CN108107185A - 矿井水净化实验测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井水净化实验测试装置及其测试方法。矿井水净化实验测试装置包括矿井蓄水池、水泵、缓冲水池、阶梯式实验平台和采空区模拟水槽；水泵通过供水管连接在矿井蓄水池和缓冲水池之间；阶梯式实验平台包括有至少两个台阶部，在每个台阶部上分别安装有采空区模拟水槽，任意相邻的两个采空区模拟水槽之间通过连接管路连通；在每个采空区模拟水槽中配置有模拟岩层，在每个采空区模拟水槽中还设置有加压装置；在每个采空区模拟水槽上都设置有水样采集口；缓冲水池位于阶梯式实验平台中最高的台阶部上，缓冲水池通过连接管路与采空区模拟水槽连通。本发明为充分利用采空区垮落矸石对矿井水进行自净化处理提供了试验基础。

Description

矿井水净化实验测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种矿井水净化实验测试装置及其测试方法。

背景技术

水是人类生存、环境改善和经济发展的根本，我国水资源总量约为2.8万亿吨，但人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，全国每年缺水量高达500亿吨。煤炭开采导致上覆含水层发生破坏，含水层中的水流入采空区形成矿井水。据不完全统计，我国煤炭开采每年产生的矿井水达到近百亿吨，矿井水利用率长期低于30％。矿井水大量外排不仅造成了大量的水资源浪费，而且对地表生态环境造成了严重破坏。

矿井水作为一种宝贵的地下水资源，通过建立煤矿地下水库对矿井水进行回收、再利用，可以很好的缓解西部矿区煤炭开发与水资源、生态环境的矛盾，具有很好的技术、经济和社会效益。

目前，煤矿地下水资源的处理、利用已经引起了高度重视，形成了一批关于矿井水处理、净化方面的研究成果，例如：西南交通大学发明了一体化矿井水净化系统、葫芦岛辉宏有色金属有限公司发明了煤矿井下废水净化处理的方法、山西清泽环境科技有限公司发明了一种煤矿井下废水净化处理方法等，上述成果主要是利用外部系统、装置、化学试剂对矿井水进行物理与化学反应，实现净化矿井水的目的，但这些成果均主要采用外部介质，没有充分利用采空区冒落矸石对矿井水的过滤、沉淀、吸附、离子交换等自净化作用。

有鉴于此，提供一种对矿井水进行自净化处理的测试装置及其测试方法成为必要。

发明内容

本发明技术方案提供一种矿井水净化实验测试装置，包括矿井蓄水池、水泵、缓冲水池、阶梯式实验平台和采空区模拟水槽；

其中，所述水泵通过供水管连接在所述矿井蓄水池和所述缓冲水池之间；

所述阶梯式实验平台包括有至少两个台阶部，在每个所述台阶部上分别安装有所述采空区模拟水槽，任意相邻的两个所述采空区模拟水槽之间通过连接管路连通；

在每个所述采空区模拟水槽中配置有模拟岩层，在每个所述采空区模拟水槽中还设置有用于向所述模拟岩层加压的加压装置；

在每个所述采空区模拟水槽上都设置有水样采集口；

所述缓冲水池位于所述阶梯式实验平台中最高的所述台阶部上，所述缓冲水池通过所述连接管路与位于最高的所述台阶部上的所述采空区模拟水槽连通。

进一步地，所述模拟岩层包括有冒落带、位于所述冒落带上方的空隙带和位于所述空隙带上方的裂隙带。

进一步地，所述加压装置包括加压气囊和用于向所述加压气囊充气的充气元件；

所述采空区模拟水槽包括顶盖，所述加压气囊位于所述模拟岩层的顶部，并位于所述顶盖的下方；

所述充气元件位于所述采空区模拟水槽的外侧，所述充气元件通过充气管与所述加压气囊连通。

进一步地，在所述加压气囊处于展开状态时，所述加压气囊的底部完全覆盖住所述模拟岩层的顶面，所述加压气囊的上部与所述顶盖接触，所述加压气囊的侧部与所述采空区模拟水槽的侧板接触。

