CN111812022A - 一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化系统及方法 - Google Patents

一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化系统及方法 Download PDF

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Abstract

发明提供一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化系统及方法。该系统包括应力条件模拟系统和应变监测系统。所述应力条件模拟系统包括相似模拟实验架、加载系统和圆形滑道。该方法包括制备3D打印线材、打印应变可视化相似模型、模拟地层倾角及含瓦斯情况、施加应力场和对模型内部微囊破裂染色情况进行记录等步骤。该系统可实现对复杂地质条件相似模拟模型内部裂隙产生、发展的追踪，并追踪内部墨点的三维移动绘制位移场四维图像。

Description

一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化系统及方法
技术领域
本发明涉及机械和矿山技术工程领域，特别涉及一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化系统及方法。
背景技术
相似模拟实验作为岩层控制技术的重要研究方法，已经被广泛接受和认同。但传统相似模拟实验中无法直观的对材料内部应变场分布进行观测，而通过间接测量方法观测内部应变，不仅存在较大误差，而且会破坏模型完整性，产生不必要的误差。利用透明微胶囊复合材料构建模型，即可在不破坏模型完整性的同时实时切直观的观测的模型内部应变场分布。目前，3D打印技术已经得到广泛利用，利用3D打印技术构建模型，针对常规模型制作方法在制作难以避免对材料施加应力，过程中容易对复合材料内部微胶囊造成破坏的缺点进行改进，具有成型快，精确，无预应力等优点，在相似模拟试验中广有应用前景。
因此，亟需开发了一种复杂地质构造下煤岩应变可视化系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化系统，包括应力条件模拟系统和应变监测系统。
所述应力条件模拟系统包括相似模拟实验架、加载系统和圆形滑道。
所述相似模拟实验架包括压力室和两块可视化侧板。所述压力室整体为一个矩形框体。所述矩形框体的两端敞口为可视化侧板封堵。所述压力室和可视化侧板围合出模型安放腔。
所述加载系统包括竖向轴压加载系统和水平应力加载系统。所述竖向轴压加载系统对压力室的顶部和底部加载设定的竖向加载力。所述水平应力加载系统对压力室的左侧加载设定的水平加载力。
所述应变监测系统包括多台多角度高速摄像机。
工作时，竖向轴向加载系统对模型施加不均匀力，模拟复杂地质构造下煤岩体内部三维应变场的时变规律。
本发明还公开一种采用权利要求1所述系统的复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化方法，包括以下步骤：
1)将透明基料加热融化后与墨水微囊均匀混合，制得3D打印线材。
2)在应力条件模拟系统的模型安放腔中进行地质结构3D打印，得到应变可视化相似模型。
3)利用应力条件模拟系统模拟地层倾角、地质构造及含瓦斯情况。
4)待模型冷却后，对模型施加三维应力。墨水微胶囊在应力作用下破裂，将周围材料与裂隙染色。
5)利用多角度高速摄像机对模型内部微囊破裂染色情况进行记录。
6)追踪微囊破裂后墨点位移，重构监测模型内四维的应变场。
进一步，所述墨水微囊的囊壁采用聚氨酯材料，囊芯采用染色墨水。所述透明基料采用有机硅树脂。
进一步，步骤2)中，相似模型岩层层与层之间采用云母粉进行分层分离。
进一步，步骤3)中，加载系统向模型施加不同的力模拟煤岩所处的复杂地质构造情况，模型在实验架上固定后，实验架可通过圆形滑道旋转以调整角度模拟地层倾角。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可实现对地质条件相似模拟模型内部裂隙产生、发展的追踪，并追踪内部墨点的三维移动绘制位移场四维图像；
B.应变可视化使得应力作用范围划分更明确，作用效果更显著，相比较与传统模型，应变可视化模型更加清晰的反应出了力在模型中的作用效果，且避免了为布置应力传感器对模型完整性进行破坏；
C.3D打印构建模型避免了微囊在建模过程中过多的破裂；
D.多角度高速摄像机组解决了单一摄像机无法形成立体视觉，无法绘制三维图像的缺陷；
E.该系统可用于追踪应力作用下裂隙形成发展过程；
F.该系统可用于分析应力作用下模型内位移场的四维分布。
