CN111024501B - 精确定位模拟断层形成后传感器位置及修正应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种精确定位模拟断层形成后传感器位置及修正应力的方法，涉及室内模拟试验监测技术领域，步骤包括：A.利用断层模拟装置进行相似材料模拟断层的试验，沿相似材料的水平方向和竖直方向分别设置移动轨道，移动轨道上设置移动接收器，应力传感器上沿直线布置2‑3个发射器；B.铺设相似材料，将多个应力传感器埋设在相似材料中；C.断层模拟装置的侧向加载装置挤压相似材料，形成断层，记录应力传感器的监测数据；D.确定应力传感器的角度和位置，修正应力传感器的监测数据。该方法解决了相似材料模拟断层试验中应力传感器位置难以确定的技术问题，还具有定位精确，操作简便等优点。

Description

精确定位模拟断层形成后传感器位置及修正应力的方法
技术领域
本发明涉及室内模拟试验监测技术领域，尤其是一种精确定位模拟断层形成后传感器位置及修正监测应力的方法。
背景技术
煤炭开采主要以井工开采为主，大多是在地下施工，不可避免的会穿越各种类型的断层。由于断层会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；所以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与完整岩体不同，并且还会诱发工程地质灾害。近断层煤炭资源开采面临着各种重大灾害，如矿震、顶板冒落、冲击地压等，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。为了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，防治相关灾害的基础，进行相似材料模拟试验。
构造物理模拟实验，如中国专利CN201910274040.8，构造物理模拟实验是研究地质构造的一种重要而且有效的方法。地质构造模拟中所用的构造模拟实验装置是根据相似性原理，通过运动和力来控制实验模拟进行变形实验，模拟或反演断层等地质成因的设备。设备主体多采用砂箱等实验容器，通过在砂箱内铺设多层不同数目的实验材料来模拟构造形成过程。在模拟实验中，应力传感器水平铺设、埋藏在实验材料内部，主要用来监测上覆岩层的应力。断层的形成，主要通过侧向加载装置施加力，从而促使实验材料运动形成断层。
由于在相似材料模拟实验中需要使用大量的应力传感器，应力传感器在试验材料运动的过程中部分会发生旋转运动，发生偏转运动的应力传感器不能准确反应监测数据，若逐个传感器确定其位置和角度则不能保证准确性，并且逐个确定的过程也很复杂，为此需要确定模拟断层形成后的各个应力传感器位置，并对应力监测参数进行修正。
发明内容
为方便确定相似材料模拟实验中各个应力传感器，在模拟断层形成后的准确位置和翻转角度，并准确确定应力监测的水平应力和垂直应力，本发明提供了一种精确定位模拟断层形成后传感器位置及修正应力的方法，具体技术方案如下。
一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，使用断层模拟装置进行相似材料模拟断层的试验，沿相似材料铺设的水平方向和竖直方向设置移动轨道，水平方向的移动轨道和竖直方向的移动轨道在同一平面内，移动轨道上设置接收器，在应力传感器上沿直线布置2-3个发射器；步骤包括：
A.确定相似材料模拟断层试验的实验材料，以及断层的位置和应力传感器的数目、安装位置；
B.铺设实验材料，并将多个应力传感器埋设在模拟顶板处，以及模拟断层相邻的位置；
C.断层模拟装置的侧向加载装置挤压相似材料，形成断层，记录应力传感器的监测数据；
D.通过接收器确定多个应力传感器的角度和位置。
优选的是，接收器沿移动轨道往复运动，接收器的最小移动速度为0.05mm/s；所述移动轨道上设置有刻度尺。
优选的是，建立以水平方向的移动轨道为X轴，以竖直方向的移动轨道为Y轴；应力传感器上的发射器均分布在X轴和Y轴确定的平面内。
