一种三维应力状态下断层活化可视化实验装置与方法与流程

1.本发明属于煤矿底板断层活化模拟的技术领域，具体公开了一种三维应力状态下断层活化可视化实验装置与方法。


背景技术：

2.通过室内物理模拟再现煤层底板承压水条件下断层活化突水过程，能够为断层活化突水机理研究提供有价值的参考。现有实验装置为后人的研究提供了重要基础，但仍存在不同程度的不足之处。
3.授权公告号cn 205808669 u模拟复杂条件下深埋隧道断层突水的试验系统装置、专利公告号cn 111398564 a深部承压水上采动断层突水多场前兆信息演化相似试验装置与测试方法、专利公告号cn 109470839 a模拟深部断层形成、断层活化和断层突水物理试验装置及方法，必须通过观测断层相似材料与透明模型箱边界接触部位的情况分析断层活化过程，故等效于二维应力状态下的活化结果。授权公告号cn 211318136 u一种适用于承压含水层上断层突水研究的突水模拟装置、专利公告号cn 111238990 a多场耦合效应下断层活化突水演化试验系统及试验方法、cn 107290501 a裂隙断层型地质构造内部充填介质渗透失稳突水实验装置与方法，均为二维应力状态下断层活化突水实验装置。
4.工程实际中断层处于三维应力状态，上述实验装置与三维状态下的实验结果存在偏差；由于断层相似材料被设置为平板结构，故无法观测和分析断层尖端与其他部位活化过程的区别；断层相似材料加载方式对断层活化过程影响较大，现有三轴伺服实验装置如mts系列等大型设备，使用成本高昂、设备组装和实验流程相对复杂，且无法实现可视化。
5.故需要设计一种三维应力条件可控、能观测断层尖端与其他部位活化过程的区别、操作便捷且成本低廉的可视化实验装置。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种三维应力状态下断层活化可视化实验装置与方法，三维应力状态可调节，且能够展示断层尖端与其他部位活化过程的差异。
7.为实现上述目的，本发明提供一种三维应力状态下断层活化可视化实验装置，包括外壳、上盖板、水囊、下盖板、上透水板、下透水板、透水石和储水腔；外壳为橄榄型空心柱体；水囊设置在外壳的橄榄型内腔中，水囊充水膨胀为橄榄型空心柱体，水囊的橄榄型内腔为断层相似材料的装填腔，水囊上设置有水囊排水管和水囊注水管；上盖板和下盖板分别安装在外壳的上端和下端，且垂直于外壳；上透水板位于上盖板下部，与水囊内壁接触，用于对断层相似材料施加轴压；上盖板上设置有装填腔排水管以及用于轴向移动上透水板的透水板升降机构；下盖板上设置有橄榄型通孔，下透水板安装在橄榄型通孔中，下透水板的上部侧表面与水囊内壁接触；透水石铺设在下透水板上方；储水腔与橄榄型通孔连通，储水腔上设置有装填腔注水口；外壳、上盖板、水囊、下盖板采用透明材料。
8.进一步地，上盖板上设置有螺纹孔，透水板升降机构包括透水板升降旋钮、连接杆
和螺纹轴；连接杆穿过螺纹孔，上端与透水板升降旋钮固定连接，中部与螺纹轴固定连接，下端与上透水板的凹槽转动接触；螺纹轴与螺纹孔转动配合。
9.进一步地，连接杆上套设有橡胶塞，橡胶塞位于螺纹轴的上方，且与螺纹孔的光滑段紧密贴合。
10.进一步地，橡胶塞和螺纹孔的螺纹段之间设置有垫片。
11.进一步地，装填腔排水管的进口设置有滤网。
12.进一步地，上盖板和下盖板分别通过螺丝安装在外壳的上端和下端，上盖板和外壳之间以及下盖板和外壳之间均设置有橡胶垫。
13.本发明还提供一种三维应力状态下断层活化可视化实验方法，使用上述三维应力状态下断层活化可视化实验装置进行，包括下述步骤：s1，试件准备：将水囊内壁刷涂脱模剂后装入外壳，通过水囊注水管缓慢注水，当水囊排水管出水时即可停止注水，关闭水囊注水管和水囊排水管，在外壳下端安装透水石、下透水板，将下盖板通过螺丝和橡胶垫安装到外壳上，向水囊内部中空部分分层铺设断层相似材料并压实，压实高度低于水囊高度，养护预设时间，养护结束后，打开水囊排水管降低水囊水压，取出断层相似材料试件，依次将上透水板、断层相似材料试件、透水石、下透水板套入上下两端开口的透明橡皮薄膜，即固定为一整体以保证实验密封性；s2，仪器组装：将套入上下两端开口的透明橡皮薄膜内的上透水板、断层相似材料试件、透水石、下透水板组成的整体，放入装填腔，将上盖板通过螺丝和橡胶垫安装到外壳上，上盖板内部的橡胶塞和垫片起到防漏水作用，向水囊注水管注水至设计水压值；s3，预试验，通过装填腔注水口向装填腔注入预设压强的水，使水通过储水腔、下透水板、透水石，进入断层相似材料，再通过上透水板、滤网、装填腔排水管排出，检查各连接部位是否漏水，若不漏水，即可开始正式实验；s4，正式实验：通过水囊注水管注水或水囊排水管排水，可调整断层相似材料所承受的围压值，通过旋转透水板升降旋钮可调整上透水板对断层相似材料挤压程度，从而调整断层相似材料承受的轴压值，利用围压和轴压值的变化，可模拟三维应力条件下，承压水在断层内渗流情况，并比较断层尖端和其它部位活化特征差异。
14.本发明具有以下优点：本发明通过向水囊中注水或将水囊中的水排出，可调整断层相似材料所承受的围压值，通过调整上透水板对断层相似材料挤压程度，可调整断层相似材料承受的轴压值，从而实现三维应力条件可控。采用橄榄型的装填腔，更接近断层在空间中的实际产状，能够展示断层尖端（即断层相似材料位于装填腔窄端的部分）与其它部位活化过程的差异。
附图说明
