CN114109501A - 一种探测地下水库水流的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种探测地下水库水流的模拟装置，所述模拟装置由多层泡沫板搭建而成，所述泡沫板用于模拟实际地层环境，所述模拟装置由下往上依次为煤层、破碎岩石层、裂隙带岩层及含水层，所述含水层内填充有水及模拟碎石，所述煤层能够采出，采出煤层形成的空间用于模拟采空区；其中，模拟时，通过采出所述煤层，所述破碎岩石层垮落，所述裂隙带岩层弯曲下沉产生裂隙，所述含水层中的水通过所述裂隙流至采空区。本发明还提供了利用该装置模拟地下水库水流的方法，本发明的模拟装置和方法，充分考虑了地层厚度、倾角等因素，地质模型设计合理，操作便捷安全，构建成本低，通过模拟准确可靠地获得地下水库水流动轨迹及规律。

Description

一种探测地下水库水流的模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及采矿地质动态模型制作技术领域，尤其涉及一种探测地下水库水流的模拟装置及方法。

背景技术

煤矿地下水库动态模型是通过一些简单材料按照煤矿的真实地质情况，将煤矿地下水库的情景以一定比例缩小复制出来，同时使用适当液体模拟地下水来形成动态模型，以便使初学者或相关研究人员对煤矿地下水库有一个直观的了解，从而进行进一步的研究。

其中，动态模型的关键在于模拟和探测水流的位置与流向。目前，在煤矿地下水库模型制作方面，多是制作模拟地层性质的静态模型，以便研究相关岩石的性质，而侧重于对在模型中模拟和探测水流的研究则相对较少。

现有技术中少数关于水流探测研究的模型，多是通过计算水的体积、质量等参数，来考虑整个采动过程中水的宏观运动，如通过分别计算岩层水和跨落后采空区中的水量，来计算岩层水转移的水量，而对于岩层水在整个采动中的详细运动过程研究不足，不能具体监测、掌握模型中岩层水的流向、流量以及其他的运动规律。

发明内容

基于上述技术问题，本发明旨在提供一种探测地下水库水流的模拟装置及方法，用以解决现有模型无法模拟岩层水在整个采动过程中的详细运动过程，不能具体监测、掌握模型中岩层水的流向、流量以及其他的运动规律的问题。

本发明的第一方面提供了一种探测地下水库水流的模拟装置，所述模拟装置由多层泡沫板搭建而成，所述泡沫板用于模拟实际地层环境，所述模拟装置由下往上依次为煤层、破碎岩石层、裂隙带岩层及含水层，所述含水层内填充有水及模拟碎石，所述煤层能够采出，采出煤层形成的空间用于模拟采空区；其中，模拟时，通过采出所述煤层，所述破碎岩石层垮落，所述裂隙带岩层弯曲下沉产生裂隙，所述含水层中的水通过所述裂隙流至采空区。

所述模拟装置的外围设置有固定板结构，所述固定板结构由硬质且透明材料形成。

在一个优选地实施方式中，所述模拟碎石为塑料元件，所述塑料元件为多孔结构。

在一个优选地实施方式中，所述含水层内填充有示踪物质。

在一个优选地实施方式中，所述模拟装置还包括同位素探测器，所述同位素探测器包括多个数据采集点，所述数据采集点均匀分布在含水层、采空区中的不同位置。

在一个优选地实施方式中，所述固定板结构有透明的亚克力板围成。

在一个优选地实施方式中，所述塑料元件由透明材料制成。

在一个优选地实施方式中，所述塑料元件的形状、大小尺寸随机设置。

在一个优选地实施方式中，所述含水层上部还设有表土层，所述煤层下部还设有煤层底板岩层。

本发明的第二方面提供了一种模拟地下水库水流的方法，使用上述任一实施方式所述的模拟装置，所述方法包括以下步骤：

步骤一：搭建探测地下水库水流的模拟装置；

步骤二：向含水层装入模拟碎石并充填水和示踪物质；

步骤三：将煤层撤掉形成采空区，煤层上方的岩层处于悬空状态，在重力作用下，破碎岩石层垮落进入采空区，裂隙带岩层下沉弯曲并形成裂隙，含水层中的水由岩层中的裂隙下渗，进入采空区。

