CN106679735B - 一种矿排土场多水种实时监测装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种矿排土场多水种实时监测装置，包括地上部分和地下部分，所述地上部分为位于原来地表上方的堆土场(1)，所述矿排土场多水种实时监测装置包括第一测量井(2)和第二测量井(3)；所述第一测量井(2)由多个自密封套管(11)上下连接而成；在最上端的所述自密封套管(11)上设置有包气带水检测装置，其包括数据处理箱(14)、多对电极探针(15)、卡槽(16)和土壤监测管(17)。本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置结构简单、成本低、操作简便。

Description

一种矿排土场多水种实时监测装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种矿业机械，尤其适用于矿排土场多水种实时监测装置及使用方法。

背景技术

露天采煤直接剥离表土和煤层的上覆岩层，使煤层暴露后开采，并在采区内、外分层堆置剥离的岩土形成排土场。大型排土场是采区岩土混合堆积形成的人工巨型堆垫体。在大型排土场堆积形成过程中，排土场区域水位变化对区域环境评估，对煤矿安全生产预警都有重要的作用。

排土场由无到有的过程实际上是整个露天矿区开采的过程，但是现在鲜有研究，有部分团队在排土场周围区域布设几个测井，对水位进行研究，这种布设方式需要多个测井，费用高，其次，并没有直接测试排土场实际水位的变化，这对于科研研究而言并不严谨，不能进行排土场中心向周围区域水位的变化趋势，最后，排土场从无到有，从大到小，也就是开采区域经历开采到开采形成排土场的整个过程的水位变化，目前没有真正做到实时在线监测的，但是这个数据对于科学研究，环境评价和煤矿安全生产预警都有极其重要的参考价值；排土场重点部分在于包气带水的研究，这对于堆土场地表土地复垦具有重要意义，同时包气带水与堆土场土层水和土层以下水位之间的结合很少，露天矿的排土场有“大雨大滑、小雨小滑、无雨不滑”的特点，因此实时监测排土场的水位变化情况，对排土场本身的稳定性具有重要意义。

主要难点有以下几点：

1、排土场区域会经历从无到有，地表经历从低到高的过程，因此测井也会逐步增加，如何实现监测井高度的安全稳定增加，并保证数据的稳定测试和传输是个难点；

2、土层表面的包气带水对于堆土场地表植被生长有极其重要的作用，对堆土场地表土地复垦具有重要意义，因此土层表面的包气带水的实时监测是个费时费力的工作，目前鲜有研究；

3、排土场从纵向方向主要分为两个区域，一个是地表以上的堆土场区域，其水位主要补充水源为地表水，其变化大，受天气影响较大，其水位变化对排土场安全性影响极大；第二个是地表以下区域，受矿坑排水影响，其水位与矿坑排水和突水有直接关系，其水质好坏也是重要的参考数据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在排土场由无到有过程中，即露天矿开采前，开采中和开采后，如何克服现有的技术困难，实现排土场区域水位变化情况，以使有充分的数据支持后续的排土场本身的稳定性、煤矿安全开采和地表土地复垦等研究；为此，本发明提供一种结构简单、成本低、操作简便的矿排土场多水种实时监测装置。

一种矿排土场多水种实时监测装置，包括地上部分和地下部分，所述地上部分为位于原来地表上方的堆土场，所述矿排土场多水种实时监测装置包括第一测量井和第二测量井；

所述第一测量井设置于所述堆土场的中部，在所述第一测量井的下部设置有第一水位传感器和位于其上部的固定套筒，在所述堆土场上方设置有线圈车，在所述线圈车上设置有第一无线传输模块，所述第一水位传感器连接第一线缆的一端，所述第一线缆的另一端穿过所述固定套筒与所述第一无线传输模块相连；所述第一测量井由多个自密封套管上下连接而成；

所述第二测量井包括依次连接的竖直段、水平段和自由段，其中，所述竖直段设置在地下，在所述竖直段和所述水平段连接处设置有固定滑轮，在所述竖直段的下部设置有第二水位传感器，所述第二水位传感器通过第二线缆与所述自由段外部的第二无线传输模块相连；

在最上端的所述自密封套管上设置有包气带水检测装置，其包括数据处理箱、多对电极探针、卡槽和土壤监测管；所述数据处理箱设置在所述自密封套管的上部，与所述线圈车相连，所述卡槽设置在所述数据处理箱的下部，在所述卡槽内设置有所述土壤监测管，所述电极探针的一端设置在所述自密封套管内，并与所述数据处理箱相连，另一端设置在所述土壤监测管内；

