CN108956933B - 一种实验室内模拟逆断层形成的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验室内模拟逆断层形成的方法及装置，涉及煤矿地质技术领域，改变了传统的断层模拟实验设备的结构原理，在设备内部底面设计了断层诱发装置，在上部施压和侧面施压的情况下，起到诱发断层起裂的作用；诱发装置的位置可以随时调整改变，从而得到不同倾角的模拟逆断层形成过程信息；诱发装置设置在弹性皮垫上，而弹性皮垫与左右两个承压钢板连接为一体，在侧向施压的过程中减小模拟地层材料与底座之间的摩擦；在铺设相似模拟地层材料时按照一定的间距铺设应力传感器，实时记录应力变化，解译断层对采动应力的传到作用机制；通过本发明能够再现逆断层的形成过程，掌握采动后断层区域应力再分布特征，反映逆断层的存在对采矿作用的影响。

Description

一种实验室内模拟逆断层形成的方法及装置

技术领域

本发明涉及煤矿地质技术领域，具体的说是一种实验室内模拟逆断层形成的方法及装置。

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。

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。现有的实验室断层形成模拟装置，都是通过上下及水平挤压作用，将岩层整体剪切破坏而形成断层，因此断层的产生角度是确定的。而在实际的煤矿开采中的断层多为预先铺设出来，未考虑断层产生应力变化及形成后内部应力情况，因此对于上述问题的研究也不具备太大的参考意义。

发明内容

为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种实验室内模拟逆断层形成的方法及装置，通过底部诱发装置的设计，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。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种实验室内模拟逆断层形成的方法，通过如下步骤实现：

1）设计一个透明实验箱体，能够清楚观察到箱体内部的情况；

2）设计上部加压装置和侧向加压装置，模拟地层受到的上部压力和侧向挤压力；

3）设计一个诱发装置放置在箱体的底部，然后按照地层的比例配制相似模拟地层材料并铺设在箱体内；

4）将设计好的上部加压装置和侧向加压装置安装在箱体上，启动上部加压装置和侧向加压装置对相似模拟地层材料施压，在挤压状态下诱发装置启动诱发模拟地层材料由底部一点开始断层起裂，形成逆断层，通过透明的实验箱体再现逆断层的形成过程；

5）在相似模拟地层材料中铺设压力传感器，实时记录应力变化，从而解译断层对采动应力的传导作用机制；

6）改变诱发装置的放置位置，可控制断层起裂位置的不同，从透明的观察箱体能够观察到不同断层起裂位置的形成发展状态，从而分析到现实断层附近开挖煤层时，煤层顶底板破坏状况、采动后周围煤岩体应力场分布、位移和破坏形态的变化。

一种实验室内模拟逆断层形成的装置，包含有底座、立柱、承压钢板、上部盖板、弹性皮垫、诱发装置、侧向加压装置和上部加压装置，四个所述立柱固定于底座上、并连接有前部透明塑料挡板和后部透明塑料挡板，两个所述承压钢板分别设置于底座上的左右两侧，与前部透明塑料挡板、后部透明塑料挡板、上部盖板组合形成密闭箱体，分别连接有侧向加压装置的两个所述承压钢板可在底座上、前后两透明塑料挡板之间移动，所述上部盖板上连接上部加压装置、并可上下移动，两个所述承压钢板之间连接弹性皮垫，所述诱发装置设置于弹性皮垫上，所述弹性皮垫上铺设相似模拟地层材料，在所述相似模拟地层材料上部与上部盖板之间设置柔性加载装置。

所述诱发装置设置为其长度略大于弹性皮垫宽度的钢条，固定设置于前后透明塑料挡板之间。

所述柔性加载装置包含有油袋、油箱、进油管和出油管，所述油袋与油箱之间连接有进油管和出油管，所述进油管上设置限压阀、出油管上设置稳压阀，所述油箱上设置控制台，通过控制实现柔性加载。

所述上部加压装置采用丝杠与横梁结合的结构，所述横梁固定设置于两个立柱顶端之间，所述丝杠末端连接上部盖板。

所述透明塑料挡板外侧设置U型钢进行固定。

相似模拟材料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。

本发明改变了传统的断层模拟实验设备的结构原理，在设备内部底面设计了断层诱发装置，在上部施压和侧面施压的情况下，起到诱发断层起裂的作用；诱发装置的位置可以随时调整改变，从而得到不同位置的模拟逆断层形成过程信息；诱发装置设置在弹性皮垫上，而弹性皮垫与左右两个承压钢板连接为一体，在侧向施压的过程中减小模拟地层材料与底座之间的摩擦；在铺设相似模拟地层材料时按照一定的间距铺设应力传感器，实时记录应力变化，解译断层对采动应力的传到作用机制；通过本发明能够再现逆断层的形成过程，掌握采动后断层区域应力再分布特征，反映逆断层的存在对采矿作用的影响。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

