[發明專利]一種傾斜巖層物理相似模擬試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201510011652.X
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104596855B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 趙同彬;鄒建超;尹延春;杜燁;劉曉明;程康康
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10;G01B11/02;G01B11/16
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司37219
• 代理人: 段毅凡

1.一種傾斜巖層物理相似模擬試驗裝置，其特征在于，它由外部框架、可傾斜機架、前后擋板、液壓支撐裝置和懸吊起重裝置組成；其中：

所述的外部框架包括豎向立柱、橫向底座、上橫梁和雙滑輪軌道；橫向底座通過螺栓固定在地面上；上橫梁內部下端面安裝有平行的雙滑輪軌道，左、右豎向立柱通過螺栓使底座和上橫梁固定為一體；

所述的液壓支撐裝置包括多個支撐千斤頂；支撐千斤頂安裝在外部框架的橫向底座上；

所述的懸吊起重裝置安裝在外部框架的雙滑輪軌道上，并在雙滑輪軌道上設有臥式千斤頂；臥式千斤頂使懸吊起重裝置在雙滑輪軌道上來回移動；懸吊起重裝置由兩臺電動機、電動機動力輪、吊繩、吊鉤和滑輪組成；兩臺電動機通過鋼板相連；

所述的可傾斜機架包括內框架、活動梁、加載千斤頂、承壓塊、導軌、吊環和角度尺；可傾斜機架整體安裝在外部固定框架內部，并與外部框架之間留有一定的傾斜活動空間；上述的活動梁活動安裝在內框架的豎框上，加載千斤頂安裝在內框架的頂框上，加載千斤頂的伸出端底部焊接有承壓塊；上述的吊環焊接在內框架上端面兩側；內框架一側底端通過轉動軸與外部框架底座鉸接，內框架的底部支撐在液壓支撐裝置上；所述的角度尺指針通過螺栓固定在內框架底面上，角度尺刻有0-90°角度刻度，0刻度線與外部框架底座上端面和內框架底框下端面交接處重合，能隨可傾斜機架轉動，顯示出傾斜的角度；內框架的側框、底框和活動梁的前、后面上均加工有沿框長度方向的開口槽，開口槽中安裝有導軌，導軌上安裝有多個既可滑動又能固定的螺紋孔卡扣；

所述的前后擋板通過螺紋孔卡扣安裝在可傾斜支架上，形成鋪填各巖層相似模擬材料的空間。

2.一種利用權利要求1所述的裝置對傾斜巖層進行物理相似模擬試驗的方法，其特征在于，

第一步，調整可傾斜機架傾斜角度

首先確定相似模型在可傾斜機架內所要鋪填的高度，并在對應高度處安裝活動梁；啟動臥式千斤頂、支撐千斤頂和懸吊起重裝置電開關，電動機帶動吊繩上的吊鉤上下升降，鉤住可傾斜機架吊環，使可傾斜機架繞轉動軸轉動，調整可傾斜機架的傾斜度；此時隨著可傾斜機架的轉動，臥式千斤頂同時調整懸吊起重裝置的電動機位置，使可傾斜機架的懸吊力保持垂直方向；同時，可傾斜機架底部的支撐千斤頂同步升降，當可傾斜機架達到所要求的傾斜角度后，定位停止；

第二步，按比例鋪填各巖層相似模擬材料

第2.1步、將前后擋板安裝到可傾斜機架上，調整導軌上的螺栓卡扣位置，并用螺栓緊固，使得前后擋板的高度等于第一層模擬巖層所要鋪填的相似材料的厚度，形成第一層相似配比材料鋪填空間；

第2.2步、按計算好的比例稱取實驗所需第一層模擬巖層相似材料的原料，并分別倒入攪拌機中加水攪拌，攪拌均勻后倒入第一層相似材料鋪填空間，用刮板刮平，刮平后用木板壓實，表面上撒云母片作為隔層；

第2.3步、依次類推，直至第二層、第三層、......,將各層相似材料鋪填完畢；

第三步，液壓加載形成穩定的相似模擬模型

第3.1步、鋪填好的相似模擬材料放置一段時間后，啟動臥式千斤頂、支撐千斤頂和懸吊起重裝置電開關，使鋪填好相似模擬材料的可傾斜機架緩慢放平；

第3.2步、啟動液壓加載裝置，模擬地應力對鋪填好的相似模擬材料進行加壓；

第3.3步、保持加載2-3天后，從上向下間隔拆除前后擋板，間隔2-3天后，拆除剩余前后擋板，形成相似模擬材料模型，以下簡稱模型，同時在模型底部再安裝一塊水平托板，使模型穩定；

第四步，通過數字散斑采集圖像

第4.1步、對整個模型四周表面均勻噴涂黑色漆，黑色漆晾干后，再在黑色漆上噴灑白色漆，噴灑時使白色漆以斑點的形態均勻飄落在黑色漆面上，形成對比散斑場；

第4.2步、漆面自然風干后，在模型觀測面前方一定距離處安放工業相機，通過數據線將工業相機與計算機連接，并在計算機上打開工業相機自動采集圖像軟件，點擊工具欄中的“采集圖像”，進行圖像調整；使整個模型巖層區域進入工業相機鏡頭內，點擊計算機軟件工具欄中的“保存路徑”，進入保存路徑窗口，選取圖片要保存的位置，并將圖片格式設置成bmp、幀數設置成1幀/秒；設置完成，點擊工具欄中“連續保存”開始采集原始圖像；

第4.3步、采集原始圖像后，對模型進行加壓，工業相機采集記錄模型在不同時刻的表面散斑圖像，持續5-6天后，點擊計算機軟件工具欄中的“停止保存”，停止采集圖像；

第五步，對采集的圖像進行全場位移和應變分析

將原始圖像和間隔相同時間采集的系列圖像，添加到圖像處理軟件中，對比變形前后的散斑圖變化，對全場位移和應變進行量化分析，從而獲得模型位移和應變場的參數信息。