CN107238482A - 华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，包括陷落柱演化模拟装置、地层倾角控制装置、边界水头控制装置、水循环装置和水压自动监测装置等。陷落柱演化模拟装置主要由模拟槽、陷落柱模型、流量计组成；地层倾角控制装置位于陷落柱演化模拟装置下部，主要由承重板、液压支架、电机组成；边界水头控制装置位于陷落柱演化模拟装置两侧，通过溢流槽控制水头高度；水循环装置主要由总回水管、沉淀池、蓄水池和潜水泵组成；水压自动监测装置主要由水压传感器探头、数据采集箱和电脑组成。整个系统模拟再现了地下水作用下岩溶陷落柱的形成及演化过程，从机理探究了在不同地下水流场下岩溶陷落柱形成过程及其控制因素。

Description

华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统

技术领域

本发明涉及一种模拟矿山建设和地下开采以及隧道施工过程等领域所遇到岩溶管道突水机理形成如何形成问题，为分析岩溶地区的陷落柱存在与否，及分布规律提供一个重要的机理研究平台，也为后期岩溶陷落柱的注浆治理提供参考依据。

背景技术

我国华北煤田岩溶陷落柱，发育于煤系地层之下或之中，形如柱体的导水通道，其成因目前认为是地质历时时期由地下水流和构造地质共同作用下，从奥陶系或寒武系岩溶含水层内向上发育的柱体空腔，形成于晚古生代和中生代，在华北煤田普遍发育，它是华北煤田煤炭开采过程中突水致灾的重要因子。

关于岩溶陷落柱成因，有“膏溶塌陷说”、“循环塌陷说”、“重力塌陷说”、“真空吸蚀塌陷说”等，目前均处在探索阶段。利用岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，研究华北地区岩溶陷落柱演化过程，是解决其成因问题和岩溶预测预报的重要手段之一。

发明内容

本发明的目的在于为研究我国华北煤田岩溶陷落柱演化过程提供一个重要的试验手段，它能够更加真实模拟在地下水流作用下岩溶陷落柱的形成及演化过程，通过控制进出流量和水压，监测陷落柱演化模拟装置内地下水流速、流量变化过程，再现岩溶陷落柱如何从岩溶地层进入上覆煤(岩)层形成过程。

为实现上述目的，本发明试验装置系统，其特征在于：至少包括陷落柱演化模拟装置、地层倾角控制装置、边界水头控制装置、水循环装置和水压自动监测装置等，所述的陷落柱演化模拟装置主要由模拟槽、上部承压盖板、水管一、水管二和三通管组成，所述的模拟槽的里面装有左滤板、右滤板、陷落柱模型、细食盐、松散颗粒、相似材料和用于监测水压的空心铜管、海绵罩，所述的模拟槽的背面设有水压监测孔，所述的模拟槽的上面通过密封圈、上部承压盖板和螺栓使模拟槽密封，所述的模拟槽的左侧底端设置有水管一，所述的水管一上安装有进水阀门和进水流量计，所述的模拟槽的右侧底端安装有水管二，所述的水二管上设置有出水流量计、出水阀门，所述的水管二最右端和三通管连接；所述的地层倾角控制装置主要包括承重板、液压支架、电机、固定支架和底座，所述的承重板四周设有固定围栏，所述的承重板和固定围栏用来固定上面放置的模拟槽，所述的电机用来驱动液压支架的伸缩来改变承重板的倾角；所述的边界水头控制装置包括进水箱、出水箱、钢丝绳和滑轮，所述的进水箱、出水箱均由钢丝绳和滑轮控制其水头高度，所述的进水箱底部的出水口通过进水管一与模拟槽的左侧底端水管一相连，所述的进水箱底部的排水口通过回水管一将水回流至蓄水池中，所述的出水箱底部的进水口通过进水管二与三通管上端相连，所述的进水管二上面设置有上水阀门，所述的三通管下端与排水管相连，所述的排水管上面设置有排水阀门，所述的出水箱底部的排水口通过回水管二将溢流出来的水和携带的冲刷物带到沉淀池中；所述的水循环装置主要包括沉淀池、过滤网、总回水管、蓄水池、潜水泵，所述的沉淀池中部下设置有3层过滤网，所述的沉淀池左侧上方通过总回水管与蓄水池右侧上方相连，所述的蓄水池中的潜水泵通过抽水管与进水箱底部的进水口相连；所述的水压自动监测装置主要包括空心铜管、水压传感器探头、数据采集线、数据采集箱和电脑，所述的空心铜管穿过模拟槽后壁上的水压监测孔与外部皮软管一端相连，所述的皮软管的另一端与水压传感器探头相连，所述的皮软管的两端连接处均用细铁丝绑扎，所述的水压传感器探头通过数据采集线与数据采集箱相连，所述的数据采集箱通过数据输出线将采集的数据传送到电脑系统中。

