CN115372159A - 模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳试验系统及方法 - Google Patents

模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳试验系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统，包括用于采集巷道模型失稳过程图像并进行计算机三维重构的高能加速器工业CT装置和采动断层活化与巷道失稳可视化加载装置，采动断层活化与巷道失稳可视化加载装置包括模型箱、巷道模型、围压机构和扰动加载机构，扰动加载机构设置在高能加速器工业CT装置的底座上，围压机构设置在模型箱内，模型箱设置在回转工作台上。同时公开了基于上述系统的试验方法，采用上述一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统及方法，实现三个方向高地应力的施加和多向扰动荷载的施加，在不同的扰动过程中，对断层带活化并诱发巷道的失稳过程进行可视化表征。

Description

模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳试验系统及方法
技术领域
本发明涉及模拟试验技术领域，尤其是涉及一种模拟巷道开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统及其方法。
背景技术
金属矿深部开采岩体处于“三高一扰动”环境中，巷道开挖掘进不可避免地会穿越断层破碎带，面临深部高地应力和远场疲劳扰动的致灾环境，断层破碎带在扰动作用下内部物质结构发生变异，易发生扰动活化，诱发巷道围岩动力灾害，比如片帮剥落，冒顶等。
目前，常用物理模型试验研究断层带的活化过程，但几乎都为宏观力学模型试验，失稳过程多以表面变形观测并辅助传感器监测为主，高应力扰动作用下断层带活化灾变并诱发井巷失稳的细观物理过程及力学行为难以定量化刻画，无法做到失稳过程的可视化和数字化表征，导致断层带时效扰动活化及围岩失稳的细观力学机制研究不够完善。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟巷道开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统及其方法，实现三个方向高地应力的施加和多向扰动荷载的施加，在不同的扰动过程中，对断层带活化并诱发巷道的失稳过程进行可视化表征。
为实现上述目的，本发明提供了一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统，包括高能加速器工业CT装置和采动断层活化与巷道失稳可视化失稳加载装置，
高能加速器工业CT装置，用于采集巷道模型失稳过程图像并进行计算机视觉三维图像重构；
所述采动断层活化与巷道失稳可视化加载装置包括模型箱、巷道模型、围压机构以及扰动加载机构，所述扰动加载机构设置在高能加速器工业CT装置的底座上，所述围压机构设置在模型箱内，所述巷道模型设置在围压机构中部的模型箱内，所述模型箱设置在高能加速器工业CT装置的回转工作台上。
优选的，所述高能加速器工业CT装置包括控制主机、底座、回转工作台、两个相对设置的升降立柱、探测器和用于产生射线的加速器，所述加速器和所述探测器分别设置在两个升降立柱上并相对设置，所述升降立柱安装在底座上，所述回转工作台设置在两个升降立柱之间的底座上。
优选的，所述围压机构提供三个方向的地应力包括三组相对设置的施压组件，三组施压组件分别设置在模型箱的内壁，所述施压组件与控制主机电连接，所述施压组件包括施压器和承压板，所述承压板与施压器一侧固定连接，所述施压器的另一侧与模型箱的内壁固定连接。
优选的，所述施压器采用高压囊、压力源以及连接管，所述压力源通过连接管与所述高压囊相连接。
优选的，所述巷道模型包括中空的巷道结构、巷道周围岩体相似材料和在岩体相似材料内预制的断层结构，所述断层结构和相似材料内埋设有用于检测断层结构和相似材料的物理力学参数的分布式光纤传感器，所述分布式光纤传感器与控制主机的调制解调仪电连接。
优选的，所述扰动加载机构为模型箱提供应力包括L安装立柱、滑动立柱以及三个带有推进器的激振器，其中一个激振器安装在滑动立柱上，所述滑动立柱的滑轨设置在升降立柱与回转工作台之间的底座上，另外两个所述激振器分别安装在L安装立柱的顶部和侧面，所述激振器和滑动立柱与控制主机电连接，所述滑动立柱、所述L安装立柱的侧面和顶部均开设有条形通孔，便于激振器不同位置的安装。
优选的，所述模型箱的侧面和顶部均开设有加载孔，所述加载孔与激振器的加载端相对设置，所述模型箱和施压组件均为低密度高强度性能的非金属材料。
