一种滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置

摘要

一种滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置，涉及水文地质、工程地质实验模拟装置技术领域，包括模拟箱体、海水供水装置、淡水供水装置、以及数据采集与处理装置，海水供水装置和淡水供水装置分别通过向模拟箱体内注入海水和淡水的方式使模拟箱体内形成地下水模拟环境，数据采集与处理装置通过数据线连接有水位和水质监测探头，监测探头分布于地下水模拟环境内，在模拟水箱内的底部还设有用以模拟煤层的水袋组合实验层。本发明可以模拟滨海地区煤炭开采时，在各种不同的开采条件下，不同含水层的地下水水位和水质的动态演化过程，并获取相关数据，对滨海地区的煤炭开采方案的制定及开采过程中的地质安全保护具有重要参考意义。

说明书

技术领域

本发明涉及水文地质、工程地质实验模拟装置技术领域，具体涉及一种滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置。

背景技术

在煤炭开采过程中，必然会对地下水系统产生影响。一方面，煤炭开采破坏了含水层的结构，改变了地下水补、径、排条件；另一方面，煤炭开采条件使得水-岩相互作用过程加快，使得矿区地下水水化学演化发生改变。煤炭开采破坏了矿区地下水系统的平衡，对地下水水动力场和水化学场的演化产生巨大影响，改变了地下水的循环模式。

滨海地区地下水受沉积环境及海洋动态影响，是一个咸淡水混合环境。滨海地区煤炭开采会改变滨海地区含水层结构和淡-咸水之间的水动力平衡条件，可能会导致更加频繁的咸-淡水交互作用。然而，在实际情况下，揭示采煤条件下滨海煤矿区的地下水动态演化需要开展大量的工作。因此，进行室内模拟实验是十分有必要的。

目前在矿山水文地质或工程地质领域还没有这方面的实验装置，为了更好更方便得进行相关研究，需要设计一种实验装置，以此来模拟采煤条件下滨海煤矿区地下水动力场和化学场动态变化规律。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置，能够模拟在采煤的条件下滨海煤矿区的地下水动力场和化学场的动态演化问题。

为解决上述问题，本发明技术方案为：

一种滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置，包括模拟箱体、位于模拟箱体左侧的海水供水装置、位于模拟箱体右侧的淡水供水装置、以及数据采集与处理装置，所述的海水供水装置和淡水供水装置分别与模拟箱体通过水管相连接，并通过向模拟箱体内注入海水和淡水的方式使模拟箱体内形成地下水模拟环境，所述的数据采集与处理装置通过数据线连接有水位和水质监测探头，所述的监测探头分布于地下水模拟环境内，在模拟水箱内的底部还设有用以模拟煤层的水袋组合实验层，所述的水袋组合实验层由若干个水袋平铺于模拟箱体内的底部构成，任一水袋的下端均设有出水口，所述的出水口贯通模拟箱体的底部，并在出水口位于模拟箱体外侧的端部设有流量阀门。

优选的，所述的水袋组合实验层由100个水袋构成，所述的模拟箱体的下端两侧还设有支撑座，所述的出水口均位于两侧的支撑座之间。

优选的，所述的流量阀门为具有流量调节功能的电磁阀，所述的滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置还包括控制器、及与控制器通过导线连接的人机交互装置，所述的人机交互装置配置为可通过输入实验参数的方式模拟不同强度的煤层开采，并将相关实验参数输入控制器，所述的控制器配置为根据所输入的参数可选择的控制各个水袋的流量阀门开闭及流量调节。

优选的，所述的水袋设有编号，并根据编号确定其在模拟水箱内底部的位置，所述的实验参数包括需要打开流量阀门的水袋数量、需要打开流量阀门的水袋的编号、以及各个流量阀门的流量数值，以模拟不同位置、不同强度的煤层开采对地下水模拟环境的影响，所述的不同强度的煤层开采通过控制各个流量阀门的流量、以及控制打开流量阀门的水袋的数量、及位置来模拟。

优选的，所述的人机交互装置还包括显示器，所述的数据采集与处理装置与显示器通过导线连接，并将实时的实验数据传输至显示器。

优选的，所述的模拟箱体内自下到上分别为水袋组合实验层、上覆岩层，所述的上覆岩层自上至下分别为潜水含水层、第一隔水层、承压含水层、弱透水层、第二隔水层，所述的上覆岩层内均匀分布有若干个沿纵向设置的地下水水质和水位观测井，所述的监测探头在地下水水质和水位观测井的外表面沿纵向分布。

优选的，所述的地下水水质和水位观测井的下端贯穿到承压含水层的底部，所述的地下水水质和水位观测井的外壁上设有10个监测探头，其中5个均匀分布于潜水含水层内、另外5个均匀分布于承压含水层内。

