一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置及方法

1.本发明涉及断层稳定性评价及地震异常信息分析技术领域，具体涉及一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置及方法。


背景技术：

2.断层作为一种特殊的地质结构，对区域内地壳活动、地貌变化等具有重要影响。在实际地质环境中，断层处在高温、高压、高应力的环境中，深部地应力、高温、地下流体等都是影响地质断层力学行为的因素。利用实验室中构建的地质断层试件进行相关物理模拟实验是开展断层力学研究的重要方法。
3.传统的断层力学相关物理模拟实验只考虑了构造应力场因素。例如，中国发明专利“一种用于室内走滑断层的双向加载的加载装置及试验方法”(专利号：cn201911037799.0)中公开的断层力学加载实验装置可用于室内走滑断层构造蠕滑和粘滑条件下变形场研究，中国发明专利“一种断层错动失稳冻融的试验系统及试验方法”(专利号：cn202210237071.8)中公开的断层结构物理模型装置同样可以实现构造应力作用下的断层失稳滑移模拟实验，中国发明专利“一种变倾角断层滑移模拟试验方法”(专利号：cn202011447595.7)可以实现对不同倾角断层的滑移破坏过程的物理模拟。但是，上述现有技术中提出的实验加载装置及实验方案均无法实现对地质断层试件的温度加载和流体注入过程的模拟，使得采用传统断层力学相关物理模拟实验所能采集到的断层力学行为信息太少。另外，现阶段针对地质断层物理模拟实验的专利及相关文献中，尚未设计出可以用于监测加载过程中形变、温度、流体等因素的地质断层试件。
4.因此，亟需提出一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置及方法，研究地质断层在深部地应力、高温及地下流体等因素耦合影响下的力学行为，监测地质断层在热流固多物理场耦合加载过程中的异常信息。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决上述问题，提供了一种形变、温度、流体多场耦合断层失稳实验装置及方法，通过还原地质断层所处地层深部的真实环境，全面监测形变、温度、流体多场耦合作用下地质断层的多物理场信息，准确获取地质断层在深部地应力、高温及地下流体等因素耦合影响下的力学行为，分析耦合场对断层失稳的影响机制，为深部地层断层失稳机制的研究奠定了基础。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，包括加载室、温度加载系统、真三轴应力加载系统、断层稳定性评价试样、气液加载系统、微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统；
8.所述加载室包括上端盖、框架和底座；
9.所述温度加载系统包括加热板和加热电源，加热板设置于底座上，与加热电源相连接，加热板顶面与断层稳定性评价试样底面相紧贴，加热板的底面中心位置处设置有贯穿整个加热板的贯通孔；
10.所述真三轴应力加载系统包括两个x轴应力加载压头、两个y轴应力加载压头和一个z轴应力加载压头，x轴应力加载压头、y轴应力加载压头和z轴应力加载压头均固定于框架上，两个x轴应力加载压头对称设置于断层稳定性评价试样的左右两侧，两个y轴应力加载压头对称设置于断层稳定性评价试样的前后两侧，z轴应力加载压头设置于断层稳定性评价试样的顶部，x轴应力加载压头、y轴应力加载压头和z轴应力加载压头的压板均与断层稳定性评价试样相紧贴，x轴应力加载压头、y轴应力加载压头和z轴应力加载压头分别与液压油缸相连接；
11.所述断层稳定性评价试样设置呈立方体结构，根据预设倾角值在断层稳定性内部预设倾斜断层，倾斜断层采用待研究区内的断层泥制成，走向与真三轴应力加载系统的y轴应力加载方向平行，断层稳定性评价试样底面中心位置处设置有注水孔，注水孔与贯通孔相连通，用于连接气液加载系统；
12.所述气液加载系统包括气液注入管道、液体储罐、气体储罐和气体收集管道，气液注入管道的一端依次穿过贯通孔和注水孔伸入断层稳定性评价试样内，另一端分为两路，一路通过液体注入管道与液体储罐相连接，另一路通过气体注入管道与气体储罐相连接，气液注入管道上设置有流体压力表，气体收集管道设置于z轴应力加载压头内，气体收集管道底端与断层稳定性评价试样顶面相紧贴，气体收集管道上设置有气体流量计和气体浓度检测仪；
13.所述微破裂监测系统包括多个声发射传感器和声发射接收端，声发射传感器均匀分布在断层稳定性评价试样的两个相对侧面上，与断层稳定性评价试样表面相紧贴，各声发射传感器分别与声发射接收端相连接；
14.所述应力与形变监测系统包括dic测量装置和多组应变片组，dic测量装置固定在上端盖上，位于断层稳定性评价试样的上方，与dic测量接收端相连接，dic测量装置的dic镜头与断层稳定性评价试样的顶面相对，应变片组沿倾斜断层的倾向均匀设置于倾斜断层的上表面，各应变片组中均设置有两个应变片，其中一个应变片沿断层倾向设置，另一个应变片沿断层走向设置，各应变片分别与动态应变仪相连接；
