一种变倾角断层滑移模拟试验方法与流程

本发明涉及地下工程室内模拟试验技术领域，具体地说是涉及一种变倾角断层滑移模拟试验方法。

背景技术：

断层是影响煤矿生产过程的重要地质因素之一。断层地质构造的存在不仅影响煤矿生产的井田划分、开拓系统布设和巷道掘进等环节，还对矿井的安全生产及经济效益产生重大威胁。断层附近的煤层开采，造成局部的应力场的改变，使得断层活化或能量积聚，最终可能导致冲击地压的发生。因此，断层滑移过程的物理力学行为研究对断层附近的开采设计、巷道围岩稳定性控制和断层冲击地压机理研究都具有重要意义。

用于模拟断层的试验装置大多是基于相似模拟试验和岩石(类岩石)试样的水平剪切试验。相似模拟试验的模型在材料的物理力学参数和应力条件方面不能与原模型做到完全相似，且模型边界条件简单，水平应力大小取决于顶部载荷，不能实现给定围压的双轴及真三轴实验。岩石试样的水平剪切试验虽不易模拟多岩层的复杂地质条件，但能模拟确定的应力边界条件，可以研究不同应力加载条件下的岩样及弱面的力学行为。

目前的模拟断层滑移的试验大多为岩石试样的水平剪切试验以及固定倾角的双轴或三轴压缩试验，不能模拟不同倾角的断层滑移，而断层附近开采的冲击危险性不仅与开采位置有关，还与断层倾角有关。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变倾角断层滑移模拟试验方法，能够制备不同倾角界面的类岩石试样以及模拟不同倾角断层的滑移破坏过程，以研究不同倾角断层的滑移条件及其滑移过程中的力学行为。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下：

一种变倾角断层滑移模拟试验方法，采用试样装置和加载装置；

所述试样装置包括底板、滑动隔板、组合压板和转动挡板；底板的前后边沿均开设滑槽，底板的左右侧均布置滑动隔板，滑动隔板的前后端均设置有滑块，滑块滑动连接于滑槽内；底板的前后侧均布置组合压板，组合压板由多个压块依次首尾拼接而成，组合压板的两端拼接滑动隔板的末端；底板的中间位置布置转动挡板，转动挡板包括固定板和滑动板，所述固定板转动连接底板的中间位置且固定板可拆卸连接底板，所述固定板的两侧均滑动连接一块滑动板；滑动板的末端设置有定位件，所述定位件可拆卸连接组合压板；

所述加载装置包括加载支承台、顶部加载压头、顶部承压单元、底部加载压头、侧加载压头、侧承压单元、承力座、应变片、声发射检波器、计算机和相机；加载支承台包括底座、左加载支承架、右加载支承架和上加载支承架，底座的左右侧分别设置左加载支承架和右加载支承架，左加载支承架和右加载支承架上架设上加载支承架；上加载支承架上设置顶部加载压头；顶部承压单元包括传力柱、滚柱和上承压板，传力柱的上端连接顶部加载压头，传力柱的下端并排转动连接多个滚柱，上承压板的一侧设置向下弯折的挡片；底座上设置底部加载压头；左加载支承架上设置承力座，承力座的右端从上到下并排转动连接多个滚柱；右加载支承架上设置侧加载压头；侧承压单元包括导向轴、直线轴承、侧承压板和滚柱，底座上于右侧设置导向轴，导向轴上设置直线轴承，直线轴承上设置侧承压板，侧承压板的左端从上到下并排转动连接多个滚柱；

所述方法包括如下步骤：

步骤1、试样制备

转动固定板至设定角度以模拟设定角度的断层倾角，使滑动板相对于固定板伸缩，通过定位件将滑动板连接组合压板进行定位，底板、滑动隔板及组合压板围成半包围腔体，转动挡板将半包围腔体分隔成两个腔体，在底板的上表面、滑动隔板的内壁、组合压板的内壁及转动挡板的表面涂抹润滑油，将第一类岩石材料注入到两个腔体，待第一类岩石材料凝固成型为类岩石试样后，拆卸转动挡板及底板，去除类岩石试样表面的润滑油，对类岩石试样进行养护；

其中，分别注入到两个腔体的第一类岩石材料为同种材料或不同种材料；

步骤2、试样装配

定义转动挡板后方腔体内的类岩石试样为下盘试样，定义转动挡板前方腔体内的类岩石试样为上盘试样，下盘试样与上盘试样共同组成类岩石试样，下盘试样与上盘试样搭接的界面为断层界面，在类岩石试样的上侧及下侧放置组合压板，在类岩石试样的左侧及右侧放置滑动隔板，将组合压板拼接滑动隔板，组合压板在断层界面位置断开；