所述土壤监测管为长条形，由凹陷方向相同的第一弧形侧壁和第二弧形侧壁构成，所述第一弧形侧壁的两端与所述第二弧形侧壁的两端相连，在所述第一弧形侧壁上设置有多个渗流孔，在所述第二弧形侧壁上设置有多个供所述电极探针穿过的探针孔。

本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置，其中，所述第一弧形侧壁的横截面为直径15mm，圆心角191°的钝角圆弧形，所述第二弧形侧壁的横截面为直径80mm，圆心角169°的钝角圆弧形；所述卡槽由上下两个铁板构成，所述铁板完全覆盖所述土壤监测管的剖面。

本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置，其中，所述自密封套管由两个直径不同的中空管体套接固定而成，所述自密封套管的下部内径与上部外径一致；所述电极探针的数量为5对，从上至下沿竖直方向排列；所述电极探针的处于所述自密封套管内部的部分涂覆有绝缘漆；

所述数据处理箱与所述电极探针之间采用第三线缆连接，所述第三线缆垂直布置并采用胶固定在所述自密封套管的内壁上，所述电极探针与所述探针孔之间的空隙也采用胶封堵，所述数据处理箱与所述线圈车之间有线连接。

本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置，其中，相邻的两对所述电极探针之间的距离为200mm，每对所述电极探针内正负电极之间的距离为2mm，所述电极探针长度为28mm，其中，处于所述自密封套管管壁中的长度为14mm，处于所述土壤监测管内的长度为10mm，处于所述自密封套管内的长度为4mm；

所述固定套筒为圆柱形，在所述固定套筒的外侧壁上设置有多个向内凹陷的第一凹槽，在所述固定套筒的中心设置有上下贯通的通孔；所述固定套筒和所述自密封套管之间采用塑胶固定；在所述自密封套管上设置有连通其内部和外部的第一线缆缝；在所述固定套筒上设置有连通其内部和外部的第二线缆缝。

本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置，其中，所述第一水位传感器的内部从下至上包括依次连接的第一压力探头、长条形电池组和第一单片机，所述第一单片机还与所述第一压力探头相连，在所述第一水位传感器的底部设置有向上凹陷的第二凹槽，所述第二凹槽的顶部即为所述第一压力探头的底部。

本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置，其中，所述第二水位传感器的内部从下至上包括依次连接的第二压力探头、变压装置和第二单片机，所述第二单片机还与所述第二压力探头相连，在所述第二水位传感器的底部设置有向上凹陷的第三凹槽，所述第三凹槽的顶部即为所述第二压力探头的底部；所述变压装置与外部电源相连。

本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置，其中，所述固定滑轮由第一固定滑轮和第二固定滑轮构成，所述第一固定滑轮设置在所述竖直段中，包括第一滑轮和与其相连的第一滑轮杆，所述第二固定滑轮设置在所述水平段中，包括第二滑轮和与其相连的第二滑轮杆，所述第一滑轮杆与所述第二滑轮杆均固定在所述竖直段与所述水平段的连接处；

所述第一滑轮的直径为40mm，所述第一滑轮杆与竖直方向的夹角为30°，长85mm，所述第二滑轮的直径为10mm，所述第二滑轮杆与水平方向的夹角为30°，长25mm；所述第一滑轮杆和所述第二滑轮杆均为钢筋材质，直径为10mm；所述第一滑轮和所述第二滑轮的宽度均为25mm。

本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置，其中，所述第二测量井的竖直段为钻孔，所述水平段采用所述自密封套管左右连接而成，所述水平段设置在所述堆土场和原地表之间，所述自由段由中空橡胶材料制成，所述自由段竖直设置在所述堆土场的外部；

所述的矿排土场多水种实时监测装置还包括控制中心，分别与所述第一无线传输模块和所述第二无线传输模块通讯相连。

本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置，其中，所述第一测量井的底端与原地表之间的距离为5-8m，横截面为直径80mm的圆形，所述第一线缆的长度比所述堆土场的高度长30m；

所述第二测量井的竖直段为直径80mm的钻孔，高度比1.2倍的矿坑深度高40m，所述自由段的高度为5m以上；

所述线圈车能够在直径15m的范围内自由移动，所述固定套筒的底端距离原地表之间的距离为40m，所述第一线缆缝和所述第二线缆缝的宽度为15mm，所述固定套筒的所述通孔的直径为15mm；所述自密封套管中部的外径为94mm，内径为80mm，底部的外径为94mm，内径为87mm，上部的外径为87mm，内径为80mm；

