一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法,屬于礦山技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]煤礦生產(chǎn)過程中,動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重威脅著工作人員的生命安全和礦井的財(cái)產(chǎn)安全。在煤礦上的動(dòng)力災(zāi)害中,尤其是在煤礦各種采動(dòng)中,由于斷層處力學(xué)結(jié)構(gòu)較弱,易發(fā)生滑移錯(cuò)動(dòng),釋放大量的能量,很誘發(fā)沖擊地壓,造成嚴(yán)重危害;遇斷層的時(shí)候瓦斯危害更是尤為突出,由于斷層活化引起的煤與瓦斯突出占據(jù)了很大一部分,因?yàn)樵诿簩拥幕夭蛇^程中,會(huì)引起前方斷層的活化,使斷層兩邊或鄰近的煤巖體的透氣性瞬間發(fā)生變化,使瓦斯壓力聚變,以引起各種災(zāi)害。因此,探宄斷層滑移的過程顯得尤為重要,如監(jiān)測(cè)斷層面的物理力學(xué)參數(shù)變化情況,滑移過程的聲發(fā)射情況和電磁輻射等等。傳統(tǒng)的相似模擬方法需要建立整個(gè)結(jié)構(gòu)模型,人力、物力耗費(fèi)大,且模型不可重復(fù)利用;最近發(fā)展的數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)單易行,模型可以重復(fù)利用,但是由于建立的模型太過理想化,導(dǎo)致誤差較大,而且斷層面的咬合情況很難用數(shù)值模型體現(xiàn)出來,用來模擬斷層面滑移的效果較差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,本發(fā)明提供一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法,操作簡(jiǎn)單,使用方便,能模擬斷層滑移情況,提高數(shù)據(jù)檢測(cè)準(zhǔn)確度。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法,具體步驟為:
[0005]1、巖石試樣的加工:在巖石試樣中選擇三個(gè),分別將這三個(gè)巖石試樣標(biāo)記為巖塊A、巖塊B和巖塊C,其中將巖塊A和巖塊C加工成正方體,巖塊B加工成長(zhǎng)方體;
[0006]I1、在巖塊A和巖塊C上各設(shè)有一個(gè)聲發(fā)射探頭,在巖塊B上設(shè)有四個(gè)聲發(fā)射探頭,各個(gè)聲發(fā)射探頭與聲發(fā)射系統(tǒng)連接;
[0007]II1、將巖塊C放置在微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)的壓力室內(nèi),巖塊B放置在巖塊C上,巖塊A放置在巖塊B上,在上述各個(gè)巖塊接觸面之間用粒徑大小相同的石英粉進(jìn)行鋪設(shè)形成石英粉層;石英粉層用來模擬斷層面,使巖塊組合體能直接模擬斷層滑移的過程;
[0008]IV、軸向預(yù)應(yīng)力施加:通過微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石A、巖塊B和巖塊C形成的巖塊組合體的軸向施加預(yù)應(yīng)力,達(dá)到設(shè)定之后停止施壓,并保持軸向加載應(yīng)力;
[0009]V、實(shí)驗(yàn)記錄與分析:以恒定的位移速度對(duì)巖塊組合體施加水平剪切力,同時(shí)控制聲發(fā)射系統(tǒng)開始工作,通過聲發(fā)射探頭實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),在聲發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生的波形,然后通過內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存進(jìn)計(jì)算機(jī)硬盤。
[001 ο] V1、對(duì)上述的步驟中石英粉層的厚度、軸向加載應(yīng)力的大小和水平剪切力的加載速率進(jìn)行調(diào)節(jié)后,然后重復(fù)步驟III至步驟V。
[0011]進(jìn)一步,對(duì)步驟III中的石英粉層進(jìn)行加濕。增加巖塊間巖粉濕度會(huì)降低巖塊間的摩擦系數(shù),使巖塊間很難出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象。
[0012]進(jìn)一步,在施加水平剪切力時(shí),通過數(shù)碼攝像機(jī)每隔數(shù)秒對(duì)巖塊組合體進(jìn)行拍照,用來輔助分析滑移情況。
