本發(fā)明涉及一種模擬礦山建設(shè)和地下開采以及隧道施工過程等領(lǐng)域所遇到巖溶管道突水機(jī)理形成如何形成問題，為分析巖溶地區(qū)的陷落柱存在與否，及分布規(guī)律提供一個(gè)重要的機(jī)理研究平臺(tái)，也為后期巖溶陷落柱的注漿治理提供參考依據(jù)。

背景技術(shù)：

我國(guó)華北煤田巖溶陷落柱，發(fā)育于煤系地層之下或之中，形如柱體的導(dǎo)水通道，其成因目前認(rèn)為是地質(zhì)歷時(shí)時(shí)期由地下水流和構(gòu)造地質(zhì)共同作用下，從奧陶系或寒武系巖溶含水層內(nèi)向上發(fā)育的柱體空腔，形成于晚古生代和中生代，在華北煤田普遍發(fā)育，它是華北煤田煤炭開采過程中突水致災(zāi)的重要因子。

關(guān)于巖溶陷落柱成因，有“膏溶塌陷說”、“循環(huán)塌陷說”、“重力塌陷說”、“真空吸蝕塌陷說”等，目前均處在探索階段。利用巖溶陷落柱演化過程試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，研究華北地區(qū)巖溶陷落柱演化過程，是解決其成因問題和巖溶預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要手段之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于為研究我國(guó)華北煤田巖溶陷落柱演化過程提供一個(gè)重要的試驗(yàn)手段，它能夠更加真實(shí)模擬在地下水流作用下巖溶陷落柱的形成及演化過程，通過控制進(jìn)出流量和水壓，監(jiān)測(cè)陷落柱演化模擬裝置內(nèi)地下水流速、流量變化過程，再現(xiàn)巖溶陷落柱如何從巖溶地層進(jìn)入上覆煤(巖)層形成過程。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，其特征在于：至少包括陷落柱演化模擬裝置、地層傾角控制裝置、邊界水頭控制裝置、水循環(huán)裝置和水壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置等，所述的陷落柱演化模擬裝置主要由模擬槽、上部承壓蓋板、水管一、水管二和三通管組成，所述的模擬槽的里面裝有左濾板、右濾板、陷落柱模型、細(xì)食鹽、松散顆粒、相似材料和用于監(jiān)測(cè)水壓的空心銅管、海綿罩，所述的模擬槽的背面設(shè)有水壓監(jiān)測(cè)孔，所述的模擬槽的上面通過密封圈、上部承壓蓋板和螺栓使模擬槽密封，所述的模擬槽的左側(cè)底端設(shè)置有水管一，所述的水管一上安裝有進(jìn)水閥門和進(jìn)水流量計(jì)，所述的模擬槽的右側(cè)底端安裝有水管二，所述的水二管上設(shè)置有出水流量計(jì)、出水閥門，所述的水管二最右端和三通管連接；所述的地層傾角控制裝置主要包括承重板、液壓支架、電機(jī)、固定支架和底座，所述的承重板四周設(shè)有固定圍欄，所述的承重板和固定圍欄用來固定上面放置的模擬槽，所述的電機(jī)用來驅(qū)動(dòng)液壓支架的伸縮來改變承重板的傾角；所述的邊界水頭控制裝置包括進(jìn)水箱、出水箱、鋼絲繩和滑輪，所述的進(jìn)水箱、出水箱均由鋼絲繩和滑輪控制其水頭高度，所述的進(jìn)水箱底部的出水口通過進(jìn)水管一與模擬槽的左側(cè)底端水管一相連，所述的進(jìn)水箱底部的排水口通過回水管一將水回流至蓄水池中，所述的出水箱底部的進(jìn)水口通過進(jìn)水管二與三通管上端相連，所述的進(jìn)水管二上面設(shè)置有上水閥門，所述的三通管下端與排水管相連，所述的排水管上面設(shè)置有排水閥門，所述的出水箱底部的排水口通過回水管二將溢流出來的水和攜帶的沖刷物帶到沉淀池中；所述的水循環(huán)裝置主要包括沉淀池、過濾網(wǎng)、總回水管、蓄水池、潛水泵，所述的沉淀池中部下設(shè)置有3層過濾網(wǎng)，所述的沉淀池左側(cè)上方通過總回水管與蓄水池右側(cè)上方相連，所述的蓄水池中的潛水泵通過抽水管與進(jìn)水箱底部的進(jìn)水口相連；所述的水壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置主要包括空心銅管、水壓傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集線、數(shù)據(jù)采集箱和電腦，所述的空心銅管穿過模擬槽后壁上的水壓監(jiān)測(cè)孔與外部皮軟管一端相連，所述的皮軟管的另一端與水壓傳感器探頭相連，所述的皮軟管的兩端連接處均用細(xì)鐵絲綁扎，所述的水壓傳感器探頭通過數(shù)據(jù)采集線與數(shù)據(jù)采集箱相連，所述的數(shù)據(jù)采集箱通過數(shù)據(jù)輸出線將采集的數(shù)據(jù)傳送到電腦系統(tǒng)中。

