CN115932210A - 矿井采空区地下水淋滤模拟装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种矿井采空区地下水淋滤模拟装置及实验方法，所述装置包括：温控箱，用于模拟采空区环境温度；淋滤模拟箱，水平设置在温控箱内，淋滤模拟箱内设有矿石层，淋滤模拟箱一个侧壁的底部设有进液口，顶部设有进气口；另一个侧壁的底部设有出液口，顶部设有出气口；进液组件，与进液口连通；液体收集装置，与出液口连通；进气组件，与进气口连通；气体收集装置，与出气口连通。本申请提供的矿井采空区地下水淋滤模拟装置及实验方法，结构简单，操作方便，更真实地模拟矿井采空区地层与地下水的水平淋滤作用，便于监测分析地下水形成酸性矿井水的过程及变化，提高涌水来源判别的可信度和准确度。

Description

矿井采空区地下水淋滤模拟装置及实验方法

技术领域

本申请涉及矿井淋滤模拟技术领域，尤其涉及一种矿井采空区地下水淋滤模拟装置及实验方法。

背景技术

煤炭是重要的自然资源，随着越来越多的煤炭开采利用，地下形成了众多的采空区，并产生有大量的酸性矿井水，不仅造成了地下水污染，还会引起煤矿事故，如矿井涌水事故，矿井涌水事故一旦发生，就会造成严重的后果。矿井涌水水源判识技术，就是在查明矿区水文地质条件和构造条件的基础上，利用涌水与可能来源含水层在水温、水位、化学、水化学等方面上的相似性，从而对矿井涌水的来源进行综合分析判断的技术。

水化学判识是涌水来源判识的有效方法。不同含水层地下水与含水介质发生着不同的水文地球化学作用，具有各不相同的水化学特征，这些差异的水化学特征可以作为水源判识依据，但煤矿地层地质结构复杂、岩层均一性较差，导致主要含水层水化学类型多样且复杂，含水层水质参数相互重叠难区分，涌水水源判别难度较大，为了从水岩相互作用机理上解释和解决这些现象和问题，有必要进行水岩相互作用的淋滤实验。淋滤实验主要是依据不同目的模拟不同水化学特征的淋滤液渗入过程，为评价地下各组成部分对地下水水化学特征的影响提供依据。

然而现阶段使用的用于矿井涌水水源判识及水文地球化学过程分析的淋滤实验装置，缺少对于采空区各岩层沿水平方向上淋滤作用的模拟，尤其是未考虑在环境气体、温度等条件影响下，地下水在流动过程中，组成成分变化及不同区域的组成特性差异，所以无法真实还原煤矿采空区形成后地下水发生化学反应类型及反应程度，这就导致在进行基于水化学数据的涌水水源判识时会与实际情况存在一定偏差，分析结果可信程度降低。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种矿井采空区地下水淋滤模拟装置及实验方法用以解决上述技术问题。

本申请的第一方面，提供了一种矿井采空区地下水淋滤模拟装置，包括：温控箱，用于模拟采空区环境温度；淋滤模拟箱，水平设置在所述温控箱内，所述淋滤模拟箱内设有矿石层，所述淋滤模拟箱沿长度方向包括两个相对的侧壁，一个所述侧壁的底部设有进液口，顶部设有进气口；另一个所述侧壁的底部设有出液口，顶部设有出气口；进液组件，与所述进液口连通，用于储存淋滤液并将所述淋滤液加注到所述淋滤模拟箱内；液体收集装置，与所述出液口连通，用于收集与所述矿石层作用后的所述淋滤液；进气组件，与所述进气口连通，用于储存实验气体并将所述实验气体加注到所述淋滤模拟箱内；气体收集装置，与所述出气口连通，用于回收所述淋滤模拟箱内的所述实验气体。

