矿井隐蔽水害危险源效应实验系统的制作方法

1.本实用新型涉及危险源效应实验技术领域，尤其涉及一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统。


背景技术：

2.隐蔽导水陷落柱和导水断层是煤层底板最严重的隐蔽水危险源，已经在许多煤矿造成了突水淹井灾害。目前，尚没有有效的物探方法能够查明隐蔽水危险源，所以陷落柱和断层突水淹井的风险仍然无法控制。此类灾害频繁发生的主要原因之一就是危险源的效应没有掌握，因此现有技术无法对隐蔽水危险源进行确认或定位。
3.因此，研发矿井隐蔽水危险源水文地质效应的试验技术，对危险源的朔源定位具有很大的实际意义，对灾害预警和防治水工程投入具有十分重要的意义。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，用以解决现有技术无法对隐蔽水危险源进行确认或定位的问题。
5.本实用新型提供一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，包括实验平台，所述实验平台包括沙槽，所述沙槽的内部设有物理模型；所述沙槽的左侧壁和右侧壁上对应设有含水层进水口和含水层出水口，所述含水层进水口与含水层供水箱相连通，所述含水层出水口与含水层排水箱相连通；所述沙槽的前侧壁上设有多个测压口以及一个危险源进水口，所述沙槽的外部设有与所述测压口一一对应的多个测压管，各所述测压口分别与各所述测压管对应连接，所述危险源进水口与危险源供水箱相连通。
6.根据本实用新型提供的一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，所述物理模型包括从下至上依次设置的底板隔水层、含水层和顶板隔水层，所述含水层中设有危险源结构，所述危险源结构的上下两端分别与所述顶板隔水层、所述底板隔水层对应连接；其中，所述危险源结构为导水陷落柱或导水断层。
7.根据本实用新型提供的一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，所述含水层中设有温度传感器，所述温度传感器分别与温度传感器线缆的一端相连，所述沙槽的前侧壁上设有传感器线缆通孔，所述温度传感器线缆的另一端穿过所述传感器线缆通孔与数据采集仪相连。
8.根据本实用新型提供的一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，所述含水层包括检测区和非检测区，所述检测区设有多个检测点，在各所述检测点处分别设有所述温度传感器。
9.根据本实用新型提供的一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，在所述含水层中靠近所述沙槽的左侧壁的位置处设有进水端砾石带，在所述含水层中靠近所述沙槽的右侧壁的位置处设有排水端砾石带。
10.根据本实用新型提供的一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，所述危险源进水
口和所述测压口均设置于所述沙槽的前侧壁底部，且所述危险源进水口设置于所述沙槽的前侧壁的中间位置处，多个所述测压口分别设置于所述危险源进水口的左右两侧。
11.根据本实用新型提供的一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，在所述含水层供水箱的外侧壁上部设有第一溢流槽，所述含水层供水箱的底部设有第一排泄孔，所述第一排泄孔与所述第一溢流槽相连通。
12.根据本实用新型提供的一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，在所述含水层排水箱的外侧壁上部设有第二溢流槽，所述含水层排水箱的底部设有第二排泄孔，所述第二排泄孔与所述第二溢流槽相连通。
13.根据本实用新型提供的一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，在所述含水层排水箱的外侧壁上部还设有第三溢流槽，所述危险源进水口和所述危险源供水箱之间通过所述第三溢流槽相连通。
