动静耦合多功能模型试验系统的制作方法

1.本发明涉及动静耦合模型试验领域，具体涉及动静耦合多功能模型试验系统。


背景技术：

2.随着煤炭资源不断向深部开采，面临的地质构造复杂多样，其中断层是最为常见的地质构造类型。在开采过程中，常面临跨断层或横穿断层开采的情况。在采动影响下，断层极易被激活，导致各类灾害的发生。由于断层滑移产生的事故具有发生时间短、破坏力强等特点，严重制约了煤矿的安全高效生产。地质力学模型试验作为研究深部地下灾害机理与控制方法的重要手段，能够模拟此类灾害的发生过程，得到此类灾害的发生机理，为灾害防治提供指导依据。但目前针对断层滑移型地质力学模型试验还存在以下问题：1、无法有效模拟正、逆断层的滑移过程。
3.2、地应力的伺服控制无法有效跟随断层滑移过程。
4.3、断层发生滑移的相关物理参数无法检测。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种动静耦合多功能模型试验系统。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：本发明的实施例提供了一种动静耦合多功能模型试验系统，包括反力承载子系统、动静载加荷子系统、变刚度断层激活子系统、高精监测子系统；所述的反力承载子系统分为静区框架单元、动区框架单元、变角度支座；所述的动静载加荷子系统包括并列加载装置、均衡加载装置、叠加储能装置和瞬时作动装置；所述的静区框架单元位于整体装置的左侧，动区框架单元位于整体装置的右侧，静区框架单元与动区框架单元通过插销油缸连接单元拼接；在静区框架单元上安装有位于模型体左侧的并列加载装置、位于模型体前侧和后侧的均衡加载装置、以及位于模型体底部的变刚度断层激活子系统、位于模型体顶部的叠加储能装置和瞬时作动装置；在动区框架单元上安装有位于模型体右侧的并列加载装置。
7.所述的变角度支座由固定支座与转向支座组成，固定支座安装在动区框架单元的底部，转向支座安装在静区框架单元的底部。
8.作为进一步的技术方案，所述的变刚度断层激活子系统，由双向滑移油缸、滑移油缸加速器、变刚度支护单元组成，变刚度支护单元与双向滑移油缸相连，滑移油缸加速器与双向滑移油缸相连。
9.作为进一步的技术方案，所述的变刚度支护单元由推力器、推力杆、摩擦片、承载柱组成，推力器与推力杆连接，推力杆的前段胶接环形摩擦片，环形摩擦片紧密包裹承载柱
下端；推力器通过推力杆施加推力，通过摩擦片作用于承载柱上；所述的承载柱下端与双向滑移油缸相连，上端与承载板相连。
10.作为进一步的技术方案，所述的高精监测子系统由数字位移监测装置、滑移能量监测装置、支护刚度计算装置和高精应力监测装置组成；滑移能量监测装置安装于变刚度支护单元的承载柱与模型体的接触面上，能够对模型体的滑移速度、加速度、发生滑移的模型体质量进行监测；支护刚度计算装置安装于变刚度支护单元的推力杆上，能够通过监测推力杆的推力，与设定的摩擦片的摩擦因数进行支护刚度计算；高精应力监测装置包括声发射装置、高精度压力盒、与埋设岩层材料相同材料制作的应变砖；高精度压力盒与埋设岩层材料相同材料制作的应变砖根据监测方案埋设在模型体内相应位置，声发射测点埋设在模型体内设定位置，装置外放置接收装置。
11.所述的数字位移监测装置由光栅位移测试装置和数字位移捕捉装置组成；光栅位移测试装置由光栅测片、重锤、引线、光栅尺组成，光栅测片埋设于模型体内，通过引线与模型体外的光栅尺相连接，通过重锤给引线施加一定预拉力。
12.数字位移捕捉装置布置在模型体所设置的巷道或隧道内，沿巷道边缘布置，通过图像捕捉对巷道或隧道内尺寸改变进行监测。
13.作为进一步的技术方案，还包括变角度支座，所述的变角度支座由固定支座与转向支座组成，固定支座安装在动区框架单元的底部，转向支座安装在静区框架单元的底部。
14.作为进一步的技术方案，在每个并列加载装置、均衡加载装置的加载板与静区框架单元、动区框架单元的交界面处还安装有加载减摩装置。
15.上述本发明的实施例的有益效果如下：本发明的动静耦合多功能模型试验系统，能够通过动静分区和配合双向滑移油缸有效模拟正断层、逆断层的滑移过程，能够通过机械减摩的方法最大限度降低边界摩擦，在断层发生滑移后，能够通过顶部叠加储能油缸实现地应力的瞬间补偿，且能够通过变刚度支护单元配合高精监测装置实现断层滑移能量的精确计算，为支护构件的选择提供指导依据。
