[发明专利]一种断层构造应力的监测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程和采矿工程领域，具体地说，涉及一种断层构造应力的监测装置和方法。

背景技术

地球板块在地质演化过程中产生了多种断层地质构造，而这些构造的特征直接决定着矿井地质灾害的发生条件，也是诱发岩爆和冲击地压的主要因素之一。在岩土工程和采矿工程的现场实践中，断层等不利地质构造的滑动失稳诱发动力灾害的强度和频度逐渐增加，而断层构造应力的分布特征是研究断层滑动失稳的主要参数。

当前，断层构造应力的研究主要通过实验室试验和现场监测完成。但是，因为现场监测成本较高，且数据离散性较大，研究人员往往首先通过实验室试验分析断层滑动失稳时的临界应力值，以此进一步分析现场实际条件下的断层失稳前兆信息，例如水平和垂直加载条件下断层构造应力监测的相似模拟实验。但在该类实验中，由于断层面的封闭性，断层面上的应力监测装置安装十分不便。现有方法中，监测断层构造应力的传感器一般布置于断层面附近，传感器监测到的应力值相对于断层的滑动略显滞后，无法准确测得断层滑动时的正应力和剪应力。

发明内容

本发明提供一种断层构造应力的监测装置和方法，所述断层构造应力包括断层面上的正应力和剪应力，所要解决的技术问题是由于断层面的封闭性，而现有技术中断层面上的应力监测装置安装十分不便，监测断层构造应力的传感器一般布置于断层面附近，传感器监测到的应力值相对于断层的滑动略显滞后，无法准确测得断层滑动时的正应力和剪应力。

本发明的目的在于：在水平和垂直载荷作用下，监测断层面上正应力和剪应力的大小；在水平和垂直载荷作用下，计算断层面上正应力和剪应力理论值的大小；比较和分析实验监测值和理论值之间的误差，确定断层失稳时的临界应力值，为岩土工程和采矿工程学科领域中研究断层滑动失稳诱发岩爆和冲击地压等动力灾害提供理论基础和实验数据支撑，为预测和防治动力灾害的发生提供前兆信息。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种断层构造应力的监测方法，包括如下步骤：

步骤1，安装应力传感器：将应力传感器通过连接线固定在断层监测相似模拟试验平台的第一固定端和第二固定端之间，并施加一定的绳索预紧力，避免因水平载荷的施加使得牵引应力传感器的绳索松弛；

步骤2，预制断层：在断层监测相似模拟试验平台上铺设相似模拟材料，按照预制断层面的位置分左右两部分铺设，形成断层，并使所述断层与所述应力传感器相互垂直，待相似模型铺设完毕后，将应力传感器调零；

步骤3，施加载荷并监测应力：通过断层监测相似模拟试验平台的载荷施加装置向步骤2中制备的带有断层的相似模型进行分级逐步施加水平载荷和垂直载荷，应力传感器监测得到不同的载荷下的断层处的正应力和剪应力，并将其传送至应力监测仪中；

步骤4，监测断层失稳临界应力：随着步骤3中施加的水平载荷和垂直载荷的逐渐增大，相似模型的变形也随之不断增大，直至预制断层发生滑动失稳，应力传感器监测得到滑动失稳时断层处的正应力和剪应力，并将其传送至应力监测仪中；

步骤5，理论值与实验值对比分析：根据静力学原理，构建断层力学理论模型，推导断层面上正应力σ和剪应力τ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系，并将由所述函数关系确定的应力曲线绘制到计算机中；

步骤6，分析断层失稳前兆信息：使用应力监测仪将步骤3和步骤4中得到实验数据与步骤5中构建的断层力学理论模型进行对比分析，通过相似比还原实际工程背景下断层构造的正应力和剪应力，确定断层失稳时的应力值，为预测断层滑动失稳提供前兆信息。

优选的，步骤2中，所述相似模拟材料采取逐层铺设的方法，先逐层铺设断层一侧的相似模拟材料，之后在断层面出均匀的铺洒一层云母粉，然后再逐层铺设断层另一侧的相似模拟材料。

优选的，所述断层处的云母粉的铺设厚度为10～50μm。

优选的，步骤2中，所述相似模拟材料为由沙土、石灰、石膏和水混合而成的复合材料。

优选的，步骤5中，将由所述函数关系确定的应力曲线绘制到计算机中，得到正应力σ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系曲线以及剪应力τ与水平载荷q_x和垂直载荷q_y之间的函数关系曲线，应力监测仪将应力传感器收集的实验数据与理论数据进行实时对比。

断层力学理论模型的建立，具体如下: