季节变化径流及地下水对高海拔露天矿影响监测模型的制作方法

本发明涉及一种水对露天矿区影响的监测模型，尤其涉及一种随着季节变化径流、地下水对高海拔露天矿影响监测模型。

背景技术：

我国高海拔地区矿山开采日益增多，由于季节变化、地表径流、冰雪融水、大气降水及径流补水等多重因素下，露天矿区多出现岩体滑坡、坍塌、钻机成孔率低、冻融损伤、灾害等现象频繁发生，给高海拔矿山开采安全性带来了不利影响。为了直观分析季节变化水对高海拔露天矿台阶的影响，在可知范围内，尚无制作出专门针对高海拔露天矿区水影响的监测模型。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种季节变化径流及地下水对高海拔露天矿影响监测模型，以实现形像展示高海拔露天矿季节变化、径流及地下水对矿区的影响，模拟开采中工作平台涌水、端帮涌水、台阶面涌水、互层状矿体涌水、炮孔充水、工作平台冻结、端帮冻结和台阶面冻结现场成因全过程，实现模型温度可控、水量可控。

为解决上述技术问题，所述的一种季节变化径流及地下水对高海拔露天矿影响监测模型，包括温度模拟装置，径流、地下暗河模拟装置，露天矿模型，排水装置，模型箱和摄像机组成；

所述的温度模拟装置包括制冷系统、制热系统、温度控制系统和空气管，其中，所述的制冷系统设置于模型一侧，用于模拟-35℃~0℃的气候条件，所述制热系统模拟0℃~40℃的气候条件，制冷、制热通过测温控制系统控制，空气管将冷、热空气导入模型的上部；

所述的径流、地下暗河模拟装置包括水箱、水泵、水压调节装置、模拟径流供水管、模拟暗河供水管和径流收集水箱，其中，所述径流、地下暗河模拟装置设置于模型一侧，径流收集水箱设置于模型另一侧，模拟径流供水管与模拟径流沟渠相连，模拟径流沟渠与径流收集水箱相连，模拟暗河供水管与模拟暗河相连；

所述的露天矿模型在模型箱内部并由模拟径流沟渠、模拟暗河组成、表土、围岩和互层状矿体，其中模拟径流沟渠为在露天矿模型顶部开挖小槽，模拟暗河组成为在露天矿模型内部布设一定长度的多孔圆管，表土、围岩和互层状矿体由模拟岩土、岩体材料层组成，其中互层状矿体是围岩和矿体交替的岩体，矿区表面由露天采场边帮和工作帮组成，工作帮的台阶包括台阶上部平台、台阶坡面、布设钻孔和台阶下部平台；

所述的排水装置包括底部水槽、排水管，其中，所述底部水槽设置于模型底部，所述排水管一端与底部水槽相连接，另一端连接下水道；

所述的模型箱包括模型外罩和模型支架，其中，所述的模型外罩模型外罩由有机玻璃板粘合而成，四周骨架均采用角钢加固、模型顶部可拆卸，模型放置在由钢结构组成的、一定高度的模型支架上；

摄像机为监测水位及冻结现象随时间变化关系的摄像机。

本发明的露天矿模拟实验方法：

a、模拟春季或秋季低温、不同径流流量和不同渗流流量对露天矿矿区的影响：低温、不同径流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机，打开径流、地下暗河模拟装置，装置内的水由水压调节装置模拟不同径流量，水通过模拟径流供水管流入模拟径流沟渠中，模拟径流沟渠的水渗入露天矿区及冻结现象，模拟径流沟渠的水最后流进径流收集水箱；装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管流入模拟暗河中，模拟暗河的水渗入露天矿区；待露天采场边帮出现涌水现象后，打开温度模拟装置，通过温度控制系统将温度控制在低温状态，低温空气通过空气管进入模型箱内，调整径流流量使径流不出现结冰现象；观察并记录不同径流流量和不同渗流流量条件下，露天矿表土、围岩、露天采场边帮、工作帮组成、台阶上部平台、台阶坡面、台阶下部平台、煤层和碳质泥岩的冻结现象；待模型冻结区域不在扩展后，关闭径流、地下暗河模拟装置、温度模拟装置，通过底部水槽、打开排水管向下水道排水，观测表土、围岩、露天采场边帮、工作帮组成、台阶上部平台、台阶坡面、煤层、碳质泥岩和布设钻孔充水排水水位及冻结变化规律并记录，待底部水槽水流完毕后，关闭排水管，关闭摄像机。导出摄像机的视频，导出摄像机的视频，分析高温、不同径流流量和渗流流量对露天矿矿区的涌水、排水和冻结规律及成因。