附图说明
16.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
17.图1是本发明去掉前加载装置的整体结构示意图；图2是本发明增加前加载装置的示意图；图3是本发明带有底座的整体结构示意图；图4是本发明带有底座的整体结构示意图；图5是加载减摩装置的结构示意图；图6是本发明的静区框架示意图；图7是本发明的动区框架示意图；图8是本发明的模型体的结构示意图；图9、图10是变刚度断层激活子系统的结构示意图；
图中：1静区框架单元、 2 变刚度断层激活子系统，2-1双向滑移油缸、2-2滑移油缸加速器、2-3变刚度支护单元、3 转向推力缸、 4 主体固定铰、5叠加储能装置、 6 动区框架单元、7 右并列加载装置、 8 模型固定铰、 9 主体固定铰、 10 加载减摩装置、 10-1 减摩钢板，10-2 横向钢滚轴，10-3 减摩钢板，10-4纵向钢滚轴，10-5 减摩钢板，11 插销油缸、 12推力器、13 推力杆、 14 摩擦片、15 承载柱， 16-1 左半部分，16-2右半部分；17均衡加载装置，18瞬时作动装置。
具体实施方式
18.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
19.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种动静耦合多功能模型试验系统。
20.本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例提供的动静耦合多功能模型试验系统，包括反力承载子系统、动静载加荷子系统、变刚度断层激活子系统、高精监测子系统。
21.进一步地，所述的反力承载子系统分为静区框架单元、动区框架单元、插销油缸连接单元、模型体制作传送单元、变角度支座；模拟断层地质构造时，断层布置面为动区框架单元与静区框架单元的交界面上；静区框架单元和动区框架单元为可拼接式设计，均由690d特种钢材制成的方形模块组成；如图1所示，静区框架单元1位于整体装置的左侧，动区框架单元6位于整体装置的右侧，静区框架单元1与动区框架单元6通过插销油缸11连接单元拼接；模型体制作传送单元通过传送带与模型体反力框架底板相连，能够脱离主体反力框架系统单独制作模型体，其中，模型体反力框架由上述的静区框架单元1与动区框架单元6组成。
22.进一步的，动静载加荷子系统包括并列加载装置7、均衡加载装置17、叠加储能装置5和瞬时作动装置18；在静区框架单元1上安装有位于模型体左侧的并列加载装置7、位于模型体前侧和后侧的均衡加载装置17、以及位于模型体底部的变刚度断层激活子系统2、位于模型体顶部的叠加储能装置5和瞬时作动装置18；在动区框架单元上安装有位于模型体右侧的并列加载装置。
23.所述的叠加储能装置5安装于模型体的顶部，由多个高应力油缸与储能油缸串联叠加组成，其主要作用是实现加载装置储能功能，为试验提供竖直方向的高应力和动静载。
24.所述的并列加载装置7由多个独立的足尺油缸串联叠加组成，其主要作用是提供水平方向的高地应力，并列加载装置7包括多组，分别设置在试样的左侧和右侧；所述的均衡加载装置17由大刚度整体架、协同加载单元、贯穿油路组成；大刚度整体架中开设多个供协同加载单元放置的放置槽，放置槽内可作为液压油的载体，各个放置
槽通过油路相互贯通。
25.进一步的，变角度支座由固定支座与转向支座组成，固定支座安装在动区框架单元6的底部，转向支座安装在静区框架单元1的底部。
26.进一步的，所述的固定支座由模型固定铰8和主体固定铰9组成，模型体固定铰8直接浇筑于动区框架单元6的下侧，主体固定铰9通过法兰构件与外部（地面）相连；模型固定铰8和主体固定铰9之间通过旋转构件相连。转向支座由主体固定铰4与转向推力缸3组成，转向推力缸3的缸体与主体固定铰4通过旋转构件连接，转向推力缸3的活塞与静区框架单元1下侧相连，主体固定铰4通过法兰构件与外部（地面）相连；转向推力缸3进行伸缩时，可以实现对静区框架单元1的驱动。
