一种矿井水回注模拟实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及矿井水处理技术领域，尤其涉及一种矿井水回注模拟实验装置。


背景技术：

2.目前，在矿井水向地层回注工程中，为了了解矿区周围地层的可注性及储层的分布范围，确定回注选址的正确位置，防止出现矿井水无法回注及回注量过小等风险，通常需要施作一个或多个试验孔，以进行回注试验。
3.然而，在实际钻孔的过程中，对于一般深部地层而言，试验孔的钻进深度通常达到千米以上，从而一口实验井的施工成本达到上十万元，需耗费巨大的人力物力。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种矿井水回注模拟实验装置，用以解决现有的矿井水回注工程需要钻进较深的试验孔，存在施工成本高的问题。
5.本实用新型提供一种矿井水回注模拟实验装置，包括：回注箱、施压装置及注水装置；所述回注箱内设有模拟土样层，所述模拟土样层用于模拟待回注的矿区的岩层分布；所述施压装置包括施力组件，所述施力组件沿所述回注箱的周向排布，并朝向所述回注箱的内侧向所述回注箱的箱壁施压；所述注水装置包括蓄水装置、水泵及注水管；所述水泵的进水侧与所述蓄水装置连通，所述水泵的出水侧与所述注水管的一端连通，所述注水管的另一端伸入至所述模拟土样层内。
6.根据本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，所述模拟土样层包括地层与储水层；所述地层设于所述储水层的上侧；所述注水管的另一端穿过所述地层，并伸入至所述储水层。
7.根据本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，所述模拟土样层还包括第一隔水层与第二隔水层；所述第一隔水层设于所述地层与所述储水层之间；所述第二隔水层设于所述储水层与所述回注箱的箱底之间；所述注水管的另一端依次穿过所述地层与所述第一隔水层，并伸入至所述储水层。
8.根据本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，还包括：第一抽屉、第二抽屉及第三抽屉；所述回注箱其中一侧的箱壁上依次设有第一抽屉口、第二抽屉口及第三抽屉口；所述第一抽屉口、所述第二抽屉口及所述第三抽屉口依次与所述第一隔水层、所述储水层及所述第二隔水层一一相对设置；所述第一隔水层设于所述第一抽屉内，所述第一抽屉可移动地插装于所述第一抽屉口；所述储水层设于所述第二抽屉内，所述第二抽屉可移动地插装于所述第二抽屉口；所述第二隔水层设于所述第三抽屉内，所述第三抽屉可移动地插装于所述第三抽屉口；所述注水管的另一端依次穿过所述地层、所述第一隔水层及所述第一抽屉，并伸入至所述储水层。
9.根据本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，所述地层包括多个岩性层，所述多个岩性层从上往下依次排列；至少有两个所述岩性层的岩性不相同；所述储水层
包括粗砂岩及砂砾岩当中的至少一种；所述第一隔水层及所述第二隔水层均包括泥岩、粉砂岩及细砂岩当中的任一种，或者，所述第一隔水层及所述第二隔水层均包括泥岩、粉砂岩及细砂岩当中的任意两种的组合。
10.根据本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，所述回注箱呈立方体；所述施力组件包括：第一施力件、第二施力件、第三施力件及第四施力件；所述第一施力件的施力端、所述第二施力件的施力端、所述第三施力件的施力端及所述第四施力件的施力端一一对应的伸向所述回注箱的四侧的箱壁。
11.根据本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，所述施压装置还包括：施力平台；所述回注箱放置于所述施力平台上，所述回注箱的箱底与所述施力平台接触；所述施力平台用于向所述回注箱的箱底竖直朝上施压。
12.根据本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，还包括：保护套管：所述保护套管套设于所述注水管的外侧；所述注水管的一端与所述保护套管的一端之间装有封堵头；所述保护套管的另一端伸入至所述模拟土样层内。
13.根据本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，所述注水管为聚丙烯塑料管或聚氯乙烯塑料管；所述保护套管包括柔性套管与金属套管；所述柔性套管套设于所述金属套管的外侧，所述金属套管套设于所述注水管的外侧。
14.根据本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，所述注水装置还包括调压阀、流量计及压力传感器；所述调压阀、所述流量计及所述压力传感器依次设于所述水泵至所述注水管之间的管路上。
15.本实用新型提供的一种矿井水回注模拟实验装置，通过设置回注箱、施压装置及注水装置，并在回注箱内设置模拟土样层，在一方面，可通过模拟土样层模拟待回注的矿区的岩层分布，在另一方面，通过施压装置的施力组件沿回注箱的周向对其箱壁施压，可真实地模拟回注箱所在区域的模拟土样层的受力分布，这使得模拟土样层的岩层分布及受力分布特性接近于待回注的矿区的岩层，如此，便于通过注水装置向模拟土样层内注水的方式，进行矿井水回注实验的研究。
