CN112630412A - 实验室断层构造模拟试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实验室断层构造模拟试验台，包括：外壳以及设置于外壳内部的第一电磁调节器、第一电磁发生装置、第二电磁发生装置、第二电磁调节器、第三电磁发生装置、第四电磁发生装置和磁极变换粘滞磁条；通过第一电磁发生装置、第二电磁发生装置、第三电磁发生装置和第四电磁发生装置构建磁场，并控制磁极变换、磁性大小和设置高度；调整对模拟地层施加力的位置和角度；磁极变换粘滞磁条发挥诱导作用；通过对外部磁场力大小、方向等参数的施加、控制，实现断层活化、结构面滑移、应力作用等断层力学活动；为实验室模拟断层滑移等力学活动提供实验基础，揭示断层诱发巷道破坏机理，对分析巷道动载及冲击破坏提供理论依据有着重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及地层模拟实验技术领域，尤其涉及一种实验室断层构造模拟试验台。
背景技术
由于断层滑移型冲击地压的复杂应力场和断层滑移诱发冲击的复杂关系，采用理论分析和数值模拟手段无法较好地分析断层滑移型冲击地压的孕育过程及发生机理，而物理模拟可以真实模拟断层滑移诱发冲击失稳的过程，揭示断层滑移与煤岩冲击失稳之间的作用联系，从而为断层滑移型冲击地压防治提供参考。因此，对于实验室模拟断层滑移型冲击地压试验仪器是十分必要的，这对深入研究地质构造作用、断层运动规律及断层滑移诱发冲击地压致灾机理有着重要意义。
由于含构造及断层滑移型冲击地压的复杂性、突发性和破坏性，开展有效的现场试验研究十分困难，且国内外尚无对其进行真实模拟的室内试验设备。目前，对于断层面的物理相似模拟局限于人工预制裂隙，缺乏应力作用及主动诱导因素，与实际断层滑移偏差较大，若采用传统油缸施加压力，只能进行点接触面加压，且不易改变施加压力的方向，模拟具有局限性，且油缸加压的方式控制精度差。
发明内容
本发明提供一种实验室断层构造模拟试验台，用以解决现有技术中断层模拟试验台存在局限性、模拟偏差大和控制精度差的缺陷。
本发明提供一种实验室断层构造模拟试验台，包括：外壳以及设置于外壳内部的第一电磁调节器、第一电磁发生装置、第二电磁发生装置、第二电磁调节器、第三电磁发生装置、第四电磁发生装置和磁极变换粘滞磁条；其中，
所述第一电磁发生装置位于所述第二电磁发生装置的上方，所述第一电磁调节器与所述第一电磁发生装置电控连接，用于控制所述第一电磁发生装置的磁极变换、磁性大小和设置高度，所述第二电磁发生装置水平滑动设置于模拟地层的上表面，相应的所述第一电磁发生装置与所述第二电磁发生装置产生电磁力作用并通过所述第二电磁发生装置施加于模拟地层的上表面；
所述第三电磁发生装置位于所述第四电磁发生装置的上方，所述第二电磁调节器与所述第四电磁发生装置电控连接，用于控制所述第四电磁发生装置的磁极变换、磁性大小和设置高度，所述第三电磁发生装置水平滑动设置于模拟地层的下表面，相应的所述第三电磁发生装置与所述第四电磁发生装置产生电磁力作用并通过所述第三电磁发生装置施加于模拟地层的下表面；
所述磁极变换粘滞磁条倾斜设置于模拟地层的内部，用于模拟断层裂隙。
其中，所述外壳由上盖板、底支撑板和侧向支撑梁围设而成。
其中，所述第一电磁调节器安装于所述上盖板的下表面，所述第二电磁调节器安装于所述底支撑板的上表面。
其中，还包括侧向加载装置和柔性推板，所述侧向加载装置一端连接于所述侧向支撑梁的内侧，另一端连接于所述柔性推板，所述柔性推板立设于模拟地层的侧面。
其中，所述侧向加载装置竖直设置2～6列，水平设置4～10行。
其中，所述磁极变换粘滞磁条包括至少两列沿其长度方向交替设置的多个N极和S极。
其中，还包括磁性过渡段，所述磁性过渡段包括设置于所述磁极变换粘滞磁条的外侧的磁性材料。
其中，所述第二电磁发生装置和所述第三电磁发生装置均为电磁柱。
