矿山开采沉陷条件下非饱和带水分试验装置的制造方法
【专利摘要】矿山开采沉陷条件下非饱和带水分试验装置，至少包括板房、张力计装置、观测装置、软管；所述的张力计装置包括聚碳酸酯管、陶土头、软木塞，在试验场地设置若干排列组合张力计装置，使张力计装置插入土的深度依此递增或递减，以测量不同深度处的非饱和带基质势，并转化为非饱和带体积含水率。与现有技术相比，有益效果是：它采用与野外原位试验相结合的测量方法，避免如降水入渗、蒸发的影响下，仅仅考虑矿山开采沉陷条件下的非饱和带体积含水率变化，为矿山开采沉陷区土地复垦奠定了试验基础。
【专利说明】
矿山开采沉陷条件下非饱和带水分试验装置
技术领域
[0001] 本实用新型为一种在不考虑大气降水入渗与蒸发条件下，仅考虑矿山开采沉陷过 程中造成非饱和带结构破坏而导致其水分垂向变化的试验装置，它属于地下水科学与工程
技术领域。
【背景技术】
[0002] 我国矿山在开采过程中，因下部采空区导致上覆岩层破坏而形成的"跨落带、裂缝 带、弯曲带"（简称"Ξ带"），其中第四系松散层非饱和带发生整体弯曲造成其内部结构变 化，不仅引起±壤物理性质的改变，同时也使其内部水分随时间发生变化，直接影响地表农 作物根系的生长。因此，观测该条件下的非饱和带水分变化规律对于矿区农业复星具有十 分重要现实意义。
[0003] 为此，在正在沉陷的区域内，建立试验场，采用直接或间接测量方法，获得含水率。 为尽可能的消除沉陷过程中非饱和带结构的变化对仪器的干扰，采用一种间接测量的装 置，即在沉陷范围内，将张力计的陶±头一端直接插入不同深度的沉陷非饱和带内，通过观 测其基质势随时间的变化，然后利用不同阶段沉陷标定±壤±-水特征曲线（即"PF"曲线）， 换算成对应水分随时空间的变化。
【发明内容】
[0004] 由于不同于常规±壤水分观测，本实用新型针对矿山开采沉陷条件下的不同深度 与结构的非饱和带水分变化问题，因而，在选择测试装置时，既考虑试验场±壤质地条件， 又要考虑到沉陷对非饱和带±壤结构破坏造成其水分影响。
[0005] 为解决上述所提出问题，本实用新型针对沉陷条件下非饱和带水分试验所采取的 装置方案为：
[0006] 矿山沉陷条件下非饱和带水分试验装置，包括板房、张力计装置、观测装置、软管， 所述的张力计装置包括聚碳酸醋管、陶±头、软木塞，所述的聚碳酸醋管两端开口，一端固 定有陶±头，另一端用带孔的软木塞堵上;所述的观测装置包括带标尺的塑料板、玻璃管、 小玻杯、水银;所述的小玻杯固定在带标尺的塑料板底部，且其内部装有一定量的水银;所 述的玻璃管固定在带标尺的塑料板上，且一端伸入小玻杯中的水银面下;所述的软管，一端 穿过软木塞中间的孔伸入聚碳酸醋管中，另一端连接至观测装置上的玻璃管顶端，连接接 口处均用凡±林封口；
[0007] 本实用新型提供的矿山开采沉陷条件下非饱和带水分试验装置，与现有技术相 比，有益效果是：它采用与野外原位试验相结合的测量方法，避免如大气降水入渗、蒸发的 影响下，仅仅考虑矿山开采沉陷条件下的非饱和带上壤体积含水率变化，为矿山开采沉陷 区±地复星奠定了试验基础。
【附图说明】
[0008] 图1本发明一典型实施案例中现场布置示意图；
[0009] 图2张力计装置入±深度示意图；
[0010] 图3张力计装置与观测装置结构示意图；
[0011 ] 图4化η Genuchten模型公式拟合曲线图；
[001 ^ 图中：1-板房；2-张力计装置;3-观现蝶置;4-软管；201-聚碳酸醋管；202-陶±头； 203-软木塞;301-固定槽;302-带标尺的塑料板;303-玻璃管;304-小玻杯;305-水银。
【具体实施方式】