16.由此，本实用新型基于对矿井水回注的实验模拟，有利于节省矿井水回注工程钻探的成本，可确定回注选址的正确位置，降低矿井水无法回注、回注量过小等风险，可为矿井水回注提供压力等数据支撑，提高工程效率。由于本实用新型可根据不同矿区地层情况调整岩性及压力，从而可应用于不同矿区的矿井水回注研究，具有普遍的适用性。
附图说明
17.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。
18.图1是本实用新型提供的矿井水回注模拟实验装置的结构示意图；
19.附图标记：
20.1：回注箱；
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2：施压装置；
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3：注水装置；
21.4：模拟土样层；
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5：保护套管；
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21：施力组件；
22.22：施力平台；
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31：蓄水装置；
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32：水泵；
23.33：调压阀；
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34：流量计；
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35：压力传感器；
24.36：注水管；
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41：地层；
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42：第一隔水层；
25.43：储水层；
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44：第二隔水层；
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51：柔性套管；
26.52：金属套管；
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6：封堵头。
具体实施方式
27.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.下面结合图1描述本实用新型的一种矿井水回注模拟实验装置。
29.如图1所示，本实施例提供一种矿井水回注模拟实验装置，包括：回注箱1、施压装置2及注水装置3；回注箱1内设有模拟土样层4，模拟土样层4用于模拟待回注的矿区的岩层分布；施压装置2包括施力组件21，施力组件21沿回注箱1的周向排布，并朝向回注箱1的内侧向回注箱1的箱壁施压；注水装置3包括蓄水装置31、水泵32及注水管36；水泵32的进水侧与蓄水装置31连通，水泵32的出水侧与注水管36的一端连通，注水管36的另一端伸入至模拟土样层4内。
30.具体地，本实施例通过设置回注箱1、施压装置2及注水装置3，并在回注箱1内设置模拟土样层4，在一方面，可通过模拟土样层4模拟待回注的矿区的岩层分布，在另一方面，通过施压装置2的施力组件21沿回注箱1的周向对其箱壁施压，可真实地模拟回注箱1所在区域的模拟土样层4的受力分布，这使得模拟土样层4的岩层分布及受力分布特性接近于待回注的矿区的岩层，如此，便于通过注水装置3向模拟土样层4内注水的方式，进行矿井水回注实验的研究。
31.由此，本实施例所示的装置基于对矿井水回注的实验模拟，有利于节省矿井水回注工程钻探的成本，可确定回注选址的正确位置，降低矿井水无法回注、回注量过小等风险，可为矿井水回注提供压力等数据支撑，提高工程效率。由于实施例可根据不同矿区地层41情况调整岩性及压力，从而可应用于不同矿区的矿井水回注研究，具有普遍的适用性。
32.在此应指出的是，本实施例所示的回注箱1既可以呈圆柱状，又可以呈立方体状，在此不做具体限定。其中，为了便于对回注箱1的内侧施压，本实施例可具体将回注箱1设计为立方体状，且回注箱1进一步可设计为长宽高均为2m的立方体。
33.与此同时，本实施例所示的蓄水装置31具体可以为水槽，水槽可设置多个，多个水槽的容量各不相同。在实际模拟实验中，可根据需求选择相应容量的水槽。
34.如图1所示，为了较好地模拟待回注的矿区的岩层分布，通过实验模拟的方式确定矿井水回注的压力及深度，本实施例可根据待回注的矿区的岩层分布，将模拟土样层4设计为地层41与储水层43；地层41设于储水层43的上侧；注水管36的另一端穿过地层41，并伸入至储水层43。
35.进一步地，本实施例所示的模拟土样层4还包括第一隔水层42与第二隔水层44；第