所述固定套筒的材质为高强度塑胶，所述自密封套管的材质为钢。

本发明所述的矿排土场多水种实时监测装置的使用方法，包括如下步骤：

(A)根据设计的图纸找到堆土场的中心位置；

(B)打钻孔，形成第二测量井的竖直段，在其中安设第二水位传感器，并采用第二线缆固定在固定滑轮上，检测水位变化；

(C)2～3月后，露天矿开始开采工作面，并且开始将矿坑区域的表土层剥离到堆土场，这时铺设自密封套管形成水平段，并且将所述第二线缆从第一线缆缝里塞进去，连接到堆土场堆土范围之外；

(D)继续堆土，1～3月后，堆土场逐渐堆到5-8m高度，此时开始铺设所述自密封套管，形成第一测量井，同时，所述第二测量井的水平段外侧一端安装自由段，所述自由段为采用胶灌形式形成的橡胶管；

(E)继续堆土，3～5月后，堆土场逐渐堆到40m高度，开始监测所述第一测量井水位情况，安装第一水位传感器，并且在进口安装和封贴固定套筒，保证所述固定套筒以下的第一线缆和所述第一水位传感器不受井口以上的活动影响；

(F)继续堆土，6-20个月左右，堆土场中间区域距离最终堆土高度还差1.2m～1.7m时，将设置有包气带水装置的最上端一节自密封套管安装好，其中，第三线缆用胶固定住，将探针孔余下空间用胶封住，不让井中湿度影响土壤监测管内湿度；安装时，需将自密封套管上方拿板固定挡住，不让外界砂石和雨水进入，同时要留有一部分的空隙，保证管内与外界的大气压强一致，同时在自密封套管外围与围岩接触的部分一定要做好密封工作，防止雨水顺着界面渗入，对土壤监测管的结果造成影响；

(G)在井口附近取土壤装入土壤监测管，用棍子采用2KN压力压实，继续填装，再用2KN压力压实，直到装满，将装满后的土壤监测管插入到卡槽里；

(H)继续堆土，20-30个月后，堆土场达到最终高度，全面监测堆土场的包气带水，土层水和地下水，对三者的数据综合分析；根据经验分析认为：当包气带水监测装置显示土壤潮湿度低于22％时，显示包气带水含量相对较低，这时需要在边坡斜坡区域喷雾洒水，保持边坡植被正常生长；当包气带水监测装置显示土壤潮湿度低于14％时，显示包气带水含量很低，需要在堆土场上表面喷雾洒水；当堆土场土层水位达到3.5m，且包气带潮湿度大于85％时，这说明主要是因为地表降水等地表水补给造成的影响，这时需要时刻做好堆土场安全巡逻工作，包括边坡区域，防止滑坡对周围造成人身财产损伤；当地下水水位突然下降时，防止矿坑突水发生，做好相关预警和排查工作，或者水位下降和上升的速率是前一天的1.5倍以上，这种慢性变化趋势的变化也是采矿事件或者水流动事件对水位造成的影响，都需要及时分析原因，排查隐患。

本发明矿排土场多水种实时监测装置与现有技术不同之处在于：本发明矿排土场多水种实时监测装置具有如下优点：

排土场区域会经历从无到有，地表经历从低到高的过程，因此测井也会逐步增加，本发明的系统实现了监测井高度的安全稳定增加，并保证数据的稳定测试和传输；

排土场从纵向方向主要分为3个区域，一个是地表以上的堆土场区域，其水位主要补充水源为地表水，其变化大，受天气影响较大，其水位变化对排土场安全性影响极大；第二个是地表以下区域，受矿坑排水影响，其水位与矿坑排水和突水有直接关系；第三个是土层表面的包气带水的监测，这个受天气影响较大，其浓度变化对堆土场地表植被生长有极其重要的作用，对堆土场地表土地复垦具有重要意义，特别为表土层洒水养护绿化的科学化智能化提供了根本的数据支持；本发明的系统很好的兼顾了表层，地上和地下部分的水位监测情况。

土壤监测管高1m左右，按照植物根系的长度，一般根系短的200-300mm，根系长的300-800mm，因此包气带水所在区域也就在纵向上1000mm左右，所以监测纵向上1000mm的土壤湿度，即实现了有效土壤资源的全面湿度监测，对于水的使用效率大大提高，对于土壤的使用效率也大大提高。弧形的设计保证了土壤监测管一面与自密封套管完美贴合，提高了土壤监测管的稳定性和安全性，更是保护了电极探针这种贵重零部件的安全与稳定。

通过双滑轮设置和自由端，可以实现第二测量井内第二水位传感器的替换工作，这对于半封闭型的第二测量井，当第二水位传感器坏了时，这种设计可以实现替换，大大延长了第二水位传感器和第二测量井的使用寿命，相对而言大大降低了监测的成本。

排土场区域会经历从无到有，地表经历从低到高的过程，因此测井也会逐步加深，自密封套管可以实现测井的稳步加深，同时线圈车的设计实现了这个过程，保证了数据的稳定测试，无线设备保证了数据的传输；

