構(gòu)造應(yīng)力場模擬試驗裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種巖層地質(zhì)構(gòu)造形成演化的試驗裝置及方法，是通過模擬實驗來仿 真地質(zhì)構(gòu)造演化過程中應(yīng)力場變化的實驗儀器，尤其用于模擬研究斷層和褶曲形成過程中 應(yīng)力場的演化特征。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人類采礦等地下工程的日益發(fā)展，斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造對地下生產(chǎn)活動的 進一步發(fā)展帶來巨大阻礙并造成嚴重安全事故。因此，充分了解地下構(gòu)造衍生規(guī)律及應(yīng)力 場分布成為地下工程安全科學(xué)生產(chǎn)的當(dāng)務(wù)之急。然而，現(xiàn)階段對地質(zhì)構(gòu)造的研究手段仍然 停留在傳統(tǒng)技術(shù)層面，如鉆孔觀測、地質(zhì)勘探等，不僅操作復(fù)雜，誤差較大，耗時過長，而且 花費巨大人力物力。盡管如此，卻仍無法獲取不同地質(zhì)構(gòu)造形成過程中構(gòu)造應(yīng)力場演化規(guī) 律，無法滿足現(xiàn)階段生產(chǎn)科研需求。因此，研究可以分析地質(zhì)構(gòu)造及構(gòu)造應(yīng)力場的新裝置及 新方法成為地質(zhì)行業(yè)和科研工作者學(xué)術(shù)課題的重中之重。
[0003] 現(xiàn)有科學(xué)理論已充分表明構(gòu)造運動來源于地殼運動。關(guān)于地殼運動的動力來源問 題，有地殼收縮臺槽說、海底擴張說、地殼板塊運動說，以及我國李四光等學(xué)者的地質(zhì)力學(xué) 及巖漿活動隆起和侵入說等各種學(xué)派和學(xué)說。這些學(xué)說就推動力的方向而言，都承認垂直 地表（垂直方向上的推力）和平行地表（平行方向推力）兩個方向驅(qū)動力。垂直方向的推 動力形成的構(gòu)造多是簡單的隆起和單一的背斜構(gòu)造，該部分巖層中常有很高的垂直壓應(yīng)力 以及水平應(yīng)力，儲存有較大彈性勢能，斷層的出現(xiàn)能有效解除垂直構(gòu)造應(yīng)力。水平方向推動 為主的構(gòu)造多是背斜、向斜交錯的波浪形，其中構(gòu)造各部分受力狀態(tài)差異較大，水平應(yīng)力主 要集中在向斜構(gòu)造、背斜構(gòu)造內(nèi)邊緣波谷和波峰部位。同時，在褶曲位置將存在較多彈性能 和殘余應(yīng)力。因此，模擬地質(zhì)構(gòu)造的重點在于如何有效加載垂直以及水平推動力。對于現(xiàn) 在已有的地質(zhì)構(gòu)造模擬試驗臺，多數(shù)只能模擬垂直構(gòu)造應(yīng)力，局限于模擬斷層，且多為固定 尺寸和傾角的模擬，只能實現(xiàn)單一運動的控制方式，無法實現(xiàn)多個區(qū)域同時運動。對于水平 構(gòu)造運動的模擬，方法理論不成熟，實驗裝置不完善，靈活性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種構(gòu)造應(yīng)力場模擬試驗裝置及方法，該試驗裝置運用了 柔性囊體（水囊）結(jié)構(gòu)及構(gòu)造光滑板組件，可以模擬任意情況下的垂直構(gòu)造應(yīng)力為動力源 的地質(zhì)構(gòu)造（斷層、褶曲等）演化過程，同時本發(fā)明的側(cè)向加載系統(tǒng)及受壓材料的有效處 理，可以模擬水平構(gòu)造應(yīng)力為動力源的地質(zhì)構(gòu)造演化過程及不同應(yīng)力水平下對地質(zhì)構(gòu)造形 成過程的影響。
[0005] 其技術(shù)解決方案包括：
