本發(fā)明涉及一種相似材料模擬斷層試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著人類采礦等地下工程的日益發(fā)展，斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造對地下生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展帶來巨大阻礙并造成嚴(yán)重安全事故。因此，充分了解地下構(gòu)造衍生規(guī)律及應(yīng)力 場分布成為地下工程安全科學(xué)生產(chǎn)的當(dāng)務(wù)之急。

垂直地表和平行地表兩個(gè)方向驅(qū)動(dòng)力都對斷層的構(gòu)造變化有影響，模擬地質(zhì)構(gòu)造的難點(diǎn)在于如何有效加載垂直以及水平推動(dòng)力。對于現(xiàn)在已有的地質(zhì)構(gòu)造模擬試驗(yàn)臺，多數(shù)只能模擬垂直構(gòu)造應(yīng)力，局限于模擬斷層，且多為固定尺寸和傾角的模擬，只能實(shí)現(xiàn)單一運(yùn)動(dòng)的控制方式，無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)區(qū)域同時(shí)運(yùn)動(dòng)。對于水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的模擬，方法理論不成熟，實(shí)驗(yàn)裝置不完善，靈活性較差。

現(xiàn)有技術(shù)中對驅(qū)動(dòng)力的模擬一般使用油缸，對油缸設(shè)定一定的壓力值，從而對模擬材料施壓，模擬材料受到的實(shí)際壓力與設(shè)定壓力可能并不一致，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)只能大體認(rèn)為模擬材料受到的實(shí)際壓力與所需壓力相等，難免產(chǎn)生誤差。

另一方面，兩個(gè)方向推力可能隨時(shí)間的變化而產(chǎn)生大小變化，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法精確實(shí)現(xiàn)對變化推力的模擬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種更為精確的相似材料模擬斷層試驗(yàn)裝置，以及試驗(yàn)方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的相似材料模擬斷層試驗(yàn)裝置，包括框架，所述框架包括上橫梁、下橫梁和側(cè)柱，所述下橫梁上安裝夾板，所述夾板可以在下橫梁上滑動(dòng)并可在下橫梁上固定，所述夾板鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)板，所述轉(zhuǎn)動(dòng)板中央設(shè)置長槽，所述長槽中安裝可沿長槽滑動(dòng)的T型板，所述T型板包括間隔板和限位板，所述上橫梁下方固定設(shè)置兩條橫梁支撐梁，所述側(cè)柱內(nèi)側(cè)固定設(shè)置兩條側(cè)柱支撐梁，所述上橫梁下方豎直安裝加壓系統(tǒng)，所述兩側(cè)柱內(nèi)側(cè)橫向安裝加壓系統(tǒng)，所述左右兩側(cè)柱內(nèi)側(cè)分別設(shè)置擋板支撐板，所述擋板支撐板可活動(dòng)的安裝在上下橫梁上并可沿上下橫梁左右滑動(dòng)，所述左右兩擋板支撐板之間安裝擋板，所述擋板可相對于兩擋板支撐板左右滑動(dòng)；所述加壓系統(tǒng)包括下壓裝置、兩個(gè)上頂裝置、托架、加壓墊板、壓力傳感器和處理器，所述托架包括底板和與底板固定連接的兩個(gè)側(cè)翼，所述下壓裝置的活塞桿向下頂在托架的底板上，上頂裝置的活塞桿向上頂在托架的側(cè)翼下方，托架下方設(shè)置加壓墊板，加壓墊板和托架之間設(shè)置壓力傳感器，所述壓力傳感器連接處理器，所述下壓裝置和上頂裝置連接處理器；豎直安裝的加壓系統(tǒng)的下壓裝置的缸筒固定安裝在上橫梁上，上頂裝置的缸筒固定安裝在橫梁支撐梁上，橫向安裝的加壓系統(tǒng)的下壓裝置的缸筒固定安裝在側(cè)柱上，兩個(gè)上頂裝置的缸筒固定安裝在兩側(cè)柱支撐梁上。

