一种模拟覆盖岩层渗水的实验系统装置的制作方法

本发明涉及露天转地下矿山无底柱分段崩落法采矿领域，特别涉及一种模拟覆盖岩层渗水的实验系统装置。

背景技术：

我国部分露天矿经过多年的开采，陆续转入地下开采。露天转地下采用无底柱分段崩落法的矿山，由于露天坑的汇水面积较大，降雨时大量雨水经过覆盖岩层涌入井下，易造成井下泥石流、淹井等安全事故。因此，研究覆盖岩层的渗水规律，对于露天转地下矿山的安全生产具有重要意义。为了研究覆盖岩层的渗水规律，我们需要一种研究覆盖岩层的实验系统装置，能够模拟露天坑和天然的降雨系统，能够模拟覆盖岩层并将渗水汇集进行数据分析，实验得出的分析结果对现实的安全生产具有重要意义。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供了一种模拟覆盖岩层渗水的实验系统装置，该系统装置采用传感器技术、PLC控制技术以及计算机编程技术，实现了模拟降雨、渗水分布汇集及数据采集，解决了多点、实时数据采集的技术难题，使渗水实验的效率和准确性都有了极大的改善和提高。该系统装置记录和监测整个渗水过程，实时采集相关实验数据，提高了覆盖岩层渗水实验的科学化水平。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种模拟覆盖岩层渗水的实验系统装置，包括框架、降雨模拟装置、露天坑模拟装置、覆盖岩层模拟装置、渗水数据采集装置和PLC控制系统；框架上部安装降雨模拟装置和露天坑模拟装置，露天坑模拟装置底部通过法兰连接覆盖岩层模拟装置，覆盖岩层模拟装置底部通过法兰连接渗水数据采集装置；

所述降雨模拟装置由管路、活接头、三通、弯头和喷头连接而成，向露天坑模拟装置内喷撒水流，管路上还设有过滤器、电动调节阀和流量传感器；

所述露天坑模拟装置为2mm厚白钢制成的漏斗形汇水装置；

所述覆盖岩层模拟装置由10mm厚亚克力板制成倾斜的方筒形状，内部装有覆盖岩层，正面设有刻度，侧壁设有直径为120mm的进料口和出料口，进料口和出料口外部设有带有密封胶圈的封盖；

所述渗水数据采集装置包括汇水漏斗、量筒、导流管、水位传感器和水滴检测器，量筒安放于框架底座上，水滴检测器安装在汇水漏斗出口处，水位传感器安装在量筒内；

所述PLC控制系统包括PLC控制器、触摸屏、工控机和操作按钮，PLC控制器接收流量传感器、水滴检测器、水位传感器信号，进行数据分析并把结果在触摸屏和工控机上进行显示，同时，PLC控制器还通过自动调节电动调节阀的开度，控制降雨模拟装置的降雨量。

所述降雨模拟装置的喷头由8个300mmX300mm的不锈钢喷头组成，每个喷头前端还设有手动调节阀，使降雨均匀分布。

所述渗水数据采集装置在水滴检测器的上部和下部均设有导流管，并且上部导流管与下部导流管连通，保证水平稳流出。

所述渗水数据采集装置包含3套的汇水漏斗、量筒、导流管、水位传感器和水滴检测器，分别对覆盖岩层模拟装置的上下盘及中间部位三个部位进行雨水汇集和数据采集。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、降雨模拟装置能够模拟天然降雨系统，实现雨量任意调节、降雨均匀分布。