一种基于上述模拟开采扰动作用断层活化与巷道失稳的试验系统的试验方法，具体步骤如下：
步骤S1：根据测试要求设定围压应力值和扰动应力的形式，放置好制备好的巷道模型；
步骤S2：控制主机启动施压组件进行围压施压，直到达到设定的围压应力值；
步骤S3：控制主机启动扰动加载机构中的激振器，使得激振器在推进器的作用下通过加载孔进行扰动应力加载；
步骤S4：分步加载完成后，关闭激振器，将光纤传感器与控制主机上的解调仪解除连接，并将滑动立柱移出，避免滑动立柱影响CT扫描成像；
步骤S5：启动加速器、探测器和回转工作台进行360度转动扫描成像；
步骤 S6: 关闭工业CT，重新打开激振器，将光纤传感器与控制主机上的解调仪继续连接，继续进行扰动加载。
优选的，在转动扫描过程中围压保持不变，并将成像在控制主机上进行可视化显示，实时显示在模拟的地应力环境和加载扰动应力的情况下演进破坏的细观物理过程和非线性力学行为，便于建立物理模型三维失稳形态与断层带结构参数与扰动因子的关系。
优选的，扰动应力的形式包括正弦波、三角波或方波。
因此，采用上述技术方案，具有的有益效果如下：
1、采用的采动断层活化与巷道失稳可视化加载装置包括围压机构和扰动加载机构，实现三个方向高地应力的施加和多向扰动荷载的施加，实现了不同的扰动过程的模拟。
2、本发明采用高能加速器工业CT装置与失稳加载装置相配合，对断层带活化并诱发巷道的失稳过程进行可视化表征，实时显示在模拟的地应力环境和加载扰动应力的情况下演进破坏的细观物理过程和非线性力学行为，便于建立物理模型三维失稳形态与断层带结构参数与扰动因子的关系。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种模拟巷道开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统加载状态下的结构示意图；
图2为本发明模型箱内部结构示意图；
图3为本发明巷道模型结构示意图；
图4为本发明一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统加载状态下侧视图；
图5为本发明一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统扫描状态下侧视图。
附图标记
1、高能加速器工业CT装置；11、底座；12、升降立柱；13、回转工作台；14、探测器；15、加速器；2、模型箱；21、加载孔；3、扰动加载机构；31、L安装立柱；32、滑动立柱；33、激振器；34、推进器；4、施压组件；41、高压囊；42、承压板；5、巷道模型；51、巷道结构；52、周围岩体；53、断层结构。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
参照图1-图5，一种模拟深部巷道开采扰动作用断层活化的试验系统，包括用于采集失稳过程图像并进行显示的高能加速器工业CT装置和采动断层活化与巷道失稳可视化失稳加载装置。
高能加速器工业CT装置1用于采集巷道模型失稳过程图像并进行计算机视觉三维图像重构，利用X射线穿透物体断面进行旋转扫描并借助高性能计算机系统实现内部图像的重建，主要是对模型箱2内部的巷道模型5在经受三向高地应力和扰动荷载时岩体相似材料内部结构的损伤，主要是指岩体内部裂纹萌生、扩展直至贯通失稳的过程，断层活化是指新的扰动作用对原有的断层结构发生改变，使得断层发生新的错动，巷道失稳是巷道围岩发生塑性破坏、较大变形或者巷道顶部冒落等过程，目的是在从模型内部细观结构变化的角度来对整个巷道的失稳破坏机理进行研究。高能加速器工业CT装置1包括控制主机（图中未画出）、底座11、回转工作台13、两个相对设置的升降立柱12、探测器14和用于产生射线的加速器15，加速器15和探测器14分别设置在两个升降立柱12上并相对设置，升降立柱12安装在底座11上，回转工作台13设置在两个升降立柱12之间的底座11上，用于进行对模型箱2进行转动成像，进行计算机视觉三维图像重构。
采动断层活化与巷道失稳可视化失稳加载装置包括模型箱2、巷道模型5、围压机构以及扰动加载机构3，采用的采动断层活化与巷道失稳可视化失稳加载装置包括围压机构和扰动加载机构3，实现三个方向高地应力的施加和多向扰动荷载的施加，实现了不同的扰动过程的模拟。模型箱2设置在回转工作台13上。围压机构设置在模型箱2内，围压机构提供三个方向的地应力包括三组相对设置的施压组件4，施压组件4包括施压器和承压板42，承压板42外侧与施压器相连接，施压器安装在模型箱2的内部，本实施例施压器采用高压囊41、压力源以及连接管，本实施例压力源可以采用液压油泵或气泵，通过压力源提供高压介质进行施压，采用压力囊施压，实现柔性加载，且采用非金属材质的材质，不影响扫描，减少射线衰减。
