一种模拟断层破碎带物质组成非均一性的相似模型制备装置与方法

1.本发明属于矿井煤层底板断层活化突水模拟的技术领域，具体公开了一种模拟断层破碎带物质组成非均一性的相似模型制备装置与方法。


背景技术：

2.煤层采动诱发底板断层活化突水是煤矿安全生产的重大威胁之一，也是矿井水害防治工作的重点。为了研究采动诱发断层活化突水机理，可通过室内开展相似材料物理模拟手段，再现断层活化突水全过程，但是，现有断层相似材料制作装置和方法均侧重于模拟均质断层破碎带的活化规律。
3.专利授权号cn109704708b一种固流耦合模拟实验用的断层带相似材料及其制备方法、cn205620383u用于煤系承压断层活化突水相似试验的流固耦合模拟材料、cn103183495b用于流-固耦合模型试验的断层相似模拟材料及其制备方法、cn105110746b用于模拟煤矿开采构造突水的相似材料、制备及使用方法，均能够模拟采动过程中，断层破碎带在应力扰动和水压作用下，整体强度逐渐弱化、渗透系数逐渐增加，引发断层破碎带活化突水的演化规律。
4.但是，上述方案都将断层破碎带视为均质材料，忽视了断层破碎带内部物质组成分布的非均一性特点。断层破碎带在形成过程中由于应力作用程度不同，使得断层破碎带具有以滑动面为中心，向两侧方向岩石碎屑物的粒径由小逐渐变大，黏土矿物的含量由高逐渐变低的特性。故上述模型制备材料和方法只能反映断层破碎带内部均质条件下的物理性质，试验结果与实际当中的规律具有较大差距，无法反映断层破碎带内物质组成分布非均一性对于试验结果的影响。
5.故目前亟需设计一种考虑断层破碎带内物质组成分布非均一性的相似模型制备装置与方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种断层破碎带内物质组成分布非均一性的相似模型制备装置与方法，能够相对客观的反映出断层破碎带内部岩石碎屑物粒径和黏土矿物含量分布特点差异，导致断层破碎带不同部位活化程度的差异性，使断层破碎带在采动压力和水压扰动下的活化突水试验结果更加符合实际物理过程。
7.本发明提供一种模拟断层破碎带物质组成非均一性的相似模型制备装置，包括上、下仓盖和填料仓；上、下仓盖用于封闭填料仓的上开口和下开口；填料仓为方形仓，内部设置有若干倾斜的填料隔板，填料隔板可从填料仓的上开口抽离，填料隔板将填料仓内部分隔为若干用于装填断层破碎带相似材料的填料空间，填料隔板的间距由中间向两侧逐渐增大。
8.进一步地，填料仓的内壁设置有隔板卡条以形成隔板插槽，填料隔板插设在隔板
插槽内，填料隔板的高度与隔板卡条的高度相同。
9.进一步地，上、下仓盖均包括盖板和压板；压板固定在盖板朝向填料仓的开口的侧面，用于插入填料仓的开口；盖板位于填料仓的外侧。
10.进一步地，压板的表面套设有橡胶膜。
11.本发明提供一种模拟断层破碎带物质组成非均一性的相似模型制备方法，选取黏土、砂、碳酸钙、石膏，配置岩石碎屑物的粒径由小逐渐变大，黏土矿物的含量由高逐渐变低的断层破碎带相似材料装入上述模拟断层破碎带物质组成非均一性的相似模型制备装置中，在间距最窄的两块填料隔板之间装填岩石碎屑物粒径最小、黏土矿物含量最高的断层破碎带相似材料，模拟断层破碎带滑动面，由断层破碎带滑动面向两侧的填料空间中岩石碎屑物粒径逐渐增加、黏土矿物含量相应递减，模拟从断层破碎带滑动面两侧区域过渡至边缘。
12.具体包括下述步骤：
13.步骤一，相似材料制备
