CN112285329B - 地质裂隙演化模拟试验系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质裂隙演化模拟试验系统，包括：箱体，第一试验装置，第一试验装置置于箱体内部，箱体内壁上具有第一支撑件，第一试验装置包括支撑板，支撑板安装在第一支撑件上，支撑板上具有支撑体，支撑体上铰接一转动板，转动板上铰接一支撑杆，支撑杆下端置于支撑板上，支撑板上具有第一挡块，第一挡块设置在转动板的前端。第一试验装置具有：限位机构，限位机构中具有第一空心杆和第二空心杆，弹射机构，弹射机构中具有套管、安装台和弹射杆。第二试验装置。本发明还公开了一种地质裂隙演化模拟试验系统的使用方法。该试验系统结构简单，能够重复使用，节约资源，节省制造的时间，减少资金的投入。

Description

地质裂隙演化模拟试验系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及地质工程技术领域，尤其涉及一种地质裂隙演化模拟试验系统及其使用方法。

背景技术

目前，地下建设工程的发展迅猛，隧洞围岩在掘进过程中的失稳变化特征及隧洞围岩支护技术越来越受业内人士的关注。隧洞围岩内部本就遍布着节理裂隙，受开挖扰动的影响，围岩内部应力分布发生变化，使得微裂隙不断扩张发育，部分应力集中区裂隙持续扩张至彼此贯通，形成宏观裂隙，引起岩体失稳，严重影响了采掘进度，增加了生产成本，威胁着矿井的安全生产。现有的提高围岩稳定性的方法中，注浆加固技术凭借其操作方便、适应性强、支护效果佳的特点而被广泛应用。为探明注浆后岩石-浆液结石复合材料的力学性能及破断规律，常采取灌浆后的岩石试样做室内力学测试，然而现场钻取法受围岩结构面分布的随机性影响，试验结果往往不具规则性，故有必要对开挖扰动下围岩裂隙形态特征进行模拟，以制作出符合实际裂隙条件的试验用注浆试件。

裂隙岩体中的地下水渗流较为复杂，采用野外调查的方法无法清晰直观的认识到地下水在裂隙岩体中的渗流过程，而采用数值模拟进行研究时对于模型的概化以及参数的选取具有一定的困难，计算结果存在一定的误差。并且测试系统不易拆卸和安装，只能够使用一次，下一次就必须再次制造测试系统，使得时间浪费，资金投入较多。

中国发明专利201610064618.3公开了一种裂隙介质系统渗透张量室内测定装置；

中国发明专利202010279770.X公开了一种大尺寸含裂隙岩石矩形空洞突水多场前兆信息演化试验装置与测试方法；

中国发明专利201910531427.7公开了一种矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种地质裂隙演化模拟试验系统及其使用方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种地质裂隙演化模拟试验系统，其特征在于，包括：

一箱体，所述箱体中间具有用于装载模拟试验填充物的空腔，所述箱体外壁上具有固定板，所述固定板上具有铰接板，所述铰接板的下端面上具有多个暖灯，所述箱体的下端具有挡料板；

一第一试验装置，所述第一试验装置置于所述箱体内部，所述箱体内壁上具有第一支撑件，所述第一试验装置包括支撑板，所述支撑板安装在所述第一支撑件上，所述支撑板上具有支撑体，所述支撑体上铰接一转动板，所述转动板上铰接一支撑杆，所述支撑杆下端置于支撑板上，所述支撑板上具有第一挡块，所述第一挡块设置在转动板的前端；其中，

第一试验装置中还具有：

限位机构，所述限位机构中具有第一空心杆和第二空心杆，所述第一空心杆和第二空心杆之间通过连接套连接，所述第一空心杆中间具有丝杆，所述箱体上具有螺纹套，所述丝杆置于所述螺纹套中间，所述丝杆的一端具有推块，另一端具有阻挡块和手杆，所述阻挡块与手杆之间具有限位块，所述限位块在丝杆上，所述手杆上具有与限位块匹配的限位孔，所述连接套的中间具有一三角块，所述三角块上具有一斜面，该斜面上具有第二挡块，所述第二挡块穿过连接套和支撑板置于转动板的后端，所述三角块上具有第一燕尾槽，所述第二挡块下端具有与第一燕尾槽匹配的第一燕尾块，所述三角块上具有固定架，所述推块置于固定架的中间；

