CN114002070A - 一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法及装置，其特征在于：所述的实验装置包括模型（1），模型（1）包括下盘（2）、上盘（21）、断层面（3）；断层面（3）上铺撒有云母粉和粗砂，断面层的底部放置有能试验时抽出的充填体（4），右侧放置有可变形体（5），在充填体（4）上沿断层面（3）和可变形体（5）铺设上盘（21）；在下盘（2）中开挖有巷道（6），在可变形体（5）的外侧和下盘（2）的外侧设有竖压板（8），竖压板与横向液压装置（7）相连；在下盘（2）的上部安装有横压板（10），横压板（10）连接有竖向液压装置（9），在上盘（21）的上部安装有加载板（15），加载板（15）上安装有动态加载装置。本发明方法、装置简单，仿真性好。

Description

一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法及装置
技术领域
本发明涉及一种矿山安全技术，尤其是一种安全实验方法，具体地说是一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法及装置。
背景技术
冲击地压是煤矿中巷道或工作面突然发生剧烈破坏、造成巷道或工作面变形和损毁的动力灾害。岩爆是地下空间、深埋隧道等岩石巷道发生剧烈破坏的动力灾害。冲击地压对我国煤炭资源的安全开采造成严重威胁。随着开采深度的增大、采空区面积的增大、地质条件的复杂多变性，冲击地压灾害已成为威胁煤炭深部采矿安全和制约煤炭工业可持续发展的主要灾害类型。由于采矿活动引起断层突然相对错动而猛烈释放能量的矿震现象。在我国金属矿山甚至川藏公路二郎山隧道、秦岭铁路隧道、川藏铁路等工程中均有严重岩爆发生。
断层在地质中最为常见，断层活化诱发岩爆和冲击地压也愈发频繁。断层活化型冲击地压的破坏形式主要为煤岩体强烈震动、重型设备移动、底板瞬间底鼓、煤帮破坏及锚网索断裂。冲击力源上，以断层活化运动时形成震动应力波为主体（矿震动载），附加煤体中集中静载应力。其能量释放主体是断层运动时释放的矿震动能。
目前，实验室相似模拟实验是研究断层活化型诱发岩爆和冲击地压机理及相关监测预警和防控技术的重要手段。目前，实验室内缺乏研究断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法。研究人员往往想通过在实验室相似模型中的断层附近开挖来诱发断层自然活化滑移，但此种断层活化强度不可控，很难诱发岩爆和冲击地压。在煤矿井下也存在很多断层，但并不是每次断层活化都诱发岩爆和冲击地压，断层活化需要达到一定强度才会诱发冲击。因此，依靠断层自然活化滑移，往往费时数十天搭建、干燥的相似模型，在实验中达不到想要的动力破坏现象。另外，模型中的断层滑移需要有让位空间且需要在滑移中保持稳定性，同时还需要滑移后仍然有外部载荷的作用，这些均是相似模拟实验需要解决的难题。
发明内容
本发明的目的是针对现有的断层活化冲击地压实验方法，不能准确反映自然灾害发生的本质的问题，发明一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法，同时提供相应的实验装置。
本发明的技术方案之一是：
一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）根据井下实际地质条件、巷道尺寸和相似理论搭建模型1，模型1包括下盘2、上盘21、断层面3；将下盘2铺好后，在断层面3上铺撒云母粉后，再用粗砂模拟断层面3，随后底部放置充填体4，右侧放置可变形体5，在充填体4上沿断层面3和可变形体5铺设上盘21；
2）利用横向液压装置7和竖压板8对模型施加水平载荷，利用竖向液压装置9和横压板10对下盘2施加竖直方向载荷，利用液压装置11带动压板12压缩弹簧14，弹簧14挤压加载板15对上盘21施加竖直载荷；
3）开挖巷道6并进行支护；
4）将充填体4抽出，为上盘21留出向下滑移的空间。