[0013] W下结合具体实例，对本实用新型做详细具体说明。
[0014] 矿山沉陷条件下非饱和带水分试验装置，包括板房1、张力计装置2、观测装置3、软 管4,所述的张力计装置2包括聚碳酸醋管201、陶±头202、软木塞203，所述的聚碳酸醋管 201两端开口，一端固定有陶±头202,另一端与带孔的软木塞203堵上;所述的观测装置3包 括带标尺的塑料板302、玻璃管303、小玻杯304、水银305;所述的小玻杯304固定在带标尺的 塑料板302底部，且其内部装有一定量的水银305;所述的玻璃管303固定在带标尺的塑料板 302上，且一端伸入小玻杯304中的水银305面下;所述的软管4,一端穿过软木塞203中间的 孔伸入聚碳酸醋管201中，另一端连接至观测装置3上的玻璃管303顶端，连接接口处均用凡 i林封口；
[0015] 所述的板房1内，根据试验设计要求，可设置若干个排列组合的张力计装置2,观测 装置3尽可能与水银张力计装置2测试点就近相连，避免因软管4太长而影响观测精度，观测 装置3顶端有两个固定槽301，利用铁钉固定在板房1上。
[0016] 为解决上述所提出问题，本实用新型所采取观测方法为：
[0017] 1)根据试验要求，选取正在开采条件下的沉陷区，并依据观测范围，设计板房1的 尺寸、观测点的间距，确定张力计装置2数量与陶±头的埋深。
[0018] 2)平整观测场地、安装张力计装置2、再安装板房1的顺序进行施工，板房1施工完 毕，安装观测装置3并利用软管4连接张力计装置2,完成张力计装置2的施工；
[0019] 3)同时考虑到地下水位的变化，在研究区范围内，安装两个地下水位观测孔W及 一个大气降水和蒸发皿等影响其水分变化的控制装置，安装张力计装置2和观测装置3之 后，在利用软管4将两者连接起来；
[0020] 4)同时在试验场内，用钻机对非饱和带取忍，利用环刀按照张力计装置2埋藏的不 同深度，对应取样品；
[0021] 5)将步骤Ξ提取出的非饱和带环刀样品进行室内试验，利用压力膜仪测定非饱和 带环刀样品在不同体积含水率（Θ)条件下对应的基质吸力值化），绘制不同样品Θ和h曲线， 即"PF"曲线，利用±-水特征曲线Van Genuchten模型来拟合试验测得的数据，求出公式中 的相关参数a、m、η，其中化η Genuchten模型公式如下所示：
[0022]
(3)
[0023] 式中：Θ为上样体积含水率；
[0024] h±样吸力值；
[00巧]目3为±样饱和含水率；
[0026] θτ为上样残余含水率；
[0027] a、m=l-l/n、n 模型参数值。
[0028] 6)根据矿山沉陷情况，定期观测并记录观测装置3中水银柱上升高度读数hi,并按 照公式(2)，计算得到不同位置和不同深度处非饱和带±壤基质吸力值(转化为水柱高度h 表示），再将得到的水银柱高度值利用公式（1)求得该深度处非饱和带±壤体积含水率。如 图3所示，形象的展现了 hl、h2、h3所代表的高度。
[0029] h = hi XPh-化i+h2+h3) XPw (4)
[0030] 式中：h为某一测点±壤吸力值(cm);
[0031 ] hi为某一测点玻璃管中水银柱上升高度山111);
[0032] h2为某一测点水银面与地面的距离km);
[0033] h3为某一测点陶±头中屯、至地面的距离km);
[0034] 化为某一测点水银的密度，13.6g/cm3;
[0035] Pw为某一测点水的密度，lg/cm3。
[0036] 进一步地，在步骤二中，在埋设张力计装置2前，试验场地施工的预埋直立孔径大 小应与带陶±头202的聚碳酸醋管201直径相同，并在聚碳酸醋管201与±壤之间灌入泥浆， 将管壁与±壤禪合；