作為一種改進(jìn)所述擋板支撐板通過螺栓安裝在上下橫梁上，所述擋板支撐板上設(shè)置長條形螺栓孔。

優(yōu)選的所述下壓裝置和上頂裝置為氣缸。

所述加壓墊板為橡膠材料。

本發(fā)明還涉及使用上述相似材料模擬斷層試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括下列步驟，安裝擋板，鋪裝相似模擬材料，在相似模擬材料的上部和側(cè)面加載加壓系統(tǒng)，通過處理器控制下壓裝置對待測材料加壓，在處理器上事先定好待測材料應(yīng)當(dāng)受到的預(yù)設(shè)壓力值，通過壓力傳感器測量待測材料受到的實(shí)際壓力，比較待測材料受到的實(shí)際壓力值和預(yù)設(shè)壓力值，當(dāng)實(shí)際壓力值小于預(yù)設(shè)壓力值超過提前設(shè)定的范圍，處理器控制下壓裝置加大壓力，當(dāng)實(shí)際壓力值大于預(yù)設(shè)壓力值超過提前設(shè)定的范圍，處理器控制下壓裝置減小壓力，使實(shí)際壓力值和預(yù)設(shè)壓力值之差始終小于一個(gè)提前設(shè)定的范圍。

作為一種改進(jìn)，處理器還控制上頂裝置，當(dāng)實(shí)際壓力值小于預(yù)設(shè)壓力值超過提前設(shè)定的范圍，處理器控制下壓裝置減小壓力的同時(shí)加大上頂裝置的壓力，使上頂裝置的壓力抵消一部分下壓裝置的壓力，當(dāng)實(shí)際壓力值小于預(yù)設(shè)壓力值超過提前設(shè)定的范圍，處理器控制下壓裝置加大壓力的同時(shí)減小上頂裝置的壓力，使實(shí)際壓力值和預(yù)設(shè)壓力值之差始終小于一個(gè)提前設(shè)定的范圍。

所述下壓裝置和上頂裝置為氣缸，通過控制氣閥的開合大小來控制加壓裝置的壓力。

采用這樣的結(jié)構(gòu)后，施加的實(shí)際壓力與理論壓力更接近，更為精準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果精準(zhǔn)，既可實(shí)現(xiàn)對垂直壓力的模擬又可實(shí)現(xiàn)對水平力的模擬，既可實(shí)現(xiàn)對恒定力的模擬又可實(shí)現(xiàn)對變化力的模擬。設(shè)備操作操作更方便，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明的相似材料模擬斷層試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中A部分的局部放大圖。

圖3是圖1中B部分的局部放大圖。

圖4是圖1中C部分的局部放大圖。

圖5是圖2中沿D-D線的剖視圖。

圖6是圖3中沿E-E線的剖視圖。

圖7是T型板的橫向剖面圖。

圖8是電子壓力控制電路圖。

附圖標(biāo)記：橫梁1、下橫梁2、側(cè)柱3、夾板4、轉(zhuǎn)動(dòng)板5、長槽6、T型板7、間隔板7a、限位板7b，橫梁支撐梁8、側(cè)柱支撐梁9、加壓系統(tǒng)10、擋板支撐板11、長條形螺栓孔12、下壓氣缸13、上頂氣缸14、托架15、底板15a、側(cè)翼15b、加壓墊板16、壓力傳感器17、相似模擬材料18、擋板19。

具體實(shí)施方式

如圖1至圖8所示，本發(fā)明的相似材料模擬斷層試驗(yàn)裝置，包括框架，框架包括上橫梁1、下橫梁2和側(cè)柱3，下橫梁2上安裝通過螺栓安裝夾板4，通過調(diào)整螺栓的松緊使得夾板4可以在下橫梁2上滑動(dòng)并在下橫梁2上固定，夾板4鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)板5，轉(zhuǎn)動(dòng)板5中央設(shè)置長槽6，長槽6中安裝可沿長槽6滑動(dòng)的T型板7， T型板7包括間隔板7a和限位板7b，間隔板7b插入長槽6內(nèi)，上橫梁1下方固定設(shè)置兩條橫梁支撐梁8，側(cè)柱3內(nèi)側(cè)固定設(shè)置兩條側(cè)柱支撐梁9，上橫梁1下方豎直安裝加壓系統(tǒng)10，兩側(cè)柱3內(nèi)側(cè)橫向安裝加壓系統(tǒng)10，左右兩側(cè)柱3內(nèi)側(cè)分別設(shè)置擋板支撐板11，擋板支撐板11包括與加壓墊板16接觸的承壓板11a和與承壓板固定連接且垂直的安裝板11b，安裝板11b上設(shè)置長條形螺栓孔12，擋板支撐板11通過螺栓安裝在上下橫梁上，擋板支撐板11可沿上下橫梁左右滑動(dòng)而不能在上下方向上移動(dòng)，左右兩擋板支撐板11之間安裝擋板19，擋板19可相對于兩擋板支撐板11左右滑動(dòng)。