优选的，所述的海水供水装置包括海水箱、第一流量泵、第一水管、第一定水头装置、第二水管、第三水管、第一升降螺杆调节阀、海水供水室、溢流管、海水回收箱，所述的第一水管的两端分别与海水箱、及第一定水头装置内的隔板右侧的腔体连通，所述的第三水管的上端与隔板右侧的腔体底部连接，下端与海水供水室的底部连接，所述的第一升降螺杆调节阀设于第三水管上，所述的第一流量泵设于第一水管上，所述的海水供水室的侧壁上部设有溢流孔，所述的溢流管的上端与溢流孔连接，下端与海水回收箱连接，所述的第二水管的上端与第一定水头装置内隔板的左侧腔体底部连接，下端与海水箱连接。

优选的，所述的淡水供水装置包括淡水箱、第四水管、设于第四水管上的第二流量泵、第二定水头装置、第五水管、第六水管、第二升降螺杆调节阀、淡水供水室，所述的第四水管的下端与淡水箱连接，上端与第二定水头装置内的隔板左侧的腔体顶部连接，所述的第六水管的上端与第二定水头装置内的隔板左侧的腔体底部连接，下端与淡水供水室的底部连接，所述的第二升降螺杆调节阀设于第六水管上，所述的第五水管的上端与第二定水头装置内的隔板右侧的腔体底部连接，下端与淡水箱连接，所述的淡水供水室内的液面高度高于海水供水室的液面高度。

优选的，滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置的使用方法，包括如下步骤：

1、准备工作，将滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置准备就绪，并保证各部件完好可用；

2、调节左右两侧的流量泵开始供水，调节升降螺杆调节阀，使得海水供水室的水位低于淡水供水室的水位，以模拟天然条件下地下水向海水排泄的情况，直至各监测探头的数据显示稳定；

3、拟定开挖方案，并根据开挖方案打开选定水袋上的流量阀门，通过对流量阀门的流量调节来模拟水袋所在处的煤层开挖进度，通过选定的水袋多少及流量大小来确定开挖强度，通过对不同位置的水袋的选择组合，来模拟不同的开挖位置对地下水模拟环境的影响。

4、通过地下水水质和水位观测井上不同位置的监测探头来监测地下水水质和水位的动态变化，并由数据采集与处理装置获取数据。

5、利用获取的的数据分析煤炭开采条件下滨海煤矿区地下水动力场和化学场的动态变化。

本发明一种滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置具有如下有益效果：本发明可以通过手动或自动化的方式模拟滨海地区煤炭开采时，在各种不同的开采条件下，不同含水层的地下水水位和水质的动态演化过程，并获取相关数据，对滨海地区的煤炭开采方案的制定及开采过程中的地质安全保护具有重要参考意义。

附图说明

图1、本发明的正视结构示意图；

图2、本发明的模拟箱体、淡水供水室、海水供水室的俯视结构示意图；

图中：1—模拟箱体，2—数据采集与处理装置，3—地下水水质和水位观测井，4—监测探头，5—淡水供水室，6—第二升降螺杆调节阀，7—第二定水头装置，8—第六水管，9—第五水管，10—第二流量泵，11—第四水管，12—淡水箱，13—海水供水室，14—第一升降螺杆调节阀，15—第一定水头装置，16—第三水管，17—第二水管，18—第一水管，19—第一流量泵，20—溢流管，21—海水回收箱，22—海水箱，23—潜水含水层，24—第一隔水层，25—第二隔水层，26—弱透水层，27—承压含水层，28—出水口，29—流量阀门，30—水袋组合实验层，31：支撑座。

具体实施方式

以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“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，仅是为了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、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1、

参考图1、图2所示：

一种滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置，包括模拟箱体1、位于模拟箱体1左侧的海水供水装置、位于模拟箱体1右侧的淡水供水装置、以及数据采集与处理装置2，所述的海水供水装置和淡水供水装置分别与模拟箱体1通过水管相连接，并通过向模拟箱体1内注入海水和淡水的方式使模拟箱体1内形成地下水模拟环境，所述的数据采集与处理装置2通过数据线连接有水位和水质监测探头4，所述的监测探头4分布于地下水模拟环境内，在模拟水箱内的底部还设有用以模拟煤层的水袋组合实验层30，所述的水袋组合实验层30由若干个水袋平铺于模拟箱体1内的底部构成，任一水袋的下端均设有出水口28，所述的出水口28贯通模拟箱体1的底部，并在出水口28位于模拟箱体1外侧的端部设有流量阀门29；

所述的水袋组合实验层30由100个水袋构成，所述的模拟箱体1的下端两侧还设有支撑座31，所述的出水口28均位于两侧的支撑座31之间。

本实施例公开了通过手动操控流量阀门29进行实验的方式，具体实验方法详见下述内容。

实施例2、

在实施例1的基础上，本实施例做出了进一步改进，具体为：

所述的流量阀门29为具有流量调节功能的电磁阀，所述的滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置还包括控制器、及与控制器通过导线连接的人机交互装置，所述的人机交互装置配置为可通过输入实验参数的方式模拟不同强度的煤层开采，并将相关实验参数输入控制器，所述的控制器配置为根据所输入的参数可选择的控制各个水袋的流量阀门29开闭及流量调节；