15.所述温度异常与热异常监测系统包括热成像仪和多个热电偶温度传感器，热成像仪固定在上端盖上，与热成像输出端相连接，热成像仪的热成像镜头与断层稳定性评价试样的顶面相对，热电偶温度传感器沿倾斜断层的倾向均匀埋设于倾斜断层内部，各热电偶温度传感器分别与温度采集仪相连接；
16.所述流体压力监测系统包括流体压力显示仪和多个流体压力传感器，流体压力传感器沿倾斜断层的倾向均匀埋设于倾斜断层内部，各流体压力传感器分别与流体压力显示仪相连接。
17.优选地，所述液体注入管道上设置有液体控制阀，气体注入管道上设置有气体控制阀。
18.优选地，所述微破裂监测系统中设置有8个声发射传感器，均匀分布在断层稳定性评价试样的左、右侧面或前、后侧面上。
19.优选地，所述x轴应力加载压头的压板和y轴应力压头的压板上设置有多个声发射传感器安置孔，声发射传感器安置孔内设置有声发射传感器，声发射传感器的通过弹簧与压板相连接。
20.一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验方法，采用如上所述的基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，具体包括断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验、断层稳定性评价试样在三向地应力加载条件下的断层失稳实验以及断层稳定性评价试样在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验。
21.优选地，所述断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验，具体包括以下步骤：
22.步骤1，测定断层稳定性评价试样的原始声速；
23.利用岩石声波参数测试仪测量断层稳定性评价试样的原始声速，原始声速包括断层稳定性评价试样中沿倾斜断层走向方向的纵波速度、横波速度以及沿垂直于倾斜断层走向方向的纵波速度和横波速度，并将测量得到的断层稳定性评价试样原始声速输入微破裂监测系统中；
24.步骤2，安装断层稳定性评价试样；
25.开启加热电源使得加热板温度升高至预设温度后，对加热板进行保温处理，保持加热板的温度不变，将制得的断层稳定性评价试样置于加热板上，将应力与形变监测系统的应变片组紧贴于倾斜断层的上表面，温度异常与热异常监测系统的热电偶温度传感器以及流体压力监测系统的流体压力传感器埋设于倾斜断层中，气液加载系统的气液注入管道依次穿过贯通孔和注水孔插入断层稳定性评价试样内，将真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头以及微破裂监测系统的声发射传感器紧贴于断层稳定性评价试样表面，真三轴应力加载系统的z轴应力加载压头不与断层稳定性评价试样表面接触，dic测量装置和热成像仪固定在上端盖上，dic测量装置的dic镜头和热成像仪的热成像镜头均与断层稳定性评价试样顶面相对；
26.步骤3，向断层稳定性评价试样加载双向地应力和温度；
27.启动液压油缸，控制真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头和y轴应力加载压头，以0.01mpa/s的速率向断层稳定性评价试样施加x轴方向地应力σ
x
和y轴方向地应力σy，使得断层稳定性评价试样受到双向应力场的作用，同时，根据预设的地层温度，利用加热板加热断层稳定性评价试样，向断层稳定性评价试样施加温度载荷；
28.步骤4，监测断层稳定性评价试样的临界破裂状态；
29.利用微破裂监测系统的声发射接收端实时获取各声发射传感器测量的声信息，根据各声发射传感器测量的声信息，结合断层稳定性评价试样的原始声速，判断断层稳定性评价试样的倾斜断层周围是否出现破裂点，若倾斜断层周围出现破裂点，则判定倾斜断层已处于临界破裂状态，此时，保持向断层稳定性评价试样施加的x轴方向地应力σ
x
和y轴方向地应力σy不变；
30.步骤5，利用气液加载系统向断层稳定性评价试样内注入液体；
31.开启液体储罐和液体注入管道上的液体控制阀，液体以预设的恒定流速从液体储罐内流出，依次经液体注入管道、气液注入管道注入断层稳定性评价试样内，形成稳定的流场；
32.步骤6，监测断层稳定性评价试样的多物理场信息；
33.在利用温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统向断层稳定性评价试样施加温度场、双向应力场和流场时，利用微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统监测断层稳定性评价试样，其中，利用微破裂监测系统的声发射接收端实时接收各声发射传感器测量的声信息，利用应力与形变监测系统的动态应变仪实时获取各应变片组测量的沿倾斜断层倾向方向的应变、沿倾斜断层走向方向的应变以及dic测量装置获取的断层稳定性评价试样表面应变和变形情况，利用温度异常与热异常监测系统的温度采集仪相实时获取热成像仪拍摄的断层稳定性评价试样热成像图像以及各热电偶温度传感器测量的温度，利用流体压力监测系统的流体压力显示仪实时获取各流体压力传感器测量的压力；