弹射机构，所述弹射机构中具有套管、安装台和弹射杆，所述安装台上具有阻挡部，所述套管安装在箱体的内壁上，所述弹射杆置于套管中间，所述弹射杆具有弹射部、挡件部、滑动部、限制部和拉动部，所述弹射部在套管内部，所述挡件部在箱体外部，所述滑动部在阻挡部中间，所述挡件部和阻挡部之间具有弹簧，所述弹簧置于滑动部上；

一第二试验装置，所述第二试验装置包括第一竖板、第二竖板和第二支撑件，所述第二支撑件安装在所述箱体的内壁上，所述第一竖板和第二竖板安装在所述第二支撑件上，所述第一竖板上具有第一旋转板，所述第二竖板上具有第二旋转板，所述第一旋转板上具有第一齿轮，所述第二旋转板上具有第二齿轮，所述箱体的外壁上具有第三齿轮和第四齿轮，所述第三齿轮与第四齿轮、第一齿轮啮合连接，所述第四齿轮与第三齿轮、第二齿轮啮合连接，所述第四齿轮上具有旋转轴，所述旋转轴上具有手柄，所述手柄铰接在旋转轴上。

在本发明中，所述支撑体和转动板的下端具有一气球。

在本发明中，所述支撑体的下端具有弧形板，所述气球与弧形板内壁接触，所述箱体中间具有一旋转杆，所述旋转杆上具有多个刺针，所述弧形板上具有竖槽，所述竖槽与刺针对应设置。

在本发明中，所述套管上具有一橡胶套，所述橡胶套上具有线性十字槽。

在本发明中，限制部上具有限制件，所述限制件通过螺栓安装在限制部上，所述限制件具有安装部和限制块。

在本发明中，安装台上具有支撑部，所述支撑部上具有第二燕尾槽，所述第二燕尾槽中具有滑体，所述滑体下端具有第二燕尾块，所述滑体中间具有方型槽，所述方型槽中间具有限位件，所述限位件包括敲击部、方杆部和固定部，所述固定部上具有限位槽，所述限制块置于限位槽中。

在本发明中，所述箱体外部具有弹性件，所述弹性件上具有夹持部，所述夹持部上具有导向部，所述手柄置于所述夹持部中间。

在本发明中，所述夹持部的内壁上具有限位凸起，所述手柄上具有与限位凸起匹配的限位凹陷。

一种地质裂隙演化模拟试验系统的使用方法，其特征在于，步骤如下：

S1、安装第一试验装置和第二试验装置，再安装各种传感器和记录设备，往箱体中注入填充物，然后洒水，使得填充物湿润，再启动暖灯，使得填充物干燥；

S2、转动旋转杆，使得刺针将气球扎破，记录填充物的变化；

S3、转动手杆，使得丝杆在螺纹套中转动，三角块带动第二挡块向下移动；

S4、然后再取出滑体，敲打限位件的敲击部，使得限制块脱离限位槽，弹簧复位，弹射杆穿过线性十字槽撞击到支撑杆，使得转动板向下，上端的填充物落下，记录上端裂隙状态；

S5、将第二试验装置中的手柄从弹性件中取出，然后转动手柄，使得第一旋转板和第二旋转板向下，填充物落下，观察上端裂隙的状态；

S6、打开挡料板，将箱体中的填充物排出，清洗第一试验装置和第二试验装置，以备下次使用。

实施本发明的这种地质裂隙演化模拟试验系统及其使用方法，具有以下有益效果：该试验系统结构简单，能够重复使用，节约资源，节省制造的时间，减少资金的投入。

并且还能够准确和多方位的模拟地址裂隙的状态，便于记录。

附图说明

图1为本发明的地质裂隙演化模拟试验系统结构示意图；

图2为图1中的A处局部放大图；

图3为图1中的B处局部放大图；

图4为图1中的D处局部放大图；

图5为图1的俯视图；

图6为图5中的C-C处剖面图；

图7为图1中的内部结构示意图；

图8为图7中第一试验装置气球结构示意图；

图9为图7中第一空心杆和第二空心杆结构示意图；

图10为图9的俯视图；

图11为图10中的E-E处剖面图；

图12为图11中三角块结构示意图；

图13为图7中弹射机构结构示意图；

图14为图13的爆炸图；

图15为图14中限制件结构示意图；

图16为图14中滑体结构示意图；

图17为图14中限位件结构示意图；

图18为图14中弹射杆结构示意图；

图19为图7中弹性件与第四齿轮爆炸示意图；

图20为本发明的第一试验装置受力图；

图21为本发明的第二试验装置受力图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1至19所示，本发明的这种地质裂隙演化模拟试验系统，包括：

