CN112067793B - 一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，涉及相似材料模拟实验技术领域，包括相似材料模拟箱体、设在相似材料模拟箱体左侧邻近地层水源补给模拟装置、右侧海水回灌模拟装置、上侧地下水抽采模拟装置、下侧高速摄像机、及数据采集与处理器。本发明提供了可对煤炭开采‑地下水抽采‑海水回灌‑邻近地层水源补给协同作用下滨海地层沉陷进行相似模拟的装置，通过数据采集与处理器的结果分析煤层开采因素、承压含水层的压力、水位和盐度分布以及邻近地层水源补给模拟装置、海水回灌模拟装置和地下水抽采模拟装置的流量与压力因素对上覆岩层及地表沉陷的影响规律，解决了现场地质采矿条件复杂对临海采矿时地层沉陷规律难以深入研究的问题。

Description

一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及相似材料模拟实验技术领域，具体涉及一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置及方法。

背景技术

我国东部沿海地区的一些海滨煤矿,在给本地区经济发展做出重要贡献的同时,也使本地区生态环境遭到破坏,地面出现大范围下沉,部分建筑物发生了不同程度的损坏，地矿矛盾紧张，严重影响当地社会稳定、经济发展以及人民正常生产生活,沉陷区的治理工作已刻不容缓。而沉陷区的治理工作首先需要弄清楚产生地面沉陷的影响因素、以及这些影响因素下地面沉陷的规律，以便据此提出防治措施。

产生地面沉陷的原因包含自然因素和人为因素两个部分。地面沉陷可以由单一因素诱发，而在许多情况下是由几种因素综合作用的结果。在对东部沿海地区一些海滨矿区的地表沉陷原因进行探查的过程中，发现了诸多与其他地区煤炭开采引起的地表沉陷规律不同的现象，如多处工作面开采后地面下沉系数大于1、矿区范围内岩层移动角逐渐减小、已关闭多年的工作面地表仍出现下沉等，这表明海滨矿区地表沉陷存在多种原因。事实上，大量研究已表明，除了煤炭开采引起地面沉陷以外，地下水抽采、海水回灌和邻近地层水源补给等都会引起地面沉陷。滨海矿区由于其特殊的地理位置，地面沉陷除了受其自身开采的影响外，还受地下水抽采、海水回灌和邻近地层水源补给等影响，因此针对东部沿海地区的一些海滨煤矿的滨海地层条件，对东部沿海地区一些海滨煤矿的滨海地层开展开采沉陷特征研究势在必行。

由于现场水文地质和工程地质条件复杂，地表沉陷过程难以在现场观测和再现，因此要深入研究煤炭开采-地下水抽采-海水回灌-邻近地层水源补给协同作用下滨海地层的沉陷规律，进行室内物理模拟实验是很有必要的。而目前，在我国矿业领域还没有研究该方面的实验装置，基于此，设计了该套实验设备来模拟滨海地层在煤炭开采-地下水抽采-海水回灌-邻近地层水源补给协同作用下的沉陷规律。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置及方法，以模拟滨海地层在煤炭开采-地下水抽采-海水回灌-邻近地层水源补给协同作用下的沉陷规律。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，包括相似材料模拟箱体、设在相似材料模拟箱体左侧的邻近地层水源补给模拟装置、右侧的海水回灌模拟装置、上侧的地下水抽采模拟装置、下侧的高速摄像机、及数据采集与处理器，所述的邻近地层水源补给模拟装置与相似材料模拟箱体通过第一L型硬管连接，所述的海水回灌模拟装置与相似材料模拟箱体通过第二L型硬管连接，所述的地下水抽采模拟装置与相似材料模拟箱体通过竖直硬管连接，所述的相似材料模拟箱体的前后端面由可供高速摄像机拍摄的透明亚克力材料制成，所述的数据采集与处理器通过水体监测装置与相似材料模拟箱体连接，所述的相似材料模拟箱体的侧壁上设有煤层开挖活动窗口。

优选的，相似材料模拟箱体内从下到上设有底板、煤层、以及上覆岩层，所述的上覆岩层从上到下依次包括土壤层、砂石层、承压含水层、隔水层、及岩石层；所述的承压含水层内设有若干装有水砂骨料的密闭水袋，所述的煤层开挖活动窗口设置于煤层外侧所在的相似材料模拟箱体的侧壁上。

优选的，所述的水体监测装置包括设置于承压含水层内的可移动式盐度计、可移动式水压力计、承压含水层水位计、以及设置在承压含水层顶部和底部的应变膜，所述的可移动式盐度计、可移动式水压力计、承压含水层水位计、以及应变膜分别通过导线与数据采集与处理器连接。