上述華北煤田巖溶陷落柱演化過程試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，其特征在于：所述的模擬槽的長(zhǎng)為2.0～2.6m，所述的模擬槽的高為1.2～1.5m，所述的模擬槽的寬為0.6～1.0m；所述的陷落柱模型是由孔徑15mm金屬絲網(wǎng)制成，所述的陷落柱模型上部和下部均開口且全斷面導(dǎo)水，所述的陷落柱的角度、形狀和大小依據(jù)工程背景設(shè)計(jì)；所述的陷落柱模型置于模擬槽的底部中間位置，所述的陷落柱模型內(nèi)部充填細(xì)食鹽，所述的陷落柱模型外部裝填松散顆粒，所述的松散顆粒的高度與陷落柱模型頂部齊平，所述的陷落柱模型上部鋪設(shè)相似材料，所述的相似材料成層狀分布。

上述的華北煤田巖溶陷落柱演化過程試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，其特征在于：所述的空心銅管端頭位于模擬槽中試驗(yàn)設(shè)計(jì)位置且有海綿罩保護(hù)，所述的空心銅管末端穿過模擬槽后壁上的水壓監(jiān)測(cè)孔與外部皮軟管一端相連，所述的皮軟管的另一端與水壓傳感器探頭相連，所述的皮軟管兩端連接處的內(nèi)部均用硅膠密封，所述的皮軟管兩端連接處的外部均用細(xì)鐵絲綁扎，所述的空心銅管與模擬槽后壁上的水壓監(jiān)測(cè)孔接觸部位用硅膠和玻璃膠密封；所述的水壓監(jiān)測(cè)孔按非等距網(wǎng)格布置在模擬槽后壁上，所述的水壓監(jiān)測(cè)孔在陷落柱模型周邊加密布置，所述的水壓傳感器探頭的數(shù)量為36～48個(gè)。

上述的華北煤田巖溶陷落柱演化過程試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，其特征在于：所述的承重板上模擬槽的傾角通過液壓支架伸縮調(diào)整，所述的承重板傾角可調(diào)范圍為0～45°。

上述的華北煤田巖溶陷落柱演化過程試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，其特征在于：所述的進(jìn)水箱、出水箱的水頭高度均通過鋼絲繩、滑輪調(diào)控；所述的進(jìn)水流量計(jì)、出水流量計(jì)顯示數(shù)據(jù)的大小分別通過進(jìn)水閥門和出水閥門閉合程度調(diào)節(jié)。

發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下功能及優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明包括陷落柱演化模擬裝置、地層傾角控制裝置、邊界水頭控制裝置、控沙—水循環(huán)裝置和水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)方便。

2.采用本發(fā)明進(jìn)行陷落柱演化模擬時(shí)，操作方法及步驟簡(jiǎn)單，能夠清地觀察陷落柱演化過程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)陷落柱內(nèi)、外的水位變化。

