[发明专利]一种可模拟断层复杂级配颗粒破碎带的粘滑错动实验系统

说明书

本发明公开一种可模拟断层复杂级配颗粒破碎带的粘滑错动实验系统，包括：复杂级配颗粒筛分装置，用于制备复杂级配颗粒的断层破碎带相似模拟材料；断层粘滑错动模拟实验装置，用于根据所述断层破碎带相似模拟材料模拟现场断层破碎带所受的实际应力条件和突水情况。采用本发明的技术方案，可自动简便地构建复杂级配颗粒的断层破碎带，适应于模拟不同构造运动历史下的断层破碎带颗粒级配及分布特征，准确地复现模拟断层粘滑错动失稳破坏的过程。

技术领域

本发明属于岩体工程地质力学相似模拟实验技术领域，具体涉及一种可模拟断层复杂级配颗粒破碎带的粘滑错动实验系统。

背景技术

随着煤矿地下开采深度不断增加，具有高地应力、高水压等特点的断层破碎带突然活化失稳所诱发的地质动力灾害频发(冲击地压、煤与瓦斯突出和突水等)，该问题已成为阻碍地下能源安全开采的关键难题之一。由于受到断层构造历史、地应力环境、地下水冲蚀等作用，断层破碎带颗粒构成极为复杂，分布随机且呈现明显的非均质特征。不同颗粒粒径对断层粘滑错动的影响机制有显著区别：基本上随着大颗粒占比的增多，断层破碎带密实度越小，越容易逐渐形成骨架，孔隙率增加，渗透性增强，岩性参数(弹性模量、抗压强度等)逐渐增加。断层破碎带骨架特征对断层力学稳定性、断层承压水突然涌出起着关键作用，外力扰动下断层粘滑错动失稳造成的冲击地压、突水等动力灾害已经成为威胁深部煤矿安全开采的主要因素。

相似模拟实验是将大尺度的现场地质环境转换为小尺度的物理模型，使其能在实验室开展的实验方法，是开展断层研究的常用手段。传统断层相似实验材料颗粒级配均匀，但由于断层地质构造活动和地下水冲蚀，无法满足具有复杂颗粒级配的断层破碎带粘滑错动失稳的模拟需求。现有技术中至少存在以下不足：如断层破碎带模拟实验的不涉及颗粒级配对断层岩性及稳定性的影响、无法表征不同地质构造活动及地下承压水冲蚀条件下断层破碎带颗粒几何特征、无法反映断层复杂级配颗粒破碎带的失稳错动过程。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种可模拟断层复杂级配颗粒破碎带的粘滑错动实验系统，可自动简便地构建复杂级配颗粒的断层破碎带，该实验系统操作方便，适应于模拟不同构造运动历史下的断层破碎带颗粒级配及分布特征，准确地复现模拟断层粘滑错动失稳破坏的过程。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种可模拟断层复杂级配颗粒破碎带的粘滑错动实验系统，包括：

复杂级配颗粒筛分装置，用于制备复杂级配颗粒的断层破碎带相似模拟材料；

断层粘滑错动模拟实验装置，用于根据所述断层破碎带相似模拟材料模拟现场断层破碎带所受的实际应力条件和突水情况。

作为优选，所述复杂级配颗粒筛分装置通过滚筒筛选机能筛选所需孔径大小的颗粒，然后根据颗粒级配进行物料配比计量和混合胶结，进行岩性参数的检验鉴定并不断调整配比，得到符合预期的颗粒级配的断层破碎带相似模拟材料。

作为优选，所述复杂级配颗粒筛选装置用于筛选不同粒径大小的颗粒；当砂子等颗粒从进料口传送带传输进入滚筒筛选机；按网孔粒径从小到大四个网状滚筒从左到右排列，滚筒顺时针旋转；小颗粒先通过小网孔，大颗粒后通过大网孔，分别落入各粒径范围的出料口传送带上，经传送带传输至收集箱，至此颗粒根据粒径范围初步筛选完成；在物料配比计量装置上根据断层实地考察或实验设计得到不同配比的物料，在物料混合装置进行搅拌混合成样，得到所需级配的断层破碎带相似模型；所述相似模型进行岩性参数鉴定，通过无量纲数检验用以判断相似模型的强度是否符合要求；不断调整颗粒级配，直至满足相似模拟所需。

作为优选，所述无量纲数为：γL/σ_t、σ_c/σ_t、E/σ_t、ν和μ，其中，L为长度，σ为应力，σ_c为抗压强度，σ_t为抗拉强度，K_IC为断裂韧性，E为弹性模量，v为泊松比，μ为摩擦系数。