进一步地，所述进液组件包括：容器，用于储存所述淋滤液；蠕动泵，一端与所述容器连通，另一端与所述进液口连通，用于将所述容器内的所述淋滤液加注到所述淋滤模拟箱内。

进一步地，所述进气组件包括：气瓶，用于储存所述实验气体，所述气瓶上设有调节阀，所述调节阀与所述进气口连通，所述进气口与所述气瓶之间连接有流量计。

进一步地，所述进液口处设有第一阀，所述进气口处设有第二阀，所述出液口处设有第三阀，所述出气口处设有第四阀，所述淋滤模拟箱顶部设有压力表。

本申请的第二方面，一种矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法，使用如上第一方面所述的矿井采空区地下水淋滤模拟装置，所述方法包括：将所述温控箱温度设定为预设温度；打开所述进液口和所述出气口，关闭所述出液口和所述进气口，通过所述进液组件向所述淋滤模拟箱内注满所述淋滤液；关闭所述进液口和所述出气口，打开所述出液口和所述进气口，通过所述进气组件向所述淋滤模拟箱内加注实验气体，使所述淋滤模拟箱内的所述淋滤液高度降为预设高度；关闭所述进气口，打开所述进液口，通过所述进液组件向所述淋滤模拟箱内逐步加注淋滤液；按照预设取样时间通过所述液体收集装置采集与所述矿石层作用后的所述淋滤液。

进一步地，所述矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法还包括：对采集后的所述淋滤液进行检测得到离子浓度，直至多次采集的所述淋滤液对应的所述离子浓度保持不变，关闭所述进液口停止模拟实验。

进一步地，所述将所述温控箱温度设定为预设温度，之前包括：获取矿井采空区的环境参数；根据所述环境参数确定所述预设温度和所述预设高度。

进一步地，所述获取矿井采空区的环境参数，之后包括：根据所述环境参数制备所述矿石层、所述淋滤液和/或所述实验气体。

进一步地，所述获取矿井采空区的环境参数，之后包括：采集所述矿井采空区的地层岩石作为所述矿石层，和/或采集所述矿井采空区的地下水作为所述淋滤液。

进一步地，所述矿石层的高度等于所述淋滤模拟箱的高度。

从上面所述可以看出，本申请提供了一种矿井采空区地下水淋滤模拟装置及实验方法，通过设置温控箱用于模拟采空区的环境温度，淋滤模拟箱设置在温控箱内，通过调节温控箱的温度进而可以调节淋滤模拟箱的温度，使淋滤模拟箱可以维持采空区的环境温度，提高淋滤实验的模拟准确性；淋滤模拟箱内设置矿石层，用于模拟采空区的岩层，淋滤模拟箱水平设置，为淋滤液与矿石层沿水平方向相互作用提供基础；淋滤模拟箱一端底部设有进液口，另一端底部设有出液口，淋滤液通过进液口进入淋滤模拟箱，与矿石层作用后通过出液口排出，收集作用后的淋滤液进行检测分析，可以了解淋滤液与矿石层的作用效果，组成成分变化，进而对基于水化学数据的涌水水源判识提供参考，提高水源分析的准确度和可信度；淋滤模拟箱一端顶部设有进气口，另一端顶部设有出气口，实验气体通过进气口进入淋滤模拟箱，模拟采空区的气体环境，部分实验气体溶解于淋滤液中与淋滤液和矿石层相互作用，提高淋滤实验的模拟准确性，便于分析地下水形成酸性矿井水的过程；设置进液组件与进液口连通，用于储存淋滤液并将淋滤液加注到所述淋滤模拟箱内；设置液体收集装置与出液口连通，用于收集与矿石层作用后的淋滤液；设置进气组件与进气口连通，用于储存实验气体并将实验气体加注到淋滤模拟箱内；设置气体收集装置与出气口连通，用于回收淋滤模拟箱内的实验气体；该矿井采空区地下水淋滤模拟装置及实验方法，结构简单，操作方便，更真实地模拟矿井采空区地层与地下水的水平淋滤作用，便于监测分析地下水形成酸性矿井水的过程及变化，为基于水化学数据的涌水水源判识提供更准确的参考，提高涌水来源判别的可信度和准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的一种矿井采空区地下水淋滤模拟装置的结构示意图；

图2为本申请实施例的淋滤模拟箱的结构示意图；

图3为本申请实施例的一种矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法的流程示意图。

附图标记：1、温控箱；2、淋滤模拟箱；2-1、矿石层；2-2、进液口；2-3、进气口；2-4、出液口；2-5、出气口；3、进液组件；3-1、容器；3-2、蠕动泵；4、液体收集装置；5、进气组件；5-1、气瓶；5-2、流量计；6、气体收集装置。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