扰动加载机构3设置在高能加速器工业CT装置1的底座11上，扰动加载机构3为模型箱2提供应力包括L安装立柱31、滑动立柱32以及三个带有推进器34的激振器33，激振器33和滑动立柱32与控制主机电连接。其中一个激振器33安装在滑动立柱32上，滑动立柱32的滑轨设置在升降立柱12与回转工作台13之间的底座11上，在加载状态时，滑动立柱32上的激振器33与模型箱2相对设置，在扫描状态时，滑动立柱32移动，使得滑动立柱32不与模型箱2相对设置，不会影响扫描过程。另外两个激振器33分别安装在L安装立柱31的顶部和侧面，滑动立柱32、L安装立柱31的侧面和顶部均开设有条形通孔，便于激振器33不同位置的安装。模型箱2的侧面和顶部均开设有加载孔21，加载孔21与激振器33的加载端相对设置，模型箱2和施压组件4均为非金属材料，射线容易穿透，使得成像更加清晰。
巷道模型5包括中空的巷道结构51、巷道周围岩体52相似材料和在岩体相似材料内预制的断层结构53，断层结构53和相似材料52内埋设有用于检测断层结构和相似材料的物理力学参数的分布式光纤传感器54，分布式光纤传感器54与控制主机内的解调仪（图中未画出）电连接，分布式光纤传感器54为多参量测量技术，通过一根光缆，采用不同调制解调技术，可以实现对应变、温度、以及震动等多变量感测，从压力、温度、震动、变形等多角度进行监测，本实施例分布式光纤传感器54主要布置在巷道模型5的周围岩体52与预制的断层结构53内部，分布式光纤传感器54与调制解调仪连接，通过使用不同的调制解调仪可以实现对巷道围岩和断层的应变、温度、以及震动等多参量进行监测，计算机通过读取上述监测数据可以将其作为断层是否活化或者巷道是否发生失稳的一个判据。
巷道模型5的设计遵循相似原理，巷道模型5上重现的物理现象应与原型相似，即要求模型材料、模型形状和荷载等均须遵循一定的规律，模型相似材料的选择也应满足下述原则：
（1）相似材料的主要力学性质应与原型材料的物理、力学性能相似，且物理、力学、化学、热学等性能稳定，不易受时间、湿度、温度等外界条件的影响；
（2）改变材料的配比，可使材料的力学性能发生改变，以适应相似条件的需要；
（3）容易成型，制作方便，凝固时间短，且凝固前具有较好的和易性，便于施工和修补；
岩体相似材料由水泥、砂、橡胶粉、水、减水剂、早强防冻剂、防水剂混合而成，其中砂和橡胶粉作为骨料，减水剂、早强防冻剂、防水剂作为外加剂以减小周围环境对相似材料的物理、力学性质的影响。
岩体相似材料制作的工艺流程如下：
（1）分别按质量百分比称取水泥、河砂、经强碱溶液处理过的橡胶粉、早强防冻剂、减水剂和水；
（2）将水和防水剂掺和并搅拌均匀，然后将水泥、河砂和橡胶粉倒入搅拌机搅拌一定时间，最后在搅拌机中加入早强防冻剂和减水剂搅拌均匀；
（3）将步骤（3）搅拌好的混合料倒进模具中，置于振动台上振捣均匀；
（4）振捣完后放于37°恒温养护放置1天，拆模，然后将试件在37°恒温水中养护7天，烘干。
其中中空的巷道结构和断层结构实现用模具进行空洞预制，然后当模型烘干后再将模具取下，其中断层内部填入力学性能更为软弱的、结构更为破碎的岩体相似材料。
一种基于上述模拟开采扰动作用断层活化与巷道失稳的试验系统的试验方法，具体步骤如下：
步骤S1：根据测试要求设定围压应力值和扰动应力的形式，放置好制备好的巷道模型，扰动应力的形式包括正弦波、三角波或方波。
步骤S2：控制主机启动施压组件进行围压施压，直到达到设定的围压应力值。
步骤S3：控制主机启动扰动加载机构中的激振器，使得激振器在推进器的作用下通过加载孔进行扰动应力加载。
步骤S4：分步加载完成后，关闭激振器，将光纤传感器与控制主机上的解调仪解除连接，并将滑动立柱移出，避免滑动立柱影响CT扫描成像。
步骤S5：启动加速器、探测器和回转工作台进行360度转动扫描成像。
步骤 S6: 关闭工业CT，重新打开激振器，将光纤传感器与控制主机上的解调仪继续连接，继续进行扰动加载。
在转动扫描过程中围压保持不变，并将成像在控制主机上进行可视化显示，实时显示在模拟的地应力环境和加载扰动应力的情况下演进破坏的细观物理过程和非线性力学行为，便于建立物理模型三维失稳形态与断层带结构参数与扰动因子的关系。采用高能加速器工业CT装置与失稳加载装置相配合，对断层带活化并诱发巷道的失稳过程进行可视化表征，实时显示在模拟的地应力环境和加载扰动应力的情况下演进破坏的细观物理过程和非线性力学行为，便于建立物理模型三维失稳形态与断层带结构参数与扰动因子的关系。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于施压器采用非金属材料的气缸或非金属材料的液压油缸进行施压。推进器34采用电动推杆或电机丝杆或气缸或液压油缸。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统，其特征在于：包括高能加速器工业CT装置和采动断层活化与巷道失稳可视化失稳加载装置，