3.利用本發(fā)明能夠成功的模擬不同傾角、不同大小和形狀的陷落柱的演化過程。

4.利用本發(fā)明能夠成功的模擬不同地層傾角、不同巖性組合特征對(duì)陷落柱形成及演化的影響。

5.利用本發(fā)明能夠成功的模擬不同水動(dòng)力條件下，陷落柱的演化過程及發(fā)育特征。

6.利用本發(fā)明能夠成功的模擬潛蝕作用和真空吸蝕作用下，陷落柱的形成及演化機(jī)理。

7.利用本發(fā)明能夠成功的研究陷落柱演化過程中，陷落柱柱體內(nèi)、外水流(流量、流速、水位)的時(shí)空變化特征。

附圖說明

圖1為巖溶陷落柱演化試驗(yàn)過程裝置系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為承重板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為水壓監(jiān)測(cè)孔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為水壓監(jiān)測(cè)孔在模擬槽背面的布設(shè)位置示意圖；

圖5為陷落柱模型及充填材料布置的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.模擬槽；2.左濾板；3.右濾板；4.水管一；5.進(jìn)水閥門；6.進(jìn)水流量計(jì)；7.水管二；8.出水流量計(jì)；9.出水閥門；10.密封圈；11.上部承壓蓋板；12.螺栓；13.陷落柱模型；14.細(xì)食鹽；15.松散顆粒；16.相似材料；17.承重板；18.固定圍欄；19.液壓支架；20.電機(jī)；21.固定支架；22.底座；23.進(jìn)水箱；24.出水箱；25.進(jìn)水管一；26.回水管一；27.鋼絲繩；28.滑輪；29.進(jìn)水管二；30.上水閥門；31.三通管；32.排水閥門；33.排水管；34.回水管二；35.沉淀池；36.過濾網(wǎng)；37.總回水管；38.蓄水池；39.潛水泵；40.抽水管；41.模擬槽后壁；42.水壓監(jiān)測(cè)孔；43.空心銅管；44.海綿罩；45.皮軟管；46.水壓傳感器探頭；47.數(shù)據(jù)采集線；48.細(xì)鐵絲；49.數(shù)據(jù)采集箱；50.數(shù)據(jù)輸出線；51.電腦。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明目的、技術(shù)方案、工作原理和優(yōu)點(diǎn)更加清晰，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1、圖2、圖4和圖5所示，本發(fā)明包括陷落柱演化模擬裝置、地層傾角控制裝置、邊界水頭控制裝置、水循環(huán)裝置和水壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置等，所述的陷落柱演化模擬裝置主要由模擬槽、上部承壓蓋板、水管一、水管二和三通管組成，所述的模擬槽的里面裝有左濾板、右濾板、陷落柱模型、細(xì)食鹽、松散顆粒、相似材料和用于監(jiān)測(cè)水壓的空心銅管、海綿罩，所述的模擬槽的背面設(shè)有水壓監(jiān)測(cè)孔，所述的模擬槽的上面通過密封圈、上部承壓蓋板和螺栓使模擬槽密封，所述的模擬槽的左側(cè)底端設(shè)置有水管一，所述的水管一上安裝有進(jìn)水閥門和進(jìn)水流量計(jì)，所述的模擬槽的右側(cè)底端安裝有水管二，所述的水二管上設(shè)置有出水流量計(jì)、出水閥門，所述的水管二最右端和三通管連接；所述的地層傾角控制裝置主要包括承重板、液壓支架、電機(jī)、固定支架和底座，所述的承重板四周設(shè)有固定圍欄，所述的承重板和固定圍欄用來固定上面放置的模擬槽，所述的電機(jī)用來驅(qū)動(dòng)液壓支架的伸縮來改變承重板的傾角；所述的邊界水頭控制裝置包括進(jìn)水箱、出水箱、鋼絲繩和滑輪，所述的進(jìn)水箱、出水箱均由鋼絲繩和滑輪控制其水頭高度，所述的進(jìn)水箱底部的出水口通過進(jìn)水管一與模擬槽的左側(cè)底端水管一相連，所述的進(jìn)水箱底部的排水口通過回水管一將水回流至蓄水池中，所述的出水箱底部的進(jìn)水口通過進(jìn)水管二與三通管上端相連，所述的進(jìn)水管二上面設(shè)置有上水閥門，所述的三通管下端與排水管相連，所述的排水管上面設(shè)置有排水閥門，所述的出水箱底部的排水口通過回水管二將溢流出來的水和攜帶的沖刷物帶到沉淀池中；所述的水循環(huán)裝置主要包括沉淀池、過濾網(wǎng)、總回水管、蓄水池、潛水泵，所述的沉淀池中部下設(shè)置有3層過濾網(wǎng)，所述的沉淀池左側(cè)上方通過總回水管與蓄水池右側(cè)上方相連，所述的蓄水池中的潛水泵通過抽水管與進(jìn)水箱底部的進(jìn)水口相連；所述的水壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置主要包括空心銅管、水壓傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集線、數(shù)據(jù)采集箱和電腦，所述的空心銅管穿過模擬槽后壁上的水壓監(jiān)測(cè)孔與外部皮軟管一端相連，所述的皮軟管的另一端與水壓傳感器探頭相連，所述的皮軟管的兩端連接處均用細(xì)鐵絲綁扎，所述的水壓傳感器探頭通過數(shù)據(jù)采集線與數(shù)據(jù)采集箱相連，所述的數(shù)據(jù)采集箱通過數(shù)據(jù)輸出線將采集的數(shù)據(jù)傳送到電腦系統(tǒng)中。