煤炭是重要的自然资源，随着越来越多的煤炭开采利用，地下形成了众多的采空区，并产生有大量的酸性矿井水，不仅造成了地下水污染，还会引起煤矿事故，如矿井涌水事故，矿井涌水事故一旦发生，就会造成严重的后果。因此，为了降低在煤矿开采过程中遭遇涌水事故的风险，采用有效的矿井涌水判识方法能够有效确保煤矿防治水工作有效开展并降低水害事故风险，其是煤矿持续安全生产的一项重要工作。

矿井涌水水源判识技术，就是在查明矿区水文地质条件和构造条件的基础上，利用涌水与可能来源含水层在水温、水位、化学、水化学等方面上的相似性，从而对矿井涌水的来源进行综合分析判断的技术。该技术广泛应用于煤矿生产阶段水害的探查防治过程中，以及发生水害的矿井应急救援过程中。

常用的矿井涌水水源判识技术，按照对比要素的不同可分为地下水温度判识方法、地下水动力学判识方法和水化学判识方法；按照数据处理分析手段的不同，可分为多元统计学分析判识方法、非线性分析判识方法等；依据水质数据类型的不同，可分为常规离子指标判识法、微量元素分析判识法、同位素分析判识方法等。

水化学判识是水源判识有效方法。不同含水层地下水与含水介质发生着不同的水文地球化学作用，具有各不相同的水化学特征，这些差异的水化学特征可以作为水源判识依据，对矿井涌水水源的判识，需要掌握涌水点以及可能来源含水层的水化学数据，通过水化学特征的相似性或数学理论分析方法，实现可能的涌水水源判识。相比较于基于水温和水位相似性的分析判识方法，基于水化学数据的涌水水源判识法准确度和可信度较高。收集到的水化学数据也为涌水水源判识和地下水形成过程及机制探究提供了背景数据。

煤矿地层地质结构复杂、岩层均一性较差，导致主要含水层水化学类型多样且复杂，含水层水质参数相互重叠难区分，涌水水源判别难度较大，为了从水岩相互作用机理上解释和解决这些现象和问题，有必要进行水岩相互作用的淋滤实验。在地质工作中经常进行的淋滤实验，主要是依据不同目的模拟不同水化学特征的淋滤液渗入过程，研究淋滤液在地下含水层中的吸附、转化、水岩作用机制，确定渗流过程的作用，为评价地下各组成部分对地下水水化学特征的影响提供依据。淋滤实验能够对一系列问题包括硫化反应、氧化动力学、金属的溶解及被测试样品的淋滤行为提供信息，被广泛应用于调查和研究矿井岩石和废弃矿渣的水岩相互作用或地球化学特性，是水化学判别的重要途径，是研究地下水水文地球化学过程及有害物质等迁入或迁出能力的重要手段。

然而现阶段使用的用于矿井涌水水源判识及水文地球化学过程分析的淋滤实验装置，缺少对于采空区各岩层沿水平方向上淋滤作用的模拟，尤其是未考虑在环境气体、温度等条件影响下，地下水在流动过程中，组成成分变化及不同区域的组成特性差异，导致煤矿采空区形成后地下水发生化学反应类型及反应程度的真实过程无法还原，在进行基于水化学数据的涌水水源判识时会与实际情况存在一定偏差，分析结果可信程度降低。

以下，通过具体的实施例并结合图1至图3来详细说明本申请的技术方案。

本申请的一些实施例中提供了一种矿井采空区地下水淋滤模拟装置，如图1和图2所示，包括：温控箱1，用于模拟采空区环境温度；淋滤模拟箱2，水平设置在所述温控箱1内，所述淋滤模拟箱2内设有矿石层2-1，所述淋滤模拟箱2沿长度方向包括两个相对的侧壁，一个所述侧壁的底部设有进液口2-2，顶部设有进气口2-3；另一个所述侧壁的底部设有出液口2-4，顶部设有出气口2-5；进液组件3，与所述进液口2-2连通，用于储存淋滤液并将所述淋滤液加注到所述淋滤模拟箱2内；液体收集装置4，与所述出液口2-4连通，用于收集与所述矿石层2-1作用后的所述淋滤液；进气组件5，与所述进气口2-3连通，用于储存实验气体并将所述实验气体加注到所述淋滤模拟箱2内；气体收集装置6，与所述出气口2-5连通，用于回收所述淋滤模拟箱2内的所述实验气体。