一隔水层42设于地层41与储水层43之间；第二隔水层44设于储水层43与回注箱1的箱底之间；注水管36的另一端依次穿过地层41与第一隔水层42，并伸入至储水层43。
36.其中，本实施例所示的地层41包括多个岩性层，多个岩性层从上往下依次排列；至少有两个岩性层的岩性不相同。在此应指出的是，本实施例所示的岩性层的组成结构既可以为泥岩、粉砂岩及细砂岩当中的任一种，又可以为粗砂岩或砂砾岩，对此不作具体限定。在实际模拟实验中，可根据待回注的矿区的岩层分布，对地层41对应的各个岩性层的分布进行调整。
37.与此同时，本实施例所示的储水层43包括粗砂岩及砂砾岩当中的至少一种；第一隔水层42及第二隔水层44均包括泥岩、粉砂岩及细砂岩当中的任一种，或者，第一隔水层42及第二隔水层44均包括泥岩、粉砂岩及细砂岩当中的任意两种的组合。
38.另外，为了实现对待回注的矿区的岩层分布的真实模拟，本实施例还可在第二隔水层44与回注箱1的箱底之间设置地层，该地层的具体结构形式可参照第一隔水层42上层的地层41的设置，并根据矿区实际的岩性的分布进行调整。
39.进一步地，为了便于根据实际需求，在实验现场及时有效地更换不同岩性的第一隔水层42、储水层43及第二隔水层44，本实施例还设有第一抽屉、第二抽屉及第三抽屉。其中，第一抽屉、第二抽屉及第三抽屉在图1中未具体示意出。
40.对此，本实施例在回注箱1其中一侧的箱壁上依次设有第一抽屉口、第二抽屉口及第三抽屉口；第一抽屉口、第二抽屉口及第三抽屉口依次与第一隔水层42、储水层43及第二隔水层44一一相对设置；第一隔水层42设于第一抽屉内，第一抽屉可移动地插装于第一抽屉口；储水层43设于第二抽屉内，第二抽屉可移动地插装于第二抽屉口；第二隔水层44设于第三抽屉内，第三抽屉可移动地插装于第三抽屉口；注水管36的另一端依次穿过地层41、第一隔水层42及第一抽屉，并伸入至储水层43。
41.显然，本实施例在对第一隔水层42、储水层43及第二隔水层44进行更换时，只需根据实际需求，在第一抽屉、第二抽屉或第三抽屉内更换对应的岩性的岩石即可。
42.在此应指出的是，为了确保模拟土样层4内回注的水在不同的岩层之间渗透，本实施例所示的第一抽屉、第二抽屉及第三抽屉均设计为丝网结构。
43.进一步地，本实施例所示的回注箱1呈立方体；施力组件21包括：第一施力件、第二施力件、第三施力件及第四施力件；第一施力件的施力端、第二施力件的施力端、第三施力件的施力端及第四施力件的施力端一一对应的伸向回注箱1的四侧的箱壁。
44.如图1所示，本实施例所示的第一施力件与第二施力件相对设于回注箱1的左、右两侧，第一施力件用于向回注箱1的左侧箱壁施加朝向右侧的水平作用力f2，第二施力件用于向回注箱1的右侧箱壁施加朝向左侧的水平作用力f3。第三施力件与第四施力件相对设于回注箱1的前、后两侧，第三施力件用于向回注箱1的前侧箱壁施加朝向后侧的水平作用力，第四施力件用于向回注箱1的后侧箱壁施加朝向前侧的水平作用力。其中，第三施力件与第四施力件在图1中未具体示意出。
45.在此应指出的是，本实施例所示的第一施力件、第二施力件、第三施力件及第四施力件均可以为本领域所公知的气缸或液压缸，在此不做具体限定。
46.进一步地，本实施例所示的施压装置2还包括施力平台22；回注箱1放置于施力平台22上，回注箱1的箱底与施力平台22接触；施力平台22用于向回注箱1的箱底竖直朝上施
压。其中，本实施例所示的施力平台22用于承托回注箱1，并向回注箱1施加竖直朝上的作用力f1。
47.进一步地，为了对注水管36进行有效防护，本实施例在进行岩层的模拟回注时还设有保护套管5：保护套管5套设于注水管36的外侧；注水管36的一端与保护套管5的一端之间装有封堵头6；保护套管5的另一端伸入至模拟土样层4内。
48.具体地，本实施例所示的注水管36的另一端伸出保护套管5的另一端。本实施例所示的注水管36具体为聚丙烯塑料管或聚氯乙烯塑料管。
49.本实施例所示的保护套管5包括柔性套管51与金属套管52，其中，柔性套管51具体可以为橡胶管，金属套管52具体可以为钢管；柔性套管51套设于金属套管52的外侧，金属套管52套设于注水管36的外侧。
50.如此，本实施例在确保保护套管5的刚性的同时，还实现了保护套管5的轻量化设计。本实施例将柔性套管51套设于金属套管52的外侧，有利于对金属套管52进行防腐保护。
51.进一步地，为了较为准确地研究矿井水的回注特性，本实施例所示的注水装置3还设有调压阀33、流量计34及压力传感器35；调压阀33、流量计34及压力传感器35依次设于水泵32至注水管36之间的管路上。
52.其中，本实施例所示的水泵32泵出侧输出的水压范围可设计为1mpa～20mpa。本实施例所示的调压阀33用于对水泵32的泵出侧的水压进行调节，流量计34用于实时监测水泵32的泵出侧的出水流量，压力传感器35用于实时监测水泵32的泵出侧的管路上的水压。
53.由上可知，本实施例可在矿井水回注工程施工前进行实验来获取参数，为矿井水回注工程提供参数依据，在为加快工程施工进度提供技术保障的同时，还能够节约施工试钻成本。
54.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。