[0013]進(jìn)一步,所述的石英粉層的厚度為2mm。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明采用微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和三個(gè)巖塊相結(jié)合的方式,可以通過剪應(yīng)力的變化情況來反應(yīng)巖塊是否滑移,進(jìn)而模擬斷層滑移情況。比傳統(tǒng)的相似模擬更簡(jiǎn)單易操作且更準(zhǔn)確,更經(jīng)濟(jì),實(shí)用性更強(qiáng);比數(shù)值模擬更精確的模擬出斷層面咬合情況。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖中:1、巖塊組合體,2、聲發(fā)射系統(tǒng),3、數(shù)碼攝像機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0018]如圖1所示,一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),由微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)碼攝像機(jī)和筆記本電腦組成;數(shù)碼攝像機(jī)與筆記本電腦連接,所述的微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、壓力室和微機(jī)控制系統(tǒng)組成,主機(jī)為四柱式加載框架,油缸下置;壓力室采用優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛件,表面鍍硬鉻;控制系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服控制器,該控制系統(tǒng)控制精度高、保護(hù)功能全、可靠性能強(qiáng)。因此,該系統(tǒng)及能夠滿足在豎直方向和水平方向上的獨(dú)立加載,且加載應(yīng)力與應(yīng)力加載速度能夠通過微機(jī)精確控制。
[0019]一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法,具體步驟為:
[0020]1、巖石試樣的加工:在巖石試樣中選擇三個(gè),分別將這三個(gè)巖石試樣標(biāo)記為巖塊A、巖塊B和巖塊C,其中將巖塊A和巖塊C加工成正方體,巖塊B加工成長(zhǎng)方體;
[0021]I1、在巖塊A和巖塊C上各設(shè)有一個(gè)聲發(fā)射探頭,在巖塊B上設(shè)有四個(gè)聲發(fā)射探頭,各個(gè)聲發(fā)射探頭與聲發(fā)射系統(tǒng)2連接;
[0022]II1、將巖塊C放置在微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)的壓力室內(nèi),巖塊B放置在巖塊C上,巖塊A放置在巖塊B上,在上述各個(gè)巖塊接觸面之間用粒徑大小相同的石英粉進(jìn)行鋪設(shè)形成石英粉層;石英粉層用來模擬斷層面,使巖塊組合體I能直接模擬斷層滑移的過程;
[0023]IV、軸向預(yù)應(yīng)力施加:通過微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石A、巖塊B和巖塊C形成的巖塊組合體I的軸向施加預(yù)應(yīng)力,達(dá)到設(shè)定之后停止施壓,并保持軸向加載應(yīng)力;
[0024]V、實(shí)驗(yàn)記錄與分析:以恒定的位移速度對(duì)巖塊組合體I施加水平剪切力,同時(shí)控制聲發(fā)射系統(tǒng)2開始工作,通過聲發(fā)射探頭實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),在聲發(fā)射系統(tǒng)2內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生的波形,然后通過內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存進(jìn)計(jì)算機(jī)硬盤。
[0025]V1、對(duì)上述的步驟中石英粉層的厚度、軸向加載應(yīng)力的大小和水平剪切力的加載速率進(jìn)行調(diào)節(jié)后,然后重復(fù)步驟III至步驟V。
[0026]進(jìn)一步,對(duì)步驟III中的石英粉層進(jìn)行加濕。增加巖塊間巖粉濕度會(huì)降低巖塊間的摩擦系數(shù),使巖塊間很難出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象。
[0027]進(jìn)一步,在施加水平剪切力時(shí),通過數(shù)碼攝像機(jī)3每隔數(shù)秒對(duì)巖塊組合體I進(jìn)行拍照,用來輔助分析滑移情況。
[0028]進(jìn)一步,所述的石英粉層的厚度為2mm。
[0029]該系統(tǒng)可以通過剪應(yīng)力的變化情況來反應(yīng)巖塊是否滑移,進(jìn)而模擬斷層滑移情況。斷層建的滑動(dòng)一般要經(jīng)歷穩(wěn)定階段、穩(wěn)滑階段及粘滑階段等三個(gè)階段,穩(wěn)定階段巖塊間相對(duì)穩(wěn)定,無明顯的滑動(dòng)現(xiàn)象,此時(shí)聲發(fā)射各參數(shù)值極小,剪切應(yīng)力緩慢增加;穩(wěn)滑階段巖塊間存在較多滑動(dòng)現(xiàn)象,這些滑動(dòng)屬于穩(wěn)定滑動(dòng),不存在劇烈震動(dòng),因此聲發(fā)射表現(xiàn)為事件數(shù)多,參數(shù)值較小;粘滑階段,出現(xiàn)劇烈失穩(wěn)現(xiàn)象,聲發(fā)射參數(shù)有明顯驟增,且聲發(fā)射高值與滑移事件一一對(duì)應(yīng)。在發(fā)生粘滑事件之前的一小段時(shí)間內(nèi),聲發(fā)射事件密度明顯降低但聲發(fā)射參數(shù)值有所提高,同時(shí)剪切應(yīng)力增加的速度明顯降低。認(rèn)為該時(shí)間段為粘滑事件的前兆性穩(wěn)滑階段。在粘滑階段內(nèi),滑移事件的聲發(fā)射能量、撞擊數(shù)及幅值等參數(shù)與應(yīng)力降之間存在明顯的線性相關(guān)性。