淋滤液即模拟的地下水，实验气体即模拟的采空区环境气体，矿石层2-1即模拟的采空区地层。

温控箱1例如为智能恒温控制箱，地下水在矿井不同位置时，环境温度并不相同，通过设置温控箱1来模拟采空区的环境温度，淋滤模拟箱2设置在温控箱1内，通过调节温控箱1的温度进而可以调节淋滤模拟箱2的温度，使淋滤模拟箱2可以维持采空区的环境温度，提高淋滤实验的模拟准确性。

淋滤模拟箱2的材质例如为有机钢化玻璃等，具体不做限定，设置透明的淋滤模拟箱2方便观察箱内淋滤变化，以及方便控制淋滤液和实验气体的添加量；淋滤模拟箱2包括可拆卸连接的箱盖，箱盖打开方便制作放置矿石层2-1等，箱盖关闭模拟采空区封闭环境。

如图2所示，淋滤模拟箱2内设置矿石层2-1，用于模拟采空区的岩层，淋滤模拟箱2水平设置，为淋滤液与矿石层2-1沿水平方向相互作用提供基础。

如图2所示，淋滤模拟箱2一端底部设有进液口2-2，另一端底部设有出液口2-4，淋滤液通过进液口2-2进入淋滤模拟箱2，与矿石层2-1作用后通过出液口2-4排出，收集作用后的淋滤液进行检测分析，可以了解淋滤液与矿石层2-1的作用效果，组成成分变化，进而对基于水化学数据的涌水水源判识提供参考，提高水源分析的准确度和可信度。

如图2所示，淋滤模拟箱2一端顶部设有进气口2-3，另一端顶部设有出气口2-5，实验气体通过进气口2-3进入淋滤模拟箱2，模拟采空区的气体环境，部分实验气体溶解于淋滤液中与淋滤液和矿石层2-1相互作用，提高淋滤实验的模拟准确性。

进液组件3例如为容器3-1和蠕动泵3-2，具体不做限定，设置进液组件3与进液口2-2连通，用于储存淋滤液并将淋滤液加注到所述淋滤模拟箱2内。

液体收集装置4例如为烧杯、注射器等，具体不做限定，设置液体收集装置4与出液口2-4连通，当液体收集装置4为注射器时，可以对与矿石层2-1作用后的淋滤液进行取样；当液体收集装置4为烧杯时，可以收集实验后的废液。

进气组件5例如为气瓶5-1，具体不做限定，设置进气组件5与进气口2-3连通，用于储存实验气体并将实验气体加注到淋滤模拟箱2内。

气体收集装置6例如为气囊，具体不做限定，设置气体收集装置6与出气口2-5连通，用于回收淋滤模拟箱2内的实验气体。

该矿井采空区地下水淋滤模拟装置，结构简单，操作方便，更真实地模拟矿井采空区地层与地下水的水平淋滤作用，便于监测分析地下水形成酸性矿井水的过程及变化，为基于水化学数据的涌水水源判识提供更准确的参考，提高涌水来源判别的可信度和准确度。

该矿井采空区地下水淋滤模拟装置可以实现气体介质叠加作用下的复杂地质体的淋滤，适用于不同区域、环境温度、压力等条件下的淋滤实验，重现性好，可重复利用。

在一些实施例中，如图1所示，所述进液组件3包括：容器3-1，用于储存所述淋滤液；蠕动泵3-2，一端与所述容器3-1连通，另一端与所述进液口2-2连通，用于将所述容器3-1内的所述淋滤液加注到所述淋滤模拟箱2内。

容器3-1用于储存淋滤液，蠕动泵3-2用于将容器3-1内的淋滤液加注到淋滤模拟箱2内，可以准确控制加注流速流量。

在一些实施例中，如图1所示，所述进气组件5包括：气瓶5-1，用于储存所述实验气体，所述气瓶5-1上设有调节阀，所述调节阀与所述进气口2-3连通，所述进气口2-3与所述气瓶5-1之间连接有流量计5-2。

气瓶5-1用于储存实验气体，气瓶5-1可以为多个，每个气瓶5-1存储一种气体，多个气瓶5-1连接有气体混合装置，例如气体混配器，经过气体混合装置配置出符合实际情况的实验气体。

