一種斷層構(gòu)造應(yīng)力的監(jiān)測裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖土工程和采礦工程領(lǐng)域，具體地說，涉及一種斷層構(gòu)造應(yīng)力的監(jiān)測 裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地球板塊在地質(zhì)演化過程中產(chǎn)生了多種斷層地質(zhì)構(gòu)造，而這些構(gòu)造的特征直接決 定著礦井地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生條件，也是誘發(fā)巖爆和沖擊地壓的主要因素之一。在巖土工程和 采礦工程的現(xiàn)場實(shí)踐中，斷層等不利地質(zhì)構(gòu)造的滑動(dòng)失穩(wěn)誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的強(qiáng)度和頻度逐漸 增加，而斷層構(gòu)造應(yīng)力的分布特征是研究斷層滑動(dòng)失穩(wěn)的主要參數(shù)。
[0003] 當(dāng)前，斷層構(gòu)造應(yīng)力的研究主要通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測完成。但是，因?yàn)楝F(xiàn)場 監(jiān)測成本較高，且數(shù)據(jù)離散性較大，研究人員往往首先通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)分析斷層滑動(dòng)失穩(wěn) 時(shí)的臨界應(yīng)力值，以此進(jìn)一步分析現(xiàn)場實(shí)際條件下的斷層失穩(wěn)前兆信息，例如水平和垂直 加載條件下斷層構(gòu)造應(yīng)力監(jiān)測的相似模擬實(shí)驗(yàn)。但在該類實(shí)驗(yàn)中，由于斷層面的封閉性，斷 層面上的應(yīng)力監(jiān)測裝置安裝十分不便。現(xiàn)有方法中，監(jiān)測斷層構(gòu)造應(yīng)力的傳感器一般布置 于斷層面附近，傳感器監(jiān)測到的應(yīng)力值相對于斷層的滑動(dòng)略顯滯后，無法準(zhǔn)確測得斷層滑 動(dòng)時(shí)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種斷層構(gòu)造應(yīng)力的監(jiān)測裝置和方法，所述斷層構(gòu)造應(yīng)力包括斷層面 上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，所要解決的技術(shù)問題是由于斷層面的封閉性，而現(xiàn)有技術(shù)中斷層面 上的應(yīng)力監(jiān)測裝置安裝十分不便，監(jiān)測斷層構(gòu)造應(yīng)力的傳感器一般布置于斷層面附近，傳 感器監(jiān)測到的應(yīng)力值相對于斷層的滑動(dòng)略顯滯后，無法準(zhǔn)確測得斷層滑動(dòng)時(shí)的正應(yīng)力和剪 應(yīng)力。
[0005] 本發(fā)明的目的在于：在水平和垂直載荷作用下，監(jiān)測斷層面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的 大小;在水平和垂直載荷作用下，計(jì)算斷層面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力理論值的大?。槐容^和分析 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測值和理論值之間的誤差，確定斷層失穩(wěn)時(shí)的臨界應(yīng)力值，為巖土工程和采礦工程 學(xué)科領(lǐng)域中研究斷層滑動(dòng)失穩(wěn)誘發(fā)巖爆和沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 支撐，為預(yù)測和防治動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生提供前兆信息。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：
[0007] 一種斷層構(gòu)造應(yīng)力的監(jiān)測方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，安裝應(yīng)力傳感器:將應(yīng)力傳感器通過連接線固定在斷層監(jiān)測相似模擬試驗(yàn) 平臺的第一固定端和第二固定端之間，并施加一定的繩索預(yù)緊力，避免因水平載荷的施加 使得牽引應(yīng)力傳感器的繩索松弛；
[0009] 步驟2,預(yù)制斷層:在斷層監(jiān)測相似模擬試驗(yàn)平臺上鋪設(shè)相似模擬材料，按照預(yù)制 斷層面的位置分左右兩部分鋪設(shè)，形成斷層，并使所述斷層與所述應(yīng)力傳感器相互垂直，待 相似模型鋪設(shè)完畢后，將應(yīng)力傳感器調(diào)零；