进一步地，所述方法还包括：整个采动过程中，使用者用肉眼观察或利用摄像机记录模拟过程中地下水的流动方向及规律。

进一步地，所述煤层至少由两块泡沫板制成，采出煤层后，两侧预留煤柱。

进一步地，所述示踪物质包括染色剂和示踪剂。

进一步地，所述步骤三中，利用同位素探测器实时记录并监测整个采动过程中含水层、采空区中示踪物质相关数据变化信息，根据示踪物质数据信息，分析获得地下水库水流动规律。

进一步地，泡沫板的厚度、倾角根据实际地质条件设计。

与现有技术相比，本发明的探测地下水库水流的模拟装置及方法具有以下优点：

1.使用多层泡沫板模拟地层环境，充分考虑了地层厚度、倾角等因素制作地质模型，地质模型设计合理，模拟结果更加可靠，操作便捷；泡沫板轻便、易塑形，来源广泛，构建成本低，可广泛应用于矿山开采前预测、科学研究、地质教学、地质博物馆示教等，能够在地面模拟实际地下水库环境，安全、便捷，具有广泛的应用前景。

2.本发明的模拟探测地下水库水流的方法，通过向含水层内的水中注入染色剂使水具有明显的颜色，肉眼可直接通过观察带颜色液体来了解整个采动过程中“地下水”的运动过程，整个模拟过程更加直观；在带颜色的水中加入示踪剂，利用同位素探测器监测水流中的同位素数据信息，可以间接获得水流的流速、流量、时间等参数，通过分析准确地掌握水由含水层进入采空区的流向、流量，从而通过模拟准确可靠地获得地下水库水流动轨迹及规律。

3.本发明提供的模拟探测地下水库水流的方法，利用摄像机将整个模拟过程记录下来，对矿山开采前预测、科学研究、地质教学和地质博物馆示教等，具有重要意义和广泛的应用前景。

上述技术特征可以各种技术上可行的方式组合以产生新的实施方案，只要能够实现本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为实施例一中探测地下水库水流的模拟装置结构示意图；

图2为图1中煤层采动过程示意图；

图3为图1中煤层完全采出形成采空区示意图；

图4为实施例一中采空区塌陷后的模拟装置剖面示意图；

图5为实施例一中模拟复杂地层构造的模拟装置剖面图；

图6为实施例一中模拟复杂地层构造且采空区塌陷后的模拟装置剖面图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

其中，附图标记为：

附图标记：

1、表土层；2、含水层；3、裂隙带岩层；4、破碎岩石层；5、煤层；6、煤层底板岩层；7、采空区；8、裂隙；9、主关键层；10、基本顶。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

实施例一

本发明的探测地下水库水流的模拟装置由多层泡沫板搭建而成，多层泡沫板用于模拟实际地层环境，如图1所示，模拟装置由下向上依次设置有煤层底板岩层6、煤层5、破碎岩石层4、裂隙带岩层3、含水层2及表土层1。含水层2充填有塑料元件和水，其中塑料元件用于模拟碎石的，水用于模拟地下水。

在一个优选地实施方式中，表土层1、裂隙带岩层3、煤层5和煤层底板岩层6均为高硬度泡沫板，泡沫板轻便、易塑形，容易获取，来源广泛，构建成本低。

在一个优选地实施方式中，在整个模拟装置的外围设置有长方体固定板结构(图中未示出)，固定板结构可以由硬质的透明材料围成，优选为由透明的亚克力板。在模拟装置外围设置固定板结构，一方面可以对模拟装置加以维护，另一方面也对整个模拟装置构造尤其是向含水层2施加侧向压力以维持其形状稳定。

在一个优选地实施方式中，整个模拟装置所采用的泡沫板具有一定的重量和硬度，不同层位的泡沫板的密度和硬度存在差异，各层位具体密度和硬度与实际地层岩石的密度、硬度等力学参数相关，由此模拟装置模拟的地层环境与实际地层更加接近，提高了模拟结果的可靠性。

