CN204594709U - 褶曲构造的形成模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种褶曲构造的形成模拟装置，该试验箱主体的前端面设置有钢化玻璃板，试验箱主体内的两侧分别设置有能沿试验箱主体移动的侧推板，试验箱主体的顶部为开口；试验箱主体底部开设有兼做导轨的条形孔，试验箱主体底部配置有底部挡板，该底部挡板上布置有多个支撑螺柱，支撑螺柱穿入条形孔内，并能在条形孔内移动，支撑螺柱的上端配置有底部弧形推板或底部平面推板。从而对巷道稳定性做出有效地分析；不仅能对褶曲构造形成机制和演化规律的提供相关参数，而且还在复杂煤层尤其含褶曲构造煤层的巷道合理开挖及稳定性分析方面提供更为精准的参数。

Description

褶曲构造的形成模拟装置

技术领域

本实用新型涉及一种褶曲构造的形成模拟装置。

背景技术

地层中有相当比例的煤炭资源赋存于褶皱地质构造之内。煤炭资源的开发、利用会不可避免的受褶曲构造的影响，很多具有开采价值的井田受褶曲构造的控制，褶曲构造附近常常发生冲击矿压，褶曲构造又可影响煤体应力强度及采矿工程稳定性，从而给煤矿的开采带来了一定的困难，这严重的制约着煤矿的安全、高效、健康发展。因而褶曲构造的研究对煤矿的生产及安全具有很重要的实际意义，如：巷道合理设计，煤层的合理安全开采，煤矿防治冲击地压、煤与瓦斯突出等。然而对褶曲区应力分布及稳定性分析只在数值模拟上取得一定进展，缺少相应的模型试验来进一步研究。

用模型试验研究围岩变形以及支护对策已得到人们普遍认可，国内外也在岩土和采矿工程领域内的模型实验方法应用上开展了许多工作，但对于复杂地质构造模型大都集中断层模型上，而褶曲构造模型涉及甚少。目前用于工程模拟的褶曲模型大都是直接铺设成型，未涉及其形成过程，这与实际往往相差甚大。在褶曲构造形成方面，石油及地质领域对地质构造演化过程的模型试验取得了一定的成果，能够模拟地层变形的拉压模型、平面剪拉模型、平面剪压模型，可对实验过程中的受力及变形进行量化数据和图形采集。还有具有多功能复合力系驱动，可实现各种不同类型的驱动力作用下的构造变形，模型由二维拓展为三维。也有能够进行同沉积生长地层构造变形模拟实验，可定量控制变形速率及沉积速率。但所做模型一般不用于进行诸如巷道开挖或煤层开采等工程模拟，用地质构造试验平台也不宜进行工程的力学实验分析。这显然不能满足实验室中对于复杂构造煤层的巷道开挖、煤层开采等工程相似模拟及其稳定性试验分析的研究。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型提供的一种褶曲构造的形成模拟装置，对所制备含褶曲煤层模型的力学试验分析，可为复杂地质构造煤层的巷道开挖及煤层开采提供对应参数。

为解决上述技术问题，本实用新型方案包括：

一种褶曲构造的形成模拟装置，其包括试验箱主体，其中，该试验箱主体的前端面设置有钢化玻璃板，试验箱主体内的两侧分别设置有能沿试验箱主体移动的侧推板，试验箱主体的顶部为开口；试验箱主体底部开设有兼做导轨的条形孔，试验箱主体底部配置有底部挡板，该底部挡板上布置有多个支撑螺柱，支撑螺柱穿入条形孔内，并能在条形孔内移动，支撑螺柱的上端配置有底部弧形推板或底部平面推板；在褶曲构造制备时，支撑螺柱的上端配置有底部弧形推板，两个侧推板在试验箱主体内相向移动，试验箱主体的顶部为开口处于空闲状态；在模拟试验时，支撑螺柱的上端配置有底部平面推板，两个侧推板在试验箱主体内相向移动，开口内布置有顶部承载板，顶部承载板与底板平面推板在试验箱主体内相向移动。

所述的形成模拟装置，其中，上述试验箱主体的两侧分别设置有侧面挡板，侧面挡板与对应的侧推板之间均匀布置有多个传力螺栓，侧面挡板、侧推板在与传力螺栓相对应处均设置有螺母，传力螺栓穿入对应的螺母中，每个传力螺栓均配置有万向滚珠，侧推板随传力螺栓移动。