5）通过压板12中的孔121，对加载板15施加动载荷16，迫使上盘21沿断层面3活化并滑移，由变形体5的压缩变形提供上盘21在水平方向上滑移的空间；上盘21在断层面3上产生动应力17，动应力17传播至巷道6，使巷道6产生震动；
6在加载板15上放置加速度传感器，在巷道6中放置加速度传感器，模型1内部放置压力盒、应变砖，模型1表面安装声发射传感器，采集动载荷施加过程中的力学和声发射响应信息；
7）逐级提高动载荷16的强度，来间接改变动应力17的强度，重复步骤5，直至巷道发生冲击破坏。
所述弹簧14安装在轴13上，轴13固定在加载板15上；施加动载荷16过程中，通过弹簧14的伸缩对加载板15进行动态跟随加载，使上盘21在动载荷16作用后有少量位移的短暂时间内，仍然有外部载荷的作用，随后通过动态液压装置11补充弹簧14伸缩而减小的载荷。
所述动载荷16通过落锤、霍普金森压杆或动态液压装置带动锤头，通过压板12中的孔121，对加载板15施加动载荷16；动态液压装置可施加不同波形的动载。
所述可变形体5强度大于步骤2施加的水平载荷，并在步骤5中动载荷16的作用下可以变形。
所述可变形体5为橡胶、泡沫金属、带安全阀的液压油囊、薄钢板夹芯弹簧结构、结构松散的砂石材料。
本发明的技术方案之二是：
一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验装置，其特征在于：它包括模型1，模型1包括下盘2、上盘21、断层面3；断层面3上铺撒有云母粉和粗砂，断面层的底部放置有能试验时抽出的充填体4，右侧放置有可变形体5，在充填体4上沿断层面3和可变形体5铺设上盘21；在下盘2中开挖有加装支护的巷道6，在可变形体5的外侧和下盘2的外侧设有竖压板8，竖压板与施加水平载荷的横向液压装置7相连；在下盘2的上部安装有横压板10，横压板10连接有对下盘2施加产生竖直方向载荷的竖向液压装置9，在上盘21的上部安装有加载板15，加载板15上安装有导向轴13，导向轴13上安装有弹簧14和压板12，压板12上加装有动态液压装置11，压板12的中心设有施加动载荷的孔121，动态液压装置11挤压压板12，压板12压缩弹簧14，弹簧14挤压压板15对上盘21施加竖直载荷；通过压板12中的孔121对加载板15施加动载荷16，迫使上盘21沿断层面3活化并滑移，由变形体5的压缩变形提供上盘21在水平方向上滑移的空间；上盘21在断层面3上产生动应力17，动应力17传播至巷道6，使巷道6产生震动；在压板15上放置有加速度传感器，在巷道6中也放置加速度传感器，模型1内部放置有压力盒、应变砖，模型1表面安装声发射传感器，采集动载荷施加过程中的力学和声发射响应信息。
所述动载荷16由落锤、霍普金森压杆或动态液压装置产生；动态液压装置11可施加不同波形的动载。
所述可变形体5强度施加的水平载荷，并在动载荷16的作用下可以变形。
所述可变形体5为橡胶、泡沫金属、带安全阀的液压油囊、薄钢板夹芯弹簧结构、结构松散的砂石材料。
本发明的有益效果是：
断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法，通过多层压板、弹簧和击打孔结构，在对断层上盘施加静载荷的基础上，施加动载荷来促使断层活化滑移，通过充填体、可变形体提供断层滑移的空间，并使断层在滑移中保持稳定性。通过逐级提高施加外部动载荷的强度，可准确控制断层活化滑移的烈度，间接改变作用在巷道上动应力的强度，从而实现了断层活化诱发岩爆和冲击地压的可控性实验方法。通过监测动载作用过程中的力学、声发射信息，可以揭示断层活化诱发岩爆和冲击地压的机理及前兆信息，进而形成相应的监测预警和防控方法。
本发明方法、装置简单，仿真性好。
附图说明
图1是本发明的实验装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示。