[0010]步驟3,施加載荷并監(jiān)測應(yīng)力:通過斷層監(jiān)測相似模擬試驗(yàn)平臺的載荷施加裝置向 步驟2中制備的帶有斷層的相似模型進(jìn)行分級逐步施加水平載荷和垂直載荷，應(yīng)力傳感器 監(jiān)測得到不同的載荷下的斷層處的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，并將其傳送至應(yīng)力監(jiān)測儀中；
[0011]步驟4,監(jiān)測斷層失穩(wěn)臨界應(yīng)力：隨著步驟3中施加的水平載荷和垂直載荷的逐漸 增大，相似模型的變形也隨之不斷增大，直至預(yù)制斷層發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)，應(yīng)力傳感器監(jiān)測得到 滑動(dòng)失穩(wěn)時(shí)斷層處的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，并將其傳送至應(yīng)力監(jiān)測儀中；
[0012] 步驟5,理論值與實(shí)驗(yàn)值對比分析:根據(jù)靜力學(xué)原理，構(gòu)建斷層力學(xué)理論模型，推導(dǎo) 斷層面上正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ與水平載荷qx和垂直載荷q y之間的函數(shù)關(guān)系，并將由所述函數(shù) 關(guān)系確定的應(yīng)力曲線繪制到計(jì)算機(jī)中；
[0013] 步驟6,分析斷層失穩(wěn)前兆信息:使用應(yīng)力監(jiān)測儀將步驟3和步驟4中得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 與步驟5中構(gòu)建的斷層力學(xué)理論模型進(jìn)行對比分析，通過相似比還原實(shí)際工程背景下斷層 構(gòu)造的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，確定斷層失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力值，為預(yù)測斷層滑動(dòng)失穩(wěn)提供前兆信息。 [0014]優(yōu)選的，步驟2中，所述相似模擬材料采取逐層鋪設(shè)的方法，先逐層鋪設(shè)斷層一側(cè) 的相似模擬材料，之后在斷層面出均勻的鋪灑一層云母粉，然后再逐層鋪設(shè)斷層另一側(cè)的 相似模擬材料。
[0015]優(yōu)選的，所述斷層處的云母粉的鋪設(shè)厚度為10~50μπι。
[0016]優(yōu)選的，步驟2中，所述相似模擬材料為由沙土、石灰、石膏和水混合而成的復(fù)合材 料。
[0017]優(yōu)選的，步驟5中，將由所述函數(shù)關(guān)系確定的應(yīng)力曲線繪制到計(jì)算機(jī)中，得到正應(yīng) 力σ與水平載荷qx和垂直載荷qy之間的函數(shù)關(guān)系曲線以及剪應(yīng)力τ與水平載荷qx和垂直載荷 qy之間的函數(shù)關(guān)系曲線，應(yīng)力監(jiān)測儀將應(yīng)力傳感器收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對 比。
[0018] 斷層力學(xué)理論模型的建立，具體如下：
[0019] 如圖2所示，設(shè)斷層巖體水平載荷和垂直載荷分別為qx和qy，因模型尺寸較小，故自 身重力與載荷相比可以忽略不計(jì)。模型高為h，厚度方向取單位1，斷層角度為α，斷層面上正 應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為σ和τ。因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)在斷層失穩(wěn)前是平衡體系，所以以斷層面為斜邊 取一個(gè)三角形進(jìn)行建模，如圖3所示。
[0020] 由圖3的幾何關(guān)系可知，三角形底邊長/ = _&_，斷層面長s = i，圖中力學(xué)量 Um a sin (67 均為應(yīng)力量綱，因此需要換算成力的量綱來計(jì)算，及力=應(yīng)力X面積。
[0021] 根據(jù)彈性力學(xué)和靜力學(xué)基本理論，建立三角形在X方向和y方向的平衡方程，并注 意到模型在厚度方向取單位長度1，公式如下所示： /? h ΣI7, - 〇, qJi-^-asin a-+ r cos a-= 0 sin a sin a / \
[0022] . , r ⑴ r廠 n h 力 . " A ΣΙ7、二(\ if--h σ cos a--rsm a-= 0 tan a sin a sin a
[0023] 化簡（1)式，得 Σ/7' =〇, % + σ 十 r -~~-- = 0
[0024] toa (2) Σ/7 -〇, q--\-σ-!--r 二 0 tan a lan a