矿坑区域监测有两个作用，一是本底调查，研究不同开采阶段水位的变化情况，一是对矿井水位进行在线监测，对矿井水灾害等进行预警，因此不同目的其监测的区域，水种和要求是不一样的，本发明通过两条测井实现了纵向方向上多水种的监测。

本发明的系统结构简单，方法简便易行，使用效果显著，弥补了这一领域的空白。

附图说明

图1为本发明矿排土场多水种实时监测装置的整体结构示意图；

图2为本发明中自密封套管的结构示意图；

图3为图2的侧视图；

图4为本发明中固定套筒的结构示意图；

图5为图4的侧视图；

图6为本发明中第一水位传感器的结构示意图；

图7为本发明中第二水位传感器的结构示意图；

图8为本发明中包气带水装置的结构示意图；

图9为本发明土壤监测管的结构示意图；

图10为图9的俯视图；

图11为本发明固定滑轮的结构示意图。

具体实施方式

如图1～图11所示，本发明矿排土场多水种实时监测装置包括地上部分和地下部分，地上部分为位于原来地表上方的堆土场1，矿排土场多水种实时监测装置包括第一测量井2和第二测量井3；第一测量井2设置于堆土场1的中部，在第一测量井2的下部设置有第一水位传感器4和位于其上部的固定套筒5，在堆土场1上方设置有线圈车6，在线圈车6上设置有第一无线传输模块，第一水位传感器4连接第一线缆7的一端，第一线缆7的另一端穿过固定套筒5与第一无线传输模块相连；第一测量井2由多个自密封套管11上下连接而成；

第二测量井3包括依次连接的竖直段301、水平段302和自由段303，其中，竖直段301设置在地下，在竖直段301和水平段302连接处设置有固定滑轮8，在竖直段301的下部设置有第二水位传感器9，第二水位传感器9通过第二线缆10与自由段303外部的第二无线传输模块相连；

在最上端的自密封套管11上设置有包气带水检测装置，其包括数据处理箱14、多对电极探针15、卡槽16和土壤监测管17；数据处理箱14设置在自密封套管11的上部，与线圈车6相连，卡槽16设置在数据处理箱14的下部，在卡槽16内设置有土壤监测管17，电极探针15的一端设置在自密封套管11内，并与数据处理箱14相连，另一端设置在土壤监测管17内；土壤监测管17为长条形，由凹陷方向相同的第一弧形侧壁101和第二弧形侧壁102构成，第一弧形侧壁101的两端与第二弧形侧壁102的两端相连，在第一弧形侧壁101上设置有多个渗流孔103，在第二弧形侧壁102上设置有多个供电极探针15穿过的探针孔。

以上技术方案即可完成本发明的目的，在此基础上，本发明又提出了如下效果更好的优选方案：

第一弧形侧壁101的横截面为直径15mm，圆心角191°的钝角圆弧形，第二弧形侧壁102的横截面为直径80mm，圆心角169°的钝角圆弧形；渗流孔103的主要作用是与外界充分接触，尽可能使其与外界土壤湿度一致，第二弧形侧壁102的钝角圆弧形一侧上有与电极探针15对应的探针孔，土壤监测管17装好围岩周围的土壤后，采用2KN压力压实，继续填装，再用2KN压力压实，直到装满，将土壤监测管17插入到卡槽16里，将整个自密封套管11下放到井口，连接好电线，调试并开始工作。

卡槽16由上下两个铁板构成，铁板完全覆盖土壤监测管17的剖面略大于土壤监测管17的剖面，主要作用是固定住土壤监测管17，保证土壤监测管17在随着自密封套管11下井的时候，不会因为土壤阻力对土壤监测管17造成损坏，同时阻止从上表面因为管壁每天冷凝等形成的水珠顺自密封套管11外壁留到土壤监测管17，从而对结果造成影响。

自密封套管11由两个直径不同的中空管体套接固定而成，自密封套管11的下部内径与上部外径一致；电极探针15的数量为5对，从上至下沿竖直方向排列；电极探针15的处于自密封套管11内部的部分涂覆有绝缘漆，即电极探针15在针头往后的4mm到与第三线缆的连接点都是涂漆绝缘，防止密封套管管壁对电阻产生影响；数据处理箱14主要是通过向5对电极探针15通电，每对电极探针15之间的土壤湿度决定了电阻的大小，根据土壤监测管17的直径和电极探针之间的距离，测算出之间的电阻，单片机收集和处理土壤监测管17中各对电极探针15的电阻值，并转化为土壤潮湿度，并传输到线圈车6上；