一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法，所使用的实验装置如图1所示，它包括模型1，模型1包括下盘2、上盘21、断层面3；断层面3上铺撒有云母粉和粗砂，断面层的底部放置有能试验时抽出的充填体4，右侧放置有可变形体5（可采用橡胶、泡沫金属、带安全阀的液压油囊、薄钢板夹芯弹簧结构、结构松散的砂石材料），在充填体4上沿断层面3和可变形体5铺设上盘21；在下盘2中开挖有加装支护的巷道6，在可变形体5的外侧和下盘2的外侧设有竖压板8，竖压板与施加水平载荷的横向液压装置7相连；在下盘2的上部安装有横压板10，横压板10连接有对下盘2施加产生竖直方向载荷的竖向液压装置9，在上盘21的上部安装有加载板15，加载板15上安装有导向轴13，导向轴13上安装有弹簧14和压板12，压板12上加装有液压装置11，压板12的中心设有施加动载荷的孔121，动态液压装置11挤压压板12，压板12压缩弹簧14，弹簧14挤压压板15对上盘21施加竖直载荷；通过压板12中的孔121对加载板15施加动载荷16（可由落锤、霍普金森压杆或动态液压装置产生），迫使上盘21沿断层面3活化并滑移，由变形体5的压缩变形提供上盘21在水平方向上滑移的空间；上盘21在断层面3上产生动应力17，动应力17传播至巷道6，使巷道6产生震动；在压板15上放置有加速度传感器，在巷道6中也放置加速度传感器，模型1内部放置有压力盒、应变砖，模型1表面安装声发射传感器，采集动载荷施加过程中的力学和声发射响应信息。
具体的实验包括以下步骤：
1）根据井下实际地质条件、巷道尺寸和相似理论搭建模型1，模型1包括下盘2、上盘21、断层面3；将下盘2铺好后，在断层面3上铺撒云母粉后，再用粗砂模拟断层面3，随后底部放置充填体4，右侧放置可变形体5，在充填体4上沿断层面3和可变形体5铺设上盘21；
2）利用横向液压装置7和竖压板8对模型施加水平载荷，利用竖向液压装置9和横压板10对下盘2施加竖直方向载荷，利用液压装置11带动压板12压缩弹簧14，弹簧14挤压加载板15对上盘21施加竖直载荷；所述弹簧14安装在轴13上，轴13固定在加载板15上；施加动载荷16过程中，通过弹簧14的伸缩对加载板15进行动态跟随加载，使上盘21在动载荷16作用后有少量位移的短暂时间内，仍然有外部载荷的作用，随后通过动态液压装置11补充弹簧14伸缩而减小的载荷；
3）开挖巷道6并进行支护；
4）将充填体4抽出，为上盘21留出向下滑移的空间。
5）通过压板12中的孔121，对加载板15施加动载荷16，迫使上盘21沿断层面3活化并滑移，由变形体5的压缩变形提供上盘21在水平方向上滑移的空间；上盘21在断层面3上产生动应力17，动应力17传播至巷道6，使巷道6产生震动；
6在加载板15上放置加速度传感器，在巷道6中放置加速度传感器，模型1内部放置压力盒、应变砖，模型1表面安装声发射传感器，采集动载荷施加过程中的力学和声发射响应信息；
7）逐级提高动载荷16的强度，来间接改变动应力17的强度，重复步骤5，直至巷道发生冲击破坏。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）根据井下实际地质条件、巷道尺寸和相似理论搭建模型（1），模型（1）包括下盘（2）、上盘（21）、断层面（3）；将下盘（2）铺好后，在断层面（3）上铺撒云母粉后，再用粗砂模拟断层面（3），随后底部放置充填体（4），右侧放置可变形体（5），在充填体（4）上沿断层面（3）和可变形体（5）铺设上盘（21）；
2）利用横向液压装置（7）和竖压板（8）对模型（1）施加水平载荷，利用竖向液压装置（9）和横压板（10）对下盘（2）施加竖直方向载荷，利用液压装置（11）带动压板（12）压缩弹簧（14），弹簧（14）挤压加载板（15）对上盘（21）施加竖直载荷；
3）开挖巷道（6）并进行支护；
4）将充填体（4）抽出，为上盘（21）留出向下滑移的空间；
5）通过压板（12）中的孔（121），对加载板（15）施加动载荷（16），迫使上盘（21）沿断层面（3）活化并滑移，由变形体（5）的压缩变形提供上盘（21）在水平方向上滑移的空间；施加动载荷（16）过程中，通过弹簧（14）的伸缩对加载板（15）进行动态跟随加载，使上盘（21）在动载荷（16）作用后有少量位移的短暂时间内，仍然有外部载荷的作用，随后通过动态液压装置（11）补充弹簧（14）伸缩而减小的载荷；上盘（21）在断层面（3）上产生动应力（17），动应力（17）传播至巷道（6），使巷道（6）产生震动；