[0025] 求解(2)式，得
[0026] 〇an^切 1 戶-(H)ana Q) tarr a + l tarr α 十1
[0027] 式(3)中〇和1分別為斷層面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，負(fù)號僅表示計(jì)算結(jié)果的正應(yīng)力 和剪應(yīng)力方向和假設(shè)方向相反;q x和qy分別為水平載荷和垂直載荷。
[0028]式(3)為斷層面上正應(yīng)力〇和剪應(yīng)力τ與水平載荷qx和垂直載荷qy之間的函數(shù)關(guān)系。 由式(3)結(jié)果可知，斷層正應(yīng)力〇和剪應(yīng)力τ只與水平載荷qx、垂直載荷qy及斷層角度a有關(guān)， 與其他因素?zé)o關(guān)。因此，可以根據(jù)式(3)計(jì)算出水平載荷和垂直載荷增加時(shí)，理論上的斷層 正應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小，以此和監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，并且修正監(jiān)測結(jié)果。
[0029]本發(fā)明的斷層構(gòu)造應(yīng)力監(jiān)測方法的有益效果在于：本發(fā)明的斷層的應(yīng)力監(jiān)測方 法，通過垂直安裝于斷層面上的應(yīng)力傳感器，監(jiān)測得出斷層的正應(yīng)力和剪應(yīng)力;通過構(gòu)建斷 層力學(xué)模型，計(jì)算出水平和垂直加載條件下斷層面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小，并且和監(jiān)測 所得結(jié)果進(jìn)行對比，確定斷層失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力值，為兩類學(xué)科領(lǐng)域中研究斷層滑動(dòng)失穩(wěn)誘發(fā) 巖爆和沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，為預(yù)測和防治動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生 提供前兆ig息。
[0030] 本發(fā)明還提供了一種斷層構(gòu)造應(yīng)力監(jiān)測裝置，包括斷層監(jiān)測相似模擬試驗(yàn)平臺和 斷層應(yīng)力傳感器，所述斷層監(jiān)測相似模擬試驗(yàn)平臺的兩側(cè)分別設(shè)置有第一固定端和第二固 定端，所述斷層應(yīng)力傳感器的兩側(cè)分別通過連接線與第一固定端和第二固定端相連接，所 述斷層監(jiān)測相似模擬試驗(yàn)平臺包括載荷施加裝置和應(yīng)力監(jiān)測儀，所述應(yīng)力監(jiān)測儀與應(yīng)力傳 感器電連接。
[0031] 優(yōu)選的，所述第一固定端的高度低于所述第二固定端的高度;所述第一固定端和 第二固定端之間的連線與垂直面的夾角度數(shù)等于所述預(yù)制斷層面與水平面之間的夾角度 數(shù)。
[0032] 優(yōu)選的，所述斷層監(jiān)測相似模擬試驗(yàn)平臺包括平臺底座、第一側(cè)板、第二側(cè)板、上 頂板、至少一塊前擋板和至少一塊后擋板，所述第一側(cè)板固定連接在平臺底座的一側(cè)，所述 第一側(cè)板上設(shè)有多個(gè)均勻分布水平通孔;第二側(cè)板滑動(dòng)連接在平臺底座上與第一側(cè)板相對 的一側(cè)，所述第二側(cè)板上設(shè)有多個(gè)均勻分布的水平通孔，上頂板套設(shè)在第一側(cè)板和第二側(cè) 板的上端，所述上頂板與第一側(cè)板可拆卸的滑動(dòng)連接，所述上頂板與第二側(cè)板可拆卸的滑 動(dòng)連接，所述前擋板與第一側(cè)板和第二側(cè)板可拆卸的連接，所述后擋板與第一側(cè)板和第二 側(cè)板可拆卸的連接。
[0033] 優(yōu)選的，所述載荷施加裝置包括第一水平壓頭、第二水平壓頭和豎直壓頭，所述第 一水平壓頭貫穿套接在所述水平通孔內(nèi)，所述第二水平壓頭貫穿套接在所述水平通孔內(nèi)， 所述豎直壓頭與上頂板可拆卸的滑動(dòng)連接。。
[0034] 本發(fā)明的斷層構(gòu)造應(yīng)力監(jiān)測裝置的有益效果在于:通過垂直安裝于斷層面上的應(yīng) 力傳感器，監(jiān)測得出斷層處的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明的斷層監(jiān)測試驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明的斷層力學(xué)理論模型整體的示意圖；
[0037]圖3為本發(fā)明的斷層力學(xué)理論模型局部的示意圖。
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