在一个优选地实施方式中，为了方便含水层2充水和放水的操作，模拟装置设有进水口(图中未示出)和出水口(图中未示出)，进水口和出水口设置于含水层2的侧壁。在其他实施方式中，出水口还可以设置于煤层5侧壁下部。

在一个优选地实施方式中，为了使模拟环境贴近实际地层环境，破碎岩石层4是由多个小尺寸的泡沫板拼接而成的板状结构，拼接过程中模拟采动过程的部分地层不添加胶结剂，以便煤层5采出后，破碎岩石层4在重力的作用下顺利垮落并成块状。

优选地，小尺寸的泡沫板的尺寸、形状随机设置，进一步优选地，小尺寸的泡沫板具有孔状结构。

在一个优选地实施方式中，为了使模拟环境进一步贴近实际地层环境，塑料元件为多孔结构，优选地，塑料元件由多孔材料制成。由于岩石具有一定的吸水性，多孔塑料元件设置能够更加形象地模拟岩石的吸水性，模拟环境更贴近实际地层环境，模拟结果更贴近实际。

优选地，为了进一步使模拟结果更加贴近实际地层情况，本实施例中的塑料元件的形状、大小尺寸随机设置，因为实际地层中含水层2，含水层2孔裂隙8发育，地下水在含水层2的孔裂隙8中流动，孔裂隙8大小及连通状态具有非均质性特点，因此本实施例中用于模拟含水层2的塑料元件的形状、大小尺寸随机设置，更符合实际地层环境，模拟结果更准备。

考虑到实际地层中，不同岩性地层厚度、地层倾角存在差异，因此，为了提升模拟装置的可靠性，用于模拟地层的泡沫板的厚度、含水层2、破碎岩石层4的厚度以及各地层的倾角根据实际地层岩性及其厚度设计，优选，泡沫板最小厚度为1cm，泡沫板之间能够密封连接构成所需厚度的泡沫板层。

为了便于使用者观察，向含水层2中注入示踪物质，示踪物质包括带有颜色的染色剂和示踪剂，向含水层2中加入染色剂使含水层2中的水显示明显颜色，同时将定量示踪剂溶入带颜色的液体中，示踪剂优选为氡气，示踪剂氡气的用量与含水层2中的水量、实验时间等相关实验过程有关，其中，试验时间的长短与煤层5采动时间相关。

在一个优选地实施方式中，为了避免观察带颜色液体的运动过程时视线被遮挡，本实施例用于模拟破碎岩石的多孔塑料元件由透明材料制成。

考虑到模拟过程的可再现性，利用摄像机将整个模拟过程记录下来，用于回放，方便教学使用，优选地，在探测地下水库水流的模拟装置的四周设置四台摄像机，能够全方位的记录地下水库水流动图像就，通过比较分析不同位置水流动图像，结合示踪剂含量变化信息，获得地下水库水流动规律。

在一个优选地实施方式中，煤层5至少由两块泡沫板制成，煤层5两侧预留煤柱，若煤层5设置为两块，则其第一泡沫板呈凹字形，第二泡沫板充填于凹字形缺口，第二泡沫板能够抽动，用于模拟煤层5采出；若煤层5由三块构成，则三块均为矩形泡沫板，位于中间泡沫板能够抽动，用于模拟煤层5采出，位于两侧泡沫板用于模拟预留煤柱。在整个模拟过程中，能够抽动的泡沫板可以完全抽出，也可以不完全抽出，煤层5泡沫板不完全抽出，可以防止含水层2的水从采空区7溢出。

在一个优选地实施方式中，为了精确获得地下水库的水流动规律，探测地下水库水流的模拟装置还设置有同位素探测器，同位素探测器能够实时获取整个采动过程中含水层2、众多岩石层、采空区7中示踪物质相关数据变化信息，通过获取的示踪物质相关数据变化信息，分析得到地下水库的水流动规律，如获得地下水库的水流动轨迹。优选地，同位素探测器包括多个数据采集点，数据采集点均匀分布在含水层2、采空区7中的不同位置，因此能够获得详细的示踪物质相关数据变化信息，模拟结果更加准确。