14.选取黏土、砂、碳酸钙、石膏混合作为断层破碎带相似材料，根据填料隔板分割的填料空间的数量和体积，确定每个填料空间内岩石碎屑物的粒径、黏土矿物含量及其他成分，计算混合材料在每个填料空间中的质量，间距最窄的两块填料隔板之间为滑动面填料空间，岩石碎屑物粒径最小、黏土矿物含量最高，模拟断层破碎带滑动面，由滑动面填料空间向两侧的填料空间中岩石碎屑物粒径逐渐增加、黏土矿物含量相应递减，模拟从滑动面两侧区域过渡至边缘；
15.步骤二，相似材料装填
16.s1，在下仓盖与填料仓接触的位置安装用于密封的橡胶膜，在橡胶膜上、填料仓内壁、填料隔板上刷涂脱模剂，安装下仓盖；
17.s2，向滑动面填料空间装填制备好的断层破碎带相似材料，分若干次装填，每次装填高度相同，使用击实装置敲打断层破碎带相似材料，每次敲打次数和力度相同，装填至与填料隔板等高；
18.s3，再向滑动面填料空间两侧的填料空间内依次装填断层破碎带相似材料，每装填一次将已完成填料空间的填料隔板向上拔出至装填高度，使相邻填料空间内断层破碎带相似材料相互接触，使用击实装置敲打断层破碎带相似材料，敲打次数和力度相同，重复上述填料与击实步骤至填料仓装满至与填料隔板等高，完全取出填料隔板；
19.s4，在上仓盖与填料仓接触的位置安装用于密封的橡胶膜，在橡皮膜上刷涂脱模剂，安装上仓盖，在上仓盖顶部施加荷载将断层破碎带相似材料填压密实；
20.步骤三，相似材料脱模
21.将断层破碎带相似材料养护预设时间后，使用橡皮锤轻轻敲打上、下仓盖板和填料仓，将上、下仓盖打开，使用橡皮锤轻轻敲打断层破碎带相似材料以取出断层破碎带相似模型；
22.步骤四，相似模型安装
23.将断层破碎带相似模型安装在试验台中，对断层破碎带相似模型底部施加水压以模拟承压水，在断层破碎带相似模型顶部铺设煤层相似材料，煤层采动方向与断层破碎带相似模型长边方向一致，通过凿取一定宽度的煤层相似材料来模拟采煤，每次凿取一定宽
度煤层后间隔一段时间再次凿取，间隔时间段内可观察距断层破碎带滑动面不同位置处的活化情况，每次凿取宽度和时间间隔可根据试验要求确定，煤层凿取全过程即可模拟采煤揭露由断层破碎带一端厚度最大的填料，到中心厚度最小的填料，再到另一端厚度最大的填料的完整过程，即展示断层破碎带不同部位物质组成分布非均一性导致活化程度的差异。
24.本发明具有以下有益效果。
25.本发明能够反映断层破碎带滑动面与两侧岩石碎屑物粒径和黏土矿物含量的差异，与实际断层破碎带内部物质构成更加接近，能够实现岩石碎屑物粒径和黏土矿物含量分布不均一导致不同部位活化程度的区别，使断层破碎带在采动压力和水压扰动下的活化突水试验结果更加符合实际物理过程。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为断层破碎带物质组成非均一性的相似模型制备装置立体示意图；
28.图2为图1中abcd所在平面示意图。
29.图3为图1中a’b’c’d’所在平面示意图。
30.图中：1-盖板；2-压板；3-填料仓；4-隔板卡条；5-隔板插槽；6-填料隔板；7-滑动面填料空间。
具体实施方式
31.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。
32.实施例1
33.本实施例提供一种模拟断层破碎带物质组成非均一性的相似模型制备装置，包括上、下仓盖、填料仓3、填料隔板6。
34.上、下仓盖用于封闭填料仓3的上开口和下开口。上、下仓盖均包括盖板1和压板2；压板2固定在盖板1朝向填料仓3的开口的侧面，用于插入填料仓3的开口；盖板1位于填料仓3的外侧。压板2的表面套设有橡胶膜。