步骤3、加载准备

类岩石试样中，将下盘试样放置于左下方，将上盘试样放置于右上方，下盘试样下侧的组合压板贴合底部加载压头，下盘试样左侧的滑动隔板贴合承力座上的多个滚柱，在上盘试样上侧放置顶部承压单元，上盘试样上侧的组合压板贴合上承压板，上盘试样右侧的滑动隔板顶部位置贴合挡片，上盘试样右侧的滑动隔板除顶部位置外的其他位置贴合侧承压板上的多个滚柱；

或者，类岩石试样中，将下盘试样放置于右下方，将上盘试样放置于左上方，上盘试样下侧的组合压板贴合底部加载压头，上盘试样左侧的滑动隔板贴合承力座上的多个滚柱，在下盘试样上侧放置顶部承压单元，下盘试样上侧的组合压板贴合上承压板，下盘试样右侧的滑动隔板顶部位置贴合挡片，下盘试样右侧的滑动隔板除顶部位置外的其他位置贴合侧承压板上的多个滚柱；

在类岩石试样表面断层界面沿线布置应变片，在类岩石试样表面左右两侧布置声发射检波器，在类岩石试样表面涂抹散斑，将相机对准类岩石试样表面，将顶部加载压头、底部加载压头、侧加载压头、应变片、声发射检波器及相机分别与计算机信号连接；

步骤4、试样加载

当“类岩石试样中，将下盘试样放置于左下方，将上盘试样放置于右上方”时，

计算机先驱动侧加载压头对类岩石试样施加设定压力的侧向应力，计算机再驱动顶部加载压头对类岩石试样施加设定压力的轴向应力；上盘试样相对于下盘试样正倾向滑移过程中，侧承压板沿水平向右移动，传力柱下端的多个滚柱沿上承压板的表面滚动，侧承压板左端的多个滚柱沿上盘试样右侧的滑动隔板的表面滚动；

当“类岩石试样中，将下盘试样放置于右下方，将上盘试样放置于左上方”时，

计算机先驱动侧加载压头对类岩石试样施加设定压力的侧向应力，计算机再驱动底部加载压头对类岩石试样施加设定压力的轴向应力；上盘试样相对于下盘试样逆倾向滑移过程中，侧承压板沿水平向左移动，承力座右端的多个滚柱沿上盘试样左侧的滑动隔板的表面滚动，传力柱下端的多个滚柱沿上承压板的表面滚动，侧承压板左端的多个滚柱沿下盘试样右侧的滑动隔板的表面滚动；

计算机记录顶部加载压头的实时轴向应力数据、底部加载压头的实时支承压力数据、侧加载压头的实时侧向应力数据、应变片实时监测的应变数据、声发射检波器实时监测的声发射数据和相机实时监测的散斑变化数据；加载结束后，取下类岩石试样，观察记录类岩石试样表面断层界面破坏情况。

优选的，步骤1中，在第一类岩石材料凝固成型为类岩石试样之前，第一类岩石材料仍具有流动性时，拆卸转动挡板后，去除第一类岩石材料上原转动挡板位置的润滑油，将表面涂抹有润滑油的曲形薄板放入原转动挡板位置，待第一类岩石材料继续流动或继续添加第一类岩石材料，取出曲形薄板，去除第一类岩石材料上原曲形薄板位置的润滑油，将第一类岩石材料压实成型为类岩石试样。

优选的，所述曲形薄板的曲面形状对应巴顿jrc标准粗糙度等级剖面曲线形状。

优选的，步骤1中，待第一类岩石材料凝固成型为类岩石试样后，拆卸转动挡板后，拆卸底板之前，去除类岩石试样表面的润滑油，在类岩石试样原转动挡板的位置填充第二类岩石材料，第二类岩石材料的强度低于第一类岩石材料的强度，将第二类岩石材料压实成型后，拆卸底板。

优选的，所述定位件包括u形夹和锁紧螺钉，滑动板的末端设置u形夹，u形夹的一夹爪上设置锁紧螺钉；u形夹倒扣在组合压板，u形夹可沿组合压板滑动；锁紧螺钉正向旋转，以使锁紧螺钉与u形夹的另一夹爪夹紧组合压板，锁紧螺钉反向旋转，锁紧螺钉与u形夹的另一夹爪与组合压板脱离。

