CN203347789U

CN203347789U - 一种煤层开采潜水动态变化模拟装置

Info

Publication number: CN203347789U
Application number: CN 201320384618
Authority: CN
Inventors: 李涛; 王苏健; 邓增社; 陈通; 高颖; 薛卫峰
Original assignee: Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co Ltd
Current assignee: Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co Ltd
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2023-06-28

Abstract

本实用新型公开了一种煤层开采潜水动态变化模拟装置，包括试验框架、铺设在试验框架上的试验岩土层、设置在试验框架两侧的含水层补给结构，以及渗漏排水结构；所述试验岩土层自上而下依次包括潜水层、隔水层、基岩层和煤层；含水层补给结构包括水槽和补给水管，所述水槽与所述潜水层相通，所述补给水管为水槽提供持续补给；所述渗漏排水结构包括导流管，所述导流管的一端设置在隔水层底部，所述导流管另一端连接有集水器，所述集水器另一端连接有负压机。

Description

一种煤层开采潜水动态变化模拟装置

技术领域：

本实用新型涉及矿井水文地质领域与采矿工程领域有一定的交叉，尤其涉及煤层开采潜水动态变化模拟装置。

背景技术：

煤层开采模拟装置能够将大型的煤炭开采工程通过相似比例缩小为室内模型，并通过室内模型的煤层开挖获取岩土层的移动、破坏、应力应变等规律，从而指导现实煤炭生产。我国西北地区煤炭资源丰富，但水资源匮乏、生态环境脆弱，煤炭开采对潜水的轻微扰动不可忽略，若处理不当也会引起大面积生态环境退化，因此需要煤层开采模拟装置能够模拟得到煤层开采潜水动态变化。

目前的煤层开采模拟装置在模拟煤层开采潜水位动态变化时存在以下问题：

1）目前的煤层开采模拟装置多为单一固相模拟装置，少数模拟装置通过添加了气囊或水袋实现了固相与液相的综合模拟，但气囊或水袋中将含水层和下伏的隔水层隔离开，无法模拟到煤层开采对隔水层渗透性影响时，潜水通过隔水层发生轻微渗漏的现象，从而造成煤层开采潜水动态变化的规律无法通过模拟试验获取，无法较好的指导生态脆弱区煤炭生产。

2）目前的煤层开采模拟装置的水源补给系统往往为单个水箱，无法持续获取稳定水位的补给，这使得煤层开采潜水动态变化的边界条件无法准确模拟，无法准确获得潜水的动态变化规律。

3）目前煤层开采模拟装置无法获取煤层开采潜水的渗漏量，进而无法评估煤炭开采对生态环境、水资源的影响。

4）目前煤层开采潜水动态变化模拟有利用单个试管孤立观测的装置，但水通过隔水层对下面的固体模拟材料影响较大，易使得固体模拟材料崩溃，且孤立试管内的水位变化未考虑周边水体的补给。

实用新型内容

本实用新型为了解决煤层开采考虑潜水通过下伏隔水层发生渗漏、有定水头补给源条件下潜水动态变化模拟的问题，提供一种煤层开采潜水动态模拟装置。

本实用新型采用以下技术方案：

一种煤层开采潜水动态变化模拟装置，包括试验框架、铺设在试验框架上的试验岩土层、设置在试验框架两侧的含水层补给结构，以及渗漏排水结构；所述试验岩土层自上而下依次包括潜水层、隔水层、基岩层和煤层；含水层补给结构包括水槽和补给水管，所述水槽与所述潜水层相通，所述补给水管为水槽提供持续补给；所述渗漏排水结构包括导流管，所述导流管的一端设置在隔水层底部，所述导流管另一端连接有集水器，所述集水器另一端连接有负压机。

作为本实用新型的优选实施例，所述潜水层以一定级配的沙铺设而成，所述潜水层中注入有既定高度的水；所述隔水层以粘性土铺设而成；基岩层和煤层以石膏、石灰、沙按一定比例铺设而成。