35.填料仓3为方形仓，内壁倾斜设置有隔板卡条4以形成隔板插槽5，填料隔板6插设在隔板插槽5内，填料隔板6的高度与隔板卡条4的高度相同，填料隔板6可从填料仓3的上开口抽离，填料隔板6将填料仓3内部分隔为若干用于装填断层破碎带相似材料的条带状的填料空间，填料隔板6的间距由中间向两侧逐渐增大。间距最窄的两块填料隔板6之间为滑动面填料空间7，所装填的断层破碎带相似材料中岩石碎屑物粒径最小、黏土矿物含量最高，模拟断层破碎带滑动面，由滑动面填料空间7向两侧的填料空间中岩石碎屑物粒径逐渐增加、黏土矿物含量相应递减，模拟从滑动面两侧区域过渡至边缘。
36.实施例2
37.本实施例提供一种模拟断层破碎带物质组成非均一性的相似模型制备方法，选取黏土、砂、碳酸钙、石膏，配置岩石碎屑物的粒径由小逐渐变大，黏土矿物的含量由高逐渐变低的断层破碎带相似材料装入上述模拟断层破碎带物质组成非均一性的相似模型制备装置中，在间距最窄的两块填料隔板6之间装填岩石碎屑物粒径最小、黏土矿物含量最高的断层破碎带相似材料，模拟断层破碎带滑动面，由断层破碎带滑动面向两侧的填料空间中岩石碎屑物粒径逐渐增加、黏土矿物含量相应递减，模拟从断层破碎带滑动面两侧区域过渡至边缘。
38.具体包括下述步骤：
39.步骤一，相似材料制备
40.选取黏土、砂、碳酸钙、石膏混合作为断层破碎带相似材料，根据填料隔板6分割的填料空间的数量和体积，确定每个填料空间内岩石碎屑物的粒径、黏土矿物含量及其他成分，计算混合材料在每个填料空间中的质量，间距最窄的两块填料隔板6之间为滑动面填料空间，岩石碎屑物粒径最小、黏土矿物含量最高，模拟断层破碎带滑动面，由滑动面填料空间向两侧的填料空间中岩石碎屑物粒径逐渐增加、黏土矿物含量相应递减，模拟从滑动面两侧区域过渡至边缘；
41.步骤二，相似材料装填
42.s1，在下仓盖的压板2上套设橡胶膜，用于密封下仓盖与填料仓3之间的缝隙，在橡胶膜上、填料仓3内壁及内壁上的隔板卡条4、填料隔板6上刷涂脱模剂，安装下仓盖；
43.s2，向滑动面填料空间7装填制备好的断层破碎带相似材料，分若干次装填，每次装填高度相同，使用击实装置敲打断层破碎带相似材料，每次敲打次数和力度相同，装填至与填料隔板6等高；
44.s3，再向滑动面填料空间7两侧的填料空间内依次装填断层破碎带相似材料，每装填一次将已完成填料空间的填料隔板6向上拔出至装填高度，使相邻填料空间内断层破碎带相似材料相互接触，使用击实装置敲打断层破碎带相似材料，敲打次数和力度相同，重复上述填料与击实步骤至填料仓3装满至与填料隔板6等高，完全取出填料隔板6；
45.s4，在上仓盖的压板2上套设橡胶膜，用于密封上仓盖与填料仓3之间的缝隙，在橡皮膜上刷涂脱模剂，安装上仓盖，在上仓盖顶部施加荷载将断层破碎带相似材料填压密实；
46.步骤三，相似材料脱模
47.将断层破碎带相似材料养护7天后，使用橡皮锤轻轻敲打上、下仓盖板和填料仓3，将上、下仓盖打开，使用橡皮锤轻轻敲打断层破碎带相似材料以取出断层破碎带相似模型；
48.步骤四，相似模型安装
49.将断层破碎带相似模型安装在试验台中，对断层破碎带相似模型底部施加水压以模拟承压水，在断层破碎带相似模型顶部铺设煤层相似材料，煤层采动方向与断层破碎带相似模型长边方向一致，通过凿取一定宽度的煤层相似材料来模拟采煤，每次凿取一定宽度煤层后间隔一段时间再次凿取，间隔时间段内可观察距断层破碎带滑动面不同位置处的活化情况，每次凿取宽度和时间间隔可根据试验要求确定，煤层凿取全过程即可模拟采煤揭露由断层破碎带一端厚度最大的填料，到中心厚度最小的填料，再到另一端厚度最大的填料的完整过程，即展示断层破碎带不同部位物质组成分布非均一性导致活化程度的差
异。
50.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。