上述华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，其特征在于：所述的模拟槽的长为2.0～2.6m，所述的模拟槽的高为1.2～1.5m，所述的模拟槽的宽为0.6～1.0m；所述的陷落柱模型是由孔径15mm金属丝网制成，所述的陷落柱模型上部和下部均开口且全断面导水，所述的陷落柱的角度、形状和大小依据工程背景设计；所述的陷落柱模型置于模拟槽的底部中间位置，所述的陷落柱模型内部充填细食盐，所述的陷落柱模型外部装填松散颗粒，所述的松散颗粒的高度与陷落柱模型顶部齐平，所述的陷落柱模型上部铺设相似材料，所述的相似材料成层状分布。

上述的华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，其特征在于：所述的空心铜管端头位于模拟槽中试验设计位置且有海绵罩保护，所述的空心铜管末端穿过模拟槽后壁上的水压监测孔与外部皮软管一端相连，所述的皮软管的另一端与水压传感器探头相连，所述的皮软管两端连接处的内部均用硅胶密封，所述的皮软管两端连接处的外部均用细铁丝绑扎，所述的空心铜管与模拟槽后壁上的水压监测孔接触部位用硅胶和玻璃胶密封；所述的水压监测孔按非等距网格布置在模拟槽后壁上，所述的水压监测孔在陷落柱模型周边加密布置，所述的水压传感器探头的数量为36～48个。

上述的华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，其特征在于：所述的承重板上模拟槽的倾角通过液压支架伸缩调整，所述的承重板倾角可调范围为0～45°。

上述的华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，其特征在于：所述的进水箱、出水箱的水头高度均通过钢丝绳、滑轮调控；所述的进水流量计、出水流量计显示数据的大小分别通过进水阀门和出水阀门闭合程度调节。

发明与现有技术相比具有以下功能及优点：

1.本发明包括陷落柱演化模拟装置、地层倾角控制装置、边界水头控制装置、控沙—水循环装置和水位自动监测装置，设计合理，结构紧凑，实现方便。

2.采用本发明进行陷落柱演化模拟时，操作方法及步骤简单，能够清地观察陷落柱演化过程，实时监测陷落柱内、外的水位变化。

3.利用本发明能够成功的模拟不同倾角、不同大小和形状的陷落柱的演化过程。

4.利用本发明能够成功的模拟不同地层倾角、不同岩性组合特征对陷落柱形成及演化的影响。

5.利用本发明能够成功的模拟不同水动力条件下，陷落柱的演化过程及发育特征。

6.利用本发明能够成功的模拟潜蚀作用和真空吸蚀作用下，陷落柱的形成及演化机理。

7.利用本发明能够成功的研究陷落柱演化过程中，陷落柱柱体内、外水流(流量、流速、水位)的时空变化特征。

附图说明

图1为岩溶陷落柱演化试验过程装置系统的整体结构图；

图2为承重板的结构示意图；

图3为水压监测孔的结构示意图；

图4为水压监测孔在模拟槽背面的布设位置示意图；

图5为陷落柱模型及充填材料布置的主视结构示意图。

图中：1.模拟槽；2.左滤板；3.右滤板；4.水管一；5.进水阀门；6.进水流量计；7.水管二；8.出水流量计；9.出水阀门；10.密封圈；11.上部承压盖板；12.螺栓；13.陷落柱模型；14.细食盐；15.松散颗粒；16.相似材料；17.承重板；18.固定围栏；19.液压支架；20.电机；21.固定支架；22.底座；23.进水箱；24.出水箱；25.进水管一；26.回水管一；27.钢丝绳；28.滑轮；29.进水管二；30.上水阀门；31.三通管；32.排水阀门；33.排水管；34.回水管二；35.沉淀池；36.过滤网；37.总回水管；38.蓄水池；39.潜水泵；40.抽水管；41.模拟槽后壁；42.水压监测孔；43.空心铜管；44.海绵罩；45.皮软管；46.水压传感器探头；47.数据采集线；48.细铁丝；49.数据采集箱；50.数据输出线；51.电脑。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案、工作原理和优点更加清晰，下面结合附图对本发明进一步详细描述。