b、模拟夏季高温、不同径流流量和不同渗流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机，打开温度模拟装置，通过温度控制系统将温度控制在高温状态，高温空气通过空气管进入模型箱内；打开径流、地下暗河模拟装置，装置内的水由水压调节装置模拟不同径流量，水通过模拟径流供水管流入模拟径流沟渠中，模拟径流沟渠的水渗入露天矿区，模拟径流沟渠的水最后流进径流收集水箱；装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管流入模拟暗河中，模拟暗河的水渗入露天矿区；观察并记录不同径流流量和不同渗流流量，露天矿表土、围岩、露天采场边帮、工作帮组成、台阶上部平台、台阶坡面、台阶下部平台、煤层和碳质泥岩的水润、涌水现象，布设钻孔充水水位现象；待模拟出现涌水后，关闭径流、地下暗河模拟装置、温度模拟装置，通过底部水槽、打开排水管向下水道排水，观测表土、围岩、露天采场边帮、工作帮组成、台阶上部平台、台阶坡面、台阶下部平台、煤层、碳质泥岩和布设钻孔充水排水水位的变化规律并记录，待底部水槽水流完毕后，关闭排水管，关闭摄像机。导出摄像机的视频，分析高温、不同径流流量和渗流流量对露天矿矿区的涌水、排水规律及成因。

c、模拟春季低温-高温循环条件下，不同渗流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机，打开温度模拟装置，通过温度控制系统将温度控制在低温状态，低温空气通过空气管进入模型箱内；打开径流、地下暗河模拟装置，装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管流入模拟暗河中，模拟暗河的水渗入露天矿区及冻结现象；观察并记录不同暗河流量条件下，围岩、露天采场边帮、工作帮组成、台阶上部平台、台阶坡面、煤层和碳质泥岩的水润、涌水及冻结现象，布设钻孔充水水位、冻结现象；待模型冻结区域不在扩展后，关闭径流、地下暗河模拟装置、温度模拟装置；观测表土、围岩、露天采场边帮、工作帮组成、台阶上部平台、台阶坡面、煤层、碳质泥岩和布设钻孔充水排水水位及冻结变化规律并记录；通过温度控制系统将温度控制在高温状态，空气通过空气管进入模型箱内；打开径流、地下暗河模拟装置，装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管流入模拟暗河中，模拟暗河的水渗入露天矿区；观察并记录不同暗河流量条件下，围岩、露天采场边帮、工作帮组成、台阶上部平台、台阶坡面、煤层和碳质泥岩的水润、涌水现象，布设钻孔充水水位现象；待模拟出现涌水后，关闭径流、地下暗河模拟装置、温度模拟装置，通过底部水槽、打开排水管向下水道排水，观测表土、围岩、露天采场边帮、工作帮组成、台阶上部平台、台阶坡面、台阶下部平台、煤层、碳质泥岩和布设钻孔充水排水水位的变化规律并记录；实验过程中台阶下部平台出现大量水，需打开排水管进行排水；此实验的低温-高温条件课循环进行。待实验结束后，通过底部水槽、打开排水管向下水道排水，待底部水槽水流完毕后，关闭排水管，关闭摄像机。导出摄像机的视频，分析低温-高温循环、不同径流流量对露天矿矿区的涌水、排水和冻结规律及成因。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明季节变化径流及地下水对高海拔露天矿影响监测模型，该实验模型可直观演示说明在考虑不同温度、径流流量和渗流流量影响下模拟具有岩层性质、采矿不同部位的水位线及冻融特性，对季节变化的高海拔露天矿水影响提供指导，为教学提供一个形象的展示平台。

