CN116625770B - 采煤深陷区微裂隙研究装置及研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采煤深陷区微裂隙研究装置及研究方法，涉及环境科学和水文学研究领域，该装置包括箱体、上盖和压力气泵；箱体的顶面设顶部箱口，箱体的底面全区域开口形成底部箱口，底部箱口的边部包括尖端朝下的刃状区域；上盖以可拆装的方式盖设于箱体顶面并封闭顶部箱口，在上盖上设有泵气孔；压力气泵设于箱体外部且其泵气口与泵气孔密封连接。该方法应用该装置，将箱体少量插入土壤中，少量多次注入胶水，固化后全部插入箱体，最终取出土壤样品进行研究，本发明能够应用在采煤沉陷区地表微裂隙研究上，有效稳定获取采煤沉陷区微裂隙的深度和形态，填补现无有效装置或方法研究采煤沉陷区地表微裂隙形态和对地表水文过程影响的空白。
Description
技术领域
本发明涉及环境科学和水文学研究领域，尤其是涉及一种采煤深陷区微裂隙研究装置及研究方法。
背景技术
煤炭是在地球上蕴藏最丰富，地域分布最广的化石燃料，煤炭是我国的重要能源，是国民经济发展的物质基础，在社会发展和经济建设中发挥着至关重要的作用。高速发展的社会经济，快速增长的人口，对煤炭需求增大，开采量越来越大，对矿区环境造成越来越严重的负面影响，尤其是对土地资源的破坏更为严重。煤炭的开采带来了一系列的生态环境问题，制约矿区可持续发展，还会影响区域的生态安全，最为突出的是造成了矿区水环境的污染及矿区地面的大面积沉陷，进而破坏矿区土壤植被以及引发次生环境变化。
现煤炭资源以井工开采为主，干旱半干旱区的大型现代化煤矿多采用长臂式开采方法以及全部跨落顶板的管理方式，这会造成地表漏斗状塌陷和台阶状断裂，形成地表塌陷形态类型。大面积裂缝和不均匀塌陷在地表产生，潜水沿裂缝(隙)发育处和覆岩错落带渗漏，减弱了潜水与包气带表层的联系,塌陷区内大量垂向裂隙的发育，导致土壤水的渗漏与蒸发增强，致使土壤损失大量的水分、养分，威胁天然植物的生存，进一步恶化本来己十分脆弱的生态环境。除了大型裂缝外，采煤沉陷区还会出现很多微裂缝(隙)，这些微裂隙不算明显，但其发育更为广泛，其可以成为土壤水分蒸发的“高速公路”，也可能成为大气降水入渗的“优先路径”，对于干旱半干旱采煤沉陷区的地表水分循环具有重要作用，其发育广泛但尺寸较小，采煤沉陷区地表松散，微裂隙易受外来扰动的影响而发生改变，对于其样品的采集和研究具有较大的困难，因此采煤沉陷区地表微裂隙的重要水文作用常常被忽略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采煤深陷区微裂隙研究装置及研究方法，其能够应用在采煤沉陷区地表微裂隙研究上，有效稳定获取采煤沉陷区微裂隙的深度和形态，填补现无有效装置或方法研究采煤沉陷区地表微裂隙形态和对地表水文过程影响的空白。
为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种采煤深陷区微裂隙研究装置，包括箱体、上盖和压力气泵；所述箱体的顶面设顶部箱口，所述箱体的底面全区域开口形成底部箱口，所述底部箱口的边部包括尖端朝下的刃状区域；所述上盖以可拆装的方式盖设于所述箱体顶面并封闭所述顶部箱口，在所述上盖上设有泵气孔；所述压力气泵设于所述箱体外部且其泵气口与所述泵气孔密封连接。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述底部箱口的边部全区域形成尖端朝下的刃状。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述箱体的顶面全区域开口形成所述顶部箱口。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述上盖的边部与所述箱体的顶面之间胶条密闭连接。
进一步优选地，所述上盖包括边框和盖板，所述边框向下突出于所述盖板；所述边框的底部安装有上盖胶条，所述箱体的顶面与所述上盖之间通过所述上盖胶条连接。
