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CN110006757A - 煤系断层形成模拟试验装置及正、逆断层模拟试验方法 - Google Patents

煤系断层形成模拟试验装置及正、逆断层模拟试验方法 Download PDF

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CN110006757A CN201910274040.8A CN201910274040A CN110006757A CN 110006757 A CN110006757 A CN 110006757A CN 201910274040 A CN201910274040 A CN 201910274040A CN 110006757 A CN110006757 A CN 110006757A
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Abstract

一种煤系断层形成模拟试验装置及正、逆断层模拟试验方法，涉及相似材料模拟试验技术领域，包括液压升降装置、下角度调整装置、推杆装置、上部加载装置、上角度调整装置、侧向加载装置和透明侧板，液压升降装置和角度调整机构设置在实验体下方，上部加载装置和上角度调整装置设置在实验体上方，透明侧板设置在实验体的后侧面，侧向加载装置设置在实验体的端面。利用该装置模拟正断层时，下角度调整装置的倾斜板和上角度调整装置的倾斜推板的倾角相同，上部加载系统向下加载，形成正断层；模拟逆断层时在实验体的底部设置断层诱发装置，通过侧向加载装置加载形成逆断层。本发明解决了模拟断层的断层倾角和起裂位置控制不方便的技术问题。

Description

煤系断层形成模拟试验装置及正、逆断层模拟试验方法
技术领域
本发明涉及相似材料模拟试验技术领域，尤其是一种煤系断层形成用的室内模拟试验装置，以及利用该装置进行正、逆断层模拟试验的方法。
背景技术
构造物理模拟实验是研究地质构造的一种重要而且有效的方法，是地质工作者研究地层变形过程和断层形成机制的重要手段。目前，地质构造模拟中所用的构造模拟实验装置是根据相似性原理，通过运动或力来控制实验模型进行变形实验，模拟或反演断层等地质成因的设备，设备主体多采用砂箱等实验容器，通过在砂箱内铺设多层不同目数的实验材料来模拟构造形成过程，研究地质构造的成因和演化机理，对地质构造的成因进行定性和定量分析。现有的断层形成模拟试验装置只能模拟正断层或逆断层的形成，并且无法实现对断层角度和起裂位置的调整，从而限制了地质工作者采用室内实验的手段来分析实际地质现象。如果每进行一次实验需要更换不同的试验设备，将耗费大量的时间和人力物力，造成了资源和时间的浪费，为此需要对现有的相似材料模拟试验装置作进一步的改进。
发明内容
为解决断层形成模拟试验设备不能同时模拟正断层和逆断层，并控制断层角度及起裂位置的技术问题，本发明提供了一种煤系断层形成模拟试验装置及正、逆断层模拟试验方法，其具体技术方案如下。
一种煤系断层形成模拟试验装置，包括底座、立柱、顶梁和挡板，底座的两端设置有立柱，立柱之间的底座上还设置有挡板，立柱的上端通过顶梁连接，实验体放置在挡板之间，还包括液压升降装置、下角度调整装置、推杆装置、上部加载装置、上角度调整装置、侧向加载装置和透明侧板，液压升降装置设置在底座上，连接底座和实验体；下角度调整装置贴邻液压升降装置设置，推杆装置连接下角度调整装置和立柱；上部加载装置设置在顶梁和上角度调整装置之间，上角度调整装置和挡板的上部相连；侧向加载装置压设在实验体端面上，透明侧板设置在实验体的后侧面上。
优选的是，侧向加载装置包括加载油缸和侧滑板，加载油缸的压头穿过挡板和侧滑板相连，侧滑板压设在实验体的侧端面上。