优选的，所述的邻近地层水源补给模拟装置包括淡水槽、进水端与淡水槽连接的第一水泵、与第一水泵的出水端连接的第一软管、连接于第一软管另一端的第一水箱、与第一水箱底部连通的第一L型硬管，所述的第一L型硬管上设有第一流量显示与控制阀和第一水压表，所述的第一L型硬管的出水端贯通相似材料模拟箱体的侧壁并与承压含水层连接。

优选的，所述的海水回灌模拟装置包括盐水槽、进水端与盐水槽连接的第二水泵、与第二水泵的出水端连接的第二软管、连接于第二软管的另一端的第二水箱、与第二水箱底部连通的第二L型硬管，所述的第二L型硬管上设有第二流量显示与控制阀和第二水压表，所述的第二L型硬管的出水端贯通相似材料模拟箱体的侧壁并与承压含水层连接。

优选的，所述的地下水抽采模拟装置包括与承压含水层连接的竖直硬管、与竖直硬管顶端连接的第三软管、与第三软管上端连接的蠕动泵、所述的蠕动泵的出水端连接有第四软管，所述的第四软管的出水端与水槽连接，所述的蠕动泵设有控制开关和流量及水压显示屏。

优选的，所述的第一流量显示与控制阀、第一水压表、第二流量显示与控制阀、第二水压表、流量及水压显示屏分别通过导线与数据采集与处理器连接。

优选的，所述的砂石层、岩石层内分别设有应力和位移传感器，所述的应力和位移传感器通过导线与数据采集与处理器连接。

优选的，利用所述的一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置进行模拟实验的方法，包括如下步骤：

a.准备工作：将一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置准备就绪，并检查各部件是否符合试验标准，并确保各部件完好可用。

b.对煤炭开采-地下水抽采-海水回灌-邻近地层水源补给协同作用下滨海地层沉陷现象进行相似模拟，并研究相关规律，包括如下具体步骤：1)、操作蠕动泵的控制开关，调节水流量进行抽水；2)、抽水操作1分钟后，依次打开海水回灌模拟装置和邻近地层水源补给模拟装置，调节各自的流量显示与控制阀，直至各自的水压表显示平稳后，停止调节；3)、然后按照实际开采情况，打开煤层开挖活动窗口，按相似比例逐步开挖煤层；4)、通过水体监测装置、应力和位移传感器、第一流量显示与控制阀、第一水压表、第二流量显示与控制阀、第二水压表、以及流量及水压显示屏收集数据，并通过数据采集与处理器对相关数据进行处理；5)、根据数据处理结果分析总结煤层开采因素、承压含水层的压力、水位和盐度分布以及邻近地层水源补给模拟装置、海水回灌模拟装置和地下水抽采模拟装置的流量与压力因素对上覆岩层及地表沉陷的影响规律。

本发明实施以后产生的有益效果如下：

本发明提供了可对煤炭开采-地下水抽采-海水回灌-邻近地层水源补给协同作用下滨海地层沉陷进行相似模拟的装置，通过该装置的数据采集与处理器的数据处理结果分析总结煤层开采因素、承压含水层的压力、水位和盐度分布以及邻近地层水源补给模拟装置、海水回灌模拟装置和地下水抽采模拟装置的流量与压力因素对上覆岩层及地表沉陷的影响规律，解决了由于现场水文地质和工程地质条件复杂，对临海采矿时地层沉陷规律难以深入研究的问题。

附图说明

图1：本发明的结构示意图。

1：相似材料模拟箱体，2：邻近地层水源补给模拟装置，3：海水回灌模拟装置，4：地下水抽采模拟装置，5：高速摄像机，6：数据采集与处理器，7：底板，8：煤层，9：上覆岩层，10：隔水层，11：承压含水层，12：可移动式盐度计，13：可移动式水压力计，14：承压含水层水位计，15：应变膜，16：第一流量显示与控制阀，17：第一水压表，18：第一L型硬管，19：第一水箱，20：第一软管，21：第一水泵，22：淡水槽，23：第二流量显示与控制阀，24：第二水压表，25：第二L型硬管，26：第二水箱，27：第二软管，28：第二水泵，29：盐水槽，30：竖直硬管，31：第三软管，32：蠕动泵，33：第四软管，34：水槽，35：控制开关，36：流量及水压显示屏，37：土壤层，38：砂石层，39：岩石层。