34.步骤7，待断层稳定性评价试样被破坏时，结束对断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验；
35.保持向断层稳定性评价试样施加的温度场、双向应力场和流场不变，当监测到断层稳定性评价试样内连续出现多个破裂点或破裂信号时，断层稳定性评价试样内部被破坏，关闭温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统，停止对断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验，并基于温度场、两向应力场和流场耦合加载阶段微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统的监测结果，确定温度场、两向应力场和流场耦合加载不同阶段断层稳定性评价试样的破裂情况，分析多场耦合导致断层稳定性评价试样失稳的影响机制。
36.优选地，所述断层稳定性评价试样在三向地应力加载条件下的断层失稳实验，具体包括以下步骤：
37.步骤1，测定断层稳定性评价试样的原始声速；
38.利用岩石声波参数测试仪测量断层稳定性评价试样的原始声速，原始声速包括断层稳定性评价试样中沿倾斜断层走向方向的纵波速度、横波速度以及沿垂直于倾斜断层走向方向的纵波速度和横波速度，并将测量得到的断层稳定性评价试样原始声速输入微破裂监测系统中；
39.步骤2，安装断层稳定性评价试样；
40.开启加热电源使得加热板温度升高至预设温度后，对加热板进行保温处理，保持加热板的温度不变，将制得的断层稳定性评价试样置于加热板上，将应力与形变监测系统的应变片组紧贴于倾斜断层的上表面，温度异常与热异常监测系统的热电偶温度传感器以及流体压力监测系统的流体压力传感器埋设于倾斜断层中，气液加载系统的气液注入管道依次穿过贯通孔和注水孔插入断层稳定性评价试样内，将真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头、z轴应力加载压头以及微破裂监测系统的声发射传感器紧贴于断层稳定性评价试样表面；
41.步骤3，向断层稳定性评价试样加载三向地应力和温度；
42.启动液压油缸，控制真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头和z轴应力加载压头，以0.01mpa/s的速率向断层稳定性评价试样施加x轴方向地应力σ
x
、y轴方向地应力σy和z轴方向地应力σz，使得断层稳定性评价试样受到三向应力场的作用，同时，根据预设的地层温度，利用加热板加热断层稳定性评价试样，向断层稳定性评价试样施
加温度载荷；
43.步骤4，监测断层稳定性评价试样的临界破裂状态；
44.利用微破裂监测系统的声发射接收端实时获取各声发射传感器测量的声信息，根据各声发射传感器测量的声信息，结合断层稳定性评价试样的原始声速，判断断层稳定性评价试样的倾斜断层周围是否出现破裂点，若倾斜断层周围出现破裂点，则判定倾斜断层已处于临界破裂状态，此时，保持向断层稳定性评价试样施加的x轴方向地应力σ
x
和y轴方向地应力σy不变；
45.步骤5，利用气液加载系统向断层稳定性评价试样内注入液体；
46.开启液体储罐和液体注入管道上的液体控制阀，液体以预设的恒定流速从液体储罐内流出，依次经液体注入管道、气液注入管道注入断层稳定性评价试样内，形成稳定的流场；
47.步骤6，监测断层稳定性评价试样的多物理场信息；
48.在利用温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统向断层稳定性评价试样施加温度场、双向应力场和流场时，利用微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统监测断层稳定性评价试样，其中，利用微破裂监测系统的声发射接收端实时接收各声发射传感器测量的声信息，利用应力与形变监测系统的动态应变仪实时获取各应变片组测量的沿倾斜断层倾向方向的应变以及沿倾斜断层走向方向的应变，利用温度异常与热异常监测系统的温度采集仪相实时获取各热电偶温度传感器测量的温度，利用流体压力监测系统的流体压力显示仪实时获取各流体压力传感器测量的压力；
49.步骤7，待断层稳定性评价试样被破坏时，结束对断层稳定性评价试样在三向地应力加载条件下的断层失稳实验；
50.保持向断层稳定性评价试样施加的温度场、三向应力场和流场不变，当监测到断层稳定性评价试样内连续出现多个破裂点或破裂信号时，断层稳定性评价试样内部被破坏，关闭温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统，停止对断层稳定性评价试样在三向地应力加载条件下的断层失稳实验，并基于温度场、三向应力场和流场耦合加载阶段微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统的监测结果，确定温度场、三向应力场和流场耦合加载不同阶段断层稳定性评价试样的破裂情况，分析多场耦合导致断层稳定性评价试样失稳的影响机制。
51.优选地，所述断层稳定性评价试样在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验，具体包括以下步骤：