优选地，所述箱体的顶面边部安装有箱体胶条，所述箱体的顶面与所述上盖之间通过所述箱体胶条连接。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述箱体和所述上盖均由不锈钢材料制成。
第二方面，本发明实施例提供一种采煤深陷区微裂隙研究方法，应用前述实施方式中任一项所述的采煤深陷区微裂隙研究装置；所述研究方法包括：
第一步，通过踏勘寻找想要研究的微裂隙区域，然后将所述箱体以底部箱口朝下的方式插入所要研究微裂隙区域，插入深度为h1；
第二步，通过所述顶部箱口向所述箱体内部注入胶水但不加满所述箱体，注入胶水的深度为h2，然后迅速将所述上盖盖设于所述箱体顶面并封闭所述顶部箱口；启动所述压力气泵向所述箱体内部泵入气体，等待所述箱体内部压力消退；
第三步，所述箱体内部压力消退后，重新打开所述上盖，继续向所述箱体内部注入胶水但不加满所述箱体，注入胶水的深度为h3，注入后迅速将所述上盖盖设于所述箱体顶面并封闭所述顶部箱口；启动所述压力气泵向所述箱体内部泵入气体，等待所述箱体内部压力消退；
第四步，重复所述第三步N次，所述N≥0；
第五步，所述箱体内部压力消退后，打开所述上盖，继续向所述箱体内部注入胶水并使胶水液面与地表高度平齐，注入胶水的深度为h4，注入后迅速将所述上盖盖设于所述箱体顶面并封闭所述顶部箱口，等待胶水凝固；
第六步，至少24小时后，将所述箱体向下完全插入土壤中，向上提取所述箱体，将所述箱体底部的土壤沿所述箱体的底面修剪整形，取出所述箱体内的土壤样品；
第七步，通过工业CT扫描所述土壤样品，研究土壤中微裂隙的尺寸、形状和联通情况，进而评价土壤微裂隙对于土壤水分蒸发和大气降水入渗的影响；
其中，以所述箱体的高度为h：h2+(1+N)*h3+h4≧h；h4＝h1。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，h2＝0.5h；h1＝h3＝h4＝0.25h；N＝0。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述箱体的尺寸为长30cm、宽10cm、高20cm，所述第二步中，所述压力气泵的压力值设为1.5bar，所述第三步中，所述压力气泵的压力值设为1.3bar。
本实施例第一方面和第二方面提供的采煤深陷区微裂隙研究装置及研究方法能够应用在采煤沉陷区地表微裂隙研究上，有效稳定获取采煤沉陷区微裂隙的深度和形态，填补现无有效装置或方法研究采煤沉陷区地表微裂隙形态和对地表水文过程影响的空白，并且至少能够达到以下有益效果：
(1)在野外将采煤沉陷微裂隙通过胶水固定，避免研究对象在样品采集、样品运输和样品检测过程中的扰动破坏，还原采煤过程中微裂隙的真实数量和形态；
(2)选用低粘度胶水多次添加、通过加压的方式使其入渗到土壤中，能使胶水入深到更深的土壤层中，使胶水更好地固定多孔介质-土壤，保留土壤中微裂隙的原始形态；
(3)该采煤深陷区微裂隙研究装置轻便小巧、使用简单，能有效在野外开展取样研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的采煤深陷区微裂隙研究装置的分体结构示意图。
图2为本发明实施例提供的采煤深陷区微裂隙研究装置全部插入到土壤内状态下的结构示意图。
图标：1-箱体；101-箱体胶条；11-顶部箱口；12-底部箱口；2-上盖；201-上盖胶条；3-压力气泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”和“竖直”并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例第一方面提供一种采煤深陷区微裂隙研究装置，参照图1和图2，该采煤深陷区微裂隙研究装置包括箱体1、上盖2和压力气泵3；箱体1的顶面设顶部箱口11，箱体1的底面全区域开口形成底部箱口12，底部箱口12的边部包括尖端朝下的刃状区域；上盖2以可拆装的方式盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11，在上盖2上设有泵气孔；压力气泵3设于箱体1外部且其泵气口与泵气孔密封连接。