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：

一种实验室内模拟逆断层形成的方法，通过如下步骤实现：

1）设计一个透明实验箱体，能够清楚观察到箱体内部的情况；

2）设计上部加压装置和侧向加压装置，模拟地层受到的上部压力和侧向挤压力；

3）设计一个诱发装置放置在箱体的底部，然后按照地层的比例配制相似模拟地层材料并铺设在箱体内；

4）将设计好的上部加压装置和侧向加压装置安装在箱体上，启动上部加压装置和侧向加压装置对相似模拟地层材料施压，在挤压状态下诱发装置启动诱发模拟地层材料由底部一点开始断层起裂，形成逆断层，通过透明的实验箱体再现逆断层的形成过程；

5）在相似模拟地层材料中铺设压力传感器，实时记录应力变化，从而解译断层对采动应力的传导作用机制；

6）改变诱发装置的放置位置，可控制断层起裂位置的不同，从透明的观察箱体能够观察到不同断层起裂位置的形成发展状态，从而分析到现实断层附近开挖煤层时，煤层顶底板破坏状况、采动后周围煤岩体应力场分布、位移和破坏形态的变化。

如图1所示，该实验室内模拟逆断层形成的装置，包含有底座1、立柱2、承压钢板3、上部盖板4、弹性皮垫5、诱发装置6、侧向加压装置7和上部加压装置9，四个所述立柱2固定于底座1上、并连接有前部透明塑料挡板和后部透明塑料挡板，两个所述承压钢板3分别设置于底座1上的左右两侧，与前部透明塑料挡板、后部透明塑料挡板、上部盖板4组合形成密闭箱体，分别连接有侧向加压装置7的两个所述承压钢板3可在底座1上、前后两透明塑料挡板之间移动，所述上部盖板4上连接上部加压装置9、并可上下移动，两个所述承压钢板3之间连接弹性皮垫5，所述诱发装置6设置于弹性皮垫5上，所述弹性皮垫5上铺设相似模拟地层材料，在所述相似模拟地层材料上部与上部盖板4之间设置柔性加载装置8。

作为优选的方式，所述诱发装置6设置为其长度略大于弹性皮垫5宽度的钢条，固定设置于前后透明塑料挡板之间。

作为优选的方式，所述柔性加载装置8包含有油袋81、油箱82、进油管83和出油管84，所述油袋82与油箱82之间连接有进油管83和出油管84，所述进油管83上设置限压阀85、出油管84上设置稳压阀86，所述油箱82上设置控制台87，通过控制实现柔性加载。

作为优选的方式，所述上部加压装置9采用丝杠91与横梁92结合的结构，所述横梁92固定设置于两个立柱2顶端之间，所述丝杠91末端连接上部盖板4。

作为优选的方式，所述前部透明塑料挡板和后部透明玻璃挡板外侧分别设置U型钢进行固定。

作为优选的方式，相似模拟材料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。

本实施例中，透明塑料挡板的使用，便于观察断层形成过程以及位移变形，而U形钢固定在透明塑料挡板的外侧，实现了对透明塑料挡板的加固，弥补了其承压能力的不足。所述立柱2与底座1通过螺丝进行固定，所述透明塑料挡板经立柱固定在装置的前部和后部，实现前部和后部的承压。所述弹性皮垫5与左右两侧的承压钢板3连接形成整体，减小了相似模拟地层材料和底座1底板之间的摩擦。根据真实地层比例配置地层相似模拟材料，从装置底部开始铺设，也就是在弹性皮垫5上开始铺设，此时诱发装置6已经安装好。铺设每层的相似模拟地层材料完毕后均匀铺撒云母粉，以实现模拟地层之间明显分层。在铺设相似模拟材料时，在相似模拟材料中按照一定间距铺设应力传感器，实时记录应力变化，解译断层对采动应力的传导作用机制。模拟底层相似材料铺设完毕后开始侧向加压。