数据处理箱14与电极探针15之间采用第三线缆连接，5对电极探针在使用之前与第三线缆已经垂直连接好，使用时将电极探针15小心的插入到自密封套管11提前设计的对应的探针孔中，第三线缆垂直布置并采用胶固定在自密封套管11的内壁上，电极探针15与探针孔之间的空隙也采用胶封堵，不让井中湿度影响土壤监测管17内湿度，数据处理箱14与线圈车6之间有线连接。

相邻的两对电极探针15之间的距离为200mm，每对电极探针15内正负电极之间的距离为2mm，电极探针15长度为28mm，其中，处于自密封套管11管壁中的长度为14mm，处于土壤监测管17内的长度为10mm，处于自密封套管11内的长度为4mm。

固定套筒5为圆柱形，在固定套筒5的外侧壁上设置有多个向内凹陷的第一凹槽501，在固定套筒5的中心设置有上下贯通的通孔502；固定套筒5的主要作用是固定线缆，保证第一水位传感器4位置固定不动，同时地面的线圈车6在移动时，对第一水位传感器4不会造成任何影响，而且其形状并不是圆形，不影响水位在井中的变化，固定套筒5和自密封套管11之间采用塑胶固定。在自密封套管11上设置有连通其内部和外部的第一线缆缝12；在固定套筒5上设置有连通其内部和外部的第二线缆缝13。通孔502作用为固定第一线缆7，第一线缆7可以通过第二线缆缝13放进去。

第一水位传感器4为压力式水位传感器，原理为通过水压大小得出水位高度值，内部从下至上包括依次连接的第一压力探头401、长条形电池组402和第一单片机403，第一单片机403还与第一压力探头401相连，在第一水位传感器4的底部设置有向上凹陷的第二凹槽404，第二凹槽404的顶部即为第一压力探头401的底部，第二凹槽404形成的孔可以感知水的压力，这样的设计可以避免井中沙石堵住感知孔。在满足井中空间条件下，长条电池组402可以保证电量，同时长条电池组402靠近第一水位传感器4的底端，这样整个第一水位传感器4的重心在中心以下，保证第一水位传感器4的状态稳定，第一单片机403主要作用为收集转换信号并传输到地表，因为井超过50m时，无线传输信号就会变弱失真，因此必须要使用有线传输。

第二水位传感器9采用的是外接电源传感器内部变压的，内部从下至上包括依次连接的第二压力探头901、变压装置902和第二单片机903，第二单片机903还与第二压力探头901相连，在第二水位传感器9的底部设置有向上凹陷的第三凹槽904，第三凹槽904的顶部即为第二压力探头901的底部；变压装置902与外部电源相连，第三凹槽904形成的孔可以感知水的压力，这样的设计可以避免井中沙石堵住感知孔。

固定滑轮8由第一固定滑轮和第二固定滑轮构成，第一固定滑轮设置在竖直段301中，包括第一滑轮801和与其相连的第一滑轮杆802，第二固定滑轮设置在水平段302中，包括第二滑轮803和与其相连的第二滑轮杆804，第一滑轮杆802与第二滑轮杆804均固定在竖直段301与水平段302的连接处；第一滑轮801的直径为40mm，第一滑轮杆802与竖直方向的夹角为30°，长85mm，第二滑轮803的直径为10mm，第二滑轮杆804与水平方向的夹角为30°，长25mm；第一滑轮杆802和第二滑轮杆804均为钢筋材质，直径为10mm；第一滑轮801和第二滑轮803的宽度均为25mm。

第二测量井3的主要作用是测量原地表以下的水位变化，在堆土场1开始堆土前，打钻孔形成竖直段301，水平段302采用自密封套管11左右连接而成，水平段302设置在堆土场1和原地表之间，自由段303由中空橡胶材料制成，自由段303竖直设置在堆土场1的外部；这样的设计保证了与大气压连接，保证了第二水位传感器9工作准确，同时自由段303可以活动自由，不受堆土场1的推进影响，自由段303一般处于垂直状态，高度为5m以上，保证水位最大时不会从里面冒水。

矿排土场多水种实时监测装置还包括控制中心，分别与第一无线传输模块和第二无线传输模块通讯相连。第一测量井2的底端与原地表之间的距离为5-8m，横截面为直径80mm的圆形，第一线缆7的长度比堆土场1的高度长30m；第二测量井3的竖直段301为直径80mm的钻孔，高度比1.2倍的矿坑深度高40m，自由段303的高度为5m以上；线圈车6能够在直径15m的范围内自由移动，固定套筒5的底端距离原地表之间的距离为40m，第一线缆缝12和第二线缆缝13的宽度为15mm，固定套筒5的通孔502的直径为15mm；自密封套管11中部的外径为94mm，内径为80mm，底部的外径为94mm，内径为87mm，上部的外径为87mm，内径为80mm；固定套筒5的材质为高强度塑胶，自密封套管11的材质为钢。