进一步优选的是，侧滑板和压头之间通过滑轨相连，侧滑板沿压头上下滑动。
还优选的是，液压升降装置包括滑块、液压缸和滑动挡板，实验体放置在滑动挡板上方，滑块沿底座上的滑轨移动，滑块的上方固定有液压缸，液压缸和滑动挡板相连。
还优选的是，下角度调整装置包括倾斜板、伸缩杆和下挡板，下挡板和滑动挡板相邻，倾斜板和下挡板的端部铰接，伸缩杆的两端分别与倾斜板和下挡板铰接。
还优选的是，上角度调整装置包括加压板、倾斜推板、上挡板、角度调节推杆和伸缩推杆，加压板的端部设置有滑轮，角度调节推杆调整倾斜推板的倾斜角度，伸缩推杆的端部固定在挡板上。
一种正断层模拟试验方法，利用上述的一种煤系断层形成模拟试验装置，步骤包括：
A.确定正断层起裂位置，推杆装置推动下挡板的端部移动至起裂位置；
B.确定断层倾角，调整倾斜板和下挡板之间的角度与断层倾角互补；
C.液压升降装置调整液压缸位置和高度将滑动挡板升至和下挡板齐平并接触；
D.确定实验体长度，固定实验体两端的挡板，同时固定实验体后侧面上的透明侧板；
E.从下部至上方逐层固定实验体前方的前挡板，并分层铺设相似材料，并在模拟煤岩层之间逐层铺设应力传感器；
F.安装上角度调整装置，通过调整角度调节推杆使倾斜推板和上挡板之间的夹角等于断层倾角；
G.上部加载装置施加载荷，形成正断层，并观测正断层的形成过程。
一种逆断层模拟试验方法，利用上述的一种煤系断层形成模拟试验装置，步骤包括：
A.液压升降装置调整液压缸位置和高度将滑动挡板升至和下挡板齐平并接触；
B.确定断层倾角和断层起裂位置，在起裂点安装固定断层诱发试验块体；
C.确定实验体的长度，固定实验体两端的挡板，同时固定实验体后侧面上的透明侧板；
D.从下部至上方逐层固定实验体前方的前挡板，并分层铺设相似材料，并在模拟煤岩层之间逐层铺设应力传感器；
E.侧向加载装置施加载荷，形成逆断层，并观测逆断层的形成过程。
进一步优选的是，正断层形成后，拆除模拟煤层和顶底板层位置的前挡板，然后开挖模拟煤层，模拟正断层处的采动致灾机理。
进一步优选的是，断层诱发试验块体的底角等于断层倾角；逆断层形成后，拆除模拟煤层和顶底板层位置的前挡板，然后开挖模拟煤层，模拟逆断层处的采动致灾机理。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供的一种煤系断层形成模拟试验装置，通过液压升降装置、下角度调整装置、推杆装置、上部加载装置、上角度调整装置和侧向加载装置，可以模拟煤系底层中断层的形成过程，通过同一模拟试验装置进行正断层和逆断层的模拟，并且可以利用下角度调整装置和上角度调整装置实现了对断层倾角及断层的位置进行调整。
(2)装置侧向加载装置的加载油缸穿过挡板作用在侧滑板上，能够推动侧滑板运动从而形成逆断层，还通过侧向加载装置的侧滑板和压头通过滑轨相连，从而保证了在断层形成过程中实验体的模拟断层上盘或下盘能上下移动；液压升降装置随滑块沿底座上的滑轨移动，从而可以实时调整加压位置；通过上角度调整装置和下角度调整装置调整至角度一致，从而可以形成特定角度的断层。
(3)利用该装置进行试验的方法，可以再现煤系地层中断层形成过程，并在一个设备完成正逆两种断层的形成模拟试验，操作简便、高效；上、下角度调整装置和断层诱发试验块体能够实现断层倾角和断层起裂位置的灵活调整，解决了断层模拟仅能进行单一构造环境下模拟的实验缺陷；可在断层形成后进行煤层的模拟开采，对研究构造应力下采动致灾机理，以及近断层煤炭安全开采与灾害防治具有重要意义。
附图说明
图1是煤系断层形成模拟试验装置结构示意图；
图2是侧向加载装置机构示意图；
图3是断层诱发试验块体示意图；
图4是模拟正断层形成过程示意图；
图5是模拟逆断层形成过程示意图；