本实施例第二方面提供一种采煤深陷区微裂隙研究方法，该采煤深陷区微裂隙研究方法应用实施例一中任一可选实施方式提供的采煤深陷区微裂隙研究装置。继续参照图1和图2，该研究方法包括：
第一步，通过踏勘寻找想要研究的微裂隙区域，然后将箱体1以底部箱口12朝下的方式插入所要研究微裂隙区域，插入深度为h1；
第二步，通过顶部箱口11向箱体1内部注入胶水但不加满箱体1，注入胶水的深度为h2，然后迅速将上盖2盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11；启动压力气泵向箱体1内部泵入气体，等待箱体1内部压力消退，压力消退后代表胶水都已经深入土壤中；
第三步，箱体1内部压力消退后，重新打开上盖2，继续向箱体1内部注入胶水但不加满箱体1，注入胶水的深度为h3，注入后迅速将上盖2盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11；启动压力气泵向箱体1内部泵入气体，等待箱体1内部压力消退，压力消退后代表胶水都已经深入土壤中；
第四步，重复第三步N次，N≥0；
第五步，箱体1内部压力消退后，打开上盖2，继续向箱体1内部注入胶水并使胶水液面与地表高度平齐，注入胶水的深度为h4，注入后迅速将上盖2盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11，等待胶水凝固；
第六步，至少24小时后，将箱体1向下完全插入土壤中，向上提取箱体1，将箱体1底部的土壤沿箱体1的底面修剪整形，取出箱体1内的土壤样品；
第七步，通过工业CT扫描土壤样品，研究土壤中微裂隙的尺寸、形状和联通情况，进而评价土壤微裂隙对于土壤水分蒸发和大气降水入渗的影响；
其中，以箱体1的高度为h：h2+(1+N)*h3+h4≧h；h4＝h1，所选胶水选用较低粘度的胶水，例如但不限于502胶水，502胶水具有较好的流动性和速干型，能在多孔土壤中快速流动固化土壤。
本实施例第一方面和第二方面提供的采煤深陷区微裂隙研究装置及研究方法能够应用在采煤沉陷区地表微裂隙研究上，有效稳定获取采煤沉陷区微裂隙的深度和形态，填补现无有效装置或方法研究采煤沉陷区地表微裂隙形态和对地表水文过程影响的空白，并且至少能够达到以下有益效果：
(1)在野外将采煤沉陷微裂隙通过胶水固定，避免研究对象在样品采集、样品运输和样品检测过程中的扰动破坏，还原采煤过程中微裂隙的真实数量和形态；
(2)选用低粘度胶水多次添加、通过加压的方式使其入渗到土壤中，能使胶水入深到更深的土壤层中，使胶水更好地固定多孔介质-土壤，保留土壤中微裂隙的原始形态；
(3)该采煤深陷区微裂隙研究装置轻便小巧、使用简单，能有效在野外开展取样研究。
另外，对于本实施例第一方面提供的采煤深陷区微裂隙研究装置，以及本实施例第二方面提供的采煤深陷区微裂隙研究方法，分别具有各自更加优选的实施方式。
首先，对于本实施例第一方面提供的采煤深陷区微裂隙研究装置，其更加具体的结构具有多种可选实施方式，具体如下：
该采煤深陷区微裂隙研究装置包括箱体1、上盖2和压力气泵3；箱体1的顶面设顶部箱口11，箱体1的底面全区域开口形成底部箱口12，底部箱口12的边部包括尖端朝下的刃状区域；上盖2以可拆装的方式盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11，在上盖2上设有泵气孔；压力气泵3设于箱体1外部且其泵气口与泵气孔密封连接。
较为优选地，底部箱口12的边部全区域形成尖端朝下的刃状。
较为优选地，箱体1的顶面全区域开口形成顶部箱口11。
