沟谷地形下煤炭开采对地表径流影响的实验装置及方法

摘要

一种沟谷地形下煤炭开采对地表径流影响的实验装置及方法，装置包括模拟箱，模拟箱从底部依次铺设模拟煤层、模拟岩层、潜水含水层袋和设有沟谷地形地表松散层，潜水含水层袋上设有水位管和浮子式水位计，通过水位计来记录两个沟谷的潜水位随着开采沉陷的变化情况，直观地反映了沟谷地形下煤炭开采对潜水位及地表径流的影响，其结构简单，操作方便，现象直观，可满足不同采矿地质条件下的模拟需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验装置及方法，尤其是一种沟谷地形下煤炭开采对地表径流影响的实验装置及方法。

背景技术

我国西部矿区普遍存在着沟谷发育的地形地貌特征，如地处陕蒙交界的神东矿区，煤层为近水平浅埋煤层，地表受冲沟影响呈典型的沟谷地形，其特征是沟道密集，地形破碎。沟谷内常常因潜水出露形成泉域、河流，是陕北地区天然的水源地，对于维持整个地区的生态环境具有重要的意义。近年来，随着我国煤炭资源开发逐步向西转移，大规模的煤炭开采造成地下水位普遍下降，部分沟谷内泉流量减小，甚至干涸，进而影响到地表生态环境。

目前有关沟谷地形下采动对水资源影响的研究主要集中在裂隙发育规律方面，而对于沟谷地形下开采沉陷对水资源的影响的研究还非常少，但是裂隙不沟通潜水含水层的条件下，开采沉陷是对地下潜水的影响，开采沉陷是否会改变潜水位，进而影响地表径流表现形式，是否可以利用沉陷规律来改善本地区的地表水资源状况，进而改善生态环境这些问题都有待进一步研究和解决。随着西部煤田的大规模开发，在沟谷地形下开采的情况会越来越多，急需一种有效模拟上述地理环境的实验方法及装置。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、现象直观的沟谷地形下煤炭开采对地表径流影响的实验装置及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的沟谷地形下煤炭开采对地表径流影响的实验装置，它包括前后两侧面板可拆卸的模拟箱，模拟箱底部铺设有模拟煤层，模拟煤层上方设有模拟岩层，模拟岩层上方设有潜水含水层袋潜水含水层袋上部铺设沟谷地形地表松散层，地表松散层左右两侧分别设有典型沟谷，其中一侧的典型沟谷谷底比另一侧典型沟谷的谷底浅，两个典型沟谷的谷底均设有与含水层袋相通的水位管，水位管上设有浮子式水位计；

所述的潜水含水层袋为橡胶水袋构成，橡胶水袋内设有模拟含水层支撑骨架并填满水袋的石子，所述石子直径为0.5cm，橡胶水袋内注水充满石子的间隙直至水位上升到水位管中；

所述模拟煤层由砂子、碳酸钙、石膏构成，其中砂子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号773配比，并加上煤粉着色模拟煤层；由砂子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号573配比模拟软岩层，由砂子、碳酸钙、石膏质量按配比号337配比模拟硬岩层。

所述左侧典型沟谷比右侧典型沟谷浅，左侧典型沟谷的水位管内的水位低于左侧沟谷的谷底标高2cm，右侧典型沟谷的水位管内的水位高于右侧沟谷的谷底标高3cm。

一种沟谷地形下煤炭开采对地表径流影响的实验方法，其步骤如下：

a.在模拟箱底部铺设利用由砂子、碳酸钙、石膏和煤粉混合的模拟煤层，并在模拟煤层上铺设由混合砂子、碳酸钙和石膏混合的在模拟岩层在模拟岩层的上部放置填有石子的潜水含水层袋, 在潜水含水层袋上部铺设由土壤构成的模拟地表松散层，模拟地表松散层上左右分别铺设有典型沟谷，其中左侧典型沟谷比右侧典型沟谷浅，左右沟谷高差5cm，并在潜水含水层袋的上部、模拟地表松散层的两个典型沟谷的沟底处设置两个与潜水含水层袋连通用于模拟典型沟谷处地表径流水位的水位管；

b.在两个水位管的内安装浮子式水位计，向潜水含水层袋内注水，直至水位管的水位通过浮子式水位计显示高出右侧沟谷的谷底3cm且低于左侧沟谷的谷底标高2cm，由于潜水流出沟谷地表确实会形成泉眼，沿沟谷由高到低形成径流，此时右侧典型沟谷的水位管内高出沟谷地表水位代表实际泉眼的径流，而左侧典型沟谷的水位管内水位因沟深较浅并未出露潜水位；

c.测量两个典型沟谷的标高变化、潜水位变化及潜水出露两侧沟谷的各项数据并记录为初始数据；

d. 拆卸模拟箱的前后面板，从左至右对模拟煤层进行不留边界煤柱采煤，随着开采，采空区上方的模拟岩层向下垮塌，从而使潜水含水层袋向下移动模拟地下水的流动，引起水位下降，垮塌区的左侧典型沟谷向下变形，引起潜水含水层袋模拟的水位下降，左侧典型沟谷在变形的同时因沉陷较大，导致水位出露；

e. 采集两个水位管内的浮子式水位计读数，同时测量两个典型沟谷的标高变化、潜水位变化及潜水出露两侧沟谷情况数据，通过与初始状态的各项数据对比，从而有效模拟分析出沟谷地形下煤炭开采对地表径流影响。