52.步骤1，测定断层稳定性评价试样的原始声速；
53.利用岩石声波参数测试仪测量断层稳定性评价试样的原始声速，原始声速包括断层稳定性评价试样中沿倾斜断层走向方向的纵波速度、横波速度以及沿垂直于倾斜断层走向方向的纵波速度和横波速度，并将测量得到的断层稳定性评价试样原始声速输入微破裂监测系统中；
54.步骤2，安装断层稳定性评价试样；
55.开启加热电源使得加热板温度升高至预设温度后，对加热板进行保温处理，保持加热板的温度不变，将制得的断层稳定性评价试样置于加热板上，将应力与形变监测系统
的应变片组紧贴于倾斜断层的上表面，温度异常与热异常监测系统的热电偶温度传感器以及流体压力监测系统的流体压力传感器埋设于倾斜断层中，气液加载系统的气液注入管道依次穿过贯通孔和注水孔插入断层稳定性评价试样内，将真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头、z轴应力加载压头以及微破裂监测系统的声发射传感器紧贴于断层稳定性评价试样表面，z轴应力加载压头内气体收集管道底端与断层稳定性评价试样顶面相紧贴；
56.步骤3，向断层稳定性评价试样加载三向地应力和温度；
57.启动液压油缸，控制真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头和z轴应力加载压头，以0.01mpa/s的速率向断层稳定性评价试样施加x轴方向地应力σ
x
、y轴方向地应力σy和z轴方向地应力σz，使得断层稳定性评价试样受到三向应力场的作用，同时，根据预设的地层温度，利用加热板加热断层稳定性评价试样，向断层稳定性评价试样施加温度载荷；
58.步骤4，监测断层稳定性评价试样的临界破裂状态；
59.利用微破裂监测系统的声发射接收端实时获取各声发射传感器测量的声信息，根据各声发射传感器测量的声信息，结合断层稳定性评价试样的原始声速，判断断层稳定性评价试样的倾斜断层周围是否出现破裂点，若倾斜断层周围出现破裂点，则判定倾斜断层已处于临界破裂状态，此时，保持向断层稳定性评价试样施加的x轴方向地应力σ
x
和y轴方向地应力σy不变；
60.步骤5，利用气液加载系统向断层稳定性评价试样内注入气体；
61.开启气体储罐和气体注入管道上的气体控制阀，气体储罐内的氮气以预设的恒定流速流出，依次经气体注入管道、气液注入管道注入断层稳定性评价试样内，形成稳定的气流场；
62.步骤6，监测断层稳定性评价试样的多物理场信息；
63.在利用温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统向断层稳定性评价试样施加温度场、双向应力场和气流场时，利用微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统监测断层稳定性评价试样，其中，利用微破裂监测系统的声发射接收端实时接收各声发射传感器测量的声信息，利用应力与形变监测系统的动态应变仪实时获取各应变片组测量的沿倾斜断层倾向方向的应变以及沿倾斜断层走向方向的应变，利用温度异常与热异常监测系统的温度采集仪相实时获取各热电偶温度传感器测量的温度，利用流体压力监测系统的流体压力显示仪实时获取各流体压力传感器测量的压力，利用气体流量计实时测量断层稳定性评价试样渗漏至气体收集管道内的气体流量，利用气体浓度检测仪实时监测断层稳定性评价试样顶面的渗漏气体浓度；
64.步骤7，待断层稳定性评价试样被破坏时，结束对断层稳定性评价试样在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验；
65.保持向断层稳定性评价试样施加的温度场、三向应力场和气流场不变，当监测到断层稳定性评价试样内连续出现多个破裂点或破裂信号时，断层稳定性评价试样内部被破坏，关闭温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统，停止对断层稳定性评价试样在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验，并基于温度场、三向应力场和气流场耦合加载阶段微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测
的监测结果，确定温度场、三向应力场和气流场耦合加载不同阶段断层稳定性评价试样的破裂情况，分析多场耦合导致断层稳定性评价试样失稳的影响机制。
66.本发明所带来的有益技术效果：
67.1、本发明提出了一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，通过将地质体中断层所受的地应力加载过程、温度加载过程和气液注入加载过程相耦合，模拟还原了地质体中断层所处地层深部环境(高温、高压、高地应力环境)的真实情况，有利于研究多场耦合环境下断层稳定性评价试样的失稳情况，分析多场耦合环境对断层稳定性评价试样失稳的影响机制。
68.2、本发明提出的断层失稳实验装置实现了对多场耦合作用下断层形变场、温度场、流体场异常信息的监测与准确获取，为分析断层稳定性与多物理场异常信息之间的关联机制提供了依据。