高能加速器工业CT装置，用于采集巷道模型失稳过程图像并进行计算机视觉三维图像重构；
所述采动断层活化与巷道失稳可视化加载装置包括模型箱、巷道模型、围压机构以及扰动加载机构，所述扰动加载机构设置在高能加速器工业CT装置的底座上，所述围压机构设置在模型箱内，所述巷道模型设置在围压机构中部的模型箱内，所述模型箱设置在高能加速器工业CT装置的回转工作台上。
2.根据权利要求1所述的一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统，其特征在于：所述高能加速器工业CT装置包括控制主机、底座、回转工作台、两个相对设置的升降立柱、探测器和用于产生射线的加速器，所述加速器和所述探测器分别设置在两个升降立柱上并相对设置，所述升降立柱安装在底座上，所述回转工作台设置在两个升降立柱之间的底座上。
3.根据权利要求2所述的一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统，其特征在于：所述围压机构提供三个方向的地应力包括三组相对设置的施压组件，三组施压组件分别设置在模型箱的内壁，所述施压组件与控制主机电连接，所述施压组件包括施压器和承压板，所述承压板与施压器一侧固定连接，所述施压器的另一侧与模型箱的内壁固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统，其特征在于：所述施压器采用高压囊、压力源以及连接管，所述压力源通过连接管与所述高压囊相连接。
5.根据权利要求3所述的一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统，其特征在于：所述巷道模型包括中空的巷道结构、巷道周围岩体相似材料和在岩体相似材料内预制的断层结构，所述断层结构和相似材料内埋设有用于检测断层结构和相似材料的物理力学参数的分布式光纤传感器，所述分布式光纤传感器与控制主机的调制解调仪电连接。
6.根据权利要求2所述的一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统，其特征在于：所述扰动加载机构为模型箱提供应力包括L安装立柱、滑动立柱以及三个带有推进器的激振器，其中一个激振器安装在滑动立柱上，所述滑动立柱的滑轨设置在升降立柱与回转工作台之间的底座上，另外两个所述激振器分别安装在L安装立柱的顶部和侧面，所述激振器和滑动立柱与控制主机电连接，所述滑动立柱、所述L安装立柱的侧面和顶部均开设有条形通孔，便于激振器不同位置的安装。
7.根据权利要求6所述的一种模拟开采扰动作用下断层活化与巷道失稳的试验系统，其特征在于：所述模型箱的侧面和顶部均开设有加载孔，所述加载孔与激振器的加载端相对设置，所述模型箱和施压组件均为低密度高强度性能的非金属材料。
8.一种基于上述权利要求1-7任意一项的模拟开采扰动作用断层活化与巷道失稳的试验系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：根据测试要求设定围压应力值和扰动应力的形式，放置好制备好的巷道模型；
步骤S2：控制主机启动施压组件进行围压施压，直到达到设定的围压应力值；
步骤S3：控制主机启动扰动加载机构中的激振器，使得激振器在推进器的作用下通过加载孔进行扰动应力加载；
步骤S4：分步加载完成后，关闭激振器，将光纤传感器与控制主机上的解调仪解除连接，并将滑动立柱移出，避免滑动立柱影响CT扫描成像；
步骤S5：启动加速器、探测器和回转工作台进行360度转动扫描成像；
步骤 S6: 关闭工业CT，重新打开激振器，将光纤传感器与控制主机上的调制解调仪继续连接，继续进行扰动加载。
9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于：在转动扫描过程中围压保持不变，并将成像在控制主机上进行可视化显示，实时显示在模拟的地应力环境和加载扰动应力的情况下演进破坏的细观物理过程和非线性力学行为，便于建立物理模型三维失稳形态与断层带结构参数与扰动因子的关系。
10.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于：扰动应力的形式包括正弦波、三角波或方波。
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