2、露天坑模拟装置能够模拟天然露天坑形状和特性，将降雨渗入覆盖岩层；

3、覆盖岩层模拟装置能够模拟天然覆盖岩层；

4、渗水数据采集装置能够将经过覆盖岩层的渗水进行分布汇集和检测；

5、PLC控制系统采用传感器技术、PLC控制技术以及计算机编程技术对整体设备进行控制，同时对所采集的数据进行分析，最终得出实验结果。

附图说明

图1为本发明的覆盖岩层渗水实验系统装置结构总图正视图；

图2为本发明的覆盖岩层渗水实验系统装置结构总图侧视图；

图3为本发明的降雨模拟装置结构连接图；

图4为本发明的露天坑模拟装置结构图；

图5为本发明的覆盖岩层模拟装置结构图；

图6为本发明的覆盖岩层模拟装置结构图侧视图；

图7为本发明的覆盖岩层模拟装置进出料口图；

图8为本发明的覆盖岩层模拟装置进出料口封盖图；

图9为本发明的覆盖岩层模拟装置进出料口封盖剖面图；

图10为本发明的渗水数据采集装置汇水漏斗结构图；

图11为本发明的渗水数据采集装置汇水漏斗结构图侧视图；

图12为本发明的量筒和水位传感器结构图；

图13为本发明的系统流程图；

图14为本发明的实验过程流程图；

图15为本发明的实验过程控制流程图。

其中，1-框架 2-量筒 3-汇水漏斗 4-覆盖岩层模拟装置 5-露天坑模拟装置 6-降雨模拟装置 7-过滤器 8-电动调节阀 9-活接头 10-流量传感器 11-三通 12-弯头 13-法兰盘 14-进料口 15-出料口 16-上部导管 17-水滴检测器 18-下部导管 19-水位传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1、2所示，一种模拟覆盖岩层渗水的实验系统装置，包括框架1、降雨模拟装置6、露天坑模拟装置5、覆盖岩层模拟装置4、渗水数据采集装置和PLC控制系统；框架1上部安装降雨模拟装置6和露天坑模拟装置5，露天坑模拟装置5底部通过法兰连接覆盖岩层模拟装置4，覆盖岩层模拟装置4底部通过法兰连接渗水数据采集装置；

如图3所示，所述降雨模拟装置6由管路、活接头9、三通11、弯头12和喷头连接而成，向露天坑模拟装置5内喷撒水流，管路上还设有过滤器7、电动调节阀8和流量传感器10；

如图4所示，所述露天坑模拟装置5为2mm厚白钢制成的漏斗形汇水装置；

如图5、6、7、8、9所示，所述覆盖岩层模拟装置4由10mm厚亚克力板制成倾斜的方筒形状，内部装有覆盖岩层，正面设有刻度，侧壁设有直径为120mm的进料口14和出料口15，进料口14和出料口15外部设有带有密封胶圈的封盖；

如图10、11、12所示，所述渗水数据采集装置包括汇水漏斗3、量筒2、导流管16和18、水位传感器19和水滴检测器17，量筒2安放于框架1底座上，水滴检测器17安装在汇水漏斗3出口处，水位传感器19安装在量筒2内；

如图13所示，所述PLC控制系统包括PLC控制器、触摸屏、工控机和操作按钮，PLC控制器接收流量传感器10、水滴检测器17、水位传感器信号19，进行数据分析并把结果在触摸屏和工控机上进行显示，同时，PLC控制器还通过自动调节电动调节阀8的开度，控制降雨模拟装置6的降雨量。

所述降雨模拟装置6的喷头由8个300mmX300mm的不锈钢喷头组成，每个喷头前端还设有手动调节阀，使降雨均匀分布。

所述渗水数据采集装置在水滴检测器17的上部和下部均设有导流管，并且上部导流管16与下部导流管18连通，保证水平稳流出。

所述渗水数据采集装置包含3套的汇水漏斗3、量筒2、导流管16和18、水位传感器19和水滴检测器17，分别对覆盖岩层模拟装置4的上下盘及中间部位三个部位进行雨水汇集和数据采集。

所述水滴检测器17为厂家定制产品，传感器由检测电容和单片机电路组成，有水滴经过时，检测电容的电容值发生变化，每滴水滴为一个脉冲，单片机电路板将检测到的电容变化的脉冲信号转化成标准的4～20mA信号输入PLC控制系统的PLC控制器。