图中：1-底座；2-立柱；3-顶梁；4-挡板；5-液压升降装置；51-滑块；52-液压缸；53-滑动挡板；6-下角度调整装置；61-倾斜板；62-伸缩杆；63-下挡板；7-推杆装置；8-上部加载装置；9-上角度调整装置；91-加压板；92-倾斜推板；93-上挡板；94-角度调节推杆；95-伸缩推杆；10-侧向加载装置；11-加载油缸；12-侧滑板；13-透明侧板；14-实验体；15-断层诱发试验块体。
具体实施方式
结合图1至图5所示，本发明提供的一种煤系断层形成模拟试验装置及正、逆断层模拟试验方法具体实施方式如下。
一种煤系断层形成模拟试验装置具体包括底座1、立柱2、顶梁3和挡板4，其中底座1的两端设置有立柱2，立柱2之间的底座1上还设置有挡板4，立柱2的上端通过顶梁3连接，实验体14放置在挡板4之间。另外试验装置还包括液压升降装置5、下角度调整装置6、推杆装置7、上部加载装置8、上角度调整装置9、侧向加载装置10和透明侧板13。液压升降装置5通过升降以适应正断层形成过程中实验体一侧的高度变化，下角度调整装置6设置呈一定的角度保证断层倾角的一致，推杆装置7用于调整断层的位置，上部加载装置8在正断层形成时进行加载，上角度调整装置9控制实验体上表面的起裂位置及起裂角度，侧向加载装置10方便逆断层的模拟，透明侧板13方便观察断层的形成过程。通过液压升降装置5、下角度调整装置6、推杆装置7、上部加载装置8、上角度调整装置9和侧向加载装置10，可以模拟煤系底层中断层的形成过程，通过同一模拟试验装置进行正断层和逆断层的模拟，并且可以利用下角度调整装置和上角度调整装置实现了对断层倾角及断层的位置进行调整。
其中，液压升降装置5设置在底座1上，其连接底座1和实验体14，控制起裂位置并承载实验体的重量。具体的是，液压升降装置5的结构包括滑块51、液压缸52和滑动挡板53，实验体14放置在滑动挡板53的上方，滑块51沿底座1上的滑轨移动，滑块51的上方固定有液压缸52，液压缸52和滑动挡板53相连滑，滑块51带动液压缸52沿滑轨移动。液压升降装置5随滑块51沿底座1上的滑轨移动，从而可以实时调整加压位置。
下角度调整装置6贴邻液压升降装置5设置，推杆装置7连接下角度调整装置6和立柱2。具体的是下角度调整装置6包括倾斜板61、伸缩杆62和下挡板63，下挡板63和滑动挡板53相邻，倾斜板51和下挡板63的端部铰接，伸缩杆62的两端分别与倾斜板61和下挡板63铰接。推杆装置7连接在下角度调整装置的下挡板63上，下挡板63的一侧卡合在透明侧板13上的凹槽内，推杆装置7伸缩带动下挡板63调整位置。
上部加载装置9设置在顶梁3和上角度调整装置9之间，可以固定在顶梁3上，设置2-3个液压缸，上角度调整装置9和挡板4的上部相连。上角度调整装置9具体包括加压板91、倾斜推板92、上挡板93、角度调节推杆94和伸缩推杆95，加压板91的端部设置有滑轮，滑轮压在倾斜推板92上，倾斜推板92和上挡板93之间铰接，角度调节推杆94调整倾斜推板92的倾斜角度，角度调整推板92通过螺杆伸缩长度改变倾斜推板92和上挡板93之间的角度，伸缩推杆95的端部固定在挡板4上，伸缩推杆95可以通过丝杠机构带动上挡板运动。通过上角度调整装置9和下角度调整装置6调整至角度一致，从而可以形成特定角度的断层。
侧向加载装置10压设在实验体14端面上，透明侧板13设置在实验体14的后侧面上。侧向加载装置10包括加载油缸11和侧滑板12，加载油缸11的压头穿过挡板4和侧滑板12相连，侧滑板12压设在实验体14的侧端面上。侧滑板12和压头之间通过滑轨相连，侧滑板12沿压头上下滑动，保证断层形成后上盘或下盘的运动。侧向加载装置10的加载油缸11穿过挡板作用在侧滑板12上，能够推动侧滑板12运动从而形成逆断层，还通过侧向加载装置10的侧滑板12和压头通过滑轨相连，从而保证了在断层形成过程中实验体的模拟断层上盘或下盘能上下移动。