附图说明

图1为季节变化径流及地下水对高海拔露天矿影响监测模型俯视图。

图2为季节变化径流及地下水对高海拔露天矿影响监测模型侧视图。

图中标记为：1-温度模拟装置，2-空气管，3-径流、地下暗河模拟装置，4-模拟径流供水管，5-模拟暗河供水管，6-模拟径流沟渠，7-模拟暗河，8-表土、9-围岩，10-互层状矿体，11-露天采场边帮，12-工作帮组成，13-台阶上部平台、14-台阶坡面、15-布设钻孔，16-台阶下部平台，17-底部水槽，18-排水管，19-模型外罩，20-模型支架，21-角钢加固，22-模型顶部，23-摄像机，24-径流收集水箱，a-煤层，b-碳质泥岩。

具体实施方式

下面结合本发明附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细说明。

某煤矿田地处新疆天山山脉，最低海拔3265m，最高海拔4023m，矿田东部高山带的冰雪融水为区域地下水的主要补给源矿田属大陆性干旱及高寒气候，冬季少雪，但受地形垂直分带的制约，夏季多阵雨，日最大降水量为10.9mm，矿田气温变化大，冬寒夏凉，昼热夜凉，年平均气温1.2℃，日最高气温25℃，最低气温－28.5℃，冻结期一般在每年10月至翌年的4月，最大冻土深度3.69m。

如图1所示，本发明监测模型包括温度模拟装置1、径流、地下暗河模拟装置3、露天矿模型、排水装置、模型箱和摄像机23组成；

所述的温度模拟装置1包括制冷系统、制热系统、温度控制系统和空气管2，其中，所述的制冷系统设置于模型一侧，用于模拟-35℃~0℃的气候条件，所述制热系统模拟0℃~40℃的气候条件，制冷、制热通过测温控制系统控制，空气管将冷、热空气导入模型的上部；

所述的径流、地下暗河模拟装置3包括水箱，水泵、水压调节装置，模拟径流供水管4，模拟暗河供水管5和径流收集水箱24，其中，所述径流、地下暗河模拟装置3设置于模型一侧，径流收集水箱24设置于模型另一侧，模拟径流供水管3与模拟径流沟渠6相连，模拟径流沟渠6与径流收集水箱24相连，模拟暗河供水管5与模拟暗河7相连；

所述的露天矿模型在模型箱内部并由模拟径流沟渠6、模拟暗河组成7、表土8、围岩9和互层状矿体10，其中模拟径流沟渠6为在露天矿模型顶部开挖小槽，模拟暗河组成7为在露天矿模型内部布设一定长度的多孔圆管，表土8、围岩9和互层状矿体10由模拟岩土、岩体材料层组成，其中互层状矿体碳质泥岩b和煤a交替的岩体，矿区表面由露天采场边帮11和工作帮组成12，工作帮的台阶包括台阶上部平台13、台阶坡面14、布设钻孔15和台阶下部平台16；

所述的排水装置包括底部水槽17、排水管18，其中，所述底部水槽17设置于模型底部，所述排水管18一端与底部水槽17相连接，另一端连接下水道；

所述的模型箱包括模型外罩19和模型支架20，其中，所述的模型外罩模型外罩由有机玻璃板粘合而成，四周骨架均采用角钢加固21、模型顶部22可拆卸，模型放置在由钢结构组成的、一定高度的模型支架20上；

摄像机23为监测水位及冻结现象随时间变化关系的摄像机。

实施例1：模拟夏季高温、不同径流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机23，打开温度模拟装置1，通过温度控制系统将温度控制在35℃高温状态，高温空气通过空气管2进入模型箱内；打开径流、地下暗河模拟装置3，装置内的水由水压调节装置模拟不同径流量，水通过模拟径流供水管4流入模拟径流沟渠6中，模拟径流沟渠6的水渗入露天矿区，模拟径流沟渠6的水最后流进径流收集水箱24；观察并记录不同径流流量条件下，露天矿表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、煤层a和碳质泥岩b的水润、涌水现象，布设钻孔15充水水位现象；待模拟出现涌水后，关闭径流、地下暗河模拟装置3、温度模拟装置1，通过底部水槽17、打开排水管18向下水道排水，观测表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、台阶下部平台16、煤层a、碳质泥岩b和布设钻孔15充水排水水位的变化规律并记录，待底部水槽17水流完毕后，关闭排水管18，关闭摄像机23。导出摄像机23的视频，分析高温、不同径流流量对露天矿矿区的涌水、排水规律及成因。