优选的，所述底板的中间位置开设旋转孔，所述固定板的中间位置设置有转轴，所述转轴位于所述旋转孔内。

优选的，所述旋转孔的一侧设置有0至180°的刻度线。

优选的，所述相邻的压块，一块压块上开设t形凸口，另一块压块上开设t形凹口，相邻的压块经t形凸口、t形凹口拼接；压块与滑动隔板的末端之间，压块上开设t形凸口，滑动隔板的末端开设t形凹口，压块与滑动隔板的末端经t形凸口、t形凹口拼接。

优选的，所述固定板的两侧均设置为中空腔体，所述滑动板可相对于中空腔体伸缩。

优选的，所述滑动隔板、组合压板均由实心钢板制成。

本发明的有益技术效果是：

本发明的变倾角断层滑移模拟试验方法，可以制备不同倾角界面的类岩石试样，界面类型包括普通裂隙界面、不同粗糙度界面和低强度弱界面，可以模拟不同倾角断层的滑移破坏过程，以及可以模拟断层正倾向滑移和逆倾向滑移，滑移模拟试验操作方便，试验数据实现自动、精准采集，以用于研究不同倾角断层的滑移条件及其滑移过程中的力学行为；本发明的变倾角断层滑移模拟试验方法，应用的试样装置不仅可用于制备不同倾角界面的类岩石试样，还可以作为类岩石试样的加载夹具，具有试样制作模具和加载夹具的双重作用。

附图说明

图1为本发明实施例类岩石试样、试样装置部分结构及加载装置的结构示意图一，图中，上盘试样相对于下盘试样正倾向滑移；

图2为本发明实施例类岩石试样、试样装置部分结构及加载装置的结构示意图二，图中，上盘试样相对于下盘试样逆倾向滑移；

图3为本发明实施例试样装置的俯视图；

图4为本发明实施例试样装置的侧视图；

图5为本发明实施例试样装置的部分结构示意图；

图6为本发明实施例曲形薄板的立体图；

图7为本发明实施例上盘试样、下盘试样之间断层界面由曲形薄板设定粗糙度界面的结构示意图；

图8为本发明实施例上盘试样、下盘试样之间断层界面填充低强度弱界面的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例的一种变倾角断层滑移模拟试验方法，请参考图1至图8所示。

一种变倾角断层滑移模拟试验方法，采用试样装置和加载装置。

试样装置包括底板11、滑动隔板12、组合压板13和转动挡板14等，其中，滑动隔板12、组合压板13均由实心钢板制成。

底板11的前后边沿均开设滑槽111，底板11的左右侧均布置滑动隔板12，滑动隔板12的前后端均设置有滑块121，滑块121滑动连接于滑槽111内，滑块121可沿滑槽111沿左右方向滑动。

底板11的前后侧均布置组合压板13，组合压板13由多个压块依次首尾拼接而成，组合压板13的两端拼接滑动隔板12的末端。具体的，相邻的压块，一块压块上开设t形凸口，另一块压块上开设t形凹口，相邻的压块经t形凸口、t形凹口拼接；压块与滑动隔板12的末端之间，压块上开设t形凸口，滑动隔板12的末端开设t形凹口，压块与滑动隔板12的末端经t形凸口、t形凹口拼接。如此，可以方便地利用多个压块拼接成不同长度的组合压板13，可以方便地将组合压板13与滑动隔板12拼接为一体；此外，在后续“加载准备”步骤，可以使组合压板13方便地在断层界面位置断开。

底板11的中间位置布置转动挡板14，转动挡板14包括固定板141和滑动板142，固定板141转动连接底板11的中间位置且固定板141可拆卸连接底板11，固定板141的两侧均滑动连接一块滑动板142；滑动板142的末端设置有定位件15，定位件15可拆卸连接组合压板13。具体的，在底板11的中间位置开设旋转孔112，固定板141的中间位置设置有转轴，转轴位于旋转孔112内。在旋转孔112的一侧设置有0至180°的刻度线，使转动挡板14(固定板141)参照刻度线转动至设定角度以模拟设定角度的断层倾角。本实施例中，固定板141的两侧均设置为中空腔体，滑动板142可相对于中空腔体伸出或缩回。

本实施例的定位件15包括u形夹和锁紧螺钉，滑动板142的末端设置u形夹，u形夹的一夹爪上设置锁紧螺钉；u形夹倒扣在组合压板13上，u形夹可沿组合压板13滑动；锁紧螺钉正向旋转，以使锁紧螺钉与u形夹的另一夹爪夹紧组合压板13，锁紧螺钉反向旋转，锁紧螺钉与u形夹的另一夹爪与组合压板13脱离，如此，以实现定位件15与组合压板13的可拆卸连接。