优选的是，当应力传感器上设置2个发射器时，发射器分别设置在应力传感器的两端；当应力传感器上设置3个发射器时，发射器分别设置在应力传感器的两端和终点处。
进一步优选的是，水平方向的移动轨道设置在断层模拟装置的试验台架上方，竖直方向的移动轨道设置在试验台架的左侧。
进一步优选的是，水平方向上的接收器测得接收器与应力传感器上发射器之间的距离为发射器所在点的Y坐标，竖直方向上的接收器测得接收器与应力传感器上发射器之间的距离为发射器所在点的X坐标。
进一步优选的是，应力传感器上得到2个或3个发射器位置所在点的坐标，计算同一应力传感器上点坐标所在直线的斜率，得到应力传感器的位置和角度。
一种模拟断层形成后应力传感器监测应力修正的方法，利用上述的一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，确定应力传感器的位置和角度后，对应力传感器的监测数据进行修正；具体是，应力传感器的监测数据为F，确定应力传感器和水平方向的锐角夹角为a，则修正后的垂直应力监测数据为F′＝F·cos a；修正后的水平应力监测数据为F″＝F·sin a。
本发明的有益效果是：
(1)提供了一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，利用发射器和接收器准确确定应力传感器的位置及角度，并且不会影响应力监测和模拟试验的进行，该确定的方法测量精度高，并且可以同时测量多个应力传感器的位置及角度，并且应力传感器位置、角度确定的方法更加简便。
(2)模拟断层形成后应力传感器监测应力修正的方法利用了应力传感器位置确定的方法，在确定应力传感器位置的基础上对监测数据进行修正，得到真实的监测数据，进而可以更好的认识、研究断层附近岩体的应力、变形、破坏演化规律。
附图说明
图1是断层模拟装置结构示意图；
图2是应力传感器放大结构示意图；
图3是应力传感器布置示意图；
图4是传感器位置确定原理示意图；
图5是监测数据修正计算原理示意图；
图6是试验水平应力监测结果示意图；
图中：1-水平加载装置；2-底部收缩装置；3-前后挡板；4-前后密封透明板；5-外部加固槽钢；6-底部逆断层诱发装置；7-应力传感器；8-采集箱；9-发射器；10-接收器；11-移动轨道。
具体实施方式
结合图1至图6所述，本发明提供的一种精确定位模拟断层形成后传感器位置及修正应力的方法具体实施方式如下。
利用断层模拟装置进行相似材料模拟断层的试验，进行试验的试验系统主要包括三大部分：断层形成过程模拟试验装置、应力监测系统和位移监测系统。该试验系统具有以下特点：采用丝杠进行侧向加载，可以实现位移加载，并在断层发育过程中有效保持恒定位移；能够直观清晰地再现逆断层发育过程，并对逆断层发育过程中上盘岩层应力位移变化进行实时监测。逆断层形成过程模拟试验台，在试验台研制过程中，如果模型过大，将使得侧向应力施加较为困难，逆断层发育过程也难以控制。考虑到实验的可操作性，试验台有效尺寸设计为：长×宽×高＝800mm×300mm×500mm。试验台主要包括：水平加载装置、底部收缩装置、前后挡板、前后密封透明板、外部加固槽钢和底部逆断层诱发装置。
水平加载装置主要由反力架、丝杠、推力板组成，通过丝杠带动推力板向模型匀速施加水平推力，水平最大推力可达300kN。推力板由推板和套筒组成，两者通过四块立板焊接一起。丝杠与套筒选用螺栓螺母连接，两者接触位置安装推力轴承，以减小摩擦。
底部收缩装置由高弹橡胶皮垫构成，其两端固定在推力板上。在施加水平推力之前高弹橡胶皮垫处于拉伸状态，高弹橡胶皮垫收缩保持与模型变形一致，橡胶垫有弹性恢复变形但没有附加力传递到模型内部，可以有效减小模型和试验台底部间的摩擦。
底部逆断层诱发装置嵌套安装在模型内下部，紧靠高弹橡胶皮垫。在水平推力作用下，诱发装置可使模型中原本相对均匀分布的应力场在此处产生应力集中，使模型中该处应力首先达到模型材料的强度极限而剪切破坏，随之断层起裂并逐渐发育；在模型压缩变形时，橡胶与模型变形一致，断层诱发装置始终保持在模型固定位置，以此保证逆断层在模型中的最初发育位置。