14.根据本实用新型提供的一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，在各所述测压口处分别连接有放水管，所述放水管上设有放水阀门。本实用新型提供的矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，通过在沙槽的内部设置物理模型，在沙槽的左侧壁和右侧壁上分别设置含水层进水口和含水层出水口，将含水层进水口与含水层供水箱相连通，将含水层出水口与含水层排水箱相连通，通过在沙槽的前侧壁上设置多个测压口以及一个危险源进水口，通过在沙槽的外部设置与测压口一一对应的多个测压管，将各测压口分别与各测压管对应连接，将危险源进水口与危险源供水箱相连通，从而能够通过该系统进行导水陷落柱位于检测区内的效应检测实验，或进行导水断层位于检测区内的效应模拟实验，或进行导水断层位于非检测区内的效应检测实验，或进行导水陷落柱位于非检测区内的效应模拟实验，进而便于掌握矿井隐蔽水危险源水文地质效应，对危险源的朔源定位具有很大的实际意义，对灾害预警和防治水工程投入具有十分重要的意义。
15.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本实用新型提供的矿井隐蔽水害危险源效应实验系统的结构示意图；
18.图2是本实用新型中测压管的安装示意图；
19.图3是本实用新型中第三溢流槽与危险源供水箱之间的连接示意图；
20.图4是本实用新型中物理模型的结构示意图；
21.图5是本实用新型中检测点的布置示意图。
22.附图标记：
23.1：沙槽；
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2：物理模型；
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3：含水层进水口；
24.4：含水层出水口；
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5：含水层供水箱；
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6：含水层排水箱；
25.7：测压口；
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8：危险源进水口；
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9：测压管；
26.10：危险源供水箱；
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11：检测区；
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12：非检测区；
27.13：检测点；
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14：第一溢流槽；
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15：第二溢流槽；
28.16：第三溢流槽；
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17：放水管；
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18：放水阀门；
29.19：第一连接管路；
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20：传感器线缆通孔； 21：第二连接管路；
30.201：底板隔水层；
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202：含水层；
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203：顶板隔水层；
31.204：危险源结构；
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205：进水端砾石带；
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206：排水端砾石带。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。
33.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。
35.在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
37.如图1至5所示，本实用新型实施例提供一种矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，包括实验平台，实验平台包括沙槽1，该沙槽1的内部设有物理模型2。在沙槽1的左侧壁和右侧壁上对应设有多个含水层进水口3和多个含水层出水口4，其中各含水层进水口3分别与含水层供水箱5相连通，各含水层出水口4分别与含水层排水箱6相连通。在沙槽1的前侧壁上设有多个测压口7以及一个危险源进水口8，在沙槽1的外部设有与测压口7一一对应的多