69.3、本发明还提出一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验方法，通过对断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下进行断层失稳实验、在三向地应力加载条件下进行断层失稳实验以及在真三轴应力作用下进行断层气体渗漏实验，全面监测多耦合场共同作用下地质断层的多物理场信息，适用范围较广，为深部地层断层失稳机理的研究奠定了基础。
附图说明
70.图1为本发明断层失稳实验装置应用于两向地应力加载条件下断层失稳实验时的结构示意图。
71.图2为本发明断层失稳实验装置应用于三向地应力加载条件下断层失稳实验时的结构示意图。
72.图3为本发明断层失稳实验装置应用于真三轴应力作用下断层气体渗漏实验时的结构示意图。
73.图4为本发明断层稳定性评价试样的示意图。
74.图中，1、上端盖，2、框架，3、底座，4、加热板，5、加热电源，6、断层稳定性评价试样，7、x轴应力加载压头，8、z轴应力加载压头，9、压板，10、液压油缸，11、倾斜断层，12、注水孔，13、气液注入管道，14、液体储罐，15、液体注入管道，16、气体储罐，17、气体注入管道，18、气体收集管道，19、气体流量计，20、声发射传感器，21、声发射接收端，22、dic测量装置，23、dic测量接收端，24、应变片组，25、热成像仪，26、热电偶温度传感器，27、热成像输出端，28、温度采集仪，29、流体压力显示仪，30、流体压力传感器，31、流体压力表，32、液体控制阀，33、气体控制阀，34、动态应变仪，35、气体浓度检测仪。
具体实施方式
75.下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
76.本发明提出了一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，如图1所示，包括加载室、温度加载系统、真三轴应力加载系统、断层稳定性评价试样、气液加载系统、微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统。
77.所述加载室包括上端盖1、框架2和底座3。
78.所述温度加载系统包括加热板4和加热电源5，加热板4设置于底座3上，通过导线与加热电源5相连接，加热板4顶面与断层稳定性评价试样6底面相紧贴，加热板4的底面中心位置处设置有贯穿整个加热板的贯通孔，贯通孔的直径设置为20mm。
79.所述真三轴应力加载系统包括两个x轴应力加载压头7、两个y轴应力加载压头和一个z轴应力加载压头8，x轴应力加载压头7、y轴应力加载压头和z轴应力加载压头8均固定于框架上，两个x轴应力加载压头7对称设置于断层稳定性评价试样6的左右两侧，两个y轴应力加载压头对称设置于断层稳定性评价试样的前后两侧，z轴应力加载压头8设置于断层稳定性评价试样6的顶部，x轴应力加载压头7、y轴应力加载压头和z轴应力加载压头8的压板9均与断层稳定性评价试样6相紧贴，x轴应力加载压头7与液压油缸10相连接，用于向断层稳定性评价试样施加x轴方向地应力σ
x
，y轴应力加载压头与液压油缸10相连接，用于向断层稳定性评价试样施加y轴方向地应力σy，z轴应力加载压头与液压油缸10相连接，用于向断层稳定性评价试样施加z轴方向地应力σz。
80.所述断层稳定性评价试样6采用天然花岗岩制成，呈立方体结构，尺寸为300mm
×
300mm
×
300mm，如图4所示，断层稳定性评价试样6内部设置有倾斜断层11，倾斜断层11采用待研究区内的断层泥制成，倾斜断层11的倾角为60
°
，走向与真三轴应力加载系统的y轴应力加载方向平行，倾斜断层11的长度为150mm、断距为8mm，倾斜断层11底部与断层稳定性评价试样6底面之间的距离为100mm，断层稳定性评价试样6底面中心位置处设置有注水孔12，注水孔12的直径设置为18mm、深度设置为70mm，注水孔12与贯通孔对齐后连通，用于连接气液加载系统。
81.所述气液加载系统包括气液注入管道13、液体储罐14、气体储罐16和气体收集管道18，气液注入管道13上设置有流体压力表31，用于监测气液注入管道内流体的压力，气液注入管道13的一端依次穿过贯通孔和注水孔12伸入断层稳定性评价试样6内，用于向断层稳定性评价试样6内注入液体或气体，气液注入管道13的另一端分为两路，一路通过液体注入管道15与液体储罐14相连接，另一路通过气体注入管道17与气体储罐16相连接，液体注入管道15上设置有液体控制阀32，气体注入管道17上设置有气体控制阀33。气体收集管道18设置于z轴应力加载压头8内，底端与断层稳定性评价试样6顶面相紧贴，气体收集管道18上设置有气体流量计19和气体浓度检测仪35，气体流量计19用于获取多物理场耦合加载过程中断层稳定性评价试样内渗漏气体的流量，气体浓度检测仪35用于获取多物理场耦合加载过程中断层稳定性评价试样内渗漏气体的浓度。