15.图1为三维应力状态下断层活化可视化实验装置内部结构示意图；图2为三维应力状态下断层活化可视化实验装置的上盖板平面示意图；图3为图2中a
‑
a’方向的剖面图；图4为三维应力状态下断层活化可视化实验装置的下盖板平面示意图。
16.图中：1
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螺丝；2
‑
上盖板；3
‑
透水板升降旋钮；4
‑
装填腔排水管；5
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连接杆；6
‑
橡胶塞；7
‑
垫片；8
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螺纹；9
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螺纹轴；10
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滤网；11
‑
上透水板；12
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水囊；13
‑
外壳；14
‑
透水石；15
‑
储
水腔；16
‑
装填腔注水口；17
‑
橡胶垫；18
‑
下盖板；19
‑
水囊排水管；20
‑
水囊注水管；21
‑
下透水板。
具体实施方式
17.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
18.本实施例提供一种三维应力状态下断层活化可视化实验装置，包括外壳13、上盖板2、水囊12、下盖板18、上透水板11、下透水板21、透水石14和储水腔15；外壳13为橄榄型空心柱体；水囊12设置在外壳13的橄榄型内腔中，水囊12充水膨胀为橄榄型空心柱体，水囊12的橄榄型内腔为断层相似材料的装填腔，水囊12上设置有水囊排水管19和水囊注水管20；上盖板2和下盖板18分别安装在外壳13的上端和下端，且垂直于外壳13；上透水板11位于上盖板2下部，与水囊12内壁接触，用于对断层相似材料施加轴压；上盖板2上设置有装填腔排水管4以及用于轴向移动上透水板11的透水板升降机构；下盖板18上设置有橄榄型通孔，下透水板21安装在橄榄型通孔中，下透水板21的上部侧表面与水囊12内壁接触；透水石14铺设在下透水板21上方；储水腔15与橄榄型通孔连通，储水腔15上设置有装填腔注水口16；外壳13、上盖板2、水囊12、下盖板18采用透明材料，方便断层活化过程的三维可视化。
19.进一步地，上盖板2上设置有螺纹孔，透水板升降机构包括透水板升降旋钮3、连接杆5和螺纹轴9；连接杆5穿过螺纹孔，上端与透水板升降旋钮3固定连接，中部与螺纹轴9固定连接，下端与上透水板11的凹槽转动接触；螺纹轴9与螺纹孔转动配合。旋转透水板升降旋钮3时，螺纹轴9可在螺纹孔内上下运动，从而调节上透水板11与断层相似材料发生接触挤压程度高低，模拟断层相似材料承受的轴压值变化，进一步地，连接杆5上套设有橡胶塞6，橡胶塞6位于螺纹轴9的上方，且与螺纹孔的光滑段紧密贴合。
20.进一步地，橡胶塞6和螺纹孔的螺纹段之间设置有垫片7。橡胶塞6和垫片7起到防漏水作用。
21.进一步地，装填腔排水管4和上透水板11的进口设置有滤网10。
22.进一步地，上盖板2和下盖板18分别通过螺丝1安装在外壳13的上端和下端，上盖板2和外壳13之间以及下盖板18和外壳13之间均设置有橡胶垫17。
23.本实施例还提供一种三维应力状态下断层活化可视化实验方法，使用上述三维应力状态下断层活化可视化实验装置进行，包括下述步骤。
24.（1）试件准备。将水囊12装填腔一侧内壁刷涂脱模剂后装入外壳13，通过水囊注水管20缓慢注水，当水囊排水管19出水时即可停止注水，关闭水囊注水管20和水囊排水管19。在外壳13下端安装透水石14、下透水板21，将下盖板18通过螺丝1和橡胶垫17安装到外壳13上。向水囊12内部中空部分分层铺设断层相似材料并压实，压实高度低于水囊12高度0.5cm，养护10小时。养护结束取出断层相似材料试件，依次将上透水板11、断层相似材料试件、透水石14、下透水板21套入上下两端开口的透明橡皮薄膜，即固定为一整体以保证实验密封性。
25.（2）仪器组装。打开水囊排水管19降低水囊水压，将套入上下两端开口的透明橡皮
薄膜内的上透水板11、断层相似材料试件、透水石14、下透水板21组成的整体，放入装填腔。将上盖板2通过螺丝1和橡胶垫17安装到外壳13上。上盖板2内部的橡胶塞6和垫片7起到防漏水作用。向水囊注水管20注水至设计水压值。
26.（3）预试验。通过装填腔注水口16向装填腔注入一定压强的水，使水通过储水腔15、下透水板21、透水石14，进入断层相似材料，再通过上透水板11、滤网10、装填腔排水管4排出，检查各连接部位是否漏水，若不漏水，即可开始正式实验。
27.（4）正式实验。通过水囊注水管20注水或水囊排水管19排水，可调整断层相似材料所承受的围压值，通过旋转透水板升降旋钮3可调整上透水板11对断层相似材料压紧程度，从而调整断层相似材料承受的轴压值。利用围压和轴压值的变化，可模拟三维应力条件下，承压水在断层内渗流情况，并比较断层尖端和其它部位活化特征差异。
28.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。