有益效果：地表松散层上设置的一侧沟谷受开采沉陷影响，另一侧不受其影响，通过对比两侧水位变化及水位出露沟谷情况，直观地反映了沟谷地形下煤炭开采对地表径流的影响，采用地表与煤层相似材料对煤岩层进行了模拟，模拟效果好；

使用浮子式水位计来记录两个沟谷的潜水位随着开采沉陷的变化情况，可以考察水位变化与煤层开采的时空关系；

模拟开采沉陷对沟谷地形潜水位及地表径流关系的影响包括煤层采高、基岩厚度、工作面尺寸等，通过设置参数可以满足不同采矿条件的模拟需要，并探索不同采矿地质因素对潜水位及地表径流变化影响的差异，为实际应用提供参考依据。 

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

图中：1-模拟箱；2-潜水含水层袋；3-浮子式水位计；4-水位管；5-模拟地表松散层；6-模拟岩层；7-模拟煤层。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明的沟谷地形下煤炭开采对地表径流影响的实验装置，它包括前后两侧面板可拆卸的模拟箱1，模拟箱1底部铺设有模拟煤层7，模拟煤层上方设有模拟岩层6，模拟岩层6上方设有潜水含水层袋2潜水含水层袋2上部铺设沟谷地形地表松散层5，地表松散层5左右两侧分别设有典型沟谷，其中一侧的典型沟谷谷底比另一侧典型沟谷的谷底浅，两个典型沟谷的谷底均设有与含水层袋2相通的水位管4，水位管4上设有浮子式水位计3；

所述的潜水含水层袋2为橡胶水袋构成，橡胶水袋内设有模拟含水层支撑骨架并填满水袋的石子，所述石子直径为0.5cm，橡胶水袋内注水充满石子的间隙直至水位上升到水位管4中；

所述模拟煤层7由砂子、碳酸钙、石膏构成，其中砂子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号773配比，并加上煤粉着色模拟煤层；由砂子、碳酸钙、石膏质量按相似模拟配比号573配比模拟软岩层，由砂子、碳酸钙、石膏质量按配比号337配比模拟硬岩层。

所述左侧典型沟谷比右侧典型沟谷浅，左侧典型沟谷的水位管4内的水位低于左侧沟谷的谷底标高2cm，右侧典型沟谷的水位管4内的水位高于右侧沟谷的谷底标高3cm。

一种沟谷地形下煤炭开采对地表径流影响的实验方法，其步骤如下：

a.在模拟箱1底部铺设利用由砂子、碳酸钙、石膏和煤粉混合的模拟煤层7，并在模拟煤层7上铺设由混合砂子、碳酸钙和石膏混合的在模拟岩层6在模拟岩层6的上部放置填有石子的潜水含水层袋2, 在潜水含水层袋2上部铺设由土壤构成的模拟地表松散层5，模拟地表松散层5上左右分别铺设有典型沟谷，其中左侧典型沟谷比右侧典型沟谷浅，左右沟谷高差5cm，并在潜水含水层袋2的上部、模拟地表松散层5的两个典型沟谷的沟底处设置两个与潜水含水层袋2连通用于模拟典型沟谷处地表径流水位的水位管4；

b.在两个水位管4的内安装浮子式水位计3，向潜水含水层袋2内注水，直至水位管4的水位通过浮子式水位计3显示高出右侧沟谷的谷底3cm且低于左侧沟谷的谷底标高2cm，由于潜水流出沟谷地表确实会形成泉眼，沿沟谷由高到低形成径流，此时右侧典型沟谷的水位管4内高出沟谷地表水位代表实际泉眼的径流，而左侧典型沟谷的水位管4内水位因沟深较浅并未出露潜水位；

c.测量两个典型沟谷的标高变化、潜水位变化及潜水出露两侧沟谷的各项数据并记录为初始数据；

d. 拆卸模拟箱1的前后面板，按照与现场时间相似比例为1:10、尺寸相似比例为1:100的相似比例，从左至右模拟开采模拟箱1内的模拟煤层7,不留边界煤柱，每15分钟开采5cm模拟煤层7，直至开采至模拟煤层7中部的停采线，随着开采，采空区上方的模拟岩层6向下垮塌，从而使潜水含水层袋2向下移动模拟地下水的流动，引起水位下降，垮塌区的左侧典型沟谷向下变形，引起潜水含水层袋2模拟的水位下降左侧典型沟谷在变形的同时因沉陷较大，一定几率下导致水位出露；

e. 在上述开采过程中，采集两个水位管4内的浮子式水位计3读数，同时测量两个典型沟谷的标高变化、潜水位变化及潜水出露两侧沟谷情况数据，观察水位管4内的水位变化和出露沟谷状况,每隔5分钟记录水位计3的读数，最终实现开采沉陷对沟谷地形潜水位及地表径流变化规律的模拟实验研究。