为进一步的说明煤系断层形成模拟试验装置的结构及使用方法，公开一种正断层模拟的试验方法和逆断层模拟试验的方法。
一种正断层模拟试验方法，利用上述的一种煤系断层形成模拟试验装置进行试验，装置包括底座1、立柱2、顶梁3和挡板4，以及液压升降装置5、下角度调整装置6、推杆装置7、上部加载装置8、上角度调整装置9、侧向加载装置10和透明侧板13，底座1的两端设置有立柱2，立柱2之间的底座上还设置有挡板4，立柱2的上端通过顶梁连接，实验体放置在挡板4之间，液压升降装置5设置在底座1上，连接底座1和实验体14；下角度调整装置6贴邻液压升降装置5设置，推杆装置7连接下角度调整装置6和立柱2；上部加载装置8设置在顶梁和上角度调整装置9之间，上角度调整装置9和挡板4的上部相连；侧向加载装置10压设在实验体14端面上，透明侧板13设置在实验体的后侧面上。
具体的试验步骤包括：
A.确定正断层起裂位置，推杆装置推动下挡板的端部移动至起裂位置。
B.确定断层倾角，调整倾斜板和下挡板之间的角度与断层倾角互补。
C.液压升降装置调整液压缸位置和高度将滑动挡板升至和下挡板齐平并接触。
D.确定实验体长度，固定实验体两端的挡板，同时固定实验体后侧面上的透明侧板。
E.从下部至上方逐层固定实验体前方的前挡板，分层铺设相似材料，并在模拟煤岩层之间逐层铺设应力传感器，尤其是在断层附近，以及模拟煤层及顶底板层位置密集铺设应力传感器。
F.安装上角度调整装置，通过调整角度调节推杆使倾斜推板和上挡板之间的夹角等于断层倾角。
G.上部加载装置施加载荷，形成正断层，并观测正断层的形成过程。
在正断层形成后，拆除模拟煤层和顶底板层位置的前挡板，然后开挖模拟煤层，模拟正断层处的采动致灾机理。
一种逆断层模拟试验方法，利用上述的一种煤系断层形成模拟试验装置，装置包括底座1、立柱2、顶梁3和挡板4，以及液压升降装置5、下角度调整装置6、推杆装置7、断层诱发试验块体15、侧向加载装置10和透明侧板13，底座1的两端设置有立柱2，立柱2之间的底座1上还设置有挡板4，立柱2的上端通过顶梁3连接，实验体放置在挡板4之间，液压升降装置5设置在底座1上，连接底座1和实验体14；下角度调整装置6贴邻液压升降装置设置5，推杆装置7连接下角度调整装置6和立柱2；断层诱发试验块体15设置在下角度调整装置6之上，侧向加载装置10压设在实验体14端面上，透明侧板13设置在实验体14的后侧面上。
具体的试验步骤包括：
A.液压升降装置调整液压缸位置和高度将滑动挡板升至和下挡板齐平并接触。
B.确定断层倾角和断层起裂位置，在起裂点安装固定断层诱发试验块体。
C.确定实验体的长度，固定实验体两端的挡板，同时固定实验体后侧面上的透明侧板。
D.从下部至上方逐层固定实验体前方的前挡板，分层铺设相似材料，并在模拟煤岩层之间逐层铺设应力传感器，尤其是在断层附近，以及模拟煤层及顶底板层位置密集铺设应力传感器。
E.侧向加载装置施加载荷，形成逆断层，并观测逆断层的形成过程。
其中，断层诱发试验块体的底角等于断层倾角，断层诱发试验块体呈三棱柱状，长度和实验体的宽度相等，并且可以设置多个底角不同的断层诱发试验块体，制作相应的倾角断层时需要更换该块体。逆断层形成后，拆除模拟煤层和顶底板层位置的前挡板，然后开挖模拟煤层，模拟逆断层处开采扰动诱发地质灾害的致灾机理。