附图说明
图1为应力条件模拟系统结构示意图；
图2为应力条件模拟系统侧视图；
图3为可视化侧板结构示意图；
图4为方法流程图。
图中：相似模拟实验架1、压力室101、可视化侧板102、加载系统2、圆形滑道3。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1～图4，本实施例公开一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化系统，包括应力条件模拟系统和应变监测系统。
所述应力条件模拟系统包括相似模拟实验架1、加载系统2和圆形滑道3。
所述相似模拟实验架1包括压力室101和两块可视化侧板102。所述压力室101整体为一个矩形框体。所述矩形框体的两端敞口为可视化侧板102封堵。所述压力室101和可视化侧板102围合出模型安放腔。
所述加载系统2包括竖向轴压加载系统和水平应力加载系统。所述竖向轴压加载系统对压力室101的顶部和底部加载设定的竖向加载力。所述水平应力加载系统对压力室101的左侧加载设定的水平加载力。
所述应变监测系统包括多台多角度高速摄像机。
工作时，竖向轴向加载系统对模型施加不均匀力，模拟复杂地质构造下煤岩体内部三维应变场的时变规律，模型在实验架上固定后，实验架可通过圆形滑道旋转以调整角度模拟地层倾角。
实施例2：
参见图4，本实施例公开一种采用实施例1所述系统的复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化方法，包括以下步骤：
1)将透明基料加热融化后与墨水微囊均匀混合，制得3D打印线材。所述墨水微囊的囊壁采用聚氨酯材料，囊芯采用染色墨水。所述透明基料采用有机硅树脂。
在本实施例中墨水微囊采用化学法合成。化学法又称为原位聚合法，是指调整反应体系的温度，pH值或添加电解质，催化剂等一系列反应条件，使得小单体分子聚合形成聚合物成膜材料，并从溶液中沉淀出来，将芯材包覆。在整个反应体系中，芯材通过机械搅拌和乳化分散成细颗粒，聚合反应在芯材液滴的表面上进行。在反应开始时，单体X和Y首先预聚合。随着热固化交联反应的进行，最终形成-(X-Y)-n为聚合物囊壁，最后，芯材与壁材进行聚合形成微胶囊。此种方法制备的微胶囊成膜率较高且性质较为稳定。
值得说明的是，囊壁的厚度应适中,既能承受基体材料成型加工时带来的压力,又能感受到裂纹延伸带来的力,并在应力作用下能够适时破裂胶囊的硬度不能太大,能使裂纹穿过,而不是绕过。微胶囊内芯具有合适的染色效果，少量破碎即可被观察到，同时破裂的越多染色越深。囊壁熔点高于基料熔点，避免在混合过程中及打印过程中微囊囊壁溶解囊芯外泄。
2)在应力条件模拟系统的模型安放腔中进行地质结构3D打印，得到应变可视化相似模型。相似模型岩层层与层之间采用云母粉进行分层分离。
3)利用应力条件模拟系统模拟地层倾角及含瓦斯情况，模型在实验架上固定后，实验架可通过圆形滑道旋转以调整角度模拟地层倾角。
4)待模型冷却后，对模型顶部施加均匀应力场，模拟简单地质构造煤岩体受重力作用情况。墨水微胶囊在应力作用下破裂，将周围材料与裂隙染色。
5)利用多角度高速摄像机对模型内部微囊破裂染色情况进行记录。材料的裂隙场也可通过跟踪监测已破裂染色点还原。裂隙演化可通过高速相机观测相似模型随着作用应力增加裂隙萌生、扩张过程图片结合分形理论获得采动裂隙演化规律。采动裂隙演化规律包括采动裂隙的数量、开度、面积、类型及分形维数随着采动进行而演化的过程。追踪破裂后墨点位置，加上时间轴可绘制模型内四维位移场分布图像。
利用多台多角度高速摄像机组，跟踪微胶囊染色区域扩展，可以得到瞬时裂隙场在三维空间上的扩散情况。通过三维应力冻结技术提取不同切片处的应力场然后结合不同开挖过程中应力变化进行四维重构获得模型内的四维应变分布。通过跟踪破裂后墨点位置变动可获得应力场作用下模型内部四维位移场分布。
6)追踪微囊破裂后墨点位移，四维重构监测模型内应变场。
本实施例结合微胶囊复合材料、3D打印技术、相似模拟系统和多角度高速摄像机组，可实现对地质条件相似模拟模型内部裂隙产生、发展的追踪，并追踪内部墨点的三维移动绘制位移场四维图像。
值得说明的是，静态应力场作用下，微胶囊破裂染色区域即为大于微囊破裂阈值的应力场的分布区域，微胶囊破裂越密集，染色越深，应力越大。
实施例3：
本实施例主要步骤同实施例2，其中，步骤4)中，在煤层顶部左侧施加较大应力，底部右侧施加较大应力，作用在模型上合为剪应力为主，使得模型在剪应力作用下产生断层，模拟煤岩体断层地质构造附近情况。
实施例4：
本实施例主要步骤同实施例2，其中，步骤4)中，在煤层顶部左右两侧施加较大应力，中间施加较小应力，底部左右侧施加较小应力，中间施加较大应力，侧面施加一定应力，使得模型产生褶曲，模拟煤岩体褶曲地质构造附近情况。