较为优选地，上盖2的边部与箱体1的顶面之间胶条密闭连接。进一步优选地，上盖2包括边框和盖板，边框向下突出于盖板；边框的底部安装有上盖胶条201，箱体1的顶面与上盖2之间通过上盖胶条201连接。且优选地，箱体1的顶面边部安装有箱体胶条101，箱体1的顶面与上盖2之间通过箱体胶条101连接，当既设上盖胶条201，又设箱体胶条101，使上盖胶条201和箱体胶条101的设置位置满足：在上盖2与箱体1之间连接时，使上盖胶条201与箱体胶条101之间相互粘接。
较为优选地，箱体1和上盖2均由不锈钢材料制成。
对于本实施例第二方面提供的采煤深陷区微裂隙研究方法，则更加具体地：
该研究方法包括：
第一步，通过踏勘寻找想要研究的微裂隙区域，然后将箱体1以底部箱口12朝下的方式插入所要研究微裂隙区域，插入深度为h1；
第二步，通过顶部箱口11向箱体1内部注入胶水但不加满箱体1，注入胶水的深度为h2，然后迅速将上盖2盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11；启动压力气泵向箱体1内部泵入气体，等待箱体1内部压力消退，压力消退后代表胶水都已经深入土壤中；
第三步，箱体1内部压力消退后，重新打开上盖2，继续向箱体1内部注入胶水但不加满箱体1，注入胶水的深度为h3，注入后迅速将上盖2盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11；启动压力气泵向箱体1内部泵入气体，等待箱体1内部压力消退，压力消退后代表胶水都已经深入土壤中；
第四步，重复第三步N次，N≥0；
第五步，箱体1内部压力消退后，打开上盖2，继续向箱体1内部注入胶水并使胶水液面与地表高度平齐，注入胶水的深度为h4，注入后迅速将上盖2盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11，等待胶水凝固；
第六步，至少24小时后，将箱体1向下完全插入土壤中，向上提取箱体1，将箱体1底部的土壤沿箱体1的底面修剪整形，取出箱体1内的土壤样品；
第七步，通过工业CT扫描土壤样品，研究土壤中微裂隙的尺寸、形状和联通情况，进而评价土壤微裂隙对于土壤水分蒸发和大气降水入渗的影响；
其中，以箱体1的高度为h：h2+(1+N)*h3+h4≧h；h4＝h1。
较为优选地，使h2＝0.5h；h1＝h3＝h4＝0.25h；N＝0，h1取较小数值，可最大程度减少由于箱体1插入土壤对地表微裂隙的影响。
并且，进一步优选地，所述箱体的尺寸为长30cm、宽10cm、高20cm，所述第二步中，所述压力气泵的压力值设为1.5bar，所述第三步中，所述压力气泵的压力值设为1.3bar。该参数下，本实施例第二方面提供的采煤深陷区微裂隙研究方法如下：
第一步，通过踏勘寻找想要研究的微裂隙区域，然后将箱体1以底部箱口12朝下的方式插入所要研究微裂隙区域，插入深度为5cm；
第二步，通过顶部箱口11向箱体1内部注入胶水但不加满箱体1，注入胶水的深度为10cm，然后迅速将上盖2盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11；启动压力气泵，压力气泵的压力值设为1.5bar，向箱体1内部泵入气体，等待箱体1内部压力消退，压力消退后代表胶水都已经深入土壤中；
第三步，箱体1内部压力消退后，重新打开上盖2，继续向箱体1内部注入胶水但不加满箱体1，注入胶水的深度为5cm，注入后迅速将上盖2盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11；启动压力气泵，压力气泵的压力值设为1.3bar，向箱体1内部泵入气体，等待箱体1内部压力消退，压力消退后代表胶水都已经深入土壤中；
第四步，箱体1内部压力消退后，打开上盖2，继续向箱体1内部注入胶水并使胶水液面与地表高度平齐，注入胶水的深度为5cm，注入后迅速将上盖2盖设于箱体1顶面并封闭顶部箱口11，等待胶水凝固；
第五步，至少24小时后，将箱体1向下完全插入土壤中，向上提取箱体1，将箱体1底部的土壤沿箱体1的底面修剪整形，取出箱体1内的土壤样品；
第六步，通过工业CT扫描土壤样品，研究土壤中微裂隙的尺寸、形状和联通情况，进而评价土壤微裂隙对于土壤水分蒸发和大气降水入渗的影响。