82.所述微破裂监测系统包括多个声发射传感器20和声发射接收端21，本实施例中设置有8个声发射传感器，声发射传感器20均匀分布在断层稳定性评价试样6的左、右侧面或前、后侧面上，声发射传感器20通过导线与声发射接收端21相连接，声发射传感器20固定于x轴应力加载压头7或y轴应力加载压头7的声发射传感器安置孔内，声发射传感器20通过弹簧与x轴应力加载压头或y轴应力加载压头相连接，弹簧的底端与声发射传感器20相连接，顶端与x轴应力加载压头的压板或y轴应力加载压头的压板固定连接，弹簧的存在使得声发射传感器20紧贴于断层稳定性评价试样6的表面，并且，当断层稳定性评价试样发生膨胀、破裂时，弹簧能够沿其轴线方向自动调节声发射传感器的位置，避免了因断层稳定性评价试样的形态变化对声发射传感器的破坏，保证了实验过程中声发射传感器始终与断层稳定
性评价试样表面相紧贴。
83.所述应力与形变监测系统包括dic测量装置22和8组应变片组24，dic测量装置22固定在上端盖1上，位于断层稳定性评价试样6的上方，通过dic传输线与dic测量接收端23相连接，dic测量装置22的dic镜头与断层稳定性评价试样6的顶面相对，用于获取断层稳定性评价试样表面应变和变形情况；应变片组24沿倾斜断层11的倾向均匀设置于倾斜断层11的上表面，各应变片组24中均设置有两个应变片，其中一个应变片沿断层倾向设置，另一个应变片沿断层走向设置，各应变片分别与动态应变仪34相连接，用于实时获取沿倾斜断层倾向的应变值和沿倾斜断层走向的应变值。
84.所述温度异常与热异常监测系统包括热成像仪25和8个热电偶温度传感器26，热成像仪25固定在上端盖1上，通过导线与热成像输出端27相连接，热成像仪25的热成像镜头与断层稳定性评价试样的顶面相对，用于实时获取断层稳定性评价试样的热成像图像；热电偶温度传感器26沿倾斜断层11的倾向方向均匀埋设于倾斜断层11内部，各热电偶温度传感器26分别通过导线与温度采集仪28相连接，用于实时获取倾斜断层不同位置处的温度值。
85.所述流体压力监测系统包括流体压力显示仪29和8个流体压力传感器30，流体压力传感器30沿倾斜断层11的倾向均匀埋设于倾斜断层11内部，各流体压力传感器30分别通过导线与流体压力显示仪29相连接，用于实时获取倾斜断层不同位置处的流体压力值。
86.本发明还提出了一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验方法，采用如上所述的基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，具体包括断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验、在三向地应力加载条件下的断层失稳实验、在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验。
87.断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验，所采用的断层失稳实验装置结构如图1所示，具体包括以下步骤：
88.步骤1，测定断层稳定性评价试样的原始声速；
89.利用岩石声波参数测试仪测量断层稳定性评价试样的原始声速，原始声速包括断层稳定性评价试样中沿倾斜断层走向方向的纵波速度、横波速度以及沿垂直于倾斜断层走向方向的纵波速度和横波速度，并将测量得到的断层稳定性评价试样原始声速输入微破裂监测系统中。
90.步骤2，安装断层稳定性评价试样；
91.开启加热电源使得加热板温度升高至预设温度后，对加热板进行保温处理，保持加热板的温度不变，将制得的断层稳定性评价试样置于加热板上，将应力与形变监测系统的应变片组紧贴于倾斜断层的上表面，温度异常与热异常监测系统的热电偶温度传感器以及流体压力监测系统的流体压力传感器埋设于倾斜断层中，气液加载系统的气液注入管道依次穿过贯通孔和注水孔插入断层稳定性评价试样内，将真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头以及微破裂监测系统的声发射传感器紧贴于断层稳定性评价试样表面，真三轴应力加载系统的z轴应力加载压头不与断层稳定性评价试样表面接触，dic测量装置和热成像仪固定在上端盖上，dic测量装置的dic镜头和热成像仪的热成像镜头均与断层稳定性评价试样顶面相对。
92.步骤3，向断层稳定性评价试样加载双向地应力和温度；
93.启动液压油缸，控制真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头和y轴应力加载压头，以0.01mpa/s的速率向断层稳定性评价试样施加x轴方向地应力σ
x
和y轴方向地应力σy，使得断层稳定性评价试样受到双向应力场的作用，同时，根据预设的地层温度，利用加热板加热断层稳定性评价试样，向断层稳定性评价试样施加温度载荷。
94.步骤4，监测断层稳定性评价试样的临界破裂状态；
95.利用微破裂监测系统的声发射接收端实时获取各声发射传感器测量的声信息，根据各声发射传感器测量的声信息，结合断层稳定性评价试样的原始声速，判断断层稳定性评价试样的倾斜断层周围是否出现破裂点，若倾斜断层周围出现破裂点，则判定倾斜断层已处于临界破裂状态，此时，保持向断层稳定性评价试样施加的x轴方向地应力σ
x
和y轴方向地应力σy不变。
96.步骤5，利用气液加载系统向断层稳定性评价试样内注入液体；