結(jié)合圖1、圖4，本實(shí)施例中，所述的模擬槽的長(zhǎng)為2.0～2.6m，所述的模擬槽的高為1.2～1.5m，所述的模擬槽的寬為0.6～1.0m；所述的陷落柱模型是由孔徑15mm金屬絲網(wǎng)制成，所述的陷落柱模型上部和下部均開口且全斷面導(dǎo)水，所述的陷落柱的角度、形狀和大小依據(jù)工程背景設(shè)計(jì)；所述的陷落柱模型置于模擬槽的底部中間位置，所述的陷落柱模型內(nèi)部充填細(xì)食鹽，所述的陷落柱模型外部裝填松散顆粒，所述的松散顆粒的高度與陷落柱模型頂部齊平，所述的陷落柱模型上部鋪設(shè)相似材料，所述的相似材料成層狀分布。

結(jié)合圖3，本實(shí)施例中，所述的空心銅管端頭位于模擬槽中試驗(yàn)設(shè)計(jì)位置且有海綿罩保護(hù)，所述的空心銅管末端穿過模擬槽后壁上的水壓監(jiān)測(cè)孔與外部皮軟管一端相連，所述的皮軟管的另一端與水壓傳感器探頭相連，所述的皮軟管兩端連接處的內(nèi)部均用硅膠密封，所述的皮軟管兩端連接處的外部均用細(xì)鐵絲綁扎，所述的空心銅管與模擬槽后壁上的水壓監(jiān)測(cè)孔接觸部位用硅膠和玻璃膠密封；所述的水壓監(jiān)測(cè)孔按非等距網(wǎng)格布置在模擬槽后壁上，所述的水壓監(jiān)測(cè)孔在陷落柱模型周邊加密布置，所述的水壓傳感器探頭的數(shù)量為36～48個(gè)。

結(jié)合圖1、圖2，本實(shí)施例中，所述的承重板上模擬槽的傾角通過液壓支架伸縮調(diào)整，所述的承重板傾角可調(diào)范圍為0～45°。

如圖1所示，所述的進(jìn)水箱、出水箱的水頭高度均通過鋼絲繩、滑輪調(diào)控；所述的進(jìn)水流量計(jì)、出水流量計(jì)顯示數(shù)據(jù)的大小分別通過進(jìn)水閥門和出水閥門閉合程度調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的工作原理及其試驗(yàn)過程