如图1、图2、图4和图5所示，本发明包括陷落柱演化模拟装置、地层倾角控制装置、边界水头控制装置、水循环装置和水压自动监测装置等，所述的陷落柱演化模拟装置主要由模拟槽、上部承压盖板、水管一、水管二和三通管组成，所述的模拟槽的里面装有左滤板、右滤板、陷落柱模型、细食盐、松散颗粒、相似材料和用于监测水压的空心铜管、海绵罩，所述的模拟槽的背面设有水压监测孔，所述的模拟槽的上面通过密封圈、上部承压盖板和螺栓使模拟槽密封，所述的模拟槽的左侧底端设置有水管一，所述的水管一上安装有进水阀门和进水流量计，所述的模拟槽的右侧底端安装有水管二，所述的水二管上设置有出水流量计、出水阀门，所述的水管二最右端和三通管连接；所述的地层倾角控制装置主要包括承重板、液压支架、电机、固定支架和底座，所述的承重板四周设有固定围栏，所述的承重板和固定围栏用来固定上面放置的模拟槽，所述的电机用来驱动液压支架的伸缩来改变承重板的倾角；所述的边界水头控制装置包括进水箱、出水箱、钢丝绳和滑轮，所述的进水箱、出水箱均由钢丝绳和滑轮控制其水头高度，所述的进水箱底部的出水口通过进水管一与模拟槽的左侧底端水管一相连，所述的进水箱底部的排水口通过回水管一将水回流至蓄水池中，所述的出水箱底部的进水口通过进水管二与三通管上端相连，所述的进水管二上面设置有上水阀门，所述的三通管下端与排水管相连，所述的排水管上面设置有排水阀门，所述的出水箱底部的排水口通过回水管二将溢流出来的水和携带的冲刷物带到沉淀池中；所述的水循环装置主要包括沉淀池、过滤网、总回水管、蓄水池、潜水泵，所述的沉淀池中部下设置有3层过滤网，所述的沉淀池左侧上方通过总回水管与蓄水池右侧上方相连，所述的蓄水池中的潜水泵通过抽水管与进水箱底部的进水口相连；所述的水压自动监测装置主要包括空心铜管、水压传感器探头、数据采集线、数据采集箱和电脑，所述的空心铜管穿过模拟槽后壁上的水压监测孔与外部皮软管一端相连，所述的皮软管的另一端与水压传感器探头相连，所述的皮软管的两端连接处均用细铁丝绑扎，所述的水压传感器探头通过数据采集线与数据采集箱相连，所述的数据采集箱通过数据输出线将采集的数据传送到电脑系统中。

结合图1、图4，本实施例中，所述的模拟槽的长为2.0～2.6m，所述的模拟槽的高为1.2～1.5m，所述的模拟槽的宽为0.6～1.0m；所述的陷落柱模型是由孔径15mm金属丝网制成，所述的陷落柱模型上部和下部均开口且全断面导水，所述的陷落柱的角度、形状和大小依据工程背景设计；所述的陷落柱模型置于模拟槽的底部中间位置，所述的陷落柱模型内部充填细食盐，所述的陷落柱模型外部装填松散颗粒，所述的松散颗粒的高度与陷落柱模型顶部齐平，所述的陷落柱模型上部铺设相似材料，所述的相似材料成层状分布。

结合图3，本实施例中，所述的空心铜管端头位于模拟槽中试验设计位置且有海绵罩保护，所述的空心铜管末端穿过模拟槽后壁上的水压监测孔与外部皮软管一端相连，所述的皮软管的另一端与水压传感器探头相连，所述的皮软管两端连接处的内部均用硅胶密封，所述的皮软管两端连接处的外部均用细铁丝绑扎，所述的空心铜管与模拟槽后壁上的水压监测孔接触部位用硅胶和玻璃胶密封；所述的水压监测孔按非等距网格布置在模拟槽后壁上，所述的水压监测孔在陷落柱模型周边加密布置，所述的水压传感器探头的数量为36～48个。