所述的水袋设有编号，并根据编号确定其在模拟水箱内底部的位置，所述的实验参数包括需要打开流量阀门的水袋数量、需要打开流量阀门的水袋的编号、以及各个流量阀门的流量数值，以模拟不同位置、不同强度的煤层开采对地下水模拟环境的影响，所述的不同强度的煤层开采通过控制各个流量阀门的流量、以及控制打开流量阀门的水袋的数量、及位置来模拟；

所述的人机交互装置还包括显示器，所述的数据采集与处理装置2与显示器通过导线连接，并将实时的实验数据传输至显示器。

本实施例公开了通过自动化控制进行实验的方式，实验时，仅需要通过人机交互装置输入实验参数，即可完成不同开挖位置、不同开挖强度对地下水模拟环境的不同水层、以及不同水层的不同位置的水质(如电导率)和水位的影响，从而实现三维立体化模拟研究的效果。

实施例3、

在实施例2的基础上，本实施例做出了进一步改进，具体为：

如图1、图2所示：

所述的模拟箱体1内自下到上分别为水袋组合实验层30、上覆岩层，所述的上覆岩层自上至下分别为潜水含水层23、第一隔水层24、承压含水层27、弱透水层26、第二隔水层25，所述的上覆岩层内均匀分布有若干个沿纵向设置的地下水水质和水位观测井3，所述的监测探头4在地下水水质和水位观测井3的外表面沿纵向分布；

所述的地下水水质和水位观测井3的下端贯穿到承压含水层27的底部，所述的地下水水质和水位观测井3的外壁上设有10个监测探头4，其中5个均匀分布于潜水含水层23内、另外5个均匀分布于承压含水层27内；

所述的海水供水装置包括海水箱22、第一流量泵19、第一水管18、第一定水头装置15、第二水管17、第三水管16、第一升降螺杆调节阀14、海水供水室13、溢流管20、海水回收箱21，所述的第一水管18的两端分别与海水箱22、及第一定水头装置15内的隔板右侧的腔体连通，所述的第三水管16的上端与隔板右侧的腔体底部连接，下端与海水供水室13的底部连接，所述的第一升降螺杆调节阀14设于第三水管16上，所述的第一流量泵19设于第一水管18上，所述的海水供水室13的侧壁上部设有溢流孔，所述的溢流管20的上端与溢流孔连接，下端与海水回收箱21连接，所述的第二水管17的上端与第一定水头装置15内隔板的左侧腔体底部连接，下端与海水箱22连接；

所述的淡水供水装置包括淡水箱12、第四水管11、设于第四水管11上的第二流量泵10、第二定水头装置7、第五水管9、第六水管8、第二升降螺杆调节阀6、淡水供水室5，所述的第四水管11的下端与淡水箱12连接，上端与第二定水头装置7内的隔板左侧的腔体顶部连接，所述的第六水管8的上端与隔板左侧的腔体底部连接，下端与淡水供水室5的底部连接，所述的第二升降螺杆调节阀6设于第六水管8上，所述的第五水管9的上端与第二定水头装置7内的隔板右侧的腔体底部连接，下端与淡水箱12连接，所述的淡水供水室5内的液面高度高于海水供水室13的液面高度。

本实施例公开了地下水模拟环境的具体结构、以及地下水水质和水位观测井3及监测探头4的具体分布、以及海水供水装置、淡水供水装置的具体结构，未尽内容为现有技术内容，不做详述。

实施例4、

在实施例3的基础上，本实施例公开了滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置的使用方法，具体为，包括如下步骤：

1、准备工作，将滨海采煤条件下地下水动态演化三维模拟装置准备就绪，并保证各部件完好可用；

2、调节左右两侧的流量泵开始供水，调节升降螺杆调节阀，使得海水供水室13的水位低于淡水供水室5的水位，以模拟天然条件下地下水向海水排泄的情况，直至各监测探头4的数据显示稳定；

3、拟定开挖方案，并根据开挖方案打开选定水袋上的流量阀门，通过对流量阀门的流量调节来模拟水袋所在处的煤层开挖进度，通过选定的水袋多少及流量大小来确定开挖强度，通过对不同位置的水袋的选择组合，来模拟不同的开挖位置对地下水模拟环境的影响。

4、通过地下水水质和水位观测井3上不同位置的监测探头4来监测地下水水质和水位的动态变化，并由数据采集与处理装置2获取数据。

5、利用获取的的数据分析煤炭开采条件下滨海煤矿区地下水动力场和化学场的动态变化。

通过上述方法，可以实现对煤炭开采条件下滨海煤矿区地下水的三维立体的模拟研究，对相关条件下的地质开采方案制定以及开采过程中的地质安全保护具有重要的参考意义。