加载装置包括加载支承台、顶部加载压头22、顶部承压单元、底部加载压头24、侧加载压头25、侧承压单元、承力座26、应变片31、声发射检波器32、计算机4和相机等。加载支承台包括底座211、左加载支承架212、右加载支承架213和上加载支承架214。底座211的左侧设置左加载支承架212，底座211的右侧设置右加载支承架213，左加载支承架212和右加载支承架213上架设上加载支承架214。上加载支承架214上设置顶部加载压头22，顶部加载压头22可以经顶部承压单元对类岩石试样(上盘试样51、下盘试样52)施加设定压力的轴向应力。顶部承压单元包括传力柱231、上滚柱232和上承压板233，传力柱231的上端连接顶部加载压头22，传力柱231的下端并排转动连接多个上滚柱232，上承压板233的一侧设置向下弯折的挡片234，上承压板233和挡片234的剖面形状呈l形。顶部加载压头22经传力柱231向下施加轴向应力，上盘试样51相对于下盘试样52滑移，上盘试样51上侧的组合压板13及上盘试样51或下盘试样52右侧的滑动隔板12随上盘试样51或下盘试样52移动，上承压板233及挡片234可以使组合压板13和滑动隔板12保持为一体结构。上滚柱232则沿着上承压板233在水平方向滚动，保持传力柱231持续对上承压板233、组合压板13施加轴向应力或限位。底座211上设置底部加载压头24，底部加载压头24以对类岩石试样(上盘试样51、下盘试样52)施加设定压力的轴向应力或限位。左加载支承架212上设置承力座26，承力座26的右端从上到下并排转动连接多个下滚柱263。右加载支承架213上设置侧加载压头25，承力座26与侧加载压头25及侧承压单元对类岩石试样施加设定压力的侧向应力。侧承压单元包括导向轴261、直线轴承、侧承压板262和下滚柱263，底座211上于右侧设置导向轴261，导向轴261上设置直线轴承，直线轴承上设置侧承压板262，侧承压板262的左端从上到下并排转动连接多个下滚柱263。承力座26及侧承压板262上的下滚柱263沿着滑动隔板12在竖直方向滚动，保持承力座26、侧承压板262持续对滑动隔板12施加轴向应力。

本实施例的变倾角断层滑移模拟试验方法包括如下步骤：

步骤1、试样制备

转动固定板141(转动挡板14)至设定角度以模拟设定角度的断层倾角，使滑动板142相对于固定板142伸缩，通过定位件15将滑动板142连接组合压板13进行定位，底板11、滑动隔板12及组合压板13围成半包围腔体，转动挡板14将半包围腔体分隔成第一腔体61和第二腔体62，在底板11的上表面、滑动隔板12的内壁、组合压板13的内壁及转动挡板14的表面涂抹润滑油，将第一类岩石材料注入到第一腔体61和第二腔体62，待第一类岩石材料凝固成型为类岩石试样后，拆卸转动挡板14及底板11，去除类岩石试样表面的润滑油，对类岩石试样进行养护。如此，制备的类岩石试样界面8类型为普通裂隙界面。

其中，注入到第一腔体61的第一类岩石材料和注入到第二腔体62的第一类岩石材料为同种材料或不同种材料。当注入到第一腔体61的第一类岩石材料和注入到第二腔体62的第一类岩石材料为同种材料时，以研究断层界面两侧相同岩性岩层的滑移；当注入到第一腔体61的第一类岩石材料和注入到第二腔体62的第一类岩石材料为不同种材料时，以研究断层界面两侧不同岩性岩层的滑移。

步骤1中，在第一类岩石材料凝固成型为类岩石试样之前，第一类岩石材料仍具有流动性时，拆卸转动挡板14后，去除第一类岩石材料上原转动挡板14位置的润滑油，将表面涂抹有润滑油的曲形薄板7放入原转动挡板14的位置，待第一类岩石材料继续流动或继续添加第一类岩石材料，取出曲形薄板7，去除第一类岩石材料上原曲形薄板7位置的润滑油，将第一类岩石材料压实成型为类岩石试样。其中，曲形薄板7的曲面形状对应巴顿jrc标准粗糙度等级剖面曲线形状。如此，制备的类岩石试样界面8类型为不同粗糙度界面，如图7所示。

步骤1中，待第一类岩石材料凝固成型为类岩石试样后，拆卸转动挡板14后，拆卸底板11之前，去除类岩石试样表面的润滑油，在类岩石试样原转动挡板14的位置填充第二类岩石材料，第二类岩石材料的强度低于第一类岩石材料的强度，将第二类岩石材料压实成型后，拆卸底板11。如此，制备的类岩石试样界面8类型为低强度弱界面，如图8所示。

