层活化突水致灾问题；

(4)通过电脑控制油缸加载速度，可模拟工作面不同推进速度带来的顶板来压速率，研究工作面不同推进速度对断层形成及裂隙扩展的影响规律；

(5)可实现不同深度下断层形成及裂隙演化的全程可视化模拟；

(6)消除了试验台双向加载的边角问题。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统的整体结构示意图；

图2为本发明试验台上板的结构示意图；

图3为本发明试验台左侧板的结构示意图；

图4为本发明试验台下板结构示意图；

图5为本发明矩形钢块结构示意图；

图6为本发明可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统使用(岩层铺设完成，连接孔已插入矩形钢块)状态图；

图7为本发明可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统使用(水平预应力加载前，连接孔已插入矩形钢块)状态图；

图8为本发明可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统使用(水平预应力施加完成后，连接孔已插入矩形钢块)状态图；

图9为本发明可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统使用(加载过程中，矩形钢块已从连接孔拔出)状态图；

图10为本发明可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统使用(加载完成后，矩形钢块已从连接孔拔出)状态图；

图中，1、控制系统，2、加载系统，3、液压系统，4、试验台，5、上板，6、左侧板，7、右侧板，8、下板，9、刚性弹簧，10、油缸B，11、油缸A，12、螺纹压头，13、滑槽，14、连接孔，15、切割缝，16、固定边界，17、已铺设岩层，18、断层上盘，19、断层下盘。

具体实施方式

本发明提出了一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统，包括控制系统1、加载系统2、液压系统3及试验台4，其中，控制系统1可对施加的荷载进行控制，试验台用于岩层的铺设，加载系统2可对试验台进行垂直和水平应力加载，液压系统3主要起液压传动与精确控制的作用，控制系统、记载系统及液压系统的具体结构及工作原理借鉴现有技术即可实现。

作为本发明的主要改进点，试验台4为长方体结构，与现有技术不同的是，构成试验台的上板5与左侧板6、右侧板7之间，下板8与左侧板、右侧板之间为活动连接，优选在下板的两侧设置有第一凸起部，左侧板和右侧板上相对连接处设置有第一滑动部，下板与左侧板、下板与右侧板之间通过第一凸起部与第一滑动部实现活动连接。上板的两侧设置有第二凸起部，左侧板和右侧板上相对连接处设置有第二滑动部，上板与左侧板、上板与右侧板之间通过第二凸起部与第二滑动部实现活动连接。

结合图2和图4所示，作为本发明的另一个主要改进点，上板5和下板8均是由不同角度切割后再拼合的组合板，在每条切割缝15的中部设置有矩形的连接孔14，在连接孔中设置有矩形钢块，矩形钢块结构如图5所示，通过矩形钢块实现相邻两块切割板的固定连接。结合图1和图4所示，下板的右下方固定在试验台的固定边界处，其左下方设置有刚性弹簧9，刚性弹簧的底部固定在试验台的固定边界16处；

左侧板结构如图3所示，左侧板上设有滑槽13，油缸A 11的压头嵌入滑槽内部与其连接，使左侧板实现水平和垂直往返运动；

上板与油缸B 10的压头连接，上板可随压头做水平和垂直往返运动；右侧板为自由板，可做垂直与水平运动，右侧板移动至特定位置后可通过螺纹压头12将其位置固定，下板、油缸B、油缸A、螺纹压头与固定边界16固定。

上板顶面设有滑槽，油缸B的压头嵌入滑槽内部与其连接，使上板实现垂直往返运动，滑槽均位于连接孔上部，不与连接孔贯通。上板与试验台下板为由不同角度切割后再拼合的组合板，且在每条切割线中部设有矩形的连接孔，矩形钢块可插入连接孔并与之契合，实现相邻两块切割板的固定连接。

下面对上述试验系统的使用方法做详细说明。

第一、铺设岩层

试验前，在试验台上铺设岩层，矩形钢块均插入上板与下板的连接孔中，保持上板与试验台下板完整；岩层铺设过程中布设应力传感器，监测加载过程中断层形成前后岩体的应力变化规律，岩层表面进行横向与竖向打线，通过全站仪观测加载过程中断层形成前后的位移变化规律。岩层铺设完成后，在试验台前、后安装有机玻璃(即可视化前后板)，实现模型前后的位移约束和断层形成及裂隙发育的可视化效果；在有机玻璃的相应位置设有声发射探测孔，加载时放入声发射探头，使之与铺设岩层紧贴，实现断层岩体形成过程中声发射信号的采集。已铺设岩层17完成的装置如图6所示。