考虑到实际地层构造的多样性，利用本实施例的模拟装置，可以增加模拟地层层数和强化各层地质构造特征，图5示出了模拟复杂地层构造的模拟装置剖面图，该模型增加了主关键层9、基本顶10以及多层地层，多层地层比如泥岩层、砂岩层、页岩层等地层，各层的具体位置关系及厚度根据实际地层结构确定，图6示出了模拟复杂地层构造且采空区7塌陷后的模拟装置剖面图，本实施例的模拟装置可以模拟多种地层构造环境，使模拟装置更加贴近实际情况。

如图2-4所示，实施时，搭建探测地下水库水流的模拟装置，向由软塑料元件搭建的含水层2中充填水和示踪物质，通过外部施力将部分煤层5撤掉，煤层5撤掉后形成采空区7，用以模拟采动过程(如图2所示)；将煤层5撤掉后，煤层5上方的岩层和含水层2等处于悬空状态，且受重力作用(如图3所示)；在重力作用下，破碎岩石层4垮落进入采空区7，上方岩层下沉弯曲并形成裂隙8，含水层2中的水由岩层中的裂隙8下渗，进入采空区7，并储存在采空区7中破碎岩石的缝隙中(如图4所示)；在整个采动过程中，通过使用者用肉眼或摄像机对水流过程进行直观观察或记录整个采动过程中地下水的流动方向及规律，或者，利用同位素探测器实时监测并记录整个采动过程中含水层2、采空区7中示踪物质相关数据变化信息，根据示踪物质数据信息，分析获得地下水库水流动规律。

与现有技术相比，本实施例提供的探测地下水库水流的模拟装置，使用多层泡沫板模拟地层环境，充分考虑了地层厚度、倾角等因素制作地质模型，地质模型设计合理，模拟结果更加可靠，操作便捷；泡沫板轻便、易塑形，来源广泛，构建成本低，本发明的模拟装置可广泛应用于矿山开采前预测、科学研究、地质教学、地质博物馆示教等，能够在地面模拟实际地下水库环境，安全、便捷，具有广泛的应用前景。

实施例二

本实施例公开了一种地下水库水流的模拟方法，具体利用实施例一中的探测地下水库水流的模拟装置进行模拟，包括以步骤：

步骤一：搭建探测地下水库水流的模拟装置。

用多层泡沫板搭建地质模型，模拟地层环境。每层泡沫板的厚度根据实际地层及其厚度设计，优选，泡沫板最小厚度为1cm，泡沫板之间能够密封连接构成所需厚度的泡沫板层，泡沫板的厚度、倾角根据实际地质条件设计。

步骤二：向含水层2装入塑料元件并充填水和示踪物质；

向由软塑料元件搭建的含水层2中充填水和示踪物质，水优选为纯净水，示踪物质包括带有颜色的染色剂和示踪剂，优选地，示踪剂为示踪剂氡气，含水层2中充填纯净水。具体的，向纯净水中注入染色剂使之显示明显颜色，同时将定量示踪剂氡气溶入带颜色的液体中；示踪剂氡气的用量与含水层2中的水量、模拟时间等相关实验条件有关。

步骤三：将煤层5撤掉形成采空区7，煤层5上方的岩层处于悬空状态，在重力作用下，破碎岩石层4垮落进入采空区7，裂隙带岩层3下沉弯曲并形成裂隙8，含水层2中的水由岩层中的裂隙8下渗，进入采空区7。