气瓶5-1上设有调节阀，打开调节阀后实验气体由于自身压力被压入淋滤模拟箱2内，设置流量计5-2用于监测进气量。

在一些实施例中，所述进液口2-2处设有第一阀，所述进气口2-3处设有第二阀，所述出液口2-4处设有第三阀，所述出气口2-5处设有第四阀，所述淋滤模拟箱2顶部设有压力表。

设置第一阀用于控制进液口2-2启闭，设置第二阀用于控制进气口2-3启闭，设置第三阀用于控制出液口2-4启闭，设置第四阀用于控制出气口2-5启闭，设置压力表用于监测淋滤模拟箱2内的实验气体压力，方便模拟真实环境。

在一些实施例中，温控箱1内可以设置多组淋滤模拟箱2，方便进行对比实验。

在一些实施例中，该矿井采空区地下水淋滤模拟装置还可以和现有的纵向淋滤装置配合使用，先通过纵向淋滤装置模拟地下水与不同含水层的作用，再将纵向淋滤装置作用后的淋滤液转移至进液组件3的容器3-1内，然后进行采空区水平方向的淋滤，完整地模拟地下水从含水层至采空区的渗流淋滤过程，可以更加准确地分析水化学组分含量变化，提高涌水来源判别的准确性。

本申请的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本申请限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本申请的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本申请从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法，如图3所示，使用如上任一实施例所述的矿井采空区地下水淋滤模拟装置，所述方法包括以下步骤：

S1、将所述温控箱1温度设定为预设温度。

预设温度例如为38℃-42℃，具体不做限定，可以根据采空区实际情况进行设定。

S2、打开所述进液口2-2和所述出气口2-5，关闭所述出液口2-4和所述进气口2-3，通过所述进液组件3向所述淋滤模拟箱2内注满所述淋滤液。

关闭出液口2-4和进气口2-3，打开进液口2-2和出气口2-5，通过进液口2-2向淋滤模拟箱2内快速注满淋滤液，淋滤模拟箱2内的原有气体通过出气口2-5排出，避免干扰淋滤实验。

S3、关闭所述进液口2-2和所述出气口2-5，打开所述出液口2-4和所述进气口2-3，通过所述进气组件5向所述淋滤模拟箱2内加注实验气体，使所述淋滤模拟箱2内的所述淋滤液高度降为预设高度。

关闭进液口2-2和出气口2-5，打开出液口2-4和进气口2-3，利用排水法向淋滤模拟箱2内加入实验气体，使淋滤模拟箱2内的淋滤液高度降为预设高度，模拟气体环境，预设高度例如为淋滤模拟箱2高度的3/5，具体不做限定，可以根据实际的采空区气体液体比例进行调整。

S4、关闭所述进气口2-3，打开所述进液口2-2，通过所述进液组件3向所述淋滤模拟箱2内逐步加注淋滤液。

关闭进气口2-3，打开进液口2-2，开启蠕动泵3-2，通过进液口2-2逐步加入淋滤液，模拟渗流过程，淋滤液可以按照2m/h的的速度进行加注，具体不做限定。

S5、按照预设取样时间通过所述液体收集装置4采集与所述矿石层2-1作用后的所述淋滤液。

预设取样时间例如为1h、2h、4h……的梯度取样时间，具体不做限定，通常淋滤液前期与矿石层2-1、实验气体相互作用较快，相应取样频率设定可以较高；而后期淋滤液的相互作用趋于稳定，相应取样频率设定可以较低。

通过矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法，可以真实地模拟矿井采空区地层与地下水的水平淋滤作用，便于监测分析地下水形成酸性矿井水的过程及变化，为基于水化学数据的涌水水源判识提供更准确的参考，提高涌水来源判别的可信度和准确度。该方法可以实现气体介质叠加作用下的复杂地质体的淋滤，真实反映采空区地下水流动过程中的水文地球化学演化过程，适用于不同区域、环境温度、压力等条件下的淋滤实验，重现性好，可重复利用；在不同比例的实验条件下进行淋滤实验，探究影响因素，还可以建立采空区水化学数据资料库，以供相似矿井研究参考。