实施例2：模拟夏季高温、不同渗流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机23，打开温度模拟装置1，通过温度控制系统将温度控制在35℃高温状态，高温空气通过空气管2进入模型箱内；打开径流、地下暗河模拟装置3，装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管5流入模拟暗河7中，模拟暗河7的水渗入露天矿区；观察并记录不同暗河流量条件下，围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、煤层a和碳质泥岩b的水润、涌水现象，布设钻孔15充水水位现象；待模拟出现涌水后，关闭径流、地下暗河模拟装置3、温度模拟装置1，通过底部水槽17、打开排水管18向下水道排水，观测表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、台阶下部平台16、煤层a、碳质泥岩b和布设钻孔15充水排水水位的变化规律并记录，待底部水槽17水流完毕后，关闭排水管18，关闭摄像机23。导出摄像机23的视频，分析高温、不同渗流流量对露天矿矿区的涌水、排水规律及成因。

实施例3：模拟夏季高温、不同径流流量和不同渗流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机23，打开温度模拟装置1，通过温度控制系统将温度控制在35℃高温状态，高温空气通过空气管2进入模型箱内；打开径流、地下暗河模拟装置3，装置内的水由水压调节装置模拟不同径流量，水通过模拟径流供水管4流入模拟径流沟渠6中，模拟径流沟渠6的水渗入露天矿区，模拟径流沟渠6的水最后流进径流收集水箱24；装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管5流入模拟暗河7中，模拟暗河7的水渗入露天矿区；观察并记录不同径流流量和不同渗流流量，露天矿表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、台阶下部平台16、煤层a和碳质泥岩b的水润、涌水现象，布设钻孔15充水水位现象；待模拟出现涌水后，关闭径流、地下暗河模拟装置3、温度模拟装置1，通过底部水槽17、打开排水管18向下水道排水，观测表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、台阶下部平台16、煤层a、碳质泥岩b和布设钻孔15充水排水水位的变化规律并记录，待底部水槽17水流完毕后，关闭排水管18，关闭摄像机23。导出摄像机23的视频，分析高温、不同径流流量和渗流流量对露天矿矿区的涌水、排水规律及成因。

实施例4：模拟春季或秋季低温、不同径流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机23，打开径流、地下暗河模拟装置3，装置内的水由水压调节装置模拟不同径流量，水通过模拟径流供水管4流入模拟径流沟渠6中，模拟径流沟渠6的水渗入露天矿区及冻结现象，模拟径流沟渠6的水最后流进径流收集水箱24；待露天采场边帮11出现涌水现象后，打开温度模拟装置1，通过温度控制系统将温度控制在-30℃低温状态，低温空气通过空气管2进入模型箱内，调整径流流量使径流不出现结冰现象；观察并记录不同径流流量条件下，露天矿表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、台阶下部平台16、煤层a和碳质泥岩b的冻结现象；待模型冻结区域不在扩展后，关闭径流、地下暗河模拟装置3、温度模拟装置1，通过底部水槽17、打开排水管18向下水道排水，观测表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、煤层a、碳质泥岩b和布设钻孔15充水排水水位及冻结变化规律并记录，待底部水槽17水流完毕后，关闭排水管18，关闭摄像机23。导出摄像机23的视频，分析低温、不同径流流量对露天矿矿区的涌水、排水和冻结规律及成因。