[0006] -種斷層構(gòu)造應(yīng)力場模擬試驗裝置，其包括模擬試驗臺、位于試驗臺頂部的加載 模塊、側(cè)向的加載系統(tǒng)及控制臺，所述模擬試驗臺包括長方體框架和擋板，所述擋板安裝在 所述長方體框架的外圍，所述框架內(nèi)鋪設(shè)有模型，所述加載模塊用于對模型施加垂直應(yīng)力， 所述加載系統(tǒng)用于對所述模型施加水平應(yīng)力，所述模型是由若干層相似材料依次鋪設(shè)而成 的，在底層相似材料和其上層相似材料之間設(shè)置有水囊和光滑板組件，所述光滑板組件包 括至少兩塊光滑板和使所述光滑板相對移動的卡槽部，所述水囊鋪設(shè)在所述光滑板的下 方，在位于光滑板上方的相似材料層內(nèi)預(yù)設(shè)有用于模擬斷裂層的至少一個隔板，所述隔板 與水囊在水平方向上呈一定的夾角。
[0007] 上述技術(shù)方案所帶來的直接有益技術(shù)效果是：
[0008] 采用本發(fā)明裝置可以實現(xiàn)對斷層（單一、組合）的動態(tài)模擬，既可以定量控制垂直 地質(zhì)構(gòu)造演化變形速率，又可以定量控制水平地質(zhì)構(gòu)造演化變形速率，同時可以實時監(jiān)測 地質(zhì)構(gòu)造形成過程中應(yīng)力場的變化特征，水囊具有良好的柔韌性，通過施加壓力和控制光 滑板可以模擬任意傾角的地質(zhì)構(gòu)造形成過程，解決了對固體施加力不均甚至難施加力的困 擾。
[0009] 作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，上述每層相似材料的軸部均鋪設(shè)有光纖傳感器。
[0010] 上述技術(shù)方案所帶來的直接有益技術(shù)效果是：
[0011] 在每層相似材料的軸部鋪設(shè)光纖傳感器，可以靈敏的記錄地質(zhì)構(gòu)造演化過程中應(yīng) 力場的變化，這一精確改進，對于分析地質(zhì)構(gòu)造演化過程中應(yīng)力場分布變化特征、分析誘發(fā) 地質(zhì)災(zāi)害的力源基礎(chǔ)具有現(xiàn)實意義。
[0012] -種斷層構(gòu)造應(yīng)力場模擬試驗裝置的模擬方法，所述斷層包括正斷層或逆斷層， 所述方法包括以下步驟：
[0013] 第一步、按照實際各巖層強度及設(shè)計強度相似比例計算出各層相似材料所需強 度，并按照合理配比獲得所需強度的相似材料；
[0014] 第二步、按照設(shè)計相似配比，在所述長方體框架內(nèi)鋪設(shè)最底層相似材料；
[0015] 第三步、在底層相似材料上方鋪設(shè)水囊，向該水囊內(nèi)注入初始水壓，然后在水囊上 表面鋪設(shè)兩塊獨立的光滑板，兩塊光滑板對接在一起時可完全覆蓋住水囊的上表面，兩塊 光滑板分別通過各自的卡槽部進行固定，并且其在卡槽部內(nèi)可相對水平移動，所述水囊的 初始水壓按照下式計算：
[0016]
[0017] 式中，EFi為撤出光滑板部位上覆巖層的總重力，A為撤出光滑板的面積；
[0018] 第四步、在光滑板的上方按照設(shè)計好的配比鋪設(shè)相似材料層，其中預(yù)模擬的正斷 層/逆斷層預(yù)先設(shè)置在光滑板上方的相似材料層中，并且隔板設(shè)置在正斷層/逆斷層斷裂 處；
[0019] 第五步、模型鋪設(shè)完成后，撤掉隔板及其中的某一塊光滑板，通過向水囊內(nèi)加注壓 力，水囊隆起，促使模擬巖層運動；通過控制臺控制側(cè)向加載系統(tǒng)向試樣和水囊施加側(cè)向壓 力，通過光纖傳感器實時監(jiān)測記錄應(yīng)力場變化。
[0020] 上述技術(shù)方案所帶來的直接有益技術(shù)效果是：