箱体1，箱体1中间具有用于装载模拟试验填充物的空腔，箱体1外壁上具有固定板2，固定板2上具有铰接板3，铰接板3的下端面上具有多个暖灯4，暖灯4用于照射空腔中，将填充物烘干。箱体1的下端具有挡料板5，挡料板5能够打开，将箱体1中的填充物排出。

第一试验装置6，第一试验装置6置于箱体1内部。箱体1内壁上具有第一支撑件7，第一试验装置6包括支撑板8，支撑板8安装在第一支撑件7上，支撑板8上具有支撑体9，支撑体9上铰接一转动板10，转动板10上铰接一支撑杆11，支撑杆11下端置于支撑板8上，支撑板8上具有第一挡块12，第一挡块12设置在转动板10的前端。

当填充物置于支撑板8和支撑体9上之后，在转动板10和支撑体9下端形成空洞，当空洞塌陷时，便会造成上端填充物表面形成裂隙，从而模拟地址裂隙演化试验。

第一试验装置6中还具有：

限位机构13，限位机构13中具有第一空心杆14和第二空心杆15，第一空心杆14和第二空心杆15之间通过连接套16连接。第一空心杆14中间具有丝杆17，箱体1上具有螺纹套18，丝杆17置于螺纹套18中间，螺纹套18用于固定丝杆17，使得丝杆17能够在螺纹套18中转动。丝杆17的一端具有推块19，另一端具有阻挡块20和手杆21，阻挡块20与手杆21之间具有限位块22，限位块22在丝杆17上，手杆21上具有与限位块22匹配的限位孔23。通过将手杆21推入到限位块22上，便可以转动手杆21，使得丝杆17一块转动。利于通过丝杆17将推块19移动。

连接套16的中间具有一三角块24，三角块24上具有一斜面，该斜面上具有第二挡块25，第二挡块25穿过连接套16和支撑板8置于转动板10的后端，三角块24上具有第一燕尾槽26，第二挡块25下端具有与第一燕尾槽26匹配的第一燕尾块27，三角块24上具有固定架28，推块19置于固定架28的中间。当丝杆17转动后，拉动推块19，便会使得固定架28一并移动，从而带动三角块24移动，使得三角块24上端的第二挡块25向下移动，脱离支撑板8，继而使得第二挡块25不会阻挡支撑杆11。此时的支撑杆11在受到第一挡块12方向上受力时，便可以将支撑杆11推倒，从而使得转动板10向下转动，造成中间的部分塌陷，填充物落下。

弹射机构29，弹射机构29用于推动支撑杆11，使得塌陷形成，从而使得上端填充物表面形成裂隙。

弹射机构29中具有套管30、安装台31和弹射杆32，安装台31上具有阻挡部33，套管30安装在箱体1的内壁上，弹射杆32置于套管30中间。

弹射杆32具有弹射部34、挡件部35、滑动部36、限制部37和拉动部38，弹射部34在套管30内部，挡件部35在箱体1外部，滑动部36在阻挡部33中间，挡件部35和阻挡部33之间具有弹簧39，弹簧39置于滑动部36上。

限制部37上具有限制件40，限制件40通过螺栓41安装在限制部37上，限制件40具有安装部42和限制块43。

安装台31上具有支撑部44，支撑部44上具有第二燕尾槽45，第二燕尾槽45中具有滑体46，滑体46下端具有第二燕尾块47，滑体46中间具有方型槽48，方型槽48中间具有限位件49，限位件49包括敲击部50、方杆部51和固定部52，固定部52上具有限位槽53，限制块43置于限位槽53中。方杆部51是避免固定部52受到限制件40的推动而旋转。同时，方杆部51的横截面也可以是多边形。滑体46能够在还没有开始试验时将限位件49支撑限位，防止限位件49受到外界震动而落下，使得弹簧39复位，造成不必要的麻烦。