97.开启液体储罐和液体注入管道上的液体控制阀，液体以预设的恒定流速从液体储罐内流出，依次经液体注入管道、气液注入管道注入断层稳定性评价试样内，形成稳定的流场。
98.步骤6，监测断层稳定性评价试样的多物理场信息；
99.在利用温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统向断层稳定性评价试样施加温度场、双向应力场和流场时，利用微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统监测断层稳定性评价试样，其中，利用微破裂监测系统的声发射接收端实时接收各声发射传感器测量的声信息，利用应力与形变监测系统的动态应变仪实时获取各应变片组测量的沿倾斜断层倾向方向的应变以及沿倾斜断层走向方向的应变，利用温度异常与热异常监测系统的温度采集仪相实时获取热成像仪拍摄的断层稳定性评价试样热成像图像以及各热电偶温度传感器测量的温度，利用流体压力监测系统的流体压力显示仪实时获取各流体压力传感器测量的压力。
100.步骤7，待断层稳定性评价试样被破坏时，结束对断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验；
101.保持向断层稳定性评价试样施加的温度场、双向应力场和流场不变，当监测到断层稳定性评价试样内连续出现多个破裂点或破裂信号时，断层稳定性评价试样内部被破坏，关闭温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统，停止对断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验。
102.断层稳定性评价试样在三向地应力加载条件下的断层失稳实验，所采用的断层失稳实验装置结构如图2所示，具体包括以下步骤：
103.步骤1，测定断层稳定性评价试样的原始声速；
104.利用岩石声波参数测试仪测量断层稳定性评价试样的原始声速，原始声速包括断层稳定性评价试样中沿倾斜断层走向方向的纵波速度、横波速度以及沿垂直于倾斜断层走向方向的纵波速度和横波速度，并将测量得到的断层稳定性评价试样原始声速输入微破裂监测系统中。
105.步骤2，安装断层稳定性评价试样；
106.开启加热电源使得加热板温度升高至预设温度后，对加热板进行保温处理，保持加热板的温度不变，将制得的断层稳定性评价试样置于加热板上，将应力与形变监测系统
的应变片组紧贴于倾斜断层的上表面，温度异常与热异常监测系统的热电偶温度传感器以及流体压力监测系统的流体压力传感器埋设于倾斜断层中，气液加载系统的气液注入管道依次穿过贯通孔和注水孔插入断层稳定性评价试样内，将真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头、z轴应力加载压头以及微破裂监测系统的声发射传感器紧贴于断层稳定性评价试样表面。
107.步骤3，向断层稳定性评价试样加载三向地应力和温度；
108.启动液压油缸，控制真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头和z轴应力加载压头，以0.01mpa/s的速率向断层稳定性评价试样施加x轴方向地应力σ
x
、y轴方向地应力σy和z轴方向地应力σz，使得断层稳定性评价试样受到三向应力场的作用，同时，根据预设的地层温度，利用加热板加热断层稳定性评价试样，向断层稳定性评价试样施加温度载荷。
109.步骤4，监测断层稳定性评价试样的临界破裂状态；
110.利用微破裂监测系统的声发射接收端实时获取各声发射传感器测量的声信息，根据各声发射传感器测量的声信息，结合断层稳定性评价试样的原始声速，判断断层稳定性评价试样的倾斜断层周围是否出现破裂点，若倾斜断层周围出现破裂点，则判定倾斜断层已处于临界破裂状态，此时，保持向断层稳定性评价试样施加的x轴方向地应力σ
x
和y轴方向地应力σy不变。
111.步骤5，利用气液加载系统向断层稳定性评价试样内注入液体；
112.开启液体储罐和液体注入管道上的液体控制阀，液体以预设的恒定流速从液体储罐内流出，依次经液体注入管道、气液注入管道注入断层稳定性评价试样内，形成稳定的流场。
113.步骤6，监测断层稳定性评价试样的多物理场信息；
114.在利用温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统向断层稳定性评价试样施加温度场、双向应力场和流场时，利用微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统监测断层稳定性评价试样，其中，利用微破裂监测系统的声发射接收端实时接收各声发射传感器测量的声信息，利用应力与形变监测系统的动态应变仪实时获取各应变片组测量的沿倾斜断层倾向方向的应变以及沿倾斜断层走向方向的应变，利用温度异常与热异常监测系统的温度采集仪相实时获取各热电偶温度传感器测量的温度，利用流体压力监测系统的流体压力显示仪实时获取各流体压力传感器测量的压力。
115.步骤7，待断层稳定性评价试样被破坏时，结束对断层稳定性评价试样在三向地应力加载条件下的断层失稳实验；
