一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台制造技术

本发明专利技术公开了一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，包括震源部分、地层介质部分以及监测分析部分；震源部分包括点震源、线震源以及面震源，地层介质部分用于模拟点震源、线震源以及面震源实现点、线以及面接触，监测分析部分用于监测点、线以及面接触产生的震动数据并用于进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。本发明专利技术的“可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台”可以模拟和监测不同震源形式及其能量衰减规律。平台主要由“地层传播介质模拟装置”、“震源形式和能量变换装置”及“其辅助控制系统和震动监测采集设备”等3部分组成，三部分系统即相互独立又能够组成系统，在系统制备、组装和维护等方面均有优势。

An experimental platform for the study of seismic cross layer propagation with variable source form and energy

【技术实现步骤摘要】
一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台
本专利技术涉及巨厚硬岩矿井开采地面损害评估预测
，尤其涉及一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台。
技术介绍
随着浅埋煤炭资源不断枯竭和开采强度及深度逐渐增加，矿震等矿井动力灾害频发，仍是煤炭开采领域面临的主要问题之一，受到了国内外政府部门、生产单位和科研人员持续关注。截止2019年底，我国报道的矿震或冲击地压矿井数量接近190座。矿震发生与采场上覆厚硬关键层运动状态关系密切，厚硬关键层断裂及其覆岩空间结构失稳均会引起不同强度的矿震。我国山东、河南、安徽和内蒙古等地区均有巨厚硬岩(或称为巨厚岩层)分布，巨厚硬岩具有厚度大(单层厚度几十米甚至上百米)、强度高、整体性好和距离煤层远等特点，采场上覆巨厚硬岩瞬间失稳所形成的矿震称之为“巨厚硬岩断裂型矿震”，巨厚硬岩断裂型矿震通常具有“断裂尺度大”(震源不能简单视为“点震源”或“球型震源”)、“释放能量高”(通常震源能级超过105J)和“震动传播距离远”等特点，此类矿震的震动影响范围能够达到上千米甚至更远，因此，巨厚硬岩矿井存在2类典型动力灾害形式：井下冲击地压和地面震动损害。我国多个地(矿)区发生和报道了矿震新闻或事故，随着巨厚硬岩矿井开采规模和强度的不断增加，一方面，开采形成巨厚硬岩悬顶结构的时间更短、范围更大，另一方面，开采扰动造成老采空区边界煤岩体失稳，可能引起老空区巨厚硬岩断裂失稳，预计未来一段时间内我国强矿震发生的频次和程度必将呈爆发式增长态势，强矿震除了可能诱发井下冲击地压等灾害之外，还对地面建(构)筑物安全构成潜在威胁，给矿区居民造成了心理“恐慌”，矿震已由采矿安全问题逐步演化成公共安全问题，成为影响矿井安全生产和制约矿区和谐发展的瓶颈问题，以兖矿东滩煤矿为例，六采区巨厚红层超过100m、距3煤约450m，6303工作面推采过程中，2019年1月2日、8日、19日、24日和29日连续发生了2.41、2.12、2.23、2.21、2.36级强矿震，造成矿区及周边区域地面“强烈震感”，引起了山东省政府、邹城市政府和当地居民的担忧和恐慌，矿井也因此被迫停产分析，虽没有造成地面严重损害，但类似的矿震地面震动损害预测问题迫切需要研究。针对矿震引起地面(震动)损害预测方面，专门的研究方法和成果还不系统，特别是巨厚硬岩断裂引起地面震动损害的预测理论和方法。当前开采地面损害预测还是以地表沉降、岩层移动规律等理论和方法为基础，主要是上个世纪早期研究成果，注重开采覆岩缓慢性沉降与移动的特征，由地表沉降和岩层移动等造成“地面移动损害”具有“迟滞性”特点，未充分考虑巨厚硬岩瞬间断裂诱发的强矿震对地面“震动损坏”影响(强矿震对地面的震动损害具有“瞬时性”特点)，开采地面损害预测必须同时考虑上述两方面因素。相关实验室已开展了“爆破模拟诱发矿震”等试验，即通过在地层介质中装药爆破和布置震动监测，模拟矿震的震动传播和分析震动损害效应，此类试验方案不适用于本项目研究或存在一定的不足：①具有一定的爆破安全性问题；②介于国家对爆破器材和火工产品的管制，采用爆破试验具有一定的难度；③模拟地层经爆破后发生介质损伤和性质改变，重复性试验效果差和无法完成对比分析；④该类试验方法适用于“点震源”分析，无法实现“线震源”和“面震源”震源模型。基于此，现急需一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，通过“地层传播介质模拟装置”、“震源形式和能量变换装置”及“其辅助控制系统和震动监测采集设备”，模拟和监测不同震源形式及其能量衰减规律。上述内容仅用于辅助理解本专利技术的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供了一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，通过“地层传播介质模拟装置”、“震源形式和能量变换装置”及“其辅助控制系统和震动监测采集设备”，模拟和监测不同震源形式及其能量衰减规律。为实现上述目的，本专利技术提供了一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，包括震源部分、地层介质部分以及监测分析部分；所述震源部分包括点震源、线震源以及面震源，所述地层介质部分用于模拟点震源、线震源以及面震源实现点、线以及面接触，所述监测分析部分用于监测点、线以及面接触产生的震动数据并用于进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。优选的，还包括震源控制部分，所述震源控制部分用于改变点震源、线震源以及面震源的位置，所述位置包括竖直高度以及距离地层介质部分的横向以及纵向距离。优选的，所述震源控制部分具体包括震源能量变化支架、可移动纵向固定支架、升降钢丝绳以及轻型滑轮装置，所述可移动纵向固定支架滑动安装于所述地层介质部分的框架上用于实现改变横向距离，所述可移动纵向固定支架上设有若干固定孔，所述震源能量变化支架的底部通过某个固定孔竖直安装固定在所述可移动纵向固定支架上，所述震源能量变化支架沿高度方向上设有若干高度调节孔，在设定高度的所述高度调节孔内通过升降钢丝绳连接轻型滑轮装置，轻型滑轮装置下端连接点震源、线震源以及面震源。优选的，还包括可移动电磁控制调节阀，所述可移动电磁控制调节阀用于控制升降钢丝绳实现微调节。优选的，所述地层介质部分具体包括试验平台框架结构、相似模拟的介质墙体，所述相似模拟的介质墙体安装于试验平台框架结构内。优选的，所述相似模拟的介质墙体为通过相似材料模拟试验配比的方法，按照实际地层的高度和试验平台的尺寸进行配比，并按照“倒序”顺序从下而上铺设形成。优选的，所述监测分析部分包括高灵敏三维震动传感器、震动数据采集存储设备以及数据分析处理主机，所述高灵敏三维震动传感器安装于地层介质部分的震动监测安装点上用于收集震动数据，所述震动数据采集存储设备与高灵敏三维震动传感器相连用于存储采集数据，所述数据分析处理主机与震动数据采集存储设备相连接收震动数据，所述数据分析处理主机通过分析震动数据来进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。优选的，所述点震源、线震源以及面震源分别为球型落体、窄面平面型落体以及宽面长条型落体。优选的，所述地层介质部分的表面光滑。优选的，所述点震源模型公式为：Ur为震动波传播一定距离后的能量；U为震源总能量；r为震动波传播空间距离；λ为与地层介质等有关的衰减常数，一般情况λ＞1；所述线震源模型公式为：假定厚硬岩层破断裂长度(水平断裂尺度)为b，总能量U沿破断线均匀分布，无限分割的微小震源dU＝(U/b)dy在P点仍满足“点震源”衰减规律全长b范围“线震源”在P点的震动衰减，为所有微小点震源dU＝(U/b)dy震动效应的叠加，即求解dUr从y＝-b/2到y＝b/2的定积分，总能量不变的等效“线震源”传播衰减理论表达为X、Y为考察点在考察面上距离对应坐标的垂直距离；所述面震源模型公式为：假定厚硬岩层破裂面尺度为S(破裂面近似为矩形，长度和高度为a、b)，总能量U沿破裂面均匀分布，无限分割的微小震源dU＝(U/S)dS在P点仍满足“点震源”衰减规律本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，包括震源部分、地层介质部分以及监测分析部分；所述震源部分包括点震源、线震源以及面震源，所述地层介质部分用于模拟点震源、线震源以及面震源实现点、线以及面接触，所述监测分析部分用于监测点、线以及面接触产生的震动数据并用于进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，包括震源部分、地层介质部分以及监测分析部分；所述震源部分包括点震源、线震源以及面震源，所述地层介质部分用于模拟点震源、线震源以及面震源实现点、线以及面接触，所述监测分析部分用于监测点、线以及面接触产生的震动数据并用于进行强矿震对地面的震动损害预测和分析。