[0021] 上述方法在第三步中，在底層相似材料上方鋪設(shè)水囊而非最底部鋪設(shè)，這樣鋪設(shè) 既可以保護水囊底部免受鋼結(jié)構(gòu)損傷（腐蝕）的傷害，又可以觀察在上覆地質(zhì)構(gòu)造演化過 程中，底板巖梁的彎曲特征；在水囊中注入初始壓力，可以防止上覆巖梁因光滑板的抽移而 下沉，光滑板從兩側(cè)抽出的好處在于可以模擬任意位置和任意寬度受侵蝕（火成巖）而引 起地質(zhì)構(gòu)造的變化，通過設(shè)置卡槽部，可以防止未抽出光滑板部位的水囊對上覆巖梁施加 垂直應(yīng)力；第四步中用一塊隔板來預(yù)制斷層，可以不受位置、傾角、斷層錯距的限制，方便實 用；第五步利用水囊加壓模擬垂直應(yīng)力導(dǎo)致的巖層構(gòu)造移動，可以通過實時觀測壓力表來 精確的施加壓力，可以人為地調(diào)控壓力大小，比其他固體加載方式靈敏且方便，通過側(cè)向加 載系統(tǒng)施加側(cè)向壓力，改進材料鋪設(shè)方式（材料分塊），可以模擬水平應(yīng)力引起的地質(zhì)構(gòu)造 變化，施加水平應(yīng)力是以往地質(zhì)構(gòu)造演化過程模擬試驗臺難以實現(xiàn)的，鋪設(shè)光纖傳感器，可 以靈敏的記錄地質(zhì)構(gòu)造演化過程中應(yīng)力場的變化，這一精確改進，對于分析地質(zhì)構(gòu)造演化 過程中應(yīng)力場分布變化特征、分析誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的力源基礎(chǔ)具有現(xiàn)實意義。
[0022] 上述構(gòu)造應(yīng)力場模擬試驗裝置的模擬方法，所述斷層為組合斷層，所述方法包括 以下步驟：
[0023] 第一步、按照實際各巖層強度及設(shè)計強度相似比例計算出各層相似材料所需強 度，并按照合理配比獲得所需強度的相似材料；
[0024] 第二步、按照設(shè)計相似配比，在所述長方體框架內(nèi)鋪設(shè)最底層相似材料；
[0025] 第三步、在底層相似材料上方鋪設(shè)水囊，向該水囊內(nèi)注入初始水壓，然后在水囊上 表面鋪設(shè)三塊獨立的光滑板，三塊光滑板對接在一起時可完全覆蓋住水囊的上表面，三塊 光滑板分別通過各自的卡槽部進行固定，并且其在卡槽部內(nèi)可相對水平移動，所述水囊的 初始水壓按照下式計算：
[0026]
[0027] 式中，E匕為撤出光滑板部位上覆巖層的總重力，A為撤出光滑板的面積；
[0028] 第四步、在光滑板的上方按照設(shè)計好的配比鋪設(shè)相似材料層，其中預(yù)模擬的組合 斷層位于光滑板上方的相似材料層中，在該相似材料層中設(shè)置兩塊不同傾角的隔板來模擬 組合斷層的斷裂處；
[0029] 第五步、模型鋪設(shè)完成后，撤掉兩塊隔板及位于中間的一塊光滑板，通過向水囊內(nèi) 加注壓力，水囊隆起，促使模擬巖層運動；通過控制臺控制側(cè)向加載系統(tǒng)向試樣和水囊施加 側(cè)向壓力，通過光纖傳感器實時監(jiān)測記錄應(yīng)力場變化。
[0030] -種褶曲構(gòu)造應(yīng)力場模擬試驗裝置，其包括模擬試驗臺、位于試驗臺頂部的加載 模塊、側(cè)向的加載系統(tǒng)及控制臺，所述模擬試驗臺包括長方體框架和擋板，所述擋板安裝在 所述長方體框架的外圍，所述框架內(nèi)鋪設(shè)有模型，所述加載模塊用于對模型施加垂直應(yīng)力， 所述加載系統(tǒng)用于對所述模型施加水平應(yīng)力，所述模型是由若干層相似材料鋪設(shè)而成的褶 曲形，在底層相似材料和其上層的褶曲形相似材料之間設(shè)置有水囊和光滑板組件，所述光 滑板組件包括至少三塊光滑板和使所述光滑板相對移動的卡槽部，所述水囊鋪設(shè)在所述光 滑板的下方，所述光滑板的上方為褶曲相似材料層。
[0031] 上述技術(shù)方案直接帶來的有益技術(shù)效果是：
[0032] 上述試驗裝置可以實現(xiàn)對褶曲形成過程的動態(tài)模擬，既可以定量控制垂直地質(zhì)構(gòu) 造演化變形速率，又可以定量控制水平地質(zhì)構(gòu)造演化變