116.保持向断层稳定性评价试样施加的温度场、三向应力场和流场不变，当监测到断层稳定性评价试样内连续出现多个破裂点或破裂信号时，断层稳定性评价试样内部被破坏，关闭温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统，停止对断层稳定性评价试样在三向地应力加载条件下的断层失稳实验。
117.断层稳定性评价试样在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验，所采用的断层失稳实验装置结构如图3所示，具体包括以下步骤：
118.步骤1，测定断层稳定性评价试样的原始声速；
119.利用岩石声波参数测试仪测量断层稳定性评价试样的原始声速，原始声速包括断层稳定性评价试样中沿倾斜断层走向方向的纵波速度、横波速度以及沿垂直于倾斜断层走向方向的纵波速度和横波速度，并将测量得到的断层稳定性评价试样原始声速输入微破裂监测系统中。
120.步骤2，安装断层稳定性评价试样；
121.开启加热电源使得加热板温度升高至预设温度后，对加热板进行保温处理，保持加热板的温度不变，将制得的断层稳定性评价试样置于加热板上，将应力与形变监测系统的应变片组紧贴于倾斜断层的上表面，温度异常与热异常监测系统的热电偶温度传感器以及流体压力监测系统的流体压力传感器埋设于倾斜断层中，气液加载系统的气液注入管道依次穿过贯通孔和注水孔插入断层稳定性评价试样内，将真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头、z轴应力加载压头以及微破裂监测系统的声发射传感器紧贴于断层稳定性评价试样表面，z轴应力加载压头内气体收集管道底端与断层稳定性评价试样顶面相紧贴。
122.步骤3，向断层稳定性评价试样加载三向地应力和温度；
123.启动液压油缸，控制真三轴应力加载系统的x轴应力加载压头、y轴应力加载压头和z轴应力加载压头，以0.01mpa/s的速率向断层稳定性评价试样施加x轴方向地应力σ
x
、y轴方向地应力σy和z轴方向地应力σz，使得断层稳定性评价试样受到三向应力场的作用，同时，根据预设的地层温度，利用加热板加热断层稳定性评价试样，向断层稳定性评价试样施加温度载荷。
124.步骤4，监测断层稳定性评价试样的临界破裂状态；
125.利用微破裂监测系统的声发射接收端实时获取各声发射传感器测量的声信息，根据各声发射传感器测量的声信息，结合断层稳定性评价试样的原始声速，判断断层稳定性评价试样的倾斜断层周围是否出现破裂点，若倾斜断层周围出现破裂点，则判定倾斜断层已处于临界破裂状态，此时，保持向断层稳定性评价试样施加的x轴方向地应力σ
x
和y轴方向地应力σy不变。
126.步骤5，利用气液加载系统向断层稳定性评价试样内注入气体；
127.开启气体储罐和气体注入管道上的气体控制阀，气体储罐内的氮气以预设的恒定流速流出，依次经气体注入管道、气液注入管道注入断层稳定性评价试样内，形成稳定的气流场。
128.步骤6，监测断层稳定性评价试样的多物理场信息；
129.在利用温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统向断层稳定性评价试样施加温度场、双向应力场和气流场时，利用微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统监测断层稳定性评价试样，其中，利用微破裂监测系统的声发射接收端实时接收各声发射传感器测量的声信息，利用应力与形变监测系统的动态应变仪实时获取各应变片组测量的沿倾斜断层倾向方向的应变以及沿倾斜断层走向方向的应变，利用温度异常与热异常监测系统的温度采集仪相实时获取各热电偶温度传感器测量的温度，利用流体压力监测系统的流体压力显示仪实时获取各流体压力传感器测量的压力，利用气体流量计实时测量断层稳定性评价试样渗漏至气体收集管道内的气体流量，利用气体浓度检测仪实时监测断层稳定性评价试样顶面的渗漏气体浓度。
130.步骤7，待断层稳定性评价试样被破坏时，结束对断层稳定性评价试样在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验；
131.保持向断层稳定性评价试样施加的温度场、三向应力场和气流场不变，当监测到断层稳定性评价试样内连续出现多个破裂点或破裂信号时，断层稳定性评价试样内部被破坏，关闭温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统，停止对断层稳定性评价试样在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验。
132.本发明方法实现了对地质断层所处真实地层深部环境的还原，通过全面监测多场耦合作用下地质断层的多物理场信息，分析多场耦合环境对断层稳定性评价试样失稳的影响机制，为深部地层断层失稳机制的研究奠定了基础。
133.在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
134.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。