第二、施加预应力

岩层铺设完成后(如图6)，施加预应力模拟地下岩层的初始应力状态。首先，在图6状态下保持左侧板、右侧板固定，进行油缸B的加载，实现竖直方向的预应力加载(模拟地应力)；待竖直方向加载至预定值后，调整右侧板至图7位置，使右侧板顶面与上板的底面近乎相切，保证上板可水平向右滑移；

在图7状态下，保持油缸B、螺纹压头不动，控制油缸A进行水平加载(模拟水平应力)，此时左侧板将会向右移动，上板也会通过上板顶面的滑槽向右移动，油缸A加载至设定值后停止加载，则垂直预应力与水平预应力施加完毕，如图8所示，然后继续下一步试验。

第三、试验加载

施加水平预应力后(如图8)，开始正常的加载试验。根据试验设计，可拔出上板和下板上任意一个连接孔中的矩形钢块，此时上板与试验台下板被切割缝拆分为两块，施加油缸B的垂直应力，模拟不同倾角正断层的形成过程(断层上盘18和断层下盘19)。加载过程中，保持油缸A的水平应力值恒定，而上板左侧将向左下方运移，试验台下板左侧也将向左下方运移，左侧板可通过其左侧面的滑槽向下滑动，保持与试验台下板左侧同步移动，试验加载过程中的模型装置如图9所示。试验进行期间，可通过有机玻璃清晰地观测正断层形成及裂隙演化的过程，利用预设的应力传感器、布设的全站仪和声发射监测设备，实现断层形成前后应力、位移及裂隙演化规律的研究，试验加载完成后的模型装置如图10所示。

本发明多功能试验系统适用于研究不同倾角的断层活化及裂隙演化试验，可实现深部岩体裂隙发育、演化致使断层形成和活化的全过程可视化模拟。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如上板、下板、刚性弹簧、滑槽等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，本领域技术人员在本发明的启示下对这些术语所做的简单替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统，其包括试验台、控制系统、加载系统及液压系统，所述的加载系统用于对所述试验台进行垂向和水平加载，所述的控制系统用于对加载系统施加的加载载荷进行控制；其特征在于：

所述的试验台为一长方体结构，其包括前、后板、上板、下板、左侧板及右侧板，所述的前、后板为可视化板，所述下板的右下方固定在试验台的固定边界处，其左下方设置有刚性弹簧，所述刚性弹簧的底部固定在试验台的固定边界处；

所述的下板与左右侧板之间、上板与左右侧板之间均为活动连接；

所述加载系统包括垂向加载系统和水平加载系统，所述垂向加载系统位于所述上板上方，所述水平加载系统位于所述左侧板侧方，当所述垂向加载系统运行时，所述的上板、左侧板及右侧板可做垂直运动，当所述的水平加载系统运行时，所述的左侧板、上板可做水平运动；

所述的上板和下板均是由不同角度切割后再拼合的组合板，在每条切割线的中部设置有矩形的连接孔，在所述连接孔中设置有矩形钢块，通过所述矩形钢块实现相邻两块切割板的固定连接；

在所述上板、左侧板上均设置有滑槽，所述的垂向加载系统的压头、水平加载系统的压头均嵌入所述滑槽内部；

所述的垂向加载系统的油缸、所述的水平加载系统的油缸均固定在试验台的固定边界处，所述的右侧板通过螺纹压头固定在试验台的固定边界处；

当模拟预应力试验时，首先通过垂向加载系统施加载荷，待竖直方向达到预定值后，调整右侧板的顶端与所述上板的底面相切时，再开启水平加载系统施加载荷；

当进行加载试验时，通过拔出上板任意一个连接孔和下板上任意一个连接孔中的矩形钢块来模拟不同倾角正断层的形成过程。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统，其特征在于：所述的试验台内部还设置有应力传感器、声发射监测仪。

3.根据权利要求1所述的一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统，其特征在于：所述上板上的滑槽位于所述连接孔的上部。

4.根据权利要求1所述的一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统，其特征在于：所述下板的两侧设置有第一凸起部，所述左侧板和右侧板上相对连接处设置有第一滑动部，所述下板与左侧板、下板与右侧板之间通过第一凸起部与第一滑动部实现活动连接。

5.根据权利要求1所述的一种可模拟深部断层形成及裂隙发育的多功能试验系统，其特征在于：所述上板的两侧设置有第二凸起部，所述左侧板和右侧板上相对连接处设置有第二滑动部，所述上板与左侧板、上板与右侧板之间通过第二凸起部与第二滑动部实现活动连接。