实施例2

本发明的矿排土场多水种实时监测装置的使用方法，包括如下步骤：

(A)根据设计的图纸找到堆土场1的中心位置；

(B)打钻孔，形成第二测量井3的竖直段301，在其中安设第二水位传感器9，并采用第二线缆10固定在固定滑轮8上，检测水位变化；

(C)2～3月后，露天矿开始开采工作面，并且开始将矿坑区域的表土层剥离到堆土场1，这时铺设自密封套管11形成水平段302，并且将第二线缆10从第一线缆缝12里塞进去，连接到堆土场1堆土范围之外；

(D)继续堆土，1～3月后，堆土场1逐渐堆到5-8m高度，此时开始铺设自密封套管11，形成第一测量井2，同时，第二测量井3的水平段302外侧一端安装自由段303，自由段303为采用胶灌形式形成的橡胶管；

(E)继续堆土，3～5月后，堆土场1逐渐堆到40m高度，开始监测第一测量井2水位情况，安装第一水位传感器4，并且在进口安装和封贴固定套筒5，保证固定套筒5以下的第一线缆7和第一水位传感器4不受井口以上的活动影响；

(F)继续堆土，6-20个月左右，堆土场1中间区域距离最终堆土高度还差1.2m～1.7m时，将设置有包气带水装置的最上端一节自密封套管11安装好，其中，第三线缆用胶固定住，将探针孔余下空间用胶封住，不让井中湿度影响土壤监测管内湿度；安装时，需将自密封套管11上方拿板固定挡住，不让外界砂石和雨水进入，同时要留有一部分的空隙，保证管内与外界的大气压强一致，同时在自密封套管11外围与围岩接触的部分一定要做好密封工作，防止雨水顺着界面渗入，对土壤监测管17的结果造成影响；

(G)在井口附近取土壤装入土壤监测管17，用棍子采用2KN压力压实，继续填装，再用2KN压力压实，直到装满，将装满后的土壤监测管17插入到卡槽16里；

(H)继续堆土，20-30个月后，堆土场1达到最终高度，全面监测堆土场1的包气带水，土层水和地下水，对三者的数据综合分析；根据经验分析认为：当包气带水监测装置显示土壤潮湿度低于22％时，显示包气带水含量相对较低，这时需要在边坡斜坡区域喷雾洒水，保持边坡植被正常生长；当包气带水监测装置显示土壤潮湿度低于14％时，显示包气带水含量很低，需要在堆土场1上表面喷雾洒水；当堆土场1土层水位达到3.5m，且包气带潮湿度大于85％时，这说明主要是因为地表降水等地表水补给造成的影响，这时需要时刻做好堆土场1安全巡逻工作，包括边坡区域，防止滑坡对周围造成人身财产损伤；当地下水水位突然下降时，防止矿坑突水发生，做好相关预警和排查工作，或者水位下降和上升的速率是前一天的1.5倍以上，这种慢性变化趋势的变化也是采矿事件或者水流动事件对水位造成的影响，都需要及时分析原因，排查隐患。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种矿排土场多水种实时监测装置，其特征在于：所述矿排土场包括地上部分和地下部分，所述地上部分为位于原来地表上方的堆土场(1)，所述矿排土场多水种实时监测装置包括第一测量井(2)和第二测量井(3)；

所述第一测量井(2)设置于所述堆土场(1)的中部，在所述第一测量井(2)的下部设置有第一水位传感器(4)和位于其上部的固定套筒(5)，在所述堆土场(1)上方设置有线圈车(6)，在所述线圈车(6)上设置有第一无线传输模块，所述第一水位传感器(4)连接第一线缆(7)的一端，所述第一线缆(7)的另一端穿过所述固定套筒(5)与所述第一无线传输模块相连；所述第一测量井(2)由多个自密封套管(11)上下连接而成；

所述第二测量井(3)包括依次连接的竖直段(301)、水平段(302)和自由段(303)，其中，所述竖直段(301)设置在地下，在所述竖直段(301)和所述水平段(302)连接处设置有固定滑轮(8)，在所述竖直段(301)的下部设置有第二水位传感器(9)，所述第二水位传感器(9)通过第二线缆(10)与所述自由段(303)外部的第二无线传输模块相连；

在最上端的所述自密封套管(11)上设置有包气带水检测装置，其包括数据处理箱(14)、多对电极探针(15)、卡槽(16)和土壤监测管(17)；所述数据处理箱(14)设置在所述自密封套管(11)的上部，与所述线圈车(6)相连，所述卡槽(16)设置在所述数据处理箱(14)的下部，在所述卡槽(16)内设置有所述土壤监测管(17)，所述电极探针(15)的一端设置在所述自密封套管(11)内，并与所述数据处理箱(14)相连，另一端设置在所述土壤监测管(17)内；