步骤2、试样装配

定义转动挡板14后方腔体(第二腔体62)内的类岩石试样为下盘试样52，定义转动挡板14前方腔体(第一腔体61)内的类岩石试样为上盘试样51，下盘试样52与上盘试样51共同组成类岩石试样，下盘试样52与上盘试样51搭接的界面为断层界面，在类岩石试样的上侧及下侧放置组合压板13，在类岩石试样的左侧及右侧放置滑动隔板12，将组合压板13拼接滑动隔板12，组合压板13在断层界面位置断开。

步骤3、加载准备

类岩石试样中，将下盘试样52放置于左下方，将上盘试样51放置于右上方，下盘试样52下侧的组合压板13贴合底部加载压头24，下盘试样52左侧的滑动隔板12贴合承力座26上的多个下滚柱263，在上盘试样51上侧放置顶部承压单元，上盘试样51上侧的组合压板13贴合上承压板233，上盘试样51右侧的滑动隔板12顶部位置贴合挡片234，上盘试样51右侧的滑动隔板12除顶部位置外的其他位置贴合侧承压板262上的多个下滚柱263。

或者，类岩石试样中，将下盘试样52放置于右下方，将上盘试样51放置于左上方，上盘试样51下侧的组合压板13贴合底部加载压头24，上盘试样51左侧的滑动隔板12贴合承力座26上的多个下滚柱263，在下盘试样52上侧放置顶部承压单元，下盘试样52上侧的组合压板13贴合上承压板233，下盘试样52右侧的滑动隔板12顶部位置贴合挡片234，下盘试样52右侧的滑动隔板12除顶部位置外的其他位置贴合侧承压板262上的多个下滚柱263。

在类岩石试样表面断层界面沿线布置应变片31，在类岩石试样表面左右两侧布置声发射检波器32，在类岩石试样表面涂抹散斑，将相机对准类岩石试样表面，将顶部加载压头22、底部加载压头24、侧加载压头25、应变片31、声发射检波器32及相机分别与计算机4信号连接。

步骤4、试样加载

如图1所示，当“类岩石试样中，将下盘试样52放置于左下方，将上盘试样51放置于右上方”时，

计算机4先驱动侧加载压头25对类岩石试样施加设定压力的侧向应力，计算机4再驱动顶部加载压头22对类岩石试样施加设定压力的轴向应力，。此时，底部加载压头24起到位移约束作用。上盘试样51相对于下盘试样52正倾向滑移过程中，侧承压板262沿水平向右移动，传力柱231下端的多个上滚柱232沿上承压板233的表面滚动，侧承压板262左端的多个下滚柱263沿上盘试样51右侧的滑动隔板12的表面滚动。如此，模拟上盘试样51开采，以模拟断层正倾向滑移。

如图2所示，当“类岩石试样中，将下盘试样52放置于右下方，将上盘试样51放置于左上方”时，

计算机4先驱动侧加载压头25对类岩石试样施加设定压力的侧向应力，计算机4再驱动底部加载压头24对类岩石试样施加设定压力的轴向应力。此时，顶部加载压头22起到位移约束作用。上盘试样51相对于下盘试样52逆倾向滑移过程中，侧承压板262沿水平向左移动，承力座26右端的多个下滚柱263沿上盘试样51左侧的滑动隔板12的表面滚动，传力柱231下端的多个上滚柱232沿上承压板233的表面滚动，侧承压板262左端的多个下滚柱263沿下盘试样52右侧的滑动隔板12的表面滚动。如此，模拟下盘试样51开采，以模拟断层逆倾向滑移。

计算机4记录顶部加载压头22的实时轴向应力数据、底部加载压头24的实时支承压力数据、侧加载压头25的实时侧向应力数据、应变片31实时监测的应变数据、声发射检波器32实时监测的声发射数据和相机实时监测的散斑变化数据；加载结束后，取下类岩石试样，观察记录类岩石试样表面断层界面破坏情况。至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种变倾角断层滑移模拟试验方法有了清楚的认识。本发明的变倾角断层滑移模拟试验方法，可以制备不同倾角界面的类岩石试样，界面类型包括普通裂隙界面、不同粗糙度界面和低强度弱界面，可以模拟不同倾角断层的滑移破坏过程，以及可以模拟断层正倾向滑移和逆倾向滑移，滑移模拟试验操作方便，试验数据实现自动、精准采集，以用于研究不同倾角断层的滑移条件及其滑移过程中的力学行为。此外，本发明的变倾角断层滑移模拟试验方法，应用的试样装置不仅可用于制备不同倾角界面的类岩石试样，还可以作为类岩石试样的加载夹具，具有试样制作模具和加载夹具的双重作用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。