[发明专利]一种实验室内模拟逆断层形成的方法及装置

说明书

本发明公开了一种实验室内模拟逆断层形成的方法及装置，涉及煤矿地质技术领域，改变了传统的断层模拟实验设备的结构原理，在设备内部底面设计了断层诱发装置，在上部施压和侧面施压的情况下，起到诱发断层起裂的作用；诱发装置的位置可以随时调整改变，从而得到不同倾角的模拟逆断层形成过程信息；诱发装置设置在弹性皮垫上，而弹性皮垫与左右两个承压钢板连接为一体，在侧向施压的过程中减小模拟地层材料与底座之间的摩擦；在铺设相似模拟地层材料时按照一定的间距铺设应力传感器，实时记录应力变化，解译断层对采动应力的传到作用机制；通过本发明能够再现逆断层的形成过程，掌握采动后断层区域应力再分布特征，反映逆断层的存在对采矿作用的影响。

技术领域

本发明涉及煤矿地质技术领域，具体的说是一种实验室内模拟逆断层形成的方法及装置。

背景技术

断层切割地层而破坏其连续性及完整性，形成断层带破碎区，使周围岩体应力、位移及破坏形态产生较大差异。在断层尤其是较大断层附近进行施工时，工程扰动和断层的叠加作用可能引起断层附近岩体响应特征远远不同于完整岩体，进而诱发工程灾害，如采矿工程中的矿震、突水、顶板冒落、冲击地压、煤与瓦斯突出等。我国煤炭开采以井工为主，大多在地下施工，不可避免的穿越各种断层。断层较大时对采矿工程影响较大，煤矿经济效益好时采矿工程中常常避开这些断层，因此较大断层附近滞留了大量的煤炭资源。在当前国家压缩产能、煤炭行业大调整的背景下，煤炭企业迫切需要回采这些煤质优良的断层资源，尤其是华东老矿区不得不依靠回收断层附近煤炭资源维持矿区社会稳定。而近断层煤炭资源开采面临着多种重大灾害风险，如突水、顶板冒落、冲击地压、煤与瓦斯突出等。这些灾害发生的根本原因在于采矿活动破坏了断层附近岩层的平衡状态，而认识断层与采矿工程相互作用下区域岩体的应力、变形、破坏演化规律是防治相关灾害的基础。

因此，研究出能够在实验室模拟断层形成过程的试验装置，对于断层对采动应力传导作用机制、采动应力与断层相互作用下致灾机理以及近断层煤炭安全开采与灾害防治等方面的研究具有重大意义。现有的实验室断层形成模拟装置，都是通过上下及水平挤压作用，将岩层整体剪切破坏而形成断层，因此断层的产生角度是确定的。而在实际的煤矿开采中的断层多为预先铺设出来，未考虑断层产生应力变化及形成后内部应力情况，因此对于上述问题的研究也不具备太大的参考意义。

发明内容

为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种实验室内模拟逆断层形成的方法及装置，通过底部诱发装置的设计，能够真实再现逆断层形成的过程、断层两盘相互挤压作用、位移变形及采动过程中顶底板破坏垮落过程，同时可以模拟逆断层形成后对煤层的开挖，结构简单，操作方便，模拟效果真实准确。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种实验室内模拟逆断层形成的方法，通过如下步骤实现：

1）设计一个透明实验箱体，能够清楚观察到箱体内部的情况；

2）设计上部加压装置和侧向加压装置，模拟地层受到的上部压力和侧向挤压力；

3）设计一个诱发装置放置在箱体的底部，然后按照地层的比例配制相似模拟地层材料并铺设在箱体内；

4）将设计好的上部加压装置和侧向加压装置安装在箱体上，启动上部加压装置和侧向加压装置对相似模拟地层材料施压，在挤压状态下诱发装置启动诱发模拟地层材料由底部一点开始断层起裂，形成逆断层，通过透明的实验箱体再现逆断层的形成过程；

5）在相似模拟地层材料中铺设压力传感器，实时记录应力变化，从而解译断层对采动应力的传导作用机制；

6）改变诱发装置的放置位置，可控制断层起裂位置的不同，从透明的观察箱体能够观察到不同断层起裂位置的形成发展状态，从而分析到现实断层附近开挖煤层时，煤层顶底板破坏状况、采动后周围煤岩体应力场分布、位移和破坏形态的变化。