个测压管9，各测压口7分别与各测压管9对应连接，危险源进水口8与危险源供水箱10相连通。
38.也即，通过该矿井隐蔽水害危险源效应实验系统能够进行矿井隐蔽水危险源水文地质效应的试验，进而便于掌握矿井隐蔽水危险源水文地质效应，对危险源的朔源定位具有很大的实际意义，对灾害预警和防治水工程投入具有十分重要的意义。
39.具体来说，沙槽1由底板、左侧板、右侧板、前侧板和后侧板围合而成。其中，底板、左侧板、右侧板、前侧板和后侧板均采用不锈钢板制成。
40.具体来说，实验平台还包括底座，沙槽1设置在底座上，通过该底座能够对沙槽1进行有效支撑。
41.在本实用新型的一些实施例中，物理模型2包括从下至上依次设置的底板隔水层201、含水层202和顶板隔水层203，其中含水层202中设有危险源结构204，危险源结构204的上下两端分别与顶板隔水层203、底板隔水层201对应连接。其中，根据实际使用需求，危险源结构204可以采用导水陷落柱或导水断层。
42.具体来说，底板隔水层201由膨润土加入适量的水夯实而成，含水层202采用石英砂铺设而成，顶板隔水层203由膨润土加适当的水夯实而成。
43.该物理模型2在建造时，底板隔水层201的水灰比一般为1:10为宜，搅拌均匀，其中底板隔水层201铺设的总厚度不小于10cm，过薄容易在槽壁串水。含水层202宜用细粒石英砂掺加5％的石棉模拟，厚度应根据模拟的对象确定，若为实验教学，一般10cm即可。含水层202选择细粒石英砂并掺加石棉的原因是确保在砂层内开挖导水陷落柱或导水断层时不会垮塌，并且细粒石英砂的渗透系数应为已知。顶板隔水层203可以用与底板隔水层201相同的膨润土铺设，其厚度应远大于底板隔水层201的厚度，以抵抗含水层202的水压，具体厚度应按照其自重不小于水压的1.5倍的原则。顶板隔水层203应采用分层夯实的方式建造，以免槽壁串水，或传感器线孔渗水。
44.具体来说，危险源结构204采用细粒砾石制成，其渗透系数一般应大于含水层202的n倍，以确保危险源的效应能够体现出。
45.具体来说，危险源结构204所采用的类型、设置数量、设置位置和设置规模应根据实际需要而定。一般来说，导水陷落柱和导水断层不同时出现在同一次实验内。一次实验仅出现一个危险源类型时实验效果为最佳。危险源结构204的设置位置应根据实验目的安排，如果需要进行危险源位于检测区内的效应检测实验，则应将危险源结构204布置在检测区内。如果需要进行危险源位于非检测区内的效应检测实验，则应将危险源结构204布置在非检测区内。危险源结构204的设置规模可按照实验目的变化，一般导水陷落柱的直径不宜大于20cm，导水断层的宽度不宜大于1cm。
46.由于水从沙槽1左侧壁的含水层进水口3流入物理模型2，并从沙槽1右侧壁的含水层出水口4流出物理模型2，因此水的进入和排出不够均匀，流量容易受限。为了克服这一问题，在本实用新型的进一步实施例中，可以在含水层202中靠近沙槽1的左侧壁的位置处设置进水端砾石带205，在含水层202中靠近沙槽1的右侧壁的位置处设置排水端砾石带206。其中，进水端砾石带205和排水端砾石带206均采用与危险源结构204相同的砾石制成。
47.在本实用新型的一些实施例中，含水层202中设有温度传感器，温度传感器分别与温度传感器线缆的一端相连，在沙槽1的前侧壁上设有传感器线缆通孔20，温度传感器线缆
的另一端穿过传感器线缆通孔20与数据采集仪相连。
48.其中，传感器线缆通孔20可以根据实际需求设置1个或2个。在本实施例中，传感器线缆通孔20设有两个，并且两个传感器线缆通孔20分别位于沙槽1的前侧壁的左右两端。
49.在本实用新型的一些实施例中，含水层202包括检测区11和非检测区12，其中检测区11内部设有多个检测点13，在各检测点13处分别设有温度传感器。其中，检测点13在检测区11内的布置形式和布置数量，可以根据具体实验目的和实验经费而定。检测点13在检测区11内设置越密集，则实验精度越高，实验费用也越高。
50.在本实用新型的一些实施例中，测压口7和危险源进水口8均设置于沙槽1的前侧壁底部，且危险源进水口8设置于沙槽1的前侧壁的中间位置处，将多个测压口7分为两部分，将这两部分测压口7分别设置于危险源进水口8的左右两侧。
51.在本实用新型的进一步实施例中，在含水层供水箱5的外侧壁上部设有第一溢流槽14，含水层供水箱5的底部设有第一排泄孔，第一排泄孔与第一溢流槽14相连通。通过设置第一溢流槽14，能够对含水层供水箱5的内部压力进行控制。
52.在本实用新型的进一步实施例中，在含水层排水箱6的外侧壁上部设有第二溢流槽15，含水层排水箱6的底部设有第二排泄孔，第二排泄孔与第二溢流槽15相连通。通过设置第二溢流槽15，能够对含水层排水箱6的内部压力进行控制。