在一些实施例中，所述矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法还包括：

S6、对采集后的所述淋滤液进行检测得到离子浓度，直至多次采集的所述淋滤液对应的所述离子浓度保持不变，关闭所述进液口2-2停止模拟实验。

检测例如包括常量组分浓度检测，例如钙离子、钾离子浓度检测等，也可以包括重金属组分浓度检测，例如铜离子、镍离子浓度检测等，当多次采集的淋滤液对应的离子浓度保持不变时，说明淋滤反应趋于稳定，可以停止模拟实验。

检测还可以包括酸碱度检测，溶解性固体总量检测等，具体不做限定，便于分析酸性矿井水的形成机制，根据取样时间及对应离子浓度可以绘制淋滤作用变化曲线，用于判别涌水来源。

在一些实施例中，还可以同步设置对照组进一步分析淋滤作用，对照组的淋滤模拟箱2内可以不设置矿石层2-1或者设置其他类型矿石层2-1，具体不做限定。

以陕北地区曹家滩煤矿12盘区采空区地下水反应过程为例。该矿井处陕北黄土高原北部，鄂尔多斯高原东北部，毛乌素沙漠东南缘，为沙丘沙地和风沙滩地、黄土梁峁地貌。井田内大部分地区被风积沙所覆盖，部分地段有第四系黄土及新近系红土出露。流经的地层由老至新依次为：中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)、新近系上新统保德组(N2b)、第四系中更新统离石组(Q2l)、上更新统萨拉乌苏组(Q3s)、全新统风积沙(Q4eol)。井田内的分水岭大致将矿区潜水划分为东西两个面积大致相等且相对独立的水文地质单元。井田含水层自开采煤层向上可分为侏罗系中统延安组孔裂隙承压含水层、侏罗系中统直罗组孔裂隙承压含水层、侏罗系中统安定组孔裂隙承压含水层、风化岩基岩裂隙承压水含水层、第四系中更新统离石黄土弱含水层和第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层。其中，保德组红土为研究区隔水性能较好且较稳定的含水层，其次为基岩中的泥岩和粉砂岩。保德组红土沿分水岭两侧最厚，自东向西、西南逐渐变薄，且在井田西翼存在红土缺失区。

所述将所述温控箱1温度设定为预设温度，之前包括：

S01、获取矿井采空区的环境参数。

环境参数可以通过查阅开采矿区的地质和水文地质资料获得，也可以通过对矿井实地勘探获得，确定垮落带发育高度，及垮落带内地层岩性情况，测定其矿物和元素组成成分含量等，为后续实验参数和实验材料选择提供基础。

环境参数例如包括采空区环境温度、气体压力、气液比、气体成分、地下水成分、地下水流速、采空区矿石成分等，具体不做限定。

S02、根据所述环境参数确定所述预设温度和所述预设高度。

根据环境参数确定预设温度和预设高度，模拟真实采空区环境。

所述获取矿井采空区的环境参数，之后包括：

S03、根据所述环境参数制备所述矿石层2-1、所述淋滤液和/或所述实验气体。

S03’、采集所述矿井采空区的地层岩石作为所述矿石层2-1；和/或采集所述矿井采空区的地下水作为所述淋滤液。

对于矿石层2-1，若研究区便于取得原矿石样品，则直接将获得的地层岩石作为矿石层2-1，将其放入淋滤模拟箱2中即可展开实验；若研究区不易取得适于实验的原矿石样品，可依照物理、水化学、水理性等方面上的相似性原则，根据环境参数进行制备，例如采用河沙、沙壤土模拟近地表第四系含水层；细砂、粘土、云母粉模拟基岩中的泥岩和粉砂岩、新近系保德组红土等；以河沙作为骨料，用石膏粉、大白粉作为胶结物，用滑石粉、岩盐块、白云石块作为填料，硼砂作为缓凝剂，制作矿石层2-1以进行实验。

同样对于淋滤液，若研究区便于取得淋滤液，根据不同的试验目的，可选择雨水、河水、天然地下水、矿井水等；若研究区不易取得淋滤液，则可根据环境参数，例如液体组分、浓度等，自行配置淋滤液。

对于实验气体，需要根据环境参数，例如通过气相色谱仪和气体检测仪实际测得的采空区气体组分、浓度、压力等进行制备。

矿井采空区可燃性气体产出的途径主要为采空区遗煤的氧化以及煤层裂隙的逸散，遗煤氧化升温的过程中会产生大量CO、CH₄、H₂和C₂H₄等可燃气体，氧化前期产生的主要是CO、CH₄二者的混合，此外，采空区矿井水水体中还存在有H₂S气体。而由于关于煤矿采空区气体种类及浓度的资料较少，实验中可以选择该环境中的两种常见还原性气体CO、H₂S按照多种浓度比例进行实验，以期收集到的实验数据能够组成相关数据库供实际情况参考。