套管30上具有一橡胶套54，橡胶套54上具有线性十字槽55。该线性十字槽55只有在受到外力时，线性十字槽55才能够被撑开，物体从中间通过。而安装后的弹射杆32则是与线性十字槽55接触，也能够防止外部的填充物进入到套管30中。

同时，在支撑体9和转动板10的下端具有一气球56。该气球56能够使得转动板10与支撑体9下端空间不被填充物填满，而且还能够当气球56破裂时能够造成第一次塌陷，支撑杆11被推动后，形成第二次塌陷，从而有利于观察填充物的表面形成的裂隙。

当需要将气球56刺破时，在支撑体9的下端具有弧形板57，气球56与弧形板57内壁接触，箱体1中间具有一旋转杆58，旋转杆58上具有多个刺针59，弧形板57上具有竖槽60，竖槽60与刺针59对应设置。弧形板57用于挡住气球56，避免气球56形变延伸至刺针59上。当需要造成第一次塌陷时，只需要转动旋转杆58，使得刺针59到达竖槽60中，便可以将气球56刺破，从而使得转动板10和支撑体9下端形成较大的空洞，使得填充物第一次塌陷。

第二试验装置61，第二试验装置61包括第一竖板62、第二竖板63和第二支撑件64，第二支撑件64安装在箱体1的内壁上，第一竖板62和第二竖板63安装在第二支撑件64上，第一竖板62上具有第一旋转板65，第二竖板63上具有第二旋转板66，第一旋转板65上具有第一齿轮67，第二旋转板66上具有第二齿轮68，箱体1的外壁上具有第三齿轮69和第四齿轮70，第三齿轮69与第四齿轮70、第一齿轮67啮合连接，第四齿轮70与第三齿轮69、第二齿轮68啮合连接，第四齿轮70上具有旋转轴71，旋转轴71上具有手柄72，手柄72铰接在旋转轴71上，

箱体1外部具有弹性件73，弹性件73上具有夹持部74，夹持部74上具有导向部75，手柄72置于夹持部74中间。夹持部74的内壁上具有限位凸起76，手柄72上具有与限位凸起76匹配的限位凹陷77。弹性件73用于将手柄72限位和固定。

第一试验装置6是模拟较大的塌陷并且均是在一瞬间形成塌陷；而第二试验装置则是缓缓转动手柄，使得第一旋转板65和第二旋转板66打开，上端的填充物缓慢下沉，造成裂隙。该系统能够同时模拟两种状态的裂隙形成，使得试验系统多样化，同时还能够多次使用，节约了资源，节省了资金的投入。

如图20和21，Fn表示竖向方向的受力，Fm表示侧向方向的受力。

其中，现有的观测设备和检测设备并没有阐述，只需要采用现有技术即可。

一种地质裂隙演化模拟试验系统的使用方法，步骤如下：

S1、安装第一试验装置和第二试验装置，再安装各种传感器和记录设备，往箱体中注入填充物，然后洒水，使得填充物湿润，再启动暖灯，使得填充物干燥。

S2、转动旋转杆，使得刺针将气球扎破，记录填充物的变化。

S3、转动手杆，使得丝杆在螺纹套中转动，三角块带动第二挡块向下移动；

S4、然后再取出滑体，敲打限位件的敲击部，使得限制块脱离限位槽，弹簧复位，弹射杆穿过线性十字槽撞击到支撑杆，使得转动板向下，上端的填充物落下，记录上端裂隙状态。

S5、将第二试验装置中的手柄从弹性件中取出，然后转动手柄，使得第一旋转板和第二旋转板向下，填充物落下，观察上端裂隙的状态。

S6、打开挡料板，将箱体中的填充物排出，清洗第一试验装置和第二试验装置，以备下次使用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，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，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种地质裂隙演化模拟试验系统，其特征在于，包括：

一箱体，所述箱体中间具有用于装载模拟试验填充物的空腔，所述箱体外壁上具有固定板，所述固定板上具有铰接板，所述铰接板的下端面上具有多个暖灯，所述箱体的下端具有挡料板；

一第一试验装置，所述第一试验装置置于所述箱体内部，所述箱体内壁上具有第一支撑件，所述第一试验装置包括支撑板，所述支撑板安装在所述第一支撑件上，所述支撑板上具有支撑体，所述支撑体上铰接一转动板，所述转动板上铰接一支撑杆，所述支撑杆下端置于支撑板上，所述支撑板上具有第一挡块，所述第一挡块设置在转动板的前端；其中