所述土壤监测管(17)为长条形，由凹陷方向相同的第一弧形侧壁(101)和第二弧形侧壁(102)构成，所述第一弧形侧壁(101)的两端与所述第二弧形侧壁(102)的两端相连，在所述第一弧形侧壁(101)上设置有多个渗流孔(103)，在所述第二弧形侧壁(102)上设置有多个供所述电极探针(15)穿过的探针孔。

2.根据权利要求1所述的矿排土场多水种实时监测装置，其特征在于：所述第一弧形侧壁(101)的横截面为直径15mm，圆心角191°的钝角圆弧形，所述第二弧形侧壁(102)的横截面为直径80mm，圆心角169°的钝角圆弧形；所述卡槽(16)由上下两个铁板构成，所述铁板完全覆盖所述土壤监测管(17)的剖面。

3.根据权利要求2所述的矿排土场多水种实时监测装置，其特征在于：所述自密封套管(11)由两个直径不同的中空管体套接固定而成，所述自密封套管(11)的下部内径与上部外径一致；所述电极探针(15)的数量为5对，从上至下沿竖直方向排列；所述电极探针(15)的处于所述自密封套管(11)内部的部分涂覆有绝缘漆；

所述数据处理箱(14)与所述电极探针(15)之间采用第三线缆连接，所述第三线缆垂直布置并采用胶固定在所述自密封套管(11)的内壁上，所述电极探针(15)与所述探针孔之间的空隙也采用胶封堵，所述数据处理箱(14)与所述线圈车(6)之间有线连接。

4.根据权利要求3所述的矿排土场多水种实时监测装置，其特征在于：相邻的两对所述电极探针(15)之间的距离为200mm，每对所述电极探针(15)内正负电极之间的距离为2mm，所述电极探针(15)长度为28mm，其中，处于所述自密封套管(11)管壁中的长度为14mm，处于所述土壤监测管(17)内的长度为10mm，处于所述自密封套管(11)内的长度为4mm；

所述固定套筒(5)为圆柱形，在所述固定套筒(5)的外侧壁上设置有多个向内凹陷的第一凹槽(501)，在所述固定套筒(5)的中心设置有上下贯通的通孔(502)；所述固定套筒(5)和所述自密封套管(11)之间采用塑胶固定；在所述自密封套管(11)上设置有连通其内部和外部的第一线缆缝(12)；在所述固定套筒(5)上设置有连通其内部和外部的第二线缆缝(13)。

5.根据权利要求1所述的矿排土场多水种实时监测装置，其特征在于：所述第一水位传感器(4)的内部从下至上包括依次连接的第一压力探头(401)、长条形电池组(402)和第一单片机(403)，所述第一单片机(403)还与所述第一压力探头(401)相连，在所述第一水位传感器(4)的底部设置有向上凹陷的第二凹槽(404)，所述第二凹槽(404)的顶部即为所述第一压力探头(401)的底部。

6.根据权利要求1所述的矿排土场多水种实时监测装置，其特征在于：所述第二水位传感器(9)的内部从下至上包括依次连接的第二压力探头(901)、变压装置(902)和第二单片机(903)，所述第二单片机(903)还与所述第二压力探头(901)相连，在所述第二水位传感器(9)的底部设置有向上凹陷的第三凹槽(904)，所述第三凹槽(904)的顶部即为所述第二压力探头(901)的底部；所述变压装置(902)与外部电源相连。

7.根据权利要求4所述的矿排土场多水种实时监测装置，其特征在于：

所述固定滑轮(8)由第一固定滑轮和第二固定滑轮构成，所述第一固定滑轮设置在所述竖直段(301)中，包括第一滑轮(801)和与其相连的第一滑轮杆(802)，所述第二固定滑轮设置在所述水平段(302)中，包括第二滑轮(803)和与其相连的第二滑轮杆(804)，所述第一滑轮杆(802)与所述第二滑轮杆(804)均固定在所述竖直段(301)与所述水平段(302)的连接处；

所述第一滑轮(801)的直径为40mm，所述第一滑轮杆(802)与竖直方向的夹角为30°，长85mm，所述第二滑轮(803)的直径为10mm，所述第二滑轮杆(804)与水平方向的夹角为30°，长25mm；所述第一滑轮杆(802)和所述第二滑轮杆(804)均为钢筋材质，直径为10mm；所述第一滑轮(801)和所述第二滑轮(803)的宽度均为25mm。