具体实施方式

以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1、

如图1所示：

一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，包括相似材料模拟箱体1、设在相似材料模拟箱体1左侧的邻近地层水源补给模拟装置2、右侧的海水回灌模拟装置3、上侧的地下水抽采模拟装置4、下侧的高速摄像机5、及数据采集与处理器6，所述的邻近地层水源补给模拟装置2与相似材料模拟箱体1通过第一L型硬管18连接，所述的海水回灌模拟装置3与相似材料模拟箱体1通过第二L型硬管25连接，所述的地下水抽采模拟装置4与相似材料模拟箱体1通过竖直硬管30连接，所述的相似材料模拟箱体1的前后端面由可供高速摄像机5拍摄的透明亚克力材料制成，所述的数据采集与处理器6通过水体监测装置与相似材料模拟箱体1连接，所述的相似材料模拟箱体1的侧壁上设有煤层开挖活动窗口；

相似材料模拟箱体1内从下到上设有底板7、煤层8、以及上覆岩层9，所述的上覆岩层9从上到下依次包括土壤层37、砂石层38、承压含水层11、隔水层10、及岩石层39；所述的承压含水层11内设有若干装有水砂骨料的密闭水袋，所述的煤层开挖活动窗口设置于煤层8外侧所在的相似材料模拟箱体1的侧壁上；

所述的水体监测装置包括设置于承压含水层11内的可移动式盐度计12、可移动式水压力计13、承压含水层水位计14、以及设置在承压含水层11顶部和底部的应变膜15，所述的可移动式盐度计12、可移动式水压力计13、承压含水层水位计14、以及应变膜15分别通过导线与数据采集与处理器6连接；

所述的邻近地层水源补给模拟装置2包括淡水槽22、进水端与淡水槽22连接的第一水泵21、与第一水泵21的出水端连接的第一软管20、连接于第一软管20另一端的第一水箱19、与第一水箱19底部连通的第一L型硬管18，所述的第一L型硬管18上设有第一流量显示与控制阀16和第一水压表17，所述的第一L型硬管18的出水端贯通相似材料模拟箱体1的侧壁并与承压含水层11连接；

所述的海水回灌模拟装置3包括盐水槽29、进水端与盐水槽29连接的第二水泵28、与第二水泵28的出水端连接的第二软管27、连接于第二软管27的另一端的第二水箱26、与第二水箱26底部连通的第二L型硬管25，所述的第二L型硬管25上设有第二流量显示与控制阀23和第二水压表24，所述的第二L型硬管25的出水端贯通相似材料模拟箱体1的侧壁并与承压含水层11连接；

所述的地下水抽采模拟装置4包括与承压含水层11连接的竖直硬管30、与竖直硬管30顶端连接的第三软管31、与第三软管31上端连接的蠕动泵32、所述的蠕动泵32的出水端连接有第四软管33，所述的第四软管33的出水端与水槽34连接，所述的蠕动泵32设有控制开关35和流量及水压显示屏36；

所述的第一流量显示与控制阀16、第一水压表17、第二流量显示与控制阀23、第二水压表24、流量及水压显示屏36分别通过导线与数据采集与处理器6连接；

所述的砂石层38、岩石层39内分别设有应力和位移传感器，所述的应力和位移传感器通过导线与数据采集与处理器6连接。

实施例2、

在实施例1的基础上，本实施例进一步公开了模拟实验的方法，具体为：

利用所述的一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置进行模拟实验的方法，包括如下步骤：

a.准备工作：将一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置准备就绪，并检查各部件是否符合试验标准，并确保各部件完好可用。

b.对煤炭开采-地下水抽采-海水回灌-邻近地层水源补给协同作用下滨海地层沉陷现象进行相似模拟，并研究相关规律，包括如下具体步骤：1)、操作蠕动泵32的控制开关35，调节水流量进行抽水；2)、抽水操作1分钟后，依次打开海水回灌模拟装置3和邻近地层水源补给模拟装置2，调节各自的流量显示与控制阀，直至各自的水压表显示平稳后，停止调节；3)、然后按照实际开采情况，打开煤层开挖活动窗口，按相似比例逐步开挖煤层；4)、通过水体监测装置、应力和位移传感器、第一流量显示与控制阀16、第一水压表17、第二流量显示与控制阀23、第二水压表24、以及流量及水压显示屏36收集数据，并通过数据采集与处理器6对相关数据进行处理；5)、根据数据处理结果分析总结煤层8开采因素、承压含水层11的压力、水位和盐度分布以及邻近地层水源补给模拟装置2、海水回灌模拟装置3和地下水抽采模拟装置4的流量与压力因素对上覆岩层9及地表沉陷的影响规律。

本发明中的土壤层37、砂石层38、岩石层39、煤层8可通过不同比例的石英砂、石灰、石膏和水的混合物进行模拟。

Claims (8)