所述水滴检测器17插入每个汇水漏斗3内，将接线引出，外部进行密封处理。

为避免由于水滴检测器17的插入造成渗水量大时出现滞水现象，在渗水数据采集装置水滴检测器17的上部和下部都设有导流管，并且上部导流管16与下部导流管18连通，保证水平稳流出。

实验开始时，首先按照自然分级的原理从覆盖岩层模拟装置4的侧壁进料口14进装填覆盖岩层，然后接通水管路，启动降雨模拟装置6，打开并调节降雨模拟装置6总管路的电动调节阀8，同时调节降雨模拟装置6每个喷头前面的手动调节阀，使雨水按照设定流量均匀地喷撒到露天坑模拟装置5中，雨水在覆盖岩层模拟装置4中经过一段时间的渗透，最终滴入到渗水数据采集装置中，渗水数据采集装置分别对覆盖岩层模拟装置4的上下盘及中间部位三个部位进行雨水汇集和数据采集，渗水数据采集装置中的水滴检测器17检测到第一滴雨水后，将信号输入到PLC控制系统的PLC控制器，开始计时，同时随着雨水流入到量筒2内，量筒2内的水位传感器19将水位的变化信号输入到PLC控制系统的PLC控制器，降雨模拟装置6总管上的流量传感器10采集到流量信息也输入到PLC控制系统的PLC控制器作为降雨流量信息；PLC控制系统把降雨流量、各部位量筒2内的渗水量进行实时处理计算分析，最终形成数据表格和曲线在触摸屏和工控机上进行保存和显示；当降雨经过一段时间后停止，随后经过一段时间的延时，量筒2内的水位传感器19检测到水位在一段时间内不再发生变化，渗水停止，实验结束。

如图14所示，模拟覆盖岩层渗水的实验系统装置的实验流程方法如下：

(1)实验前检测控制

实验前检测控制主要作用是在实验前检测是否有设备处于正常状态，该部分包括电动调节阀8的检测、流量传感器10的检测、水滴检测器17的检测和水位传感器19的检测。

(2)实验过程控制

如图15所示，实验过程控制主要作用是实现渗水实验的顺利进行以及对数据的采集，控制内容如下：

步骤一、当PLC控制器未检测到任何故障时，可执行该部分。在执行该部分时，首先输入实验参数。参数包括降雨量、量筒规格等。

步骤二、按下实验开始按钮，此时开始对实验进行计时。PLC控制器控制电动调节阀8开度，电动调节阀8达到预定开度启动后执行后续步骤。在实验过程中，电动调节阀8如果发生故障，实验停止并发出故障报警。

步骤三、水流流经流量传感器10，此时流量传感器10将流量信号传到PLC控制器中。PLC控制器转化、记录、处理、显示所得实验数据。

步骤四、当水流流经水滴检测器17时，水滴检测器17发出脉冲信号并转化为4～20mA信号后由PLC控制器接收，并记录第一滴水滴信号的时间。

步骤五、水位传感器19对量筒2内的水位进行数据采集，输出标准的4～20mA信号传到PLC控制器中。PLC控制器转化、记录、处理、显示所得实验数据。最终将水位值转化为渗水量值，总渗水量的计算如下：

式中：V总—总渗水量，单位mm³；

V1、V2、V3—分别为1号、2号、3号量杯中的渗水量,单位mm³；

d1、d2、d3—分别为1号、2号、3号量杯中的内径,单位mm；

h1、h2、h3—分别为1号、2号、3号量杯中的水位高度,单位mm。

(3)实验结束控制

步骤一、当降雨历时一定时间后，PLC控制器控制电动调节阀使其关闭，停止降雨。

步骤二、当显示渗水量保持不变时，数据采集结束。

步骤三、保存实验数据，实验结束。

步骤四、等待下一次实验或关闭系统装置。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。