本实施例中的煤层5至少由两块泡沫板制成，采出煤层5后，两侧预留煤柱，更加符合实际采煤环境，提高了模拟结果的可靠性。

整个采动过程，使用者用肉眼观察、相机拍照或利用摄像机记录模拟过程中地下水库中地下水的流动方向及规律，详细记录含水层2中的液体经裂隙8流向采空区7的过程。

优选地，利用同位素探测器实时监测并记录整个采动过程中含水层2、采空区7中示踪物质相关数据变化信息，根据示踪物质数据信息，分析获得地下水库水流动规律。

与现有技术相比，本实施例提供的模拟探测地下水库水流的方法，使用泡沫板制作地质模型模拟地层环境，充分考虑了地层厚度、倾角等因素，地质模型设计合理，操作便捷安全，构建成本低。通过向含水层内的水中注入带颜色的染色剂，使水具有明显的颜色，肉眼可直接通过观察带颜色液体来了解整个采动过程中“地下水”的运动过程；在带颜色的水中加入示踪剂，利用同位素探测器监测水流中的同位素数据信息，可以间接获得水流的流速、流量、时间等参数，通过分析准确地掌握水由含水层进入采空区的流向、流量，从而通过模拟准确可靠地获得地下水库水流动轨迹及规律。此外，本方法利用摄像机将整个模拟过程记录下来，对矿山开采前预测、科学研究、地质教学和地质博物馆示教等，具有重要意义和广泛的应用前景。

至此，本领域技术人员应该认识到，虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (15)

1.一种探测地下水库水流的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置由多层泡沫板搭建而成，所述泡沫板用于模拟实际地层环境，所述模拟装置由下往上依次为煤层、破碎岩石层、裂隙带岩层及含水层，所述含水层内填充有水及模拟碎石；其中，所述煤层能够采出，采出煤层形成的空间用于模拟采空区，模拟时，通过采出所述煤层，所述破碎岩石层垮落，所述裂隙带岩层弯曲下沉产生裂隙，所述含水层中的水通过所述裂隙流至采空区。

2.根据权利要求1所述的探测地下水库水流的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置的外围设置有固定板结构，所述固定板结构由硬质且透明材料形成。

3.根据权利要求1或2所述的探测地下水库水流的模拟装置，其特征在于，所述模拟碎石为塑料元件，所述塑料元件为多孔结构。

4.根据权利要求3所述的探测地下水库水流的模拟装置，其特征在于，所述含水层内填充有示踪物质。

5.根据权利要求2所述的探测地下水库水流的模拟装置，其特征在于，所述固定板结构有透明的亚克力板围成。

6.根据权利要求4所述的探测地下水库水流的模拟装置，其特征在于，所述塑料元件由透明材料制成。

7.根据权利要求6所述的探测地下水库水流的模拟装置，其特征在于，所述塑料元件的形状、大小尺寸随机设置。

8.根据权利要求1或2所述的探测地下水库水流的模拟装置，其特征在于，所述含水层上部还设有表土层，所述煤层下部还设有煤层底板岩层。

9.根据权利要求4所述的探测地下水库水流的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括同位素探测器，所述同位素探测器包括多个数据采集点，所述数据采集点均匀分布在含水层、采空区中的不同位置。

10.一种模拟地下水库水流的方法，其特征在于，使用权利要求1-9任一项所述的模拟装置，所述方法包括以下步骤：

步骤一：搭建探测地下水库水流的模拟装置；

步骤二：向含水层装入模拟碎石并充填水和示踪物质；

步骤三：将煤层撤掉形成采空区，煤层上方的岩层处于悬空状态，在重力作用下，破碎岩石层垮落进入采空区，裂隙带岩层下沉弯曲并形成裂隙，含水层中的水由岩层中的裂隙下渗，进入采空区。

11.根据权利要求10所述的模拟地下水库水流的方法，其特征在于，所述方法还包括：整个采动过程中，使用者用肉眼观察或利用摄像机记录模拟过程中地下水的流动方向及规律。

12.根据权利要求10或11所述的模拟地下水库水流的方法，其特征在于，所述煤层至少由两块泡沫板制成，采出煤层后，两侧预留煤柱。

13.根据权利要求10或11所述的模拟地下水库水流的方法，其特征在于，所述示踪物质包括染色剂和示踪剂。

14.根据权利要求13所述的模拟地下水库水流的方法，其特征在于，所述步骤三中，利用同位素探测器实时记录并监测整个采动过程中含水层、采空区中示踪物质相关数据变化信息，根据示踪物质数据信息，分析获得地下水库水流动规律。

15.根据权利要求10所述的模拟地下水库水流的方法，其特征在于，泡沫板的厚度、倾角根据实际地质条件设计。

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