作为本实用新型的优选实施例，所述潜水层和隔水层被隔水袋包裹，隔水袋上部开口，下部与基岩层隔离。

作为本实用新型的优选实施例，所述隔水袋由潜水层进入隔水层时，隔水袋的长和宽减缩。

作为本实用新型的优选实施例，所述隔水层的一小部分在隔水袋之外。

作为本实用新型的优选实施例，所述隔水袋内部与隔水层接触部分涂抹防水剂，在外部隔水层挤压下防止水通过隔水袋内部和隔水层接触处渗漏。

作为本实用新型的优选实施例，所述含水层补给结构进一步包括有水箱和溢流槽，水槽底部与水箱连通，水箱短侧高度与潜水层初始水位相同，短侧与溢流槽相连，使得水槽水位一旦高于潜水层初始水位就会通过溢流槽流出，从而保持水槽水位不变。

作为本实用新型的优选实施例，所述潜水层通过滤网与水槽连通。

作为本实用新型的优选实施例，所述模拟装置进一步包括有水位监测结构，包括水位观测管和数据采集器，水位观测管一头埋置于潜水层之中，一头利用水位计联合数据采集器自动连续观测潜水层的动态水位。

作为本实用新型的优选实施例，所述试验框架包括框架底部两个支架、两侧支柱，以及框架正、反两面固定在支柱上的透明板。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型包括有含水层补给结构以及渗漏排水结构，其中，含水层补给结构包括与所述潜水层相通的水槽以及为水槽提供持续补给的补给水管，这样，当煤层的开采导致隔水层的渗透性发生变化，进而使得潜水层中的水通过隔水层发生轻微渗漏，该渗漏的水被负压机产生的微小负压抽至集水器；而渗漏造成的潜水层水位下降，通过水槽和补给水管对潜水层进行补充。

附图说明：

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的侧面结构示意图；

图中：1、潜水层；2、隔水层；3、基岩层；4、煤层；5、支架；6、滤网；7、支柱；8、透明板；9、补给水管；10、补给水管阀门；11、水槽；12、水箱；13、溢流槽；14、水位观测管；15、数据采集器；16、导流管；17、集水器；18、负压机；19、隔水袋。

具体实施方式：

如图1、图2所示，用于模拟煤层开采潜水动态变化的装置。该装置由试验框架部分、试验岩土层部分、含水层补给部分、渗漏排水部分、水位监测部分组成。

试验框架部分是一个长方体框架，包括框架底部两个支架5、两侧支柱7和框架正、反两面固定在支柱7上的透明板8，其中透明板8主要起到固定潜水层1和隔水层2，防止水体的流动性造成侧向变形。

试验岩土层部分铺设在试验框架上，从上到下依次包括潜水层1、隔水层2、基岩层3和煤层4。潜水层1以一定级配的沙铺设而成，并在潜水层1中注入既定高度的水，隔水层2以粘性土铺设而成，基岩层3和煤层4以石膏、石灰、沙按一定比例铺设而成。其中，潜水层1和隔水层2被隔水袋19包裹，隔水袋19上部开口，下部与基岩层3隔离，隔水袋19由潜水层1进入隔水层2时，隔水袋19的长和宽稍微减小使得隔水层2的一小部分在隔水袋19外，且隔水袋19内部与隔水层2接触部分涂抹防水剂，在外部隔水层挤压下防止水通过隔水袋19内部和隔水层2接触处渗漏。

含水层补给部分设置在试验框架的两侧，包括滤网6、补给水管9、补给水管阀门10、水槽11、水箱12、溢流槽13。潜水层1通过两侧的滤网6与水槽11连通，水槽11受补给水管9持续补给，补给水管9上设置补给水管阀门10，用于控制补给水量。水槽11底部通过水管与水箱12连通，水箱12短侧高度与潜水层1初始水位相同，短侧与溢流槽13相连，使得水槽11水位一旦高于潜水层1初始水位就会通过溢流槽13流出，从而保持水槽11水位不变，即模型的水文边界条件不发生改变。

渗漏排水部分包括导流管16、集水器17和负压机18。接近隔水层2底部处设置多个导流管16，导流管16设置过滤网，将通过隔水层2渗漏出的水在负压机18产生的较低的负压作用下，快速抽至集水器17中，避免积水影响煤层1的持续开采及基岩层3遇水崩溃。从而实现了煤层开采潜水发生轻微渗漏的模拟。这里负压机18产生的负压范围为0.01～0.05MPa。