[0037] 待张力计装置中的陶±头与非饱和带±壤水接触达到水力平衡后(常需要几天时 间），向聚碳酸醋管201中倒入无气泡的冷开水直至溢出管口为止，在观测装置3中的小玻杯 304内注入一定量的水银305,其后在水银305面上加入l-2cm的水柱，同时利用注射器将软 管4和玻璃管303内注满冷开水，并将软管4和软木塞203堵住聚碳酸醋201管口，各接口处均 用凡：t林密封。
[003引实施例1:
[0039] 1)如图1所示为一典型实施案例中板房1内部现场布置情况，根据试验要求，选取 正在开采条件下的沉陷区，设计板房1尺寸为长6m、宽2m、高2m;如图2所示，张力计装置2数 量为12个，其间距为0.35m，张力计装置2深度从左向右依次为：2m、1.8m、1.6m、1.4m、1.2m、 1.Om、0.8m、0.6m、0.4m、0.2m、0.3m、0.Im。
[0040] 2)平整观测场地，如图2所示，设计两排张力计装置2,其深度依次相反。安装板房 1、张力计装置2、观测装置3。
[0041] 3)并且安装两个地下水位观测孔W及一个大气降水和蒸发皿等影响其水分变化 的控制装置。
[0042] 4)用钻机对非饱和带取忍，利用环刀按照张力计装置2埋藏的不同深度，对应取样 品。
[0043] 5)将步骤Ξ提取出的非饱和带环刀样品进行室内试验，利用压力膜仪测定非饱和 带环刀样品在不同体积含水率(Θ)条件下对应的基质吸力值化），绘制不同样品Θ和h曲线， 即"PF"曲线。由于试验测点较多，因此本实施例仅列举其中某一测点处的非饱和带体积含 水率(Θ)条件下对应的基质吸力值化），具体数据如下表所示：
[0044]
[0045] 利用±-水特征曲线Van Genuchten模型来拟合试验测得的数据，编程求出公式中 的相关参数a、m、n，如图4所示为实测数据与拟合曲线图，拟合后曲线公式为：
[0046]
(5)
[0047] 6)根据矿山沉陷情况，记录下某一时刻该测点处观测装置3中水银柱上升高度读 数hi = 10.6cm，该测点水银面与地面的距离h2 = 50.8cm;该测点陶±头中屯、至地面的距离h3 = 50cm，并按照公式(2)，计算得到该时刻下、该测点非饱和带±壤基质吸力值为：
[004引 h = 10.6X13.6-(10.6 巧 0.8+50)Xl = 32.76cm (6)
[0049] 再将得到的水银柱高度值h = 32.76cm，代入公式巧）中求得该时刻下、该测点非饱 和带±壤体积含水率Θ = 41.51 %。
[0050] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.矿山开采沉陷条件下非饱和带水分试验装置，其特征是:矿山沉陷条件下非饱和带 水分测试装置，包括板房、张力计装置、观测装置、软管，所述的张力计装置包括聚碳酸酯 管、陶土头、软木塞，所述的聚碳酸酯管两端开口，一端固定有陶土头，另一端用带孔的软木 塞堵上;所述的观测装置包括带标尺的塑料板、玻璃管、小玻杯、水银;所述的小玻杯固定在 带标尺的塑料板底部，且其内部装有一定量的水银;所述的玻璃管固定在带标尺的塑料板 上，且一端伸入小玻杯中的水银面下;所述的软管，一端穿过软木塞中间的孔伸入聚碳酸酯 管中，另一端连接至观测装置上的玻璃管顶端，连接接口处均用凡士林封口。
【文档编号】G01N33/24GK205620410SQ201620387162
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】汪迁迁, 许光泉, 马志尚, 黎志豪, 姚庆健, 高加林
【申请人】安徽理工大学