本发明提供的一种实验室断层构造模拟试验台，通过位于模拟地层上表面的第一电磁发生装置和第二电磁发生装置以及位于模拟地层下表面的第三电磁发生装置和第四电磁发生装置构建磁场，并通过第一电磁调节器和第二电磁调节器控制第一电磁发生装置和第四电磁发生装置的磁极变换、磁性大小和设置高度从而调节对模拟地层施加力的方向和大小；通过分别滑移第二电磁发生装置和第三电磁发生装置调整对模拟地层施加力的位置和角度；通过磁极变换粘滞磁条在断层滑移时发挥诱导作用。本发明的实验室断层构造模拟试验台通过对外部磁场力大小、方向等参数的施加、控制，实现断层活化、结构面滑移、应力作用等断层力学活动；一方面为实验室模拟断层滑移等力学活动提供实验基础，另一方面进一步揭示断层诱发巷道破坏机理，对分析巷道动载及冲击破坏提供理论依据有着重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的实验室断层构造模拟试验台的剖视图；
图2是本发明提供的实验室断层构造模拟试验台的俯视图；
图3是本发明提供的磁极变换粘滞磁条的局部示意图。
附图标记：
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1和图2描述本发明的一种实验室断层构造模拟试验台，包括：外壳以及设置于外壳内部的第一电磁调节器7、第一电磁发生装置8、第二电磁发生装置9、第二电磁调节器14、第三电磁发生装置12、第四电磁发生装置13和磁极变换粘滞磁条10；其中，
第一电磁发生装置8位于第二电磁发生装置9的上方，第一电磁调节器7与第一电磁发生装置8电控连接，用于控制第一电磁发生装置8的磁极变换、磁性大小和设置高度，第二电磁发生装置9水平滑动设置于模拟地层5的上表面，相应的第一电磁发生装置8与第二电磁发生装置9产生电磁力作用并通过第二电磁发生装置9施加于模拟地层5的上表面；
第三电磁发生装置12位于第四电磁发生装置13的上方，第二电磁调节器14与第四电磁发生装置13电控连接，用于控制第四电磁发生装置13的磁极变换、磁性大小和设置高度，第三电磁发生装置12水平滑动设置于模拟地层5的下表面，相应的第三电磁发生装置12与第四电磁发生装置13产生电磁力作用并通过第三电磁发生装置12施加于模拟地层5的下表面；
磁极变换粘滞磁条10倾斜设置于模拟地层5的内部，用于模拟断层裂隙。
具体地，第二电磁发生装置9和第三电磁发生装置12均为电磁柱，该电磁柱为可拆卸设置。
具体地，通过第一电磁调节器7可以调节第一电磁发生装置8的磁极，使其与第二电磁发生装置9的磁极相同或相反，进而产生排斥力或吸引力，从而通过第二电磁发生装置9对模拟地层5的上表面施加向下压力或向上拉力。进一步地，通过第一电磁调节器7可以调节第一电磁发生装置8的磁性大小，磁性越大，则产生的排斥力或吸引力越大，可以通过磁性大小来调节对模拟地层5上表面的施加力。更进一步地，第一电磁调节器7配置驱动机构，其可以驱动第一电磁发生装置8的设置高度，调整其与第二电磁发生装置9之间的距离，进而调节产生的排斥力或吸引力大小。应当理解的是，第一电磁调节器7采用电生磁的原理来调节第一电磁发生装置8的磁极和磁性大小。同理，位于模拟地层5下方的第二电磁调节器14、第三电磁发生装置12和第四电磁发生装置13也为同样原理。
另一方面，第二电磁发生装置9为水平滑动设置于模拟地层5的上表面，通过滑动第二电磁发生装置9使其水平位置发生变化，导致其与相应的第一电磁发生装置8之间的磁场方向和大小变化，此时第二电磁发生装置9对模拟地层5上表面施加力的位置和角度均产生变化，可以对地层的不同位置和不同角度施加压力的模拟。应当理解的是，第二电磁发生装置9的水平滑移量不应过大，避免其对周围磁场产生干扰，而该水平滑移量可由具体实验需要确定。同理，位于模拟地层5下方的第三电磁发生装置12和第四电磁发生装置13也为同样原理。
另外，如图3所示，磁极变换粘滞磁条10包括至少两列沿其长度方向交替设置的多个N极101和S极102，磁极变换粘滞磁条10在断层滑移时发挥诱导作用，以模拟断层的内力作用。由于间隔设置的N极101和S极102，使得两个断层面(即两列磁条)隔一段是吸引力，再隔一段出现排斥力的效果，以实现磁条间隔段的吸引力与排斥力综合存在，从而实现粘滞效果。
进一步地，该模拟试验台还包括磁性过渡段11，磁性过渡段11包括设置于磁极变换粘滞磁条10的外侧的磁性材料，在本实施例中，采用磁性材料包裹磁极变换粘滞磁条10，对断层赋存条件进行改性处理，该磁性材料在磁极与模拟地层5之间发挥过渡作用，其能与模拟地层5融合，使得粘滞过渡平滑。
应当理解的是，第一电磁调节器7、第一电磁发生装置8、第二电磁发生装置9、第二电磁调节器14、第三电磁发生装置12和第四电磁发生装置13均布置多个，可根据模拟实验要求布置具体数量，本发明不局限于此。