所述的形成模拟装置，其中，上述底部挡板上设置有条形槽，条形槽与条形孔相同，支撑螺柱穿过条形孔与条形槽到达指定位置后固定在底部挡板上。

所述的形成模拟装置，其中，上述试验箱主体底部的横向侧边与试验箱主体侧面的纵向侧边上设置有刻度线，刻度线用于确定支撑螺柱的位置。

所述的形成模拟装置，其中，每个传力螺栓与支撑螺柱上均配置有单向卡扣。

本实用新型提供的一种褶曲构造的形成模拟装置，其结构简单合理，操作使用方便，易于维护，可以满足含褶曲构造煤层模型的各种力学试验的需要，其可进行含褶曲煤层的构造形成模拟试验，实现模型双向挤压及隆升的复合运动，其位移及速率可达到精确控制，模型褶曲位置、褶曲个数及褶曲曲率也能得到准确的控制；所制备模型还可承受一定强度，能进行巷道开挖、煤层开采等工程模拟；利用本装置亦可进行模型巷道的各种复合加载试验，从而对巷道稳定性做出有效地分析；不仅能对褶曲构造形成机制和演化规律的提供相关参数，而且还在复杂煤层尤其含褶曲构造煤层的巷道合理开挖及稳定性分析方面提供更为精准的参数。

附图说明

图1是本实用新型中形成模拟装置的结构示意图；

图2是本实用新型中铺设材料有材料之形成模拟装置的结构示意图；

图3是本实用新型中褶曲构造形成模拟之形成模拟装置的结构示意图；

图4是本实用新型中褶曲构造模型加载之形成模拟装置的结构示意图；

图5是本实用新型中褶曲构造模型稳定性试验的示意图；

其中，1—试验箱主体；2—侧推板；3—侧面挡板；4—底部弧形推板；5—底部挡板；6—传力螺栓；7—条形孔；8—万向滚珠；9—单向卡扣；10—条形槽；11—硅胶垫；12—底部平面推板；13—顶部承载板；14—开口；15—支撑螺柱；16—螺母；17—开挖位置。

具体实施方式

本实用新型提供了一种褶曲构造的形成模拟装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供了一种褶曲构造的形成模拟装置，如图1、图2、图3与图4所示的，其包括试验箱主体1，试验箱主体1整体为长方体结构，由5mm钢板焊接而成，前端面中空仅四周留有15mm的距离，可插入钢化透明玻璃板，即该试验箱主体1的前端面设置有钢化玻璃板，试验箱主体1内的两侧分别设置有能沿试验箱主体1移动的侧推板2，试验箱主体1的顶部为开口；试验箱主体1底部开设有兼做导轨的条形孔7，试验箱主体1底部配置有底部挡板5，该底部挡板5上布置有多个支撑螺柱15，支撑螺柱15穿入条形孔7内，并能在条形孔7内移动，也就是说多个支撑螺柱15通过在条形孔7内移动，支撑螺柱15的上端配置有底部弧形推板4或底部平面推板12；在褶曲构造制备时，支撑螺柱15的上端配置有底部弧形推板4，两个侧推板2在试验箱主体1内相向移动，试验箱主体1的顶部为开口14处于空闲状态；在模拟试验时，支撑螺柱15的上端配置有底部平面推板12，两个侧推板2在试验箱主体1内相向移动，开口14内布置有顶部承载板13，顶部承载板13与底板平面推板12在试验箱主体1内相向移动。比如通过双轴试验机的水平加载系统、竖直加载系统与侧推板2、该底部挡板5相连接，控制侧推板2在水平方向、底部挡板5在竖直方向上移动，进而可以可控制褶曲构造的褶曲个数、褶曲位置及褶曲曲率。

更进一步的，上述试验箱主体1的两侧分别设置有侧面挡板3，侧面挡板3与对应的侧推板2之间均匀布置有多个传力螺栓6，侧面挡板3、侧推板2在与传力螺栓6相对应处均设置有螺母16，传力螺栓6穿入对应的螺母16中，螺母16焊接侧面挡板3上，在每个传力螺栓6均配置有万向滚珠8，侧推板2随传力螺栓6移动，两个侧推板2相向运动，挤压模型。

并且上述底部挡板5上设置有条形槽10，条形槽10与条形孔7相同，支撑螺柱15穿过条形孔7与条形槽10到达指定位置后固定在底部挡板5上。支撑螺柱15也可以采用与传力螺栓6相同的技术方式，比如支撑螺柱15配置螺母、万向滚珠等部件。试验箱主体1底部的横向侧边与试验箱主体1侧面的纵向侧边上设置有刻度线，刻度线用于确定支撑螺柱15以及侧推板2的移动位置，从而实现了精准控制支撑螺柱15以及侧推板2的移动轨迹。而且每个传力螺栓6与支撑螺柱15上均配置有单向卡扣9，用于固定传力螺栓6与支撑螺柱15的位置。

底部弧形推板4根据不同的弧度控制褶曲曲率，底部平面推板12用于加载试验。底部弧形推板4可在条形孔7上移动，其位置及个数根据试验需要选择。可使支撑螺柱15通过并借用对应螺母随时将底部挡板5固定在试验箱主体1的底部，使之推动试验箱主体1相对试验箱主体1内顶部承载板13移动，通过水平与竖直挤压使模型变形更趋于同步。模型巷道在加载试验中也可使模型任一侧推板2或底部挡板5随时停止加压，实现多种加载方案。