加壓系統(tǒng)10包括下壓氣缸13、兩個(gè)上頂氣缸14、托架15、加壓墊板16、壓力傳感器17和處理器，托架15包括底板15a和與底板15a固定連接的兩個(gè)側(cè)翼15b，下壓氣缸14的活塞桿向下頂在托架的底板15a上，上頂氣缸15的活塞桿向上頂在托架的側(cè)翼15b下方，托架15下方設(shè)置加壓墊板16，加壓墊板16為橡膠材料，加壓墊板16和托架15之間設(shè)置壓力傳感器17，壓力傳感器17連接處理器，下壓氣缸13和上頂氣缸14連接處理器；豎直安裝的加壓系統(tǒng)10的下壓氣缸13的缸筒固定安裝在上橫梁1上，下壓氣缸14的缸筒固定安裝在橫梁支撐梁8上，橫向安裝的加壓系統(tǒng)10的下壓氣缸13安裝在側(cè)柱支撐梁9上，上頂氣缸14的缸筒固定安裝在側(cè)柱支撐梁9上。

使用上述相似材料模擬斷層試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括下列步驟，安裝擋板12，鋪裝相似模擬材料18，在相似模擬材料18的上部和側(cè)面加載加壓系統(tǒng)10，通過處理器控制下壓氣缸對待測模擬材料18加壓，在處理器上事先定好模擬材料18應(yīng)當(dāng)受到的預(yù)設(shè)壓力值，通過壓力傳感器17測量待測材料受到的實(shí)際壓力，比較待測材料受到的實(shí)際壓力值和預(yù)設(shè)壓力值，當(dāng)實(shí)際壓力值小于預(yù)設(shè)壓力值超過提前設(shè)定的范圍，處理器控制下壓氣缸加大壓力，當(dāng)實(shí)際壓力值大于預(yù)設(shè)壓力值超過提前設(shè)定的范圍，處理器控制下壓氣缸減小壓力，使實(shí)際壓力值和預(yù)設(shè)壓力值之差始終小于一個(gè)提前設(shè)定的范圍，例如可以使差值小于1%或5%。在控制器和氣缸的作用下，這一過程變化非常微小而迅速，可以將材料收到的實(shí)際壓力視為完全等于設(shè)定的壓力，使得實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更為精確。

在另一種實(shí)施方式中，處理器還控制下壓氣缸，通過控制氣閥的開合大小來控制下壓氣缸和上頂氣缸的壓力。當(dāng)實(shí)際壓力值小于預(yù)設(shè)壓力值超過提前設(shè)定的范圍，處理器控制下壓氣缸減小壓力的同時(shí)加大下壓氣缸的壓力，使下壓氣缸的壓力抵消一部分下壓裝置的壓力，當(dāng)實(shí)際壓力值小于預(yù)設(shè)壓力值超過提前設(shè)定的范圍，處理器控制下壓氣缸加大壓力的同時(shí)減小下壓氣缸的壓力，使實(shí)際壓力值和預(yù)設(shè)壓力值之差始終小于一個(gè)提前設(shè)定的范圍。

在實(shí)驗(yàn)要求更加嚴(yán)格的情況下，上頂氣缸的輸出壓力可以加上托架15的重量，這樣模擬材料受到的壓力值就精確，與設(shè)定的壓力值的差值更小。

在實(shí)驗(yàn)要求壓力值更大的情況下，加壓裝置也可采用油缸，通過控制輸出液壓油的閥門大小控制油缸的壓力。由于液壓缸所產(chǎn)生的壓力較大，而氣缸變化靈敏度更好，可采用兩者結(jié)合的方法，將下壓裝置采用油缸，而上頂裝置采用氣缸。

壓力傳感器采集實(shí)際壓力信號，傳輸?shù)教幚砥骼锏姆糯笃?，通過A/D模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，處理器將預(yù)設(shè)的壓力值與實(shí)際壓力值比較，再將所需的壓力信號經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號后傳送到下壓裝置和上頂裝置。