前后透明密封板固定在前后挡板上，通过前部透明密封板可清晰观测试验过程中岩层运动、破裂情况。为防止透明密封板变形，在其外侧安装槽钢进行加固。应力监测系统主要由电脑控制器、应力采集箱以及应力传感器构成。应力传感器埋设在逆断层发育过程模型内部，与应力采集箱连接；通过电脑控制应力采集系统进行应力数据采集。位移监测系统主要包括高速摄像机和后期软件识别处理两部分。
另外，沿相似材料铺设的水平方向和竖直方向设置移动轨道，水平方向的移动轨道和竖直方向的移动轨道在同一平面内，移动轨道上设置接收器，在应力传感器上沿直线布置2-3个发射器，发射器通过发射无线信号传递至接收器，接收器根据发射器发射的信号，确定接收器与发射器之间的距离，发射器可以发射红外信号、电磁信号或者是超声信号。其中接收器沿移动轨道往复运动，接收器的最小移动速度为0.05mm/s；移动轨道上设置有刻度尺。水平方向的移动轨道设置在断层模拟装置的试验台架上方，竖直方向的移动轨道设置在试验台架的左侧。
一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，具体步骤包括：
A.确定相似材料模拟断层试验的实验材料，以及断层的位置和应力传感器的数目、安装位置。
其中，试验采用采矿工程中地层模拟材料及配比，煤岩层模拟材料主要选取细河沙作为填充材料，石膏、碳酸钙、水作为胶结材料，通过不同配比模拟不同岩性岩层，岩层之间选用云母粉进行分层。通过右侧水平加载装置以8mm/min速度对模型进行挤压，左侧位移约束，模型下部可随底部收缩装置水平移动，模型上部为自由面，模拟至地表，故垂直方向上只考虑重力作用，不施加额外的垂直载荷。试验前在右侧推力板、左侧边界挡板以及前后透明密封板上粘贴聚氯乙烯光滑膜并涂抹凡士林，以尽量降低边界效应对试验的影响。
B.铺设实验材料，并将多个应力传感器埋设在模拟顶板处，以及模拟断层相邻的位置。
应力传感器采用丹东BX-1型电阻式压力传感器，该传感器灵敏度高、结构简单，应力监测采用东华DH3816N测试系统。
确定断层发育过程中模型内部水平应力变化规律，根据断层可能形成的位置，在模型内部布置16个应力测点对水平应力实时监测，其中15个测点布置在上盘岩层。分别布置在煤层底板靠近逆断层起裂点、模拟直接顶、距模拟煤层顶板7.5cm岩层、距模拟煤层顶板15cm岩层。
C.断层模拟装置的侧向加载装置挤压相似材料，形成断层，记录应力传感器的监测数据。
在右侧推板挤压作用下，模拟岩层整体发生水平压缩；当模拟岩层压缩一定程度，局部小裂隙发育，模型发生基底断裂；之后，断裂线沿断层倾角继续向上发育，最终与上边界贯通，形成模拟断层；上盘与下盘发生相对滑动，最终滑移逐渐停止。根据实验，将逆断层发育过程划分为四个阶段：岩层压缩阶段、局部起裂阶段、逆断层贯通阶段以及上下盘错动滑移阶段。
D.通过接收器确定多个应力传感器的角度和位置。
建立以水平方向的移动轨道为X轴，以竖直方向的移动轨道为Y轴；应力传感器上的发射器均分布在X轴和Y轴确定的平面内。当应力传感器上设置2个发射器时，发射器分别设置在应力传感器的两端；当应力传感器上设置3个发射器时，发射器分别设置在应力传感器的两端和终点处。
水平方向上的接收器测得接收器与应力传感器上发射器之间的距离为发射器所在点的Y坐标，竖直方向上的接收器测得接收器与应力传感器上发射器之间的距离为发射器所在点的X坐标。应力传感器上得到2个或3个发射器位置所在点的坐标，计算同一应力传感器上点坐标所在直线的斜率，得到应力传感器的位置和角度。
一种模拟断层形成后应力传感器监测应力修正的方法，利用上述的一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，确定应力传感器的位置和角度后，对应力传感器的监测数据进行修正；具体是，应力传感器的监测数据为F，确定应力传感器和水平方向的锐角夹角为a，则修正后的垂直应力监测数据为F′＝F·cos a；修正后的水平应力监测数据为F″＝F·sin a。