水位监测部分包括水位观测管14和数据采集器15。水位观测管14一头埋置于潜水层1之中，一头在潜水层1外，并利用水位计联合数据采集器15自动连续观测潜水层1的动态水位。

运行原理：

在试验框架上铺设、压实试验岩土层和隔水袋19，在试验岩土层保养完成后，对隔水袋19内的潜水层加水至模拟的既定水位，同时保持水槽11、水箱12、溢流槽13中水位与潜水层1中初始水位相同。对煤层4开采，开采会导致隔水层2的渗透性变化，进而使得潜水层1中的水通过隔水层2发生轻微渗漏，渗漏到隔水袋19底部的水会被负压机18产生的微小负压抽至集水器17，集水器17可以读取渗漏量。由于渗漏造成潜水层1水位下降，水槽11与潜水层1存在静水压力差，水槽11会持续补给潜水层1。在煤层4开采过程中，通过水位观测管14和数据采集器15观测到的水位动态是考虑了隔水层2渗漏和定水位补给的潜水水位动态，能够较好的指导煤炭生产。

本实用新型的优点如下：

1）能够观测到煤层开采考虑隔水层渗漏和定水头补给条件下潜水动态；

2）含水层补给系统保持天然水位，含水层边界条件模拟精准；

3）利用负压快速抽吸透过隔水层渗漏的水，避免积水、充气造成模拟误差；

4）能够观测到潜水渗漏量。

Claims

1.一种煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：包括试验框架、铺设在试验框架上的试验岩土层、设置在试验框架两侧的含水层补给结构，以及渗漏排水结构；所述试验岩土层自上而下依次包括潜水层（1）、隔水层（2）、基岩层（3）和煤层（4）；含水层补给结构包括水槽（11）和补给水管（9），所述水槽（11）与所述潜水层（1）相通，所述补给水管（9）为水槽提供持续补给；所述渗漏排水结构包括导流管（16），所述导流管（16）的一端设置在隔水层底部，所述导流管（16）另一端连接有集水器（17），所述集水器（17）另一端连接有负压机（18）。

2.如权利要求1所述的煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：所述潜水层（1）以一定级配的沙铺设而成，所述潜水层（1）中注入有既定高度的水；所述隔水层（2）以粘性土铺设而成；基岩层（3）和煤层（4）以石膏、石灰、沙按一定比例铺设而成。

3.如权利要求1所述的煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：所述潜水层（1）和隔水层（2）被隔水袋（19）包裹，隔水袋（19）上部开口，下部与基岩层（3）隔离。

4.如权利要求3所述的煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：所述隔水袋（19）由潜水层（1）进入隔水层（2）时，隔水袋（19）的长和宽减缩。

5.如权利要求3所述的煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：所述隔水层（2）的一小部分在隔水袋（19）之外。

6.如权利要求3或4或5所述的煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：所述隔水袋（19）内部与隔水层（2）接触部分涂抹防水剂，在外部隔水层挤压下防止水通过隔水袋（19）内部和隔水层（2）接触处渗漏。

7.如权利要求1所述的煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：所述含水层补给结构进一步包括有水箱（12）和溢流槽（13），水槽（11）底部与水箱（12）连通，水箱（12）短侧高度与潜水层（1）初始水位相同，短侧与溢流槽（13）相连，使得水槽（11）水位一旦高于潜水层（1）初始水位就会通过溢流槽（13）流出，从而保持水槽（11）水位不变。

8.如权利要求1或7所述的煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：所述潜水层（1）通过滤网（6）与水槽（11）连通。

9.如权利要求1所述的煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：所述模拟装置进一步包括有水位监测结构，包括水位观测管（14）和数据采集器（15），水位观测管（14）一头埋置于潜水层（1）之中，一头利用水位计联合数据采集器（15）自动连续观测潜水层（1）的动态水位。

10.如权利要求1所述的煤层开采潜水动态变化模拟装置，其特征在于：所述试验框架包括框架底部两个支架（5）、两侧支柱（7），以及框架正、反两面固定在支柱（7）上的透明板（8）。