在一些实施例中，所述矿石层2-1的高度等于所述淋滤模拟箱2的高度，矿石层2-1的高度可以为5-30cm，具体不做限定，近似模拟实际采空区环境，使淋滤液与矿石层2-1能够充分作用。

需要说明的是，本实施例的方法可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本申请实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本申请实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矿井采空区地下水淋滤模拟装置，其特征在于，包括：

温控箱，用于模拟采空区环境温度；

淋滤模拟箱，水平设置在所述温控箱内，所述淋滤模拟箱内设有矿石层，所述淋滤模拟箱沿长度方向包括两个相对的侧壁，一个所述侧壁的底部设有进液口，顶部设有进气口；另一个所述侧壁的底部设有出液口，顶部设有出气口；

进液组件，与所述进液口连通，用于储存淋滤液并将所述淋滤液加注到所述淋滤模拟箱内；

液体收集装置，与所述出液口连通，用于收集与所述矿石层作用后的所述淋滤液；

进气组件，与所述进气口连通，用于储存实验气体并将所述实验气体加注到所述淋滤模拟箱内；

气体收集装置，与所述出气口连通，用于回收所述淋滤模拟箱内的所述实验气体。

2.根据权利要求1所述的矿井采空区地下水淋滤模拟装置，其特征在于，所述进液组件包括：

容器，用于储存所述淋滤液；

蠕动泵，一端与所述容器连通，另一端与所述进液口连通，用于将所述容器内的所述淋滤液加注到所述淋滤模拟箱内。

3.根据权利要求1所述的矿井采空区地下水淋滤模拟装置，其特征在于，所述进气组件包括：气瓶，用于储存所述实验气体，所述气瓶上设有调节阀，所述调节阀与所述进气口连通，所述进气口与所述气瓶之间连接有流量计。

4.根据权利要求1所述的矿井采空区地下水淋滤模拟装置，其特征在于，所述进液口处设有第一阀，所述进气口处设有第二阀，所述出液口处设有第三阀，所述出气口处设有第四阀，所述淋滤模拟箱顶部设有压力表。

5.一种矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法，使用如权利要求1-4中任意一项所述的矿井采空区地下水淋滤模拟装置，其特征在于，所述方法包括：

将所述温控箱温度设定为预设温度；

打开所述进液口和所述出气口，关闭所述出液口和所述进气口，通过所述进液组件向所述淋滤模拟箱内注满所述淋滤液；

关闭所述进液口和所述出气口，打开所述出液口和所述进气口，通过所述进气组件向所述淋滤模拟箱内加注实验气体，使所述淋滤模拟箱内的所述淋滤液高度降为预设高度；

关闭所述进气口，打开所述进液口，通过所述进液组件向所述淋滤模拟箱内逐步加注淋滤液；

按照预设取样时间通过所述液体收集装置采集与所述矿石层作用后的所述淋滤液。

6.根据权利要求5所述的矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法，其特征在于，还包括：

对采集后的所述淋滤液进行检测得到离子浓度，直至多次采集的所述淋滤液对应的所述离子浓度保持不变，关闭所述进液口停止模拟实验。

7.根据权利要求5所述的矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法，其特征在于，所述将所述温控箱温度设定为预设温度，之前包括：

获取矿井采空区的环境参数；

根据所述环境参数确定所述预设温度和所述预设高度。

8.根据权利要求6所述的矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法，其特征在于，所述获取矿井采空区的环境参数，之后包括：

根据所述环境参数制备所述矿石层、所述淋滤液和/或所述实验气体。

9.根据权利要求6所述的矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法，其特征在于，所述获取矿井采空区的环境参数，之后包括：

采集所述矿井采空区的地层岩石作为所述矿石层，和/或采集所述矿井采空区的地下水作为所述淋滤液。

10.根据权利要求5所述的矿井采空区地下水淋滤模拟实验方法，其特征在于，所述矿石层的高度等于所述淋滤模拟箱的高度。

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