如图3和图4所示，建立以水平方向的移动轨道为X轴，以竖直方向的移动轨道为Y轴；应力传感器上的发射器均分布在X轴和Y轴确定的平面内。应力传感器上设置3个发射器，发射器分别设置在应力传感器的两端和终点处。水平方向上的接收器测得接收器与应力传感器上发射器之间的距离为发射器所在点的Y坐标，竖直方向上的接收器测得接收器与应力传感器上发射器之间的距离为发射器所在点的X坐标。应力传感器上A、B、C三点的坐标分别为(x1,y1)(x2,y2)、(x3,y3),根据建立的坐标系得到A、B、C三点所在直线的斜率，
Figure BDA0002337613740000051
根据斜率即可得到A、B、C所在直线与X轴正方向的夹角为a，修正后的垂直应力监测数据为F′＝F·cos a；修正后的水平应力监测数据为F″＝F·sin a。
为进一步说明本方法对应力传感器监测数据修正的效果，取具体实验中部分传感器的监测结果及修正结果进行对比，对比结果如图6所示，其中4号测点为原始监测结果，取与4号测点同层，但传感器角度和位置未发生变化的5号传感器测点进行对比，对比结果显示，4号测点监测数据经过修正后与5号测点的监测数据基本一致。
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)

1.一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，使用断层模拟装置进行相似材料模拟断层的试验，其特征在于，沿相似材料铺设的水平方向和竖直方向设置移动轨道，水平方向的移动轨道和竖直方向的移动轨道在同一平面内，移动轨道上设置接收器，在应力传感器上沿直线布置2-3个发射器；步骤包括：
A.确定相似材料模拟断层试验的实验材料，以及断层的位置和应力传感器的数目、安装位置；
B.铺设实验材料，并将多个应力传感器埋设在模拟顶板处，以及模拟断层相邻的位置；
C.断层模拟装置的侧向加载装置挤压相似材料，形成断层，记录应力传感器的监测数据；
D.通过接收器确定多个应力传感器的角度和位置；
建立以水平方向的移动轨道为X轴，以竖直方向的移动轨道为Y轴；应力传感器上的发射器均分布在X轴和Y轴确定的平面内；水平方向上的接收器测得接收器与应力传感器上发射器之间的距离为发射器所在点的Y坐标，竖直方向上的接收器测得接收器与应力传感器上发射器之间的距离为发射器所在点的X坐标。
2.根据权利要求1所述的一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，其特征在于，所述接收器沿移动轨道往复运动，接收器的最小移动速度为0.05mm/s；所述移动轨道上设置有刻度尺。
3.根据权利要求1所述的一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，其特征在于，当应力传感器上设置2个发射器时，发射器分别设置在应力传感器的两端；当应力传感器上设置3个发射器时，发射器分别设置在应力传感器的两端和终点处。
4.根据权利要求3所述的一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，其特征在于，所述水平方向的移动轨道设置在断层模拟装置的试验台架上方，竖直方向的移动轨道设置在试验台架的左侧。
5.一种模拟断层形成后应力传感器监测应力修正的方法，其特征在于，利用权利要求1至4任一项所述的一种精确定位模拟断层形成后传感器位置的方法，确定应力传感器的位置和角度后，对应力传感器的监测数据进行修正；具体是，应力传感器的监测数据为F，确定应力传感器和水平方向的锐角夹角为a，则修正后的垂直应力监测数据为F´=F•cos a；修正后的水平应力监测数据为F´´=F•sin a。
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