结合图1、图2，本实施例中，所述的承重板上模拟槽的倾角通过液压支架伸缩调整，所述的承重板倾角可调范围为0～45°。

如图1所示，所述的进水箱、出水箱的水头高度均通过钢丝绳、滑轮调控；所述的进水流量计、出水流量计显示数据的大小分别通过进水阀门和出水阀门闭合程度调节。

本发明的工作原理及其试验过程

1.按照试验设计组装好陷落柱演化过程试验装置系统，包括陷落柱演化模拟装置、地层倾角控制装置、边界水头控制装置、控沙—水循环装置和水位自动监测装置，并使模拟槽(1)顶部密封、不透水，如图1、图3所示。根据试验设计，首先调整进水箱(23)和出水箱(24)的水头高度，然后打开进水阀门(5)并关闭出水阀门(9)，检查模拟槽(1)的封闭性和水位自动监测装置的运行情况；调节进水阀门(5)的开启程度，同时打开出水阀门(9)、上水阀门(30)和排水阀门(32)，检查各系统装置的运行情况。

2.关闭进水阀门(5)，待模拟槽(1)中的水排尽后，打开模拟槽(1)的上部承压盖板(11)；依据试验设计制作陷落柱模型(13)，依据工程背景将陷落柱模型(13)中放置在模拟槽(1)的底部位置，在陷落柱模型(13)内部装填细食盐(14)，在陷落柱模型(13)外部装填松散颗粒(15)，用于模拟高渗透性的岩溶含水层，所述的模拟岩溶含水层高度与陷落柱模型(13)顶部齐平，并在模拟岩溶含水层上分层铺设相似材料(16)，用于模拟低渗透性的煤(岩)弱透水层；在放置陷落柱模型(13)和装填细食盐(14)、松散颗粒(15)、相似材料(16)过程中，注意保护空心铜管(43)，并在空心铜管(43)与水压监测孔(42)接触部位再次用硅胶和玻璃胶密封。

3.待模拟槽(1)填满、压实7天后，盖上模拟槽(1)的上部承压盖板(11)，使模拟槽(1)重新密封；依据工程背景，启动电机(20)调整液压支架(19)的长度，改变承重板(17)的角度，从而可按照实际地层倾角试验模拟。

4.关闭出水阀门(9)、上水阀门(30)和排水阀门(32)，缓慢开启进水阀门(5)，直至模拟槽(1)完全饱水且保持水压稳定，在缓慢打开上水阀门(30)和出水阀门(9)，调节进水阀门(5)和出水阀门(9)的开启程度，控制进水流量计(6)和出水流量计(8)的大小。

5.从步骤4开始，对陷落柱演化试验过程进行全程视频监控，利用进水流量计(6)和出水流量计(8)实时监测记录模拟槽(1)的进、出水流量，利用水压自动监测装置实时监测模拟槽(1)中的水压变化情况。

6.待陷落柱模型(13)中细食盐(14)溶蚀完毕、陷落柱模型(13)内部及上部充填的相似材料(16)基本稳定、模拟槽(1)的进、出水流量及水压均基本稳定后，试验方可结束，并将该过程中所采集的全部数据、视频和照片导入分析系统中，分析探究华北煤田岩溶陷落柱的演化机理。