6）在加载板（15）上放置加速度传感器，在巷道（6）中放置加速度传感器，模型（1）内部放置压力盒、应变砖，模型（1）表面安装声发射传感器，采集动载荷施加过程中的力学和声发射响应信息；
7）逐级提高动载荷（16）的强度，来间接改变动应力（17）的强度，重复步骤5，直至巷道发生冲击破坏。
2.根据权利要求1所述的断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法，其特征在于：所述弹簧（14）安装在轴（13）上，轴（13）固定在加载板（15）上
根据权利要求1所述的断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法，其特征在于：所述动载荷（16）通过落锤、霍普金森压杆或动态液压装置带动锤头，通过压板（12）中的孔（121），对加载板（15）施加动载荷（16）；动态液压装置可施加不同波形的动载。
3.根据权利要求1所述的断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法，其特征在于：所述可变形体（5）强度大于步骤2）施加的水平载荷，并在步骤5中动载荷（16）的作用下可以变形。
4.根据权利要求1或3所述的断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验方法，其特征在于：所述可变形体（5）为橡胶、泡沫金属、带安全阀的液压油囊、薄钢板夹芯弹簧结构、结构松散的砂石材料。
5.一种断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验装置，其特征在于：它包括模型（1），模型（1）包括下盘（2）、上盘（21）、断层面（3）；断层面（3）上铺撒有云母粉和粗砂，断面层的底部放置有能试验时抽出的充填体（4），右侧放置有可变形体（5），在充填体（4）上沿断层面（3）和可变形体（5）铺设上盘（21）；在下盘（2）中开挖有加装支护的巷道（6），在可变形体（5）的外侧和下盘（2）的外侧设有竖压板（8），竖压板与施加水平载荷的横向液压装置（7）相连；在下盘（2）的上部安装有横压板（10），横压板（10）连接有对下盘（2）施加产生竖直方向载荷的竖向液压装置（9），在上盘（21）的上部安装有加载板（15），加载板（15）上安装有导向轴（13），导向轴（13）上安装有弹簧（14）和压板（12），压板（12）上加装有动态液压装置（11），压板（12）的中心设有施加动载荷的孔（121），动态液压装置（11）挤压压板（12），压板（12）压缩弹簧（14），弹簧（14）挤压压板（15）对上盘（21）施加竖直载荷；通过压板（12）中的孔（121）对加载板（15）施加动载荷（16），迫使上盘（21）沿断层面（3）活化并滑移，由变形体（5）的压缩变形提供上盘（21）在水平方向上滑移的空间；上盘（21）在断层面（3）上产生动应力（17），动应力（17）传播至巷道（6），使巷道（6）产生震动；在压板（15）上放置有加速度传感器，在巷道（6）中也放置加速度传感器，模型（1）内部放置有压力盒、应变砖，模型（1）表面安装声发射传感器，采集动载荷施加过程中的力学和声发射响应信息。
6.根据权利要求5所述的断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验装置，其特征在于：所述动载荷（16）由落锤、霍普金森压杆或动态液压装置产生。
7.根据权利要求5所述的断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验装置，其特征在于：所述可变形体（5）强度大于施加的水平载荷，并在动载荷（16）的作用下可以变形。
8.根据权利要求5或7所述的断层活化诱发岩爆和冲击地压的实验装置，其特征在于：所述可变形体（5）为橡胶、泡沫金属、带安全阀的液压油囊、薄钢板夹芯弹簧结构、结构松散的砂石材料。
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