1.一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，其特征为：包括相似材料模拟箱体、设在相似材料模拟箱体左侧的邻近地层水源补给模拟装置、右侧的海水回灌模拟装置、上侧的地下水抽采模拟装置、下侧的高速摄像机、及数据采集与处理器，所述的邻近地层水源补给模拟装置与相似材料模拟箱体通过第一L型硬管连接，所述的海水回灌模拟装置与相似材料模拟箱体通过第二L型硬管连接，所述的地下水抽采模拟装置与相似材料模拟箱体通过竖直硬管连接，所述的相似材料模拟箱体的前后端面由可供高速摄像机拍摄的透明亚克力材料制成，所述的数据采集与处理器通过水体监测装置与相似材料模拟箱体连接，所述的相似材料模拟箱体的侧壁上设有煤层开挖活动窗口；

相似材料模拟箱体内从下到上设有底板、煤层、以及上覆岩层，所述的上覆岩层从上到下依次包括土壤层、砂石层、承压含水层、隔水层、及岩石层；所述的承压含水层内设有若干装有水砂骨料的密闭水袋，所述的煤层开挖活动窗口设置于煤层外侧所在的相似材料模拟箱体的侧壁上；

邻近地层水源补给模拟装置通过第一L型硬管与承压含水层连接；海水回灌模拟装置通过第二L型硬管与承压含水层连接；地下水抽采模拟装置通过竖直硬管与承压含水层连接。

2.如权利要求1所述的一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，其特征为：所述的水体监测装置包括设置于承压含水层内的可移动式盐度计、可移动式水压力计、承压含水层水位计、以及设置在承压含水层顶部和底部的应变膜，所述的可移动式盐度计、可移动式水压力计、承压含水层水位计、以及应变膜分别通过导线与数据采集与处理器连接。

3.如权利要求2所述的一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，其特征为：所述的邻近地层水源补给模拟装置包括淡水槽、进水端与淡水槽连接的第一水泵、与第一水泵的出水端连接的第一软管、连接于第一软管另一端的第一水箱、与第一水箱底部连通的第一L型硬管，所述的第一L型硬管上设有第一流量显示与控制阀和第一水压表，所述的第一L型硬管的出水端贯通相似材料模拟箱体的侧壁并与承压含水层连接。

4.如权利要求3所述的一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，其特征为：所述的海水回灌模拟装置包括盐水槽、进水端与盐水槽连接的第二水泵、与第二水泵的出水端连接的第二软管、连接于第二软管的另一端的第二水箱、与第二水箱底部连通的第二L型硬管，所述的第二L型硬管上设有第二流量显示与控制阀和第二水压表，所述的第二L型硬管的出水端贯通相似材料模拟箱体的侧壁并与承压含水层连接。

5.如权利要求4所述的一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，其特征为：所述的地下水抽采模拟装置包括与承压含水层连接的竖直硬管、与竖直硬管顶端连接的第三软管、与第三软管上端连接的蠕动泵、所述的蠕动泵的出水端连接有第四软管，所述的第四软管的出水端与水槽连接，所述的蠕动泵设有控制开关和流量及水压显示屏。

6.如权利要求5所述的一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，其特征为：所述的第一流量显示与控制阀、第一水压表、第二流量显示与控制阀、第二水压表、流量及水压显示屏分别通过导线与数据采集与处理器连接。

7.如权利要求6所述的一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置，其特征为：所述的砂石层、岩石层内分别设有应力和位移传感器，所述的应力和位移传感器通过导线与数据采集与处理器连接。

8.利用权利要求7所述的一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置进行模拟实验的方法，其特征为：包括如下步骤：

a.准备工作：将一种模拟临海采矿时地层沉陷规律的实验装置准备就绪，并检查各部件是否符合试验标准，并确保各部件完好可用；

b.对煤炭开采-地下水抽采-海水回灌-邻近地层水源补给协同作用下滨海地层沉陷现象进行相似模拟，并研究相关规律，包括如下具体步骤：1)、操作蠕动泵的控制开关，调节水流量进行抽水；2)、抽水操作1分钟后，依次打开海水回灌模拟装置和邻近地层水源补给模拟装置，调节各自的流量显示与控制阀，直至各自的水压表显示平稳后，停止调节；3)、然后按照实际开采情况，打开煤层开挖活动窗口，按相似比例逐步开挖煤层；4)、通过水体监测装置、应力和位移传感器、第一流量显示与控制阀、第一水压表、第二流量显示与控制阀、第二水压表、以及流量及水压显示屏收集数据，并通过数据采集与处理器对相关数据进行处理；5)、根据数据处理结果分析总结煤层开采因素、承压含水层的压力、水位和盐度分布以及邻近地层水源补给模拟装置、海水回灌模拟装置和地下水抽采模拟装置的流量与压力因素对上覆岩层及地表沉陷的影响规律。

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