模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，两个侧板的底部均固定在固定边界上，且与顶板、底板均紧密接触；水箱底面固定在固定边界上，水箱的两端与两个侧板刚性连接；顶板两端与侧板紧密接触，顶板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；底板两端与侧板紧密接触，底板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；油缸A和油缸B分别设置于顶板的左、右两端；底板底面与水箱顶面由钢性弹簧连接，两个侧板前、后边缘上均开设有对称的螺孔，有机玻璃通过螺钉将与侧板固定连接；同时公开了模拟试验方法。本发明专利技术中的装置结构设计新颖、组装方便，模拟试验过程操作简单，可视化程度高，可一次性完成多种可视化模拟试验过程。

Physical Test Device and Method for Simulating Deep Fault Formation, Fault Activation and Fault Water Inrush

The invention discloses a physical test device for simulating deep fault formation, fault activation and fault water inrush, in which the bottom of two side plates are fixed on a fixed boundary and are in close contact with the roof and floor, the bottom of the water tank is fixed on a fixed boundary, the two ends of the water tank are rigidly connected with two side plates, the two ends of the roof are in close contact with the side plates, and the opening of the roof through has multiple moments. The bottom plate is connected with the top of the water tank by a steel spring, and the front and back edges of the two side plates are provided with symmetrical screw holes, through which the plexiglass is fixed to the side plate. Simulated test methods are also disclosed. The device in the invention has novel structure design, convenient assembly, simple operation of simulation test process and high visualization degree, and can complete various visualization simulation test processes at one time.

【技术实现步骤摘要】
模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置及方法
本专利技术涉及煤矿地下开采物理模拟试验
，尤其涉及一种模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置及方法。
技术介绍
随着我国矿井开采向深部发展，深部断层活化引起的动力灾害越来越频繁，80％的底板突水事故与断层有关。然而，煤矿地下开采的地质条件具有复杂性，且受目前科研技术的限制，很难在现场条件下研究断层活化突水的机理。因此，为了揭示深部断层活化突水机理，为煤层实际开采中断层活化突水的预测、预报及评价做参考，开发一种符合实际且可模拟深部断层活化突水的室内物理试验装置显得尤为重要。目前，关于底板突水的室内物理模拟设备已有很多，但关于断层活化突水的模拟设备则较少。为了研究断层活化突水机理，目前对断层活化的模拟试验大多是通过人工错层铺设来实现的，这与实际情况多有不符。首先，其违背了实际断层形成的力学机制，断层的形成是在地应力作用下发生了层间错位，为一力学作用下的动态过程，并不是将相似材料错层铺设的静力状态；其次，目前断层落差、倾角的物理模拟也是通过人为错层铺设一定的高差和倾斜角度实现的，这也不符合实际断层落差、倾角形成的力学机制；最后，断层活化突水是一个断层在采动影响下发生失稳、滑移，进而导通含水层的过程，物理模拟试验应同时满足水压、矿压联合作用的要求，并可实现断层活化的动态模拟过程，现场断层活化难以观测，为揭示断层活化过程，模拟试验设备应具有监测的可视化与数据化。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置及方法。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，包括：两个侧板，两个所述侧板的底部均固定在固定边界上，且与顶板、底板均紧密接触；水箱，其底面固定在固定边界上，水箱的两端与两个侧板刚性连接；顶板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述顶板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；底板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述底板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；油缸A和油缸B，分别设置于顶板的左、右两端，油缸A和油缸B均可伸缩；有机玻璃，两个侧板前、后边缘上均开设有对称的螺孔，有机玻璃通过螺钉将与侧板固定连接。进一步地，所述底板上设置的矩形连接孔和切割缝数量多于顶板上设置的矩形连接孔和切割缝数量。进一步地，所述矩形连接孔中均可插入矩形钢条。进一步地，底板上相邻的两块组合板之间均通过矩形钢条实现组合连接，且每块组合板的底面上均设有刚性弹簧。进一步地，水箱的顶面上还设有多个可关闭和打开的出水螺孔，成排的钢性弹簧的底部与水箱顶面固定连接。进一步地，所述底板上设有出水孔，水箱内的水可以通过出水孔流入铺设好的岩层。进一步地，所述底板的上表面还设有监测含水层水压的水压力传感器。模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的模拟试验方法，采用上述试验装置，模拟过程包括：(1)铺设岩层在模拟试验台的底板上依次铺设多个岩层，矩形钢条均插入底板与顶板的连接孔中，铺设的岩层间布设应力传感器，在岩层的表面横向与竖向打线；另外，铺设岩层前，事先将水箱上的出水螺孔打开，并在底板的上表面铺设一张塑料网，在塑料网上铺设一定厚度的碎石子，铺设完成后，在试验台的前、后方安装有机玻璃，完成岩层铺设过程；(2)模拟施加初始地应力岩层铺设完成后，对铺设的岩层施加地应力，通过位移控制或压力控制油缸A和油缸B同步进行垂直方向上的加载，刚性弹簧处于压缩状态，实现初始地应力的施加；(3)模拟不同落差、不同倾角的断层施加初始地应力完成后，根据模拟方案对断层倾角的要求，分别拔出顶板和底板连接孔中的矩形钢条各一根，底板、顶板分为左右两部分；控制油缸A、B进行非同步加载，铺设的岩层将会沿顶板、底板打开连接孔的连线形成断层，实现不同落差断层形成过程的模拟；通过拔出顶、底板不同相对位置连接孔中的矩形钢条，实现不同倾角断层形成过程的模拟；(4)模拟含水层水压断层形成之后，保持油缸A、B的状态不变，在底板岩层和含水层对应的有机玻璃交界处涂抹密封胶，防止水从有机玻璃的交界处渗出；然后，通过控制系统在水箱内部施加水压力，水体将会依次通过水箱的出水螺孔、钢性弹簧、底板上的出水孔，进入岩层最底部铺设的碎石层中，与碎石体共同形成流固耦合的含水层；控制水箱内加载的水压力，使得水压力传感器显示的水压等于含水层水压，完成含水层水压施加模拟过程；(5)模拟采动突水施加含水层水压后，打开上盘煤层或下盘煤层相对应的有机玻璃进行逐次煤层开挖，开挖一次完成后，及时将有机玻璃装上，使处于三维封闭状态进行观测；重复该过程，进行煤层开挖。进一步地，步骤(2)施加初始地应力过程中，水箱中不加水。进一步地，步骤(5)煤层开挖过程中，控制水箱中的水压，保证底板上表面压力传感器的值与含水层水压值一致。本专利技术的有益效果是，装置设计新颖、操作便捷，可视化程度高，一次性完成以下多种可视化模拟试验：(1)可实现实际断层形成全过程的可视化模拟；(2)可实现不同落差、不同倾角断层形成全过程的可视化模拟；(3)可实现不同深度条件下初始地应力的模拟试验；(4)可实现断层活化全过程的可视化模拟；(5)可实现采动断层活化突水全过程的可视化模拟；(6)可实现不同含水层水压条件下底板突水(含断层或不含断层)可视化模拟。附图说明图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术中的顶板结构示意图；图3为本专利技术中的矩形钢条结构示意图；图4为本专利技术中的水箱结构示意图；图5为本专利技术中的底板结构示意图；图6为本专利技术岩层铺设完成结构示意图；图7为本专利技术施加初始地应力结构示意图；图8为本专利技术断层形成结构示意图；图9为本专利技术施加含水层水压结构示意图；图10为本专利技术煤层开挖完成结构示意图；其中，1-侧板；2-顶板；3-底板；4-水箱；5-固定边界；6-刚性弹簧；7-连接孔；8-螺钉；9-有机玻璃；10-油缸A；11-油缸B；12-矩形钢条；13-切割缝；14-出水螺孔；15-出水孔；16-水压力传感器；17-顶板岩层；18-开采煤层；19-底板岩层；20-含水层；21-上盘煤层；22-下盘煤层。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，包括：两个侧板1，两个侧板1的底部均固定在固定边界5上，且与顶板2、底板3均紧密接触；水箱4，其底面固定在固定边界5上，水箱4的两端与两个侧板1刚性连接，水箱4内部施加水压；顶板2，如图2、图3所示，为组合板式结构，其两端与侧板1紧密接触，顶板2上贯通的开设有五个矩形连接孔7和切割缝13，实现顶板2的整体连接与部分断开，这样就可实现顶板2配合油缸A10、油缸B11的伸缩控制，从而实现对铺设的岩层进行垂向加载，如位移或压力控制下的整体同步加载或左、右两部分单个加载；底板3，如图3、图5所示，为组合板式结构，其两端与侧板1紧密接触，底板3上贯通的开设有七个矩形连接孔7和切本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，包括：两个侧板，两个所述侧板的底部均固定在固定边界上，且与顶板、底板均紧密接触；水箱，其底面固定在固定边界上，水箱的两端与两个侧板刚性连接；顶板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述顶板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；底板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述底板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；油缸A和油缸B，分别设置于顶板的左、右两端，油缸A和油缸B均可伸缩；有机玻璃，两个侧板前、后边缘上均开设有对称的螺孔，有机玻璃通过螺钉将与侧板固定连接。