进一步地，所述采空区模拟水槽包括有框架，所述采空区模拟水槽的侧板固定安装在所述框架的侧部，所述采空区模拟水槽的底板固定安装在所述框架的底部，所述顶盖可拆卸地安装在所述框架的顶部。

进一步地，所述底板和所述侧板分别采用钢化玻璃。

进一步地，所述采空区模拟水槽具有进水端部和与所述进水端部相对设置的出水端部；

所述采空区模拟水槽的所述出水端部铰接在所述台阶部上；

在所述台阶部上还设置有用于驱动所述采空区模拟水槽的所述进水端部升降的升降驱动组件。

进一步地，所述升降驱动组件包括有至少一个驱动油缸，在所述采空区模拟水槽的所述进水端部上还向外延伸有支撑件；

所述驱动油缸安装在所述台阶部上，所述驱动油缸的输出端与所述支撑件铰接。

进一步地，所述连接管路包括主管路和用于向所述采空区模拟水槽中均匀布水的多条分支管路；

在所述主管路的出水端上设置有锥形部，多条所述分支管路分别平行地连接在所述锥形部上；

其中，在从所述主管路至所述分支管路的方向上，所述锥形部的半径逐渐增加。

进一步地，在所述连接管路上设置有流量控制阀和流速监测元件。

本发明技术方案还提供一种采用前述任一项所述的矿井水净化实验测试装置进行实验的测试方法，包括如下步骤：

S001：将从煤矿现场采集的矿井水置于矿井蓄水池内；

S002：通过加压装置向模拟岩层加压；

S003：开启水泵，将矿井水从矿井蓄水池抽入缓冲水池内；

S004：缓冲水池中的矿井水按照从高到低的顺序依次进入各台阶部上的采空区模拟水槽内；

S005：从每个采空区模拟水槽的水样采集口中采集被模拟岩层净化后的预设量的净化水，然后分析各采空区模拟水槽中的模拟岩层对矿井水的净化效果。

进一步地，还包括：

在开启水泵之前，通过升降驱动组件驱动采空区模拟水槽的进水端部升起预设角度。

进一步地，选择性地将预设数量的采空区模拟水槽的进水端部升起预设角度，或者，将所有的采空区模拟水槽的进水端部升起预设角度。

进一步地，还包括：

通过充气元件向加压气囊中注入气体；

在加压气囊展开时，加压气囊的下部完全覆盖住模拟岩层的上表面，加压气囊的上部与采空区模拟水槽的顶盖接触，加压气囊的侧部与采空区模拟水槽的侧板接触。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明基于煤层开挖后工作面采空区顶板岩层的垮落块度、岩性组合、分布特征的差异，提供一种对不同水头压力、不同流速、不同渗流距离下矿井水自净化机理进行实验的测试装置及测试方法，为充分利用采空区垮落矸石对矿井水进行自净化处理提供了试验基础。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的矿井水净化实验测试装置的结构示意图；

图2为在台阶面上设置有采空区模拟水槽的放大示意图；

图3为缓冲水池、采空区模拟水槽、模拟岩层和加压装置的布置示意图；

图4为阶梯式实验平台的结构示意图；

图5为图3沿着A-A向的剖视图；

图6为在驱动油缸作用下，采空区模拟水槽的进水端部被提升的示意图；

图7为连接管路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

本发明实施例提供的矿井水净化实验测试装置主要用于对矿井水在采空区流动过程中的自净化机理进行测试，以得出采空区冒落矸石对矿井水的过滤、沉淀、吸附、离子交换等自净化效果。

如图1-4所示，本发明一实施例提供的矿井水净化实验测试装置，包括矿井蓄水池1、水泵2、缓冲水池3、阶梯式实验平台4和采空区模拟水槽5。

其中，水泵2通过供水管6连接在矿井蓄水池1和缓冲水池3之间。

阶梯式实验平台4包括有至少两个台阶部41，在每个台阶部41上分别安装有采空区模拟水槽5，任意相邻的两个采空区模拟水槽5之间通过连接管路9连通。

在每个采空区模拟水槽5中配置有模拟岩层7，在每个采空区模拟水槽5中还设置有用于向模拟岩层7加压的加压装置8。

在每个采空区模拟水槽5上都设置有水样采集口50。

缓冲水池3位于阶梯式实验平台4中最高的台阶部41上，缓冲水池3通过连接管路9与位于最高的台阶部41上的采空区模拟水槽5连通。

模拟岩层7是从煤矿工作面采空区采集的岩石样本按一定的相似比例，按照岩性、块度、层位厚度制作而成的相似岩层。

由于相邻的台阶部41之间的高度不同，每个台阶部41上的采空区模拟水槽5都相似于采煤工作面中的一个采空区。

不同高度的采空区模拟水槽5相似于不同采煤工作面上的采空区。

模拟岩层7置于不同高度的采空区模拟水槽5中，以模拟工作面煤层开挖后顶板岩层的垮落结构及分布状态。

通过加压装置8向模拟岩层7加压，可以模拟煤层开挖后，上覆岩层对模拟岩层产生的矿山压力。

在采空区模拟水槽5中还设置有压力传感器，用于实时监测加压装置8施加的压力。

相邻的采空区模拟水槽5通过连接管路9连通，从而使得水能够从较高的采空区模拟水槽5中顺次流入高度较低的采空区模拟水槽5中，实现多次净化。

在每个采空区模拟水槽5上都设置有水样采集口50，用于采集净化后的水样，以测试通过模拟岩层对矿井水的净化效果。

在测试时，先将从煤矿现场采集的矿井水置于矿井蓄水池1内。通过加压装置向模拟岩层加压；

然后，开启水泵2，将矿井水从矿井蓄水池1抽入缓冲水池3内。缓冲水池3起到缓冲作用，避免水泵2中的水直接灌入采空区模拟水槽5中，水压过大，与实际情况不符。通过在最高的台阶部41上设置该缓冲水池3，然后将该缓冲水池3与最高台阶部41上的采空区模拟水槽5通过连接管路9连通，可以实现缓冲水池3中的水缓慢均匀地流动，提高了测试效果。

优选地，连接管路9连接在采空区模拟水槽5的底部，在水进入一个采空区模拟水槽5内前，将下端的流量控制阀94关闭，使水在该采空区模拟水槽5内蓄至预设水位，然后开启下端的流量控制阀94，将水通过连通管路9导入下一个较低位置的采空区模拟水槽5内。在下一个采空区模拟水槽5中重复上述操作，最终实现缓冲水池3中的矿井水按照从高到低的顺序依次进入各台阶部41上的采空区模拟水槽5内。

然后，从每个采空区模拟水槽5的水样采集口50中采集被模拟岩层7净化后的预设量的净化水，然后分析各采空区模拟水槽对矿井水的净化效果。

图2中最高位置的采空区模拟水槽5中的矿井水被模拟岩层7净化一次，中间位置的采空区模拟水槽5中的矿井水被模拟岩层7净化二次，最低位置的采空区模拟水槽5中的矿井水被模拟岩层7净化三次。

在采空区模拟水槽5内设计流速、压力、水质在线监测网，能够对不同层位水体的流速、压力、水质变化进行在线监测。

可以根据需要，更改模拟岩层7的采空区岩性、岩块粒度、层位厚度条件，以及更改水量、水压条件、矿井水渗流速度、距离、时间等因素，实现多方面分析，提供分析结果的多样性。

本发明提供的矿井水净化实验测试装置，可以实现不同的水量、水压条件、采空区岩性、岩块粒度、层位厚度条件、矿井水渗流速度、距离、时间条件的多参量试验分析，为矿井水自净化机理研究提供试验基础。

较佳地，如图3和图5所示，模拟岩层7包括有冒落带71、位于冒落带71上方的空隙带72和位于空隙带72上方的裂隙带73。

冒落带71模拟在采煤时冒落在工作面底板上粒度较小的岩石，，其可以采用第一粒径的岩石填充。

空隙带72模拟采空区中的粒度较大的岩石，其可以采用第二粒径的岩石填充，其中第一粒径小于第二粒径。

裂隙带73模拟煤层上方因采动而产生裂隙的岩层，其可以采用第三粒径的岩石填充，其中第二粒径小于第三粒径。

通过布置上述冒落带71、空隙带72和裂隙带73可以更能准确的反应现场实际情况。

冒落带71布置在采空区模拟水槽5的底板52上。

较佳地，如图3和图5所示，加压装置8包括加压气囊81和用于向加压气囊81充气的充气元件82。

采空区模拟水槽5包括顶盖53，加压气囊81位于模拟岩层7的顶部，并位于顶盖53的下方。

充气元件82位于采空区模拟水槽5的外侧，充气元件8通过充气管83与加压气囊81连通。

充气元件82可以为充气泵或充气筒。

上部加载利用加压气囊81加载系统实现，通过充气元件82向加压气囊81中充气，可以满足试验均布加载的要求。实验时，将采空区模拟水槽5的侧板54和顶盖53作为限制面，更加符合力学要求，能最大程度的发挥加压气囊81加载的优势。

其工作原理为：先将加压气囊81与模拟岩层7或裂隙带73的上表面贴合，然后向加压气囊81内充入气体以产生一定的压力，通过两者的贴合面将加压气囊81的内部压力传递到模拟岩层7中，以达到实施均布加载的目的，其加载力的大小可以通过控制加压气囊81的内外压差来实现，从而模拟实际生产中不同上覆岩层厚度的试验。

优选地，在加压气囊81处于展开状态时，加压气囊81的底部完全覆盖住模拟岩层7的顶面，加压气囊81的上部与顶盖53接触，加压气囊81的侧部与采空区模拟水槽5的侧板54接触。

加压气囊81的下部完全覆盖住模拟岩层7，从而可以实现对模拟岩层7均匀加压。通过侧板54和顶盖53对加压气囊81进行限制，更加符合力学要求，能最大程度的发挥加压气囊81加载的优势。

较佳地，如图3和图5所示，采空区模拟水槽5包括有框架51，采空区模拟水槽5的侧板54固定安装在框架的侧部，采空区模拟水槽5的底板52固定安装在框架51的底部，顶盖53可拆卸地安装在框架51的顶部。

侧板54和底板52与框架1密封连接，避免渗水。顶盖53可以从框架1上打开或紧固在框架1的顶部，方便向采空区模拟水槽5内布置所需元件。

优选地，底板53和侧板54分别采用钢化玻璃，实验时可以从外部观测到内部的情况，便于实验观测。

较佳地，如图2-3和图6所示，采空区模拟水槽5具有进水端部55和与进水端部55相对设置的出水端部56。

采空区模拟水槽5的出水端部56铰接在台阶部41上。

在台阶部41上还设置有用于驱动采空区模拟水槽5的进水端部55升降的升降驱动组件10。

通过设置升降驱动组件10，可以根据需要使得驱动采空区模拟水槽5倾斜，以模拟不同倾斜角度的煤层或岩层，更加贴近真实情况，提高了测试效果。

根据需要，可以仅使一个或几个采空区模拟水槽5倾斜，也可以将所有的采空区模拟水槽5倾斜，以模拟不同倾斜角度情形下的煤层或岩层。

较佳地，如图3和图6所示，升降驱动组件10包括有至少一个驱动油缸101，在采空区模拟水槽5的进水端部55上还向外延伸有支撑件57。

驱动油缸101安装在台阶部41上，驱动油缸101的输出端与支撑件57铰接。

优选地，在每个进水端部55对称地布置有两个驱动油缸101，以使采空区模拟水槽5平稳的提升倾斜。

较佳地，如图7所示，连接管路9包括主管路91和用于向采空区模拟水槽5中均匀布水的多条分支管路93。

在主管路91的出水端上设置有锥形部92，多条分支管路93分别平行地连接在锥形部92上。

其中，在从主管路91至分支管路93的方向上，锥形部92的半径逐渐增加。

锥形部92为扇形管道，多条分支管路93平行地与锥形部92连接，并且多条分支管路93位于同一水平面上，从而通过多条分支管路93可以向采空区模拟水槽5中均匀布水或均匀注水，使水从采空区模拟水槽5的进水端部55均匀向出水端部56流动。

优选地，可以设置7条分支管路93。

较佳地，如图7所示，在连接管路9上设置有流量控制阀94和流速监测元件95。流量控制阀94和流速监测元件95可以设置在主管路91上。流量控制阀94用于控制水流量，流速监测元件95用于监测水流速度。

流量控制阀94和流速监测元件95可以与计算机设备连接，用于将监测到的数据通过计算机进行分析。

本发明一实施例提供的一种采用矿井水净化实验测试装置进行实验的测试方法，结合图1-7所示，包括如下步骤：

S001：将从煤矿现场采集的矿井水置于矿井蓄水池1内。

S002：通过加压装置8向模拟岩层7加压。

S003：开启水泵2，将矿井水从矿井蓄水池1抽入缓冲水池3内。

S004：缓冲水池3中的矿井水按照从高到低的顺序依次进入各台阶部41上的采空区模拟水槽5内。

S005：从每个采空区模拟水槽5的水样采集口50中采集被模拟岩层7净化后的预设量的净化水，然后分析各采空区模拟水槽5中的模拟岩层7对矿井水的净化效果。

其中，在对采空区模拟水槽5注水时，按照从高到低的顺序依次注入，具体为：

在水进入一个采空区模拟水槽5内前，将其下端的流量控制阀94关闭，使水在该采空区模拟水槽5内蓄至预设水位，然后开启下端的流量控制阀94，将水通过连通管路9导入下一个较低位置的采空区模拟水槽5内。在下一个采空区模拟水槽5中重复上述操作，最终实现缓冲水池3中的矿井水按照从高到低的顺序依次进入各台阶部41上的采空区模拟水槽5内。

较佳地，还包括：

在开启水泵2之前，通过升降驱动组件10驱动采空区模拟水槽5的进水端部55升起预设角度，以模拟不同倾斜角度的煤层或岩层，更加贴近真实情况，提高了测试效果。

较佳地，选择性地将预设数量的采空区模拟水槽5的进水端部55升起预设角度，或者，将所有的采空区模拟水槽5的进水端部55升起预设角度，以模拟不同倾斜角度情形下的煤层或岩层。

较佳地，还包括：

通过充气元件82向加压气囊81中注入气体。

在加压气囊81展开时，加压气囊81的下部完全覆盖住模拟岩层7的上表面，加压气囊81的上部与采空区模拟水槽5的顶盖53接触，加压气囊81的侧部与采空区模拟水槽5的侧板54接触。

加压气囊81的下部完全覆盖住模拟岩层7，从而可以实现对模拟岩层7均匀加压。通过侧板54和顶盖53对加压气囊81进行限制，更加符合力学要求，能最大程度的发挥加压气囊81加载的优势。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种矿井水净化实验测试装置，其特征在于，包括矿井蓄水池、水泵、缓冲水池、阶梯式实验平台和采空区模拟水槽；

其中，所述水泵通过供水管连接在所述矿井蓄水池和所述缓冲水池之间；

所述阶梯式实验平台包括有至少两个台阶部，在每个所述台阶部上分别安装有所述采空区模拟水槽，任意相邻的两个所述采空区模拟水槽之间通过连接管路连通；

在每个所述采空区模拟水槽中配置有模拟岩层，在每个所述采空区模拟水槽中还设置有用于向所述模拟岩层加压的加压装置；

在每个所述采空区模拟水槽上都设置有水样采集口；

所述缓冲水池位于所述阶梯式实验平台中最高的所述台阶部上，所述缓冲水池通过所述连接管路与位于最高的所述台阶部上的所述采空区模拟水槽连通。

2.根据权利要求1所述的矿井水净化实验测试装置，其特征在于，所述模拟岩层包括有冒落带、位于所述冒落带上方的空隙带和位于所述空隙带上方的裂隙带。

3.根据权利要求1或2所述的矿井水净化实验测试装置，其特征在于，所述加压装置包括加压气囊和用于向所述加压气囊充气的充气元件；

所述采空区模拟水槽包括顶盖，所述加压气囊位于所述模拟岩层的顶部，并位于所述顶盖的下方；

所述充气元件位于所述采空区模拟水槽的外侧，所述充气元件通过充气管与所述加压气囊连通。

4.根据权利要求3所述的矿井水净化实验测试装置，其特征在于，在所述加压气囊处于展开状态时，所述加压气囊的底部完全覆盖住所述模拟岩层的顶面，所述加压气囊的上部与所述顶盖接触，所述加压气囊的侧部与所述采空区模拟水槽的侧板接触。

5.根据权利要求4所述的矿井水净化实验测试装置，其特征在于，所述采空区模拟水槽包括有框架，所述采空区模拟水槽的侧板固定安装在所述框架的侧部，所述采空区模拟水槽的底板固定安装在所述框架的底部，所述顶盖可拆卸地安装在所述框架的顶部。

6.根据权利要求5所述的矿井水净化实验测试装置，其特征在于，所述底板和所述侧板分别采用钢化玻璃。

7.根据权利要求1所述的矿井水净化实验测试装置，其特征在于，

所述采空区模拟水槽具有进水端部和与所述进水端部相对设置的出水端部；

所述采空区模拟水槽的所述出水端部铰接在所述台阶部上；

在所述台阶部上还设置有用于驱动所述采空区模拟水槽的所述进水端部升降的升降驱动组件。

8.根据权利要求7所述的矿井水净化实验测试装置，其特征在于，所述升降驱动组件包括有至少一个驱动油缸，在所述采空区模拟水槽的所述进水端部上还向外延伸有支撑件；

所述驱动油缸安装在所述台阶部上，所述驱动油缸的输出端与所述支撑件铰接。

9.根据权利要求1所述的矿井水净化实验测试装置，其特征在于，所述连接管路包括主管路和用于向所述采空区模拟水槽中均匀布水的多条分支管路；

在所述主管路的出水端上设置有锥形部，多条所述分支管路分别平行地连接在所述锥形部上；

其中，在从所述主管路至所述分支管路的方向上，所述锥形部的半径逐渐增加。

10.根据权利要求1所述的矿井水净化实验测试装置，其特征在于，在所述连接管路上设置有流量控制阀和流速监测元件。

11.一种采用权利要求1-10任一项所述的矿井水净化实验测试装置进行实验的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S001：将从煤矿现场采集的矿井水置于矿井蓄水池内；

S002：通过加压装置向模拟岩层加压；

S003：开启水泵，将矿井水从矿井蓄水池抽入缓冲水池内；

S004：缓冲水池中的矿井水按照从高到低的顺序依次进入各台阶部上的采空区模拟水槽内；

S005：从每个采空区模拟水槽的水样采集口中采集被模拟岩层净化后的预设量的净化水，然后分析各采空区模拟水槽中的模拟岩层对矿井水的净化效果。

12.根据权利要求11所述的测试方法，其特征在于，还包括：

在开启水泵之前，通过升降驱动组件驱动采空区模拟水槽的进水端部升起预设角度。

13.根据权利要求12所述的测试方法，其特征在于，选择性地将预设数量的采空区模拟水槽的进水端部升起预设角度，或者，将所有的采空区模拟水槽的进水端部升起预设角度。

14.根据权利要求11所述的测试方法，其特征在于，还包括：

通过充气元件向加压气囊中注入气体；

在加压气囊展开时，加压气囊的下部完全覆盖住模拟岩层的上表面，加压气囊的上部与采空区模拟水槽的顶盖接触，加压气囊的侧部与采空区模拟水槽的侧板接触。