7.数据导入完毕后，依次关闭进水流量计(6)、出水流量计(8)、数据采集箱(49)、电脑(51)、潜水泵(39)、进水阀门(5)、上水阀门(30)，打开排水管(33)，将模拟槽(1)中剩余的水和冲刷的物质排到沉淀池(35)中；然后打开上部承压盖板(11)，逐层取出模拟槽(1)中的残留物质和陷落柱模型(13)，并注意保护空心铜管(13)；最后对试验装置进行全面检查、清洗。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围有所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，说明书的这种叙述方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，其特征在于：至少包括陷落柱演化模拟装置、地层倾角控制装置、边界水头控制装置、水循环装置和水压自动监测装置等，所述的陷落柱演化模拟装置主要由模拟槽(1)、上部承压盖板(11)、水管一(4)、水管二(7)和三通管(31)组成，所述的模拟槽(1)的里面装有左滤板(2)、右滤板(3)、陷落柱模型(13)、细食盐(14)、松散颗粒(15)、相似材料(16)和用于监测水压的空心铜管(43)、海绵罩(44)，所述的模拟槽(1)的背面设有水压监测孔(42)，所述的模拟槽(1)的上面通过密封圈(10)、上部承压盖板(11)和螺栓(12)使模拟槽(1)密封，所述的模拟槽(1)的左侧底端设置有水管一(4)，所述的水管一(4)上安装有进水阀门(5)和进水流量计(6)，所述的模拟槽(1)的右侧底端安装有水管二(7)，所述的水二管(7)上设置有出水流量计(8)、出水阀门(9)，所述的水管二(7)最右端和三通管(31)连接；所述的地层倾角控制装置主要包括承重板(17)、液压支架(19)、电机(20)、固定支架(21)和底座(22)，所述的承重板(17)四周设有固定围栏(18)，所述的承重板(17)和固定围栏(18)用来固定上面放置的模拟槽(1)，所述的电机(20)用来驱动液压支架(19)的伸缩来改变承重板(17)的倾角；所述的边界水头控制装置包括进水箱(23)、出水箱(24)、钢丝绳(27)和滑轮(28)，所述的进水箱(23)、出水箱(24)均由钢丝绳(27)和滑轮(28)控制其水头高度，所述的进水箱(23)底部的出水口通过进水管一(25)与模拟槽(1)的左侧底端水管一(4)相连，所述的进水箱(23)底部的排水口通过回水管一(26)将水回流至蓄水池(38)中，所述的出水箱(24)底部的进水口通过进水管二(29)与三通管(31)上端相连，所述的进水管二(29)上面设置有上水阀门(30)，所述的三通管(31)下端与排水管(33)相连，所述的排水管(33)上面设置有排水阀门(32)，所述的出水箱(24)底部的排水口通过回水管二(34)将溢流出来的水和携带的冲刷物带到沉淀池(35)中；所述的水循环装置主要包括沉淀池(35)、过滤网(36)、总回水管(37)、蓄水池(38)、潜水泵(39)，所述的沉淀池(35)中部下设置有3层过滤网(36)，所述的沉淀池(35)左侧上方通过总回水管(37)与蓄水池(38)右侧上方相连，所述的蓄水池(35)中的潜水泵(39)通过抽水管(40)与进水箱(23)底部的进水口相连；所述的水压自动监测装置主要包括空心铜管(43)、水压传感器探头(46)、数据采集线(47)、数据采集箱(49)和电脑(50)，所述的空心铜管(43)穿过模拟槽后壁(41)上的水压监测孔(42)与外部皮软管(45)一端相连，所述的皮软管(45)的另一端与水压传感器探头(46)相连，所述的皮软管(45)的两端连接处均用细铁丝(48)绑扎，所述的水压传感器探头(46)通过数据采集线(47)与数据采集箱(49)相连，所述的数据采集箱(49)通过数据输出线(50)将采集的数据传送到电脑(51)系统中。

2.按照权利要求1所述的华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，其特征在于：所述的模拟槽(1)的长为2.0～2.6m，所述的模拟槽(1)的高为1.2～1.5m，所述的模拟槽(1)的宽为0.6～1.0m；所述的陷落柱模型(13)是由孔径15mm金属丝网制成，所述的陷落柱模型(13)上部和下部均开口且全断面导水，所述的陷落柱(13)的角度、形状和大小依据工程背景设计；所述的陷落柱模型(13)置于模拟槽(1)的底部中间位置，所述的陷落柱模型(13)内部充填细食盐(14)，所述的陷落柱模型(13)外部装填松散颗粒(15)，所述的松散颗粒(15)的高度与陷落柱模型(13)顶部齐平，所述的陷落柱模型(13)上部铺设相似材料(16)，所述的相似材料(16)成层状分布。

3.按照权利要求1所述的华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，其特征在于：所述的空心铜管(43)端头位于模拟槽(1)中试验设计位置且有海绵罩(44)保护，所述的空心铜管(43)末端穿过模拟槽后壁(41)上的水压监测孔(42)与外部皮软管(45)一端相连，所述的皮软管(45)的另一端与水压传感器探头(46)相连，所述的皮软管(45)两端连接处的内部均用硅胶密封，所述的皮软管(45)两端连接处的外部均用细铁丝(48)绑扎，所述的空心铜管(43)与模拟槽后壁(41)上的水压监测孔(42)接触部位用硅胶和玻璃胶密封；所述的水压监测孔(42)按非等距网格布置在模拟槽后壁(41)上，所述的水压监测孔(31)在陷落柱模型(13)周边加密布置，所述的水压传感器探头(46)的数量为36～48个。

4.按照权利要求1所述的华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，其特征在于：所述的承重板(17)上模拟槽(1)的倾角通过液压支架(19)伸缩调整，所述的承重板(17)倾角可调范围为0～45°。

5.按照权利要求1所述的华北煤田岩溶陷落柱演化过程试验装置系统，其特征在于：所述的进水箱(23)、出水箱(24)的水头高度均通过钢丝绳(27)、滑轮(28)调控；所述的进水流量计(6)、出水流量计(8)显示数据的大小分别通过进水阀门(5)和出水阀门(9)闭合程度调节。