最后应说明的是：本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可；本说明书中的以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种采煤深陷区微裂隙研究装置，其特征在于：包括箱体（1）、上盖（2）和压力气泵（3）；
所述箱体（1）的顶面设顶部箱口（11），所述箱体（1）的底面全区域开口形成底部箱口（12），所述底部箱口（12）的边部包括尖端朝下的刃状区域；
所述上盖（2）以可拆装的方式盖设于所述箱体（1）顶面并封闭所述顶部箱口（11），所述上盖（2）的边部与所述箱体（1）的顶面之间胶条密闭连接；在所述上盖（2）上设有泵气孔；
所述压力气泵（3）设于所述箱体（1）外部且其泵气口与所述泵气孔密封连接。
2.根据权利要求1所述的采煤深陷区微裂隙研究装置，其特征在于：所述底部箱口（12）的边部全区域形成尖端朝下的刃状。
3.根据权利要求1所述的采煤深陷区微裂隙研究装置，其特征在于：所述箱体（1）的顶面全区域开口形成所述顶部箱口（11）。
4.根据权利要求1所述的采煤深陷区微裂隙研究装置，其特征在于：所述上盖（2）包括边框和盖板，所述边框向下突出于所述盖板；
所述边框的底部安装有上盖胶条（201），所述箱体（1）的顶面与所述上盖（2）之间通过所述上盖胶条（201）连接。
5.根据权利要求1或4所述的采煤深陷区微裂隙研究装置，其特征在于：所述箱体（1）的顶面边部安装有箱体胶条（101），所述箱体（1）的顶面与所述上盖（2）之间通过所述箱体胶条（101）连接。
6.根据权利要求1所述的采煤深陷区微裂隙研究装置，其特征在于：所述箱体（1）和所述上盖（2）均由不锈钢材料制成。
7.一种采煤深陷区微裂隙研究方法，其特征在于：应用权利要求1-6中任一项所述的采煤深陷区微裂隙研究装置；所述研究方法包括：
第一步，通过踏勘寻找想要研究的微裂隙区域，然后将所述箱体（1）以底部箱口（12）朝下的方式插入所要研究微裂隙区域，插入深度为h1；
第二步，通过所述顶部箱口（11）向所述箱体（1）内部注入胶水但不加满所述箱体（1），注入胶水的深度为h2，然后迅速将所述上盖（2）盖设于所述箱体（1）顶面并封闭所述顶部箱口（11）；启动所述压力气泵向所述箱体（1）内部泵入气体，等待所述箱体（1）内部压力消退；
第三步，所述箱体（1）内部压力消退后，重新打开所述上盖（2），继续向所述箱体（1）内部注入胶水但不加满所述箱体（1），注入胶水的深度为h3，注入后迅速将所述上盖（2）盖设于所述箱体（1）顶面并封闭所述顶部箱口（11）；启动所述压力气泵向所述箱体（1）内部泵入气体，等待所述箱体（1）内部压力消退；
第四步，重复所述第三步N次，所述N≥0；
第五步，所述箱体（1）内部压力消退后，打开所述上盖（2），继续向所述箱体（1）内部注入胶水并使胶水液面与地表高度平齐，注入胶水的深度为h4，注入后迅速将所述上盖（2）盖设于所述箱体（1）顶面并封闭所述顶部箱口（11），等待胶水凝固；
第六步，至少24小时后，将所述箱体（1）向下完全插入土壤中，向上提取所述箱体（1），将所述箱体（1）底部的土壤沿所述箱体（1）的底面修剪整形，取出所述箱体（1）内的土壤样品；
第七步，通过工业CT扫描所述土壤样品，研究土壤中微裂隙的尺寸、形状和联通情况，进而评价土壤微裂隙对于土壤水分蒸发和大气降水入渗的影响；
其中，以所述箱体（1）的高度为h：h2+(1+N)*h3+h4≧h；h4=h1。
8.根据权利要求7所述的采煤深陷区微裂隙研究方法，其特征在于：h2=0.5h；h1=h3=h4=0.25h；N=0。
9.根据权利要求8所述的采煤深陷区微裂隙研究方法，其特征在于：所述箱体的尺寸为长30cm、宽10cm、高20cm，所述第二步中，所述压力气泵的压力值设为1.5bar，所述第三步中，所述压力气泵的压力值设为1.3bar。
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