53.在本实用新型的进一步实施例中，在含水层排水箱6的外侧壁上部还设有第三溢流槽16，其中危险源进水口8和危险源供水箱10之间通过第三溢流槽16相连通。也即，危险源供水箱10与第三溢流槽16之间通过第一连接管路19相连，第三溢流槽16与危险源进水口8之间通过第二连接管路21相连。危险源供水箱10中的水先进入第三溢流槽16，然后再由第三溢流槽16流出并经过危险源进水口8进入沙槽1的内部。通过设置第三溢流槽16，能够对危险源供水箱10的内部压力进行控制。
54.在本实用新型的进一步实施例中，在各测压口7处分别连接有放水管17，在放水管17上设有放水阀门18。通过控制放水阀门18，能够进行取水样操作。
55.在本实用新型的具体实施例中，含水层供水箱5和危险源供水箱10均采用恒温水箱，从而能够向沙槽1的内部提供恒温、恒浓度水头。
56.通过本实用新型实施例的矿井隐蔽水害危险源效应实验系统，能够进行如下实验操作。
57.实验一，在含水层202的检测区11设置导水陷落柱，进行导水陷落柱位于检测区的效应检测实验。
58.实验二，在含水层202的非检测区12设置导水陷落柱，进行导水陷落柱位于非检测区的效应模拟实验。
59.实验三，在含水层202的检测区11设置导水断层，进行导水断层位于检测区的效应模拟实验。
60.实验四，在含水层202的非检测区12设置导水断层，进行导水断层位于非检测区的效应检测实验。
61.其中，实验一需要在含水层202的检测区11设置柱状恒定水头、恒定温度和恒定浓度补给源，用以模拟导水陷落柱危险源在煤层底板灰岩含水层中的水头、水温和浓度效应。具体可以采用直径为10cm的直立并贯穿于含水层202内的粒径为2～3mm的砂砾柱代替直径
为15m的导水陷落柱，导水陷落柱的中心坐标为x＝110.00cm，y＝40.00cm。含水层进水口的水头恒定为25cm(高于含水层定界面)，温度恒定为8.2℃～8.5℃，cl离子浓度恒定为4.50～4.80mg/l。含水层出水口的水头恒定为10cm，导水陷落柱的供水水头恒定为h1＝30cm，h2＝40cm；离子cl浓度恒定为260mg/l，温度恒定为39.8～40.3℃。
62.其中，实验二需要在含水层202的非检测区12设置柱状恒定水头、恒定温度和恒定浓度补给源，用以模拟检测区外的导水陷落柱危险源效应检测模拟实验，其中导水陷落柱的坐标为x＝110.00cm，y＝115.50cm。实验二的其他条件与实验一相同。
63.其中，实验三需要在含水层202的检测区11设置导水断层，用以模拟导水断层危险源在煤层底板灰岩含水层中的水头、水温和浓度效应。其中，导水断层位于检测区11中间，导水断层的坐标为x＝119～122cm，y＞0。以直立并贯穿于含水层的粒径为2～3mm的砂砾墙作为导水断层。实验三的其他条件与实验一相同。
64.其中，实验四需要在含水层202的非检测区12设置导水断层，用以模拟检测区外的导水断层危险源效应检测模拟实验。其中，导水断层的坐标为x＝119～122cm，y＞100cm。
65.采用本实用新型实施例的矿井隐蔽水害危险源效应实验系统进行实验时，含水层202的进口水头由第一溢流槽14控制，含水层202的出口水头由第二溢流槽15控制，进口水头和出口水头的误差均小于1mm。含水层202的温度和离子浓度为已知，其中温度变化量小于0.5℃，离子浓度变化量小于1mg/l。
66.危险源水头由第三溢流槽16控制，误差小于1mm，危险源的水头要显著大于含水层202的水头，以符合实际情况，并能体现危险源的水头效应。危险源水温由危险源供水箱10控制，误差小于0.5℃，危险源的水温要显著高于含水层202的水温，以符合实际情况，并体现温度效应。危险源的离子浓度由电子秤和电子天平做定量工具,配制成稳定的浓度，误差要小于1mg/l，危险源的离子浓度要显著高于含水层202的离子浓度，以符合实际情况，并体现温度效应。
67.含水层202的各检测点的水头压力采用各测压管9进行显示，通过摄像头能够监测各测压管9的检测数据，截屏照片根据背板刻度读出，以达到读数同时的目的，可以确保测量精度毫米级。其中摄像头的截屏采样频率可根据实际需求而定。
68.含水层202的各检测点的水温通过各温度传感器进行检测，检测数据通过温度传感器线缆传输至数据采集仪进行数据的采集和记录，其中数据采集仪的采样频率根据实际需求而定。
69.含水层202的各检测点的离子类型和浓度可以通过离子敏传感器进行检测，采样方法是在各检测点分别安装水龙头放水采样，采样时间为每次实验结束前。为了不影响渗流场，实验中间尽量不采样。
70.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。