2.如权利要求1所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，还包括震源控制部分，所述震源控制部分用于改变点震源、线震源以及面震源的位置，所述位置包括竖直高度以及距离地层介质部分的横向以及纵向距离。


3.如权利要求2所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述震源控制部分具体包括震源能量变化支架、可移动纵向固定支架、升降钢丝绳以及轻型滑轮装置，所述可移动纵向固定支架滑动安装于所述地层介质部分的框架上用于实现改变横向距离，所述可移动纵向固定支架上设有若干固定孔，所述震源能量变化支架的底部通过某个固定孔竖直安装固定在所述可移动纵向固定支架上，所述震源能量变化支架沿高度方向上设有若干高度调节孔，在设定高度的所述高度调节孔内通过升降钢丝绳连接轻型滑轮装置，轻型滑轮装置下端连接点震源、线震源以及面震源。


4.如权利要求3所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，还包括可移动电磁控制调节阀，所述可移动电磁控制调节阀用于控制升降钢丝绳实现微调节。


5.如权利要求1所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述地层介质部分具体包括试验平台框架结构、相似模拟的介质墙体，所述相似模拟的介质墙体安装于试验平台框架结构内。


6.如权利要求5所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述相似模拟的介质墙体为通过相似材料模拟试验配比的方法，按照实际地层的高度和试验平台的尺寸进行配比，并按照“倒序”顺序从下而上铺设形成。


7.如权利要求1所述的可变震源形式+能量的震动穿层传播研究试验平台，其特征在于，所述监测分析部分包括高...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明，王磊，胡浩，陈广尧，刘超，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34