两个承压钢板3安装在装置底座1上，固定一侧的承压钢板3，启动另一侧承压钢板的侧向加压装置7，匀速推动该侧的承压钢板向固定的承压钢板推进。同时启动上部加压装置9向相似模拟地层材料施加上部压力，通过操作油箱控制台87实现加压的力度，实现柔性加载模拟地层上部所受压力，在侧向压力和上部压力的作用下，承压钢板3和相似模拟材料、相似模拟材料和诱发装置6相互挤压，从而诱发相似模拟地层材料断层起裂，形成逆断层。上部加压装置9推动上部盖板4向下移动时对油袋81加压 ，带动上部盖板4向上移动时给油袋81释放上移空间。

而传统的断层模拟方法是在分隔板两侧铺设相似模拟底层材料，然后抽出分隔板，其断层是事先铺设的，而不是后来慢慢形成的，所以本发明的方法与目前传统的模拟方法具有本质的区别，通过该方法的分析，使技术人员在实际断层附近开挖煤层时，了解到煤层顶底板破坏状况，采动后周围煤岩体应力场分布、位移和破坏形态的变化。

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)

1.一种实验室内模拟逆断层形成的方法，其特征在于，通过如下步骤实现：

1）设计一个透明实验箱体，能够清楚观察到箱体内部的情况；

2）设计上部加压装置和侧向加压装置，模拟地层受到的上部压力和侧向挤压力；

3）设计一个诱发装置放置在箱体的底部，然后按照地层的比例配制相似模拟地层材料并铺设在箱体内；

4）将设计好的上部加压装置和侧向加压装置安装在箱体上，启动上部加压装置和侧向加压装置对相似模拟地层材料施压，在挤压状态下诱发装置启动诱发模拟地层材料由底部一点开始断层起裂，形成逆断层，通过透明的实验箱体再现逆断层的形成过程；

5）在相似模拟地层材料中铺设压力传感器，实时记录应力变化，从而解译断层对采动应力的传导作用机制；

6）改变诱发装置的放置位置，可控制断层起裂位置的不同，从透明的观察箱体能够观察到不同断层起裂位置的形成发展状态，从而分析到现实断层附近开挖煤层时，煤层顶底板破坏状况、采动后周围煤岩体应力场分布、位移和破坏形态的变化；

利用上述方法设计实验室内模拟逆断层形成的装置，包含有底座（1）、立柱（2）、承压钢板（3）、上部盖板（4）、弹性皮垫（5）、诱发装置（6）、侧向加压装置（7）和上部加压装置（9），四个所述立柱（2）固定于底座（1）上、并连接有前部透明塑料挡板和后部透明塑料挡板，两个所述承压钢板（3）分别设置于底座（1）上的左右两侧，与前部透明塑料挡板、后部透明塑料挡板、上部盖板（4）组合形成密闭箱体，分别连接有侧向加压装置（7）的两个所述承压钢板（3）可在底座（1）上、前后两透明塑料挡板之间移动，所述上部盖板（4）上连接上部加压装置（9）、并可上下移动，两个所述承压钢板（3）之间连接弹性皮垫（5），所述诱发装置（6）设置于弹性皮垫（5）上，所述弹性皮垫（5）上铺设相似模拟地层材料，在所述相似模拟地层材料上部与上部盖板（4）之间设置柔性加载装置（8），所述诱发装置（6）设置为其长度略大于弹性皮垫（5）宽度的钢条，固定设置于前后透明塑料挡板之间。

2.根据权利要求1所述的一种实验室内模拟逆断层形成的方法，其特征在于，所述柔性加载装置（8）包含有油袋（81）、油箱（82）、进油管（83）和出油管（84），所述油袋（81）与油箱（82）之间连接有进油管（83）和出油管（84），所述进油管（83）上设置限压阀（85）、出油管（84）上设置稳压阀（86），所述油箱（82）上设置控制台（87），通过控制实现柔性加载。

3.根据权利要求1所述的一种实验室内模拟逆断层形成的方法，其特征在于，所述上部加压装置（9）采用丝杠（91）与横梁（92）结合的结构，所述横梁（92）固定设置于两个立柱（2）顶端之间，所述丝杠（91）末端连接上部盖板（4）。

4.根据权利要求1所述的一种实验室内模拟逆断层形成的方法，其特征在于，所述前部透明塑料挡板和后部透明玻璃挡板外侧分别设置U型钢进行固定。

5.根据权利要求1所述的一种实验室内模拟逆断层形成的方法，其特征在于，相似模拟材料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。

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