上述试验的方法，可以再现煤系地层中断层形成过程，并在一个设备完成正逆两种断层的形成模拟试验，操作简便、高效；上、下角度调整装置和断层诱发试验块体能够实现断层倾角和断层起裂位置的灵活调整，解决了断层模拟仅能进行单一构造环境下模拟的实验缺陷；可在断层形成后进行煤层的模拟开采，对研究构造应力下采动致灾机理，以及近断层煤炭安全开采与灾害防治具有重要意义。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种煤系断层形成模拟试验装置，包括底座、立柱、顶梁和挡板，底座的两端设置有立柱，立柱之间的底座上还设置有挡板，立柱的上端通过顶梁连接，实验体放置在挡板之间，其特征在于，还包括液压升降装置、下角度调整装置、推杆装置、上部加载装置、上角度调整装置、侧向加载装置和透明侧板，所述液压升降装置设置在底座上，连接底座和实验体；所述下角度调整装置贴邻液压升降装置设置，推杆装置连接下角度调整装置和立柱；所述上部加载装置设置在顶梁和上角度调整装置之间，上角度调整装置和挡板的上部相连；所述侧向加载装置压设在实验体端面上，所述透明侧板设置在实验体的后侧面上。
2.根据权利要求1所述的一种煤系断层形成模拟试验装置，其特征在于，所述侧向加载装置包括加载油缸和侧滑板，所述加载油缸的压头穿过挡板和侧滑板相连，侧滑板压设在实验体的侧端面上。
3.根据权利要求2所述的一种煤系断层形成模拟试验装置，其特征在于，所述侧滑板和压头之间通过滑轨相连，所述侧滑板沿压头上下滑动。
4.根据权利要求1所述的一种煤系断层形成模拟试验装置，其特征在于，所述液压升降装置包括滑块、液压缸和滑动挡板，实验体放置在滑动挡板上方，滑块沿底座上的滑轨移动，滑块的上方固定有液压缸，液压缸和滑动挡板相连。
5.根据权利要求4所述的一种煤系断层形成模拟试验装置，其特征在于，所述下角度调整装置包括倾斜板、伸缩杆和下挡板，所述下挡板和滑动挡板相邻，倾斜板和下挡板的端部铰接，伸缩杆的两端分别与倾斜板和下挡板铰接。
6.根据权利要求1所述的一种煤系断层形成模拟试验装置，其特征在于，所述上角度调整装置包括加压板、倾斜推板、上挡板、角度调节推杆和伸缩推杆，所述加压板的端部设置有滑轮，角度调节推杆调整倾斜推板的倾斜角度，伸缩推杆的端部固定在挡板上。
7.一种正断层模拟试验方法，利用权利要求1至6任一项所述的一种煤系断层形成模拟试验装置，其特征在于，步骤包括：
A.确定正断层起裂位置，推杆装置推动下挡板的端部移动至起裂位置；
B.确定断层倾角，调整倾斜板和下挡板之间的角度与断层倾角互补；
C.液压升降装置调整液压缸位置和高度将滑动挡板升至和下挡板齐平并接触；
D.确定实验体长度，固定实验体两端的挡板，同时固定实验体后侧面上的透明侧板；
E.从下部至上方逐层固定实验体前方的前挡板，并分层铺设相似材料，并在模拟煤岩层之间逐层铺设应力传感器；
F.安装上角度调整装置，通过调整角度调节推杆使倾斜推板和上挡板之间的夹角等于断层倾角；
G.上部加载装置施加载荷，形成正断层，并观测正断层的形成过程。
8.一种逆断层模拟试验方法，利用权利要求1至6任一项所述的一种煤系断层形成模拟试验装置，其特征在于，步骤包括：
A.液压升降装置调整液压缸位置和高度将滑动挡板升至和下挡板齐平并接触；
B.确定断层倾角和断层起裂位置，在起裂点安装固定断层诱发试验块体；
C.确定实验体的长度，固定实验体两端的挡板，同时固定实验体后侧面上的透明侧板；
D.从下部至上方逐层固定实验体前方的前挡板，并分层铺设相似材料，并在模拟煤岩层之间逐层铺设应力传感器；
E.侧向加载装置施加载荷，形成逆断层，并观测逆断层的形成过程。
9.根据权利要求7所述的一种正断层模拟试验方法，其特征在于，所述正断层形成后，拆除模拟煤层和顶底板层位置的前挡板，然后开挖模拟煤层，模拟正断层处的采动致灾机理。
10.根据权利要求8所述的一种逆断层模拟试验方法，其特征在于，所述断层诱发试验块体的底角等于断层倾角；所述逆断层形成后，拆除模拟煤层和顶底板层位置的前挡板，然后开挖模拟煤层，模拟逆断层处的采动致灾机理。
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