更进一步的，如图2、图3、图4与图5所示的，使用所述形成模拟装置的试验方法，其包括褶曲构造形成步骤、褶曲构造巷道开挖步骤与褶曲构造加载步骤；

褶曲构造形成步骤包括：

根据实际地质资料，确定相似比例因子，确定模型大小、褶曲曲率及相似材料，选取对应材料后，进行分层平铺，煤层铺在中间，根据实际地质资料确定分层数目及各层厚度；在试验箱主体1底部铺设硅胶垫11，然后将上述材料铺设在硅胶垫11上；

将铺设上述材料的形成模拟装置放置于双轴试验机上，两个侧推板2相向运动横向挤压上述材料，支撑螺柱15带动底部弧形推板4向上运动纵向挤压上述材料，直至变形达到预设要求时，两个侧推板2与底部弧形推板4停止加压，形成模型；

然后将形成模拟装置取出置于真空干燥箱内烘干，若模型需要制备成标准边界模型时，待其完全固结后取出进行切割和打磨；若模型不需要制备成标准边界模型时，用与上部同等材料将其补平，待其完全固结后将模型上部的硅胶垫11取出；

形成模拟装置褶曲构造巷道开挖步骤包括：

根据需要在固结前或后续加载中模拟巷道开挖，若模型固结前开挖，则用与巷道尺寸相似比例换算的中空薄金属框，表面涂抹油，在需要开挖位置17插入中空薄金属框，然后将中空薄金属框内的材料掏出得到需要加载的模型；若模型固结后加载中开挖，待模型加载压力稳定后，将开挖速度控制在一定范围之内并分阶段开挖，将开挖位置17挖通之后稳压后继续加载；

褶曲构造加载步骤包括：

将上述处理好的模型放回形成模拟装置内，且在模型上下左右四个端面加硅胶垫11，试验箱主体1顶部的开口14内布置有顶部承载板13，同步的将支撑螺柱15上的底端弧形推板4换为底部平面推板12，将形成模拟装置移回双轴试验机后，选取加载方案，使两个侧推板2在试验箱主体1内相向移动，顶部承载板13与底板平面推板12在试验箱主体1内相向移动，进行工程应力加载模拟，用数字散斑及声发射试验测开挖位置的变形和破坏，工业相机对全过程进行无间隔拍摄，应力应变关系可由控制双轴试验机的微机记录。

使用本实用新型中形成模拟装置所制备模型还可承受一定强度，能进行巷道开挖、煤层开采等工程模拟；利用本装置亦可进行模型巷道的各种复合加载试验，从而对巷道稳定性做出有效地分析；不仅能对褶曲构造形成机制和演化规律的提供相关参数，而且还在复杂煤层尤其含褶曲构造煤层的巷道合理开挖及稳定性分析方面提供更为精准的参数。

当然，以上说明仅仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本实用新型的保护。

Claims (5)

1.一种褶曲构造的形成模拟装置，其包括试验箱主体，其特征在于，该试验箱主体的前端面设置有钢化玻璃板，试验箱主体内的两侧分别设置有能沿试验箱主体移动的侧推板，试验箱主体的顶部为开口；试验箱主体底部开设有兼做导轨的条形孔，试验箱主体底部配置有底部挡板，该底部挡板上布置有多个支撑螺柱，支撑螺柱穿入条形孔内，并能在条形孔内移动，支撑螺柱的上端配置有底部弧形推板或底部平面推板；在褶曲构造制备时，支撑螺柱的上端配置有底部弧形推板，两个侧推板在试验箱主体内相向移动，试验箱主体的顶部为开口处于空闲状态；在模拟试验时，支撑螺柱的上端配置有底部平面推板，两个侧推板在试验箱主体内相向移动，开口内布置有顶部承载板，顶部承载板与底板平面推板在试验箱主体内相向移动。

2.根据权利要求1所述的形成模拟装置，其特征在于，上述试验箱主体的两侧分别设置有侧面挡板，侧面挡板与对应的侧推板之间均匀布置有多个传力螺栓，侧面挡板、侧推板在与传力螺栓相对应处均设置有螺母，传力螺栓穿入对应的螺母中，每个传力螺栓均配置有万向滚珠，侧推板随传力螺栓移动。

3.根据权利要求1所述的形成模拟装置，其特征在于，上述底部挡板上设置有条形槽，条形槽与条形孔相同，支撑螺柱穿过条形孔与条形槽到达指定位置后固定在底部挡板上。

4.根据权利要求1所述的形成模拟装置，其特征在于，上述试验箱主体底部的横向侧边与试验箱主体侧面的纵向侧边上设置有刻度线，刻度线用于确定支撑螺柱的位置。

5.根据权利要求2所述的形成模拟装置，其特征在于，每个传力螺栓与支撑螺柱上均配置有单向卡扣。