8.根据权利要求7所述的矿排土场多水种实时监测装置，其特征在于：所述第二测量井(3)的竖直段(301)为钻孔，所述水平段(302)采用所述自密封套管(11)左右连接而成，所述水平段(302)设置在所述堆土场(1)和原地表之间，所述自由段(303)由中空橡胶材料制成，所述自由段(303)竖直设置在所述堆土场(1)的外部；

所述的矿排土场多水种实时监测装置还包括控制中心，分别与所述第一无线传输模块和所述第二无线传输模块通讯相连。

9.根据权利要求8所述的矿排土场多水种实时监测装置，其特征在于：所述第一测量井(2)的底端与原地表之间的距离为5-8m，横截面为直径80mm的圆形，所述第一线缆(7)的长度比所述堆土场(1)的高度长30m；

所述第二测量井(3)的竖直段(301)为直径80mm的钻孔，高度比1.2倍的矿坑深度高40m，所述自由段(303)的高度为5m以上；

所述线圈车(6)能够在直径15m的范围内自由移动，所述固定套筒(5)的底端距离原地表之间的距离为40m，所述第一线缆缝(12)和所述第二线缆缝(13)的宽度为15mm，所述固定套筒(5)的所述通孔(502)的直径为15mm；所述自密封套管(11)中部的外径为94mm，内径为80mm，底部的外径为94mm，内径为87mm，上部的外径为87mm，内径为80mm；

所述固定套筒(5)的材质为高强度塑胶，所述自密封套管(11)的材质为钢。

10.权利要求1-9中任意一项所述的矿排土场多水种实时监测装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

(A)根据设计的图纸找到堆土场(1)的中心位置；

(B)打钻孔，形成第二测量井(3)的竖直段(301)，在其中安设第二水位传感器(9)，并采用第二线缆(10)固定在固定滑轮(8)上，检测水位变化；

(C)2～3月后，露天矿开始开采工作面，并且开始将矿坑区域的表土层剥离到堆土场(1)，这时铺设自密封套管(11)形成水平段(302)，并且将所述第二线缆(10)从第一线缆缝(12)里塞进去，连接到堆土场(1)堆土范围之外；

(D)继续堆土，1～3月后，堆土场(1)逐渐堆到5-8m高度，此时开始铺设所述自密封套管(11)，形成第一测量井(2)，同时，所述第二测量井(3)的水平段(302)外侧一端安装自由段(303)，所述自由段(303)为采用胶灌形式形成的橡胶管；

(E)继续堆土，3～5月后，堆土场(1)逐渐堆到40m高度，开始监测所述第一测量井(2)水位情况，安装第一水位传感器(4)，并且在进口安装和封贴固定套筒(5)，保证所述固定套筒(5)以下的第一线缆(7)和所述第一水位传感器(4)不受井口以上的活动影响；

(F)继续堆土，6-20个月左右，堆土场(1)中间区域距离最终堆土高度还差1.2m～1.7m时，将设置有包气带水装置的最上端一节自密封套管(11)安装好，其中，第三线缆用胶固定住，将探针孔余下空间用胶封住；安装时，需将自密封套管(11)上方拿板固定挡住，不让外界砂石和雨水进入，同时要留有一部分的空隙，保证管内与外界的大气压强一致，同时在自密封套管(11)外围与围岩接触的部分一定要做好密封工作，防止雨水顺着界面渗入，对土壤监测管(17)的结果造成影响；

(G)在井口附近取土壤装入土壤监测管(17)，用棍子采用2KN压力压实，继续填装，再用2KN压力压实，直到装满，将装满后的土壤监测管(17)插入到卡槽(16)里；

(H)继续堆土，20-30个月后，堆土场(1)达到最终高度，全面监测堆土场(1)的包气带水，土层水和地下水，对三者的数据综合分析；根据经验分析认为：当包气带水监测装置显示土壤潮湿度低于22％时，显示包气带水含量相对较低，这时需要在边坡斜坡区域喷雾洒水，保持边坡植被正常生长；当包气带水监测装置显示土壤潮湿度低于14％时，显示包气带水含量很低，需要在堆土场(1)上表面喷雾洒水；当堆土场(1)土层水位达到3.5m，且包气带潮湿度大于85％时，这说明主要是因为地表降水造成的影响，这时需要时刻做好堆土场(1)安全巡逻工作，包括边坡区域，防止滑坡对周围造成人身财产损伤；当地下水水位突然下降时，防止矿坑突水发生，做好相关预警和排查工作，或者水位下降和上升的速率是前一天的1.5倍以上，这种慢性变化趋势的变化也是采矿事件或者水流动事件对水位造成的影响，都需要及时分析原因，排查隐患。