27.进一步地，在每个加载装置的加载板与静区框架单元、动区框架单元的交界面处还安装有加载减摩装置10，用于减少加载装置加载时的摩擦；所述的加载减摩装置10由从上到下依次设置的减摩钢板10-1、横向钢滚轴10-2、减摩钢板10-3、纵向钢滚轴10-4、减摩钢板10-5组成，横纵两层钢滚轴叠加组合，且由位于中间的减摩钢板10-3间隔，在减摩钢板10-1、减摩钢板10-3和减摩钢板10-5上涂有有机减摩涂料。
28.进一步地，本实施例中的变刚度断层激活子装置2由双向滑移油缸2-1、滑移油缸加速器2-2、变刚度支护单元2-3组成，变刚度支护单元2-3与双向滑移油缸2-1相连，滑移油缸加速器2-2与双向滑移油缸2-1相连。
29.进一步的，上述的双向滑移油缸2-1由滑移一仓和滑移二仓组成，滑移一仓和滑移二仓两侧分别开有进油口，进油口通过高压管路与所述的滑移油缸加速器相连，高压管路上设有阀体，通过调整阀体开关实现往不同滑移仓内供油，两滑移仓间采用油膜进行密封，本实施例中采用双向滑移油缸2-1的目的是配合油缸加速器进一步促进模型体动静区交界面发生不同方向滑移。
30.进一步地，上述的变刚度支护单元2-3由推力器12、推力杆13、摩擦片14、承载柱15组成，推力器12与推力杆13连接，推力杆13的前段胶接环形摩擦片14，环形摩擦片14紧密包裹承载柱15下端；推力器12通过推力杆13施加推力，通过摩擦片14作用于承载柱15上；所述的摩擦片14可根据提前预估的刚度需求进行调整，更换不同摩擦因数的摩擦片，所述的承载柱15下端与双向滑移油缸2相连，承载柱15的上端与承载板相连，承载板用于承载模型体所述的变刚度支护单元可根据不同支护力自身发生移动，或整体随双向滑移油缸进行移动。
31.进一步地，本实施例中的高精监测子系统由数字位移监测装置、滑移能量监测装置、支护刚度计算装置和高精应力监测装置组成；滑移能量监测装置安装于变刚度支护单元的承载柱15与模型体的接触面上，能够对模型体的滑移速度、加速度、发生滑移的模型体质量进行监测；支护刚度计算装置安装于变刚度支护单元的推力杆13上，能够通过监测推力杆的推力，与设定的摩擦片的摩擦因数进行支护刚度计算；高精应力监测装置包括声发射装置、高精度压力盒、与埋设岩层材料相同材料制作的应变砖；高精度压力盒与埋设岩层材料相同材料制作的应变砖根据监测方案埋设在模型体内相应位置，监测应力测点处的应力数据，声发射测点埋设在模型体内设定位置，装置外放置接收装置，
所述的数字位移监测装置由光栅位移测试装置和数字位移捕捉装置组成；光栅位移测试装置由光栅测片、重锤、引线、光栅尺组成，光栅测片埋设于模型体内，通过引线与模型体外的光栅尺相连接，通过重锤给引线施加一定预拉力，光栅位移测试装置对模型体内位移测点处的位移进行测量，不同光栅位移测试装置的设置方式决定测点不同方向位移量的测量数字位移捕捉装置布置在模型体所设置的巷道或隧道内，沿巷道边缘布置，通过图像捕捉对巷道或隧道内尺寸改变进行监测。
32.上述试验系统的试验方法如下：制作模型体，所述的模型体包括左右两部分，如图8所示，分别是左半部分16-1和右半部分16-2；将模型体放入装置内部，调整主体固定铰、模型固定铰和推力转向缸使动区单元框架与静区单元框架旋转至预设角度。通过均衡加载装置、并列加载装置与叠加储能装置对模型体边界上施加设定应力，使得模型体边界应力达到预设的应力条件。
33.在进行断层滑移类模型试验时，将变刚度支护系统的支护刚度调至最大。根据模型体动载加载要求，通过叠加储能装置释放动载，在动载作用下，开启双向滑移油缸，根据滑移需求，设定滑移油缸工作方向。若叠加储能装置提供动载未满足动载要求，可通过开启瞬时作动装置补充动载。
34.待滑移油缸缓慢开始工作后，当叠加储能装置释放的动载能量达到阈值，通过滑移油缸加速器瞬时加速滑移油缸时模型体在动区框架与静区框架交接面上发生滑移。
35.在进行动静耦合支护效果测定类模型试验时，根据预设需求调整变刚度支护系统的支护刚度，使其模拟地下工程中单位长度内支护构件提供的刚度总和，通过叠加储能装置、双向滑移油缸、并列加载装置提供不同大小不同组合的荷载类型，判定在设定支护刚度下能够满足支护需求。
36.最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。