隨著剪切應(yīng)力加載速度的增加,聲發(fā)射越容易出現(xiàn)異常值。隨著軸向應(yīng)力的增加,巖塊間的摩擦系數(shù)降低,巖塊間的滑動(dòng)現(xiàn)象相對(duì)較穩(wěn)定。此時(shí),聲發(fā)射能量、撞擊數(shù)以及頻率等參數(shù)相對(duì)于較低軸向應(yīng)力時(shí)明顯降低,聲發(fā)射事件頻率相對(duì)增加。增加巖塊間巖粉濕度會(huì)降低巖塊間的摩擦系數(shù),巖塊間很難出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象。此時(shí),聲發(fā)射能量、撞擊數(shù)以及頻率等參數(shù)值降低,但聲發(fā)射事件出現(xiàn)的頻率明顯增加。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法,其特征在于,具體步驟為: 1.巖石試樣的加工:在巖石試樣中選擇三個(gè),分別將這三個(gè)巖石試樣標(biāo)記為巖塊A、巖塊B和巖塊C,其中將巖塊A和巖塊C加工成正方體,巖塊B加工成長(zhǎng)方體; I1、在巖塊A和巖塊C上各設(shè)有一個(gè)聲發(fā)射探頭,在巖塊B上設(shè)有四個(gè)聲發(fā)射探頭,各個(gè)聲發(fā)射探頭與聲發(fā)射系統(tǒng)(2)連接; II1、將巖塊C放置在微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)的壓力室內(nèi),巖塊B放置在巖塊C上,巖塊A放置在巖塊B上,在上述各個(gè)巖塊接觸面之間用粒徑大小相同的石英粉進(jìn)行鋪設(shè)形成石英粉層; IV、軸向預(yù)應(yīng)力施加:通過微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石A、巖塊B和巖塊C形成的巖塊組合體(I)的軸向施加預(yù)應(yīng)力,達(dá)到設(shè)定之后停止施壓,并保持軸向加載應(yīng)力; V、實(shí)驗(yàn)記錄與分析:以恒定的位移速度對(duì)巖塊組合體(I)施加水平剪切力,同時(shí)控制聲發(fā)射系統(tǒng)(2)開始工作,通過聲發(fā)射探頭實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),在聲發(fā)射系統(tǒng)(2)內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生的波形,然后通過內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存進(jìn)計(jì)算機(jī)硬盤; V1、對(duì)上述的步驟中石英粉層的厚度、軸向加載應(yīng)力的大小和水平剪切力的加載速率進(jìn)行調(diào)節(jié)后,然后重復(fù)步驟III至步驟V。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法,其特征在于,對(duì)步驟III中的石英粉層進(jìn)行加濕。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法,其特征在于,在施加水平剪切力時(shí),通過數(shù)碼攝像機(jī)(3)每隔數(shù)秒對(duì)巖塊組合體進(jìn)行拍照。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法,其特征在于,所述的石英粉層的厚度為2mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模擬斷層滑移的實(shí)驗(yàn)方法,具體步驟為:Ⅰ、巖石試樣的加工;Ⅱ、在巖塊A和巖塊C上各設(shè)有一個(gè)聲發(fā)射探頭,在巖塊B上設(shè)有四個(gè)聲發(fā)射探頭;Ⅲ、將巖塊C放置在微控巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)的壓力室內(nèi),巖塊B放置在巖塊C上,巖塊A放置在巖塊B上,在上述各個(gè)巖塊接觸面之間用粒徑大小相同的石英粉進(jìn)行鋪設(shè)形成石英粉層;Ⅳ、軸向預(yù)應(yīng)力施加;Ⅴ、實(shí)驗(yàn)記錄與分析:以恒定的位移速度對(duì)組合體施加水平剪切力,同時(shí)控制聲發(fā)射系統(tǒng)開始工作,通過聲發(fā)射探頭實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),在聲發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生的波形,然后通過內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存進(jìn)計(jì)算機(jī)硬盤。操作簡(jiǎn)單,使用方便,能模擬斷層滑移情況,提高數(shù)據(jù)檢測(cè)準(zhǔn)確度。
【IPC分類】G01N3/24
【公開號(hào)】CN104949890
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510276664
【發(fā)明人】陸菜平, 劉廣建, 劉洋, 王洪宇, 劉鵬飛
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年5月26日