实施例5：模拟冬季低温、不同渗流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机23，打开温度模拟装置1，通过温度控制系统将温度控制在-30℃低温状态，低温空气通过空气管2进入模型箱内；打开径流、地下暗河模拟装置3，装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管5流入模拟暗河7中，模拟暗河7的水渗入露天矿区及冻结现象；观察并记录不同暗河流量条件下，围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、煤层a和碳质泥岩b的水润、涌水及冻结现象，布设钻孔15充水水位、冻结现象；待模型冻结区域不在扩展后，关闭径流、地下暗河模拟装置3、温度模拟装置1，通过底部水槽17、打开排水管18向下水道排水，观测表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、煤层a、碳质泥岩b和布设钻孔15充水排水水位及冻结变化规律并记录，待底部水槽17水流完毕后，关闭排水管18，关闭摄像机23。导出摄像机23的视频，分析低温、不同径流流量对露天矿矿区的涌水、排水和冻结规律及成因。

实施例6：模拟春季或秋季低温、不同径流流量和不同渗流流量对露天矿矿区的影响：低温、不同径流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机23，打开径流、地下暗河模拟装置3，装置内的水由水压调节装置模拟不同径流量，水通过模拟径流供水管4流入模拟径流沟渠6中，模拟径流沟渠6的水渗入露天矿区及冻结现象，模拟径流沟渠6的水最后流进径流收集水箱24；装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管5流入模拟暗河7中，模拟暗河7的水渗入露天矿区；待露天采场边帮11出现涌水现象后，打开温度模拟装置1，通过温度控制系统将温度控制在-30℃低温状态，低温空气通过空气管2进入模型箱内，调整径流流量使径流不出现结冰现象；观察并记录不同径流流量和不同渗流流量条件下，露天矿表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、台阶下部平台16、煤层a和碳质泥岩b的冻结现象；待模型冻结区域不在扩展后，关闭径流、地下暗河模拟装置3、温度模拟装置1，通过底部水槽17、打开排水管18向下水道排水，观测表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、煤层a、碳质泥岩b和布设钻孔15充水排水水位及冻结变化规律并记录，待底部水槽17水流完毕后，关闭排水管18，关闭摄像机23。导出摄像机23的视频，导出摄像机23的视频，分析高温、不同径流流量和渗流流量对露天矿矿区的涌水、排水和冻结规律及成因。

实施例7：模拟春季低温-高温循环条件下，不同渗流流量对露天矿矿区的影响：打开摄像机23，打开温度模拟装置1，通过温度控制系统将温度控制在-10℃低温状态，低温空气通过空气管2进入模型箱内；打开径流、地下暗河模拟装置3，装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管5流入模拟暗河7中，模拟暗河7的水渗入露天矿区及冻结现象；观察并记录不同暗河流量条件下，围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、煤层a和碳质泥岩b的水润、涌水及冻结现象，布设钻孔15充水水位、冻结现象；待模型冻结区域不在扩展后，关闭径流、地下暗河模拟装置3、温度模拟装置1；观测表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、煤层a、碳质泥岩b和布设钻孔15充水排水水位及冻结变化规律并记录；通过温度控制系统将温度控制在20℃温度状态，空气通过空气管2进入模型箱内；打开径流、地下暗河模拟装置3，装置内的水由水压调节装置模拟地下渗流流量，水通过模拟暗河供水管5流入模拟暗河7中，模拟暗河7的水渗入露天矿区；观察并记录不同暗河流量条件下，围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、煤层a和碳质泥岩b的水润、涌水现象，布设钻孔15充水水位现象；待模拟出现涌水后，关闭径流、地下暗河模拟装置3、温度模拟装置1，通过底部水槽17、打开排水管18向下水道排水，观测表土8、围岩9、露天采场边帮11、工作帮组成12、台阶上部平台13、台阶坡面14、台阶下部平台16、煤层a、碳质泥岩b和布设钻孔15充水排水水位的变化规律并记录；实验过程中台阶下部平台16出现大量水，需打开排水管18进行排水；此实验的低温-高温条件课循环进行。待实验结束后，通过底部水槽17、打开排水管18向下水道排水，待底部水槽17水流完毕后，关闭排水管18，关闭摄像机23。导出摄像机23的视频，分析低温-高温循环、不同径流流量对露天矿矿区的涌水、排水和冻结规律及成因。