【技术特征摘要】
1.模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，包括：两个侧板，两个所述侧板的底部均固定在固定边界上，且与顶板、底板均紧密接触；水箱，其底面固定在固定边界上，水箱的两端与两个侧板刚性连接；顶板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述顶板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；底板，为组合板式结构，其两端与侧板紧密接触，所述底板上贯通的开设有多个矩形连接孔和切割缝；油缸A和油缸B，分别设置于顶板的左、右两端，油缸A和油缸B均可伸缩；有机玻璃，两个侧板前、后边缘上均开设有对称的螺孔，有机玻璃通过螺钉将与侧板固定连接。2.如权利要求1所述的模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，所述底板上设置的矩形连接孔和切割缝数量多于顶板上设置的矩形连接孔和切割缝数量。3.如权利要求2所述的模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，所述矩形连接孔中均可插入矩形钢条。4.如权利要求2所述的模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，底板上相邻的两块组合板之间均通过矩形钢条实现组合连接，且每块组合板的底面上均设有刚性弹簧。5.如权利要求4所述的模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，水箱的顶面上还设有多个可关闭和打开的出水螺孔，成排的钢性弹簧的底部与水箱顶面固定连接。6.如权利要求4所述的模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，所述底板上设有出水孔，水箱内的水可以通过出水孔流入铺设好的岩层。7.如权利要求6所述的模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的物理试验装置，其特征在于，所述底板的上表面还设有监测含水层水压的水压力传感器。8.模拟深部断层形成、断层活化和断层突水的模拟试验方法，采用权利要求1-7任一所述的试验装置，其特征在于，模拟过程包括：(1)铺设岩层在模拟试验台的底板上依次铺设多个岩层，矩形钢条均插入底板与顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：马凯，尹立明，陈军涛，王昌祥，杨帆，李明，王自起，崔博强，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37