本發(fā)明涉及柱體模擬試驗(yàn)，尤其涉及一種土壤水對(duì)地下水位變化響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、西部干旱半干旱區(qū)井工煤炭開采造成煤層上覆含水層及地表土壤層不同程度的破壞，形成采煤沉陷區(qū)。沉陷區(qū)土壤中的水分自下而上發(fā)生毛細(xì)作用影響地表植被的生長(zhǎng)和地面設(shè)施。因此探究采煤沉陷區(qū)土壤水分對(duì)地下水位變化的響應(yīng)機(jī)制，在環(huán)境保護(hù)、地下水開發(fā)等方面具有重要的意義?，F(xiàn)有的土壤水分對(duì)地下水位變化響應(yīng)模擬裝置多為柱體毛細(xì)試驗(yàn)單體裝置，缺乏還原采煤沉陷區(qū)真實(shí)樣貌的裝置，無法模擬煤炭開采過程，且缺少采煤沉陷區(qū)土壤水分對(duì)地下水位變化響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種土壤水對(duì)地下水位變化響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，來解決傳統(tǒng)柱體無法模擬煤炭開采過程與還原采煤區(qū)沉陷樣貌以及無法模擬采煤沉陷區(qū)土壤水分對(duì)地下水位變化響應(yīng)的問題。

2、本發(fā)明提供了一種土壤水對(duì)地下水位變化響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括柱體模塊、供水模塊、監(jiān)測(cè)模塊和可移動(dòng)裝置；

3、所述柱體模塊為底部密封頂部敞口的棱柱結(jié)構(gòu)，包括柱體，柱體用于盛裝實(shí)驗(yàn)用土；

4、所述柱體下部設(shè)置有注水口和排水口；

5、所述柱體底部設(shè)置有豎直方向可伸縮的油囊，所述油囊上部設(shè)置有橡膠包塞，油囊與分流箱、液壓泵順次連接；

6、所述供水模塊包括支架、水箱和管路；所述支架上部安設(shè)水箱，所述水箱下部側(cè)壁設(shè)置有出水口，所述出水口與管路連接；

7、所述監(jiān)測(cè)模塊包括水率傳感器和數(shù)據(jù)采集器，所述水率傳感器和數(shù)據(jù)采集器通過連接線相連；

8、所述可移動(dòng)裝置包括底板和萬向輪，所述柱體與支架固定在底板上，所述萬向輪固定在底板下。

9、為了能準(zhǔn)確模擬不同采高，所述油囊為十個(gè)單體油囊，從上到下分別記為第一單體油囊～第十單體油囊，單體油囊的制作材料為聚氨酯材料，最下部油囊為第十單體油囊，第十單體油囊與橡膠包塞膨脹厚度為1cm，其余第一單體油囊～第九單體油囊膨脹厚度2cm，單個(gè)油囊抗壓強(qiáng)度為800～1000pa。

10、所述橡膠包塞為不透水活塞。

11、每個(gè)單體油囊前端設(shè)置進(jìn)液口、后端設(shè)置出液口，進(jìn)液口、出液口分別與液壓泵控制的分流箱連接。

12、所述支架為單腳支架。

13、所述水箱外側(cè)壁焊接有套筒，下部固定有卡扣。

14、所述管路首端和尾端分別連接出水口與注水口，首端設(shè)置有水閥。

15、所述管路為橡膠軟材料。

16、所述柱體由透明亞克力板制作而成，側(cè)壁含有厘米刻度線，為了防止油囊阻擋水體流出，注水口與排水口分別布置在柱體底部20cm的側(cè)壁和后部位置，內(nèi)側(cè)壁沿豎直方向等距布置有水率傳感器。

17、本發(fā)明還提供了一種土壤水對(duì)地下水位變化響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)方法，采用所述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

18