本发明提供的一种实验室断层构造模拟试验台，通过位于模拟地层5上表面的第一电磁发生装置8和第二电磁发生装置9以及位于模拟地层5下表面的第三电磁发生装置12和第四电磁发生装置13构建磁场，并通过第一电磁调节器7和第二电磁调节器14控制第一电磁发生装置8和第四电磁发生装置13的磁极变换、磁性大小和设置高度从而调节对模拟地层5施加力的方向和大小；通过分别滑移第二电磁发生装置9和第三电磁发生装置12调整对模拟地层5施加力的位置和角度；通过磁极变换粘滞磁条10在断层滑移时发挥诱导作用。本发明的实验室断层构造模拟试验台通过对外部磁场力大小、方向等参数的施加、控制，实现断层活化、结构面滑移、应力作用等断层力学活动；一方面为实验室模拟断层滑移等力学活动提供实验基础，另一方面进一步揭示断层诱发巷道破坏机理，对分析巷道动载及冲击破坏提供理论依据有着重要意义。
在其中一个实施例中，外壳由上盖板1、底支撑板6和侧向支撑梁2围设而成。进一步地，第一电磁调节器7安装于上盖板1的下表面，第二电磁调节器14安装于底支撑板6的上表面。在本实施例中，外壳提供支撑作用，将模拟地层5和模拟所用到元件均安装于壳体内部进行封装，保证模拟实验准确性。
在其中一个实施例中，该模拟试验台还包括侧向加载装置3和柔性推板4，侧向加载装置3一端连接于侧向支撑梁2的内侧，另一端连接于柔性推板4，柔性推板4立设于模拟地层5的侧面。具体地，侧向加载装置3采用推杆，可通过驱动装置(例如油缸等)对推杆进行驱动，使其推动柔性推板4，对模拟地层5施加侧向力。
进一步地，侧向加载装置3竖直设置2～6列，水平设置4～10行。应当理解的是，侧向加载装置3设置数量由模拟地层5和试验台尺寸大小决定，本发明不局限于此。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种实验室断层构造模拟试验台，其特征在于，包括：外壳以及设置于外壳内部的第一电磁调节器、第一电磁发生装置、第二电磁发生装置、第二电磁调节器、第三电磁发生装置、第四电磁发生装置和磁极变换粘滞磁条；其中，
所述第一电磁发生装置位于所述第二电磁发生装置的上方，所述第一电磁调节器与所述第一电磁发生装置电控连接，用于控制所述第一电磁发生装置的磁极变换、磁性大小和设置高度，所述第二电磁发生装置水平滑动设置于模拟地层的上表面，相应的所述第一电磁发生装置与所述第二电磁发生装置产生电磁力作用并通过所述第二电磁发生装置施加于模拟地层的上表面；
所述第三电磁发生装置位于所述第四电磁发生装置的上方，所述第二电磁调节器与所述第四电磁发生装置电控连接，用于控制所述第四电磁发生装置的磁极变换、磁性大小和设置高度，所述第三电磁发生装置水平滑动设置于模拟地层的下表面，相应的所述第三电磁发生装置与所述第四电磁发生装置产生电磁力作用并通过所述第三电磁发生装置施加于模拟地层的下表面；
所述磁极变换粘滞磁条倾斜设置于模拟地层的内部，用于模拟断层裂隙。
2.根据权利要求1所述的实验室断层构造模拟试验台，其特征在于，所述外壳由上盖板、底支撑板和侧向支撑梁围设而成。
3.根据权利要求2所述的实验室断层构造模拟试验台，其特征在于，所述第一电磁调节器安装于所述上盖板的下表面，所述第二电磁调节器安装于所述底支撑板的上表面。
4.根据权利要求2所述的实验室断层构造模拟试验台，其特征在于，还包括侧向加载装置和柔性推板，所述侧向加载装置一端连接于所述侧向支撑梁的内侧，另一端连接于所述柔性推板，所述柔性推板立设于模拟地层的侧面。
5.根据权利要求4所述的实验室断层构造模拟试验台，其特征在于，所述侧向加载装置竖直设置2～6列，水平设置4～10行。
6.根据权利要求1所述的实验室断层构造模拟试验台，其特征在于，所述磁极变换粘滞磁条包括至少两列沿其长度方向交替设置的多个N极和S极。
7.根据权利要求1所述的实验室断层构造模拟试验台，其特征在于，还包括磁性过渡段，所述磁性过渡段包括设置于所述磁极变换粘滞磁条的外侧的磁性材料。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的实验室断层构造模拟试验台，其特征在于，所述第二电磁发生装置和所述第三电磁发生装置均为电磁柱。
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2020
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