1.按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)組裝好陷落柱演化過程試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，包括陷落柱演化模擬裝置、地層傾角控制裝置、邊界水頭控制裝置、控沙—水循環(huán)裝置和水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，并使模擬槽(1)頂部密封、不透水，如圖1、圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，首先調(diào)整進(jìn)水箱(23)和出水箱(24)的水頭高度，然后打開進(jìn)水閥門(5)并關(guān)閉出水閥門(9)，檢查模擬槽(1)的封閉性和水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行情況；調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門(5)的開啟程度，同時(shí)打開出水閥門(9)、上水閥門(30)和排水閥門(32)，檢查各系統(tǒng)裝置的運(yùn)行情況。

2.關(guān)閉進(jìn)水閥門(5)，待模擬槽(1)中的水排盡后，打開模擬槽(1)的上部承壓蓋板(11)；依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作陷落柱模型(13)，依據(jù)工程背景將陷落柱模型(13)中放置在模擬槽(1)的底部位置，在陷落柱模型(13)內(nèi)部裝填細(xì)食鹽(14)，在陷落柱模型(13)外部裝填松散顆粒(15)，用于模擬高滲透性的巖溶含水層，所述的模擬巖溶含水層高度與陷落柱模型(13)頂部齊平，并在模擬巖溶含水層上分層鋪設(shè)相似材料(16)，用于模擬低滲透性的煤(巖)弱透水層；在放置陷落柱模型(13)和裝填細(xì)食鹽(14)、松散顆粒(15)、相似材料(16)過程中，注意保護(hù)空心銅管(43)，并在空心銅管(43)與水壓監(jiān)測(cè)孔(42)接觸部位再次用硅膠和玻璃膠密封。

3.待模擬槽(1)填滿、壓實(shí)7天后，蓋上模擬槽(1)的上部承壓蓋板(11)，使模擬槽(1)重新密封；依據(jù)工程背景，啟動(dòng)電機(jī)(20)調(diào)整液壓支架(19)的長(zhǎng)度，改變承重板(17)的角度，從而可按照實(shí)際地層傾角試驗(yàn)?zāi)M。

4.關(guān)閉出水閥門(9)、上水閥門(30)和排水閥門(32)，緩慢開啟進(jìn)水閥門(5)，直至模擬槽(1)完全飽水且保持水壓穩(wěn)定，在緩慢打開上水閥門(30)和出水閥門(9)，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門(5)和出水閥門(9)的開啟程度，控制進(jìn)水流量計(jì)(6)和出水流量計(jì)(8)的大小。

5.從步驟4開始，對(duì)陷落柱演化試驗(yàn)過程進(jìn)行全程視頻監(jiān)控，利用進(jìn)水流量計(jì)(6)和出水流量計(jì)(8)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄模擬槽(1)的進(jìn)、出水流量，利用水壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬槽(1)中的水壓變化情況。

6.待陷落柱模型(13)中細(xì)食鹽(14)溶蝕完畢、陷落柱模型(13)內(nèi)部及上部充填的相似材料(16)基本穩(wěn)定、模擬槽(1)的進(jìn)、出水流量及水壓均基本穩(wěn)定后，試驗(yàn)方可結(jié)束，并將該過程中所采集的全部數(shù)據(jù)、視頻和照片導(dǎo)入分析系統(tǒng)中，分析探究華北煤田巖溶陷落柱的演化機(jī)理。

7.數(shù)據(jù)導(dǎo)入完畢后，依次關(guān)閉進(jìn)水流量計(jì)(6)、出水流量計(jì)(8)、數(shù)據(jù)采集箱(49)、電腦(51)、潛水泵(39)、進(jìn)水閥門(5)、上水閥門(30)，打開排水管(33)，將模擬槽(1)中剩余的水和沖刷的物質(zhì)排到沉淀池(35)中；然后打開上部承壓蓋板(11)，逐層取出模擬槽(1)中的殘留物質(zhì)和陷落柱模型(13)，并注意保護(hù)空心銅管(13)；最后對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行全面檢查、清洗。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的裝體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍有所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同條件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)，不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，說明書的這種敘述方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。