Claims (5)

1.一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化系统，其特征在于：包括应力条件模拟系统和应变监测系统；
所述应力条件模拟系统包括相似模拟实验架(1)、加载系统(2)和圆形滑道(3)；
所述相似模拟实验架(1)包括压力室(101)和两块可视化侧板(102)；所述压力室(101)整体为一个矩形框体；所述矩形框体的两端敞口为可视化侧板(102)封堵；所述压力室(101)和可视化侧板(102)围合出模型安放腔；
所述加载系统(2)包括竖向轴压加载系统和水平应力加载系统；所述竖向轴压加载系统对压力室(101)的顶部和底部加载设定的竖向加载力；所述水平应力加载系统对压力室(101)的左侧加载设定的水平加载力；
所述应变监测系统包括多台多角度高速摄像机；
工作时，竖向轴向加载系统对模型施加不均匀力，模拟复杂地质构造下煤岩体内部三维应变场的时变规律。
2.一种采用权利要求1所述系统的复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将透明基料加热融化后与墨水微囊均匀混合，制得3D打印线材；
2)在应力条件模拟系统的模型安放腔中进行地质结构3D打印，得到应变可视化相似模型；
3)利用应力条件模拟系统模拟地层倾角、地质构造及含瓦斯情况；
4)待模型冷却后，对模型施加三维应力；墨水微胶囊在应力作用下破裂，将周围材料与裂隙染色；
5)利用多角度高速摄像机对模型内部微囊破裂染色情况进行记录；
6)追踪微囊破裂后墨点位移，重构监测模型内四维的应变场。
3.根据权利要求2所述的一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化方法，其特征在于：所述墨水微囊的囊壁采用聚氨酯材料，囊芯采用染色墨水；所述透明基料采用有机硅树脂。
4.根据权利要求2所述的一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化方法，其特征在于：步骤2)中，相似模型岩层层与层之间采用云母粉进行分层分离。
5.根据权利要求2所述的一种复杂地质构造下煤岩三维应变场可视化方法，其特征在于：步骤3)中，加载系统(2)向模型施加不同的力模拟煤岩所处的复杂地质构造情况。
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