第一试验装置中还具有：

限位机构，所述限位机构中具有第一空心杆和第二空心杆，所述第一空心杆和第二空心杆之间通过连接套连接，所述第一空心杆中间具有丝杆，所述箱体上具有螺纹套，所述丝杆置于所述螺纹套中间，所述丝杆的一端具有推块，另一端具有阻挡块和手杆，所述阻挡块与手杆之间具有限位块，所述限位块在丝杆上，所述手杆上具有与限位块匹配的限位孔，所述连接套的中间具有一三角块，所述三角块上具有一斜面，该斜面上具有第二挡块，所述第二挡块穿过连接套和支撑板置于转动板的后端，所述三角块上具有第一燕尾槽，所述第二挡块下端具有与第一燕尾槽匹配的第一燕尾块，所述三角块上具有固定架，所述阻挡块置于固定架的中间；

弹射机构，所述弹射机构中具有套管、安装台和弹射杆，所述安装台上具有阻挡部，所述套管安装在箱体的内壁上，所述弹射杆置于套管中间，所述弹射杆具有弹射部、挡件部、滑动部、限制部和拉动部，所述弹射部在套管内部，所述挡件部在箱体外部，所述滑动部在阻挡部中间，所述挡件部和阻挡部之间具有弹簧，所述弹簧置于滑动部上；

一第二试验装置，所述第二试验装置包括第一竖板、第二竖板和第二支撑件，所述第二支撑件安装在所述箱体的内壁上，所述第一竖板和第二竖板安装在所述第二支撑件上，所述第一竖板上具有第一旋转板，所述第二竖板上具有第二旋转板，所述第一旋转板上具有第一齿轮，所述第二旋转板上具有第二齿轮，所述箱体的外壁上具有第三齿轮和第四齿轮，所述第三齿轮与第四齿轮、第一齿轮啮合连接，所述第四齿轮与第三齿轮、第二齿轮啮合连接，所述第四齿轮上具有旋转轴，所述旋转轴上具有手柄，所述手柄铰接在旋转轴上；

所述支撑体和转动板的下端具有一气球；

所述支撑体的下端具有弧形板，所述气球与弧形板内壁接触，所述箱体中间具有一旋转杆，所述旋转杆上具有多个刺针，所述弧形板上具有竖槽，所述竖槽与刺针对应设置；

所述套管上具有一橡胶套，所述橡胶套上具有线性十字槽；

限制部上具有限制件，所述限制件通过螺栓安装在限制部上，所述限制件具有安装部和限制块；

所述安装台上具有支撑部，所述支撑部上具有第二燕尾槽，所述第二燕尾槽中具有滑体，所述滑体下端具有第二燕尾块，所述滑体中间具有方型槽，所述方型槽中间具有限位件，所述限位件包括敲击部、方杆部和固定部，所述固定部上具有限位槽，所述限制块置于限位槽中；

所述箱体外部具有弹性件，所述弹性件上具有夹持部，所述夹持部上具有导向部，所述手柄置于所述夹持部中间。

2.根据权利要求1所述的地质裂隙演化模拟试验系统，其特征在于，

所述夹持部的内壁上具有限位凸起，所述手柄上具有与限位凸起匹配的限位凹陷。

3.一种如权利要求1所述的地质裂隙演化模拟试验系统的使用方法，其特征在于，步骤如下：

S1、安装第一试验装置和第二试验装置，再安装各种传感器和记录设备，往箱体中注入填充物，然后洒水，使得填充物湿润，再启动暖灯，使得填充物干燥；

S2、转动旋转杆，使得刺针将气球扎破，记录填充物的变化；

S3、转动手杆，使得丝杆在螺纹套中转动，三角块带动第二挡块向下移动；

S4、然后再取出滑体，敲打限位件的敲击部，使得限制块脱离限位槽，弹簧复位，弹射杆穿过线性十字槽撞击到支撑杆，使得转动板向下，上端的填充物落下，记录上端裂隙状态；

S5、将第二试验装置中的手柄从弹性件中取出，然后转动手柄，使得第一旋转板和第二旋转板向下，填充物落下，观察上端裂隙的状态；

S6、打开挡料板，将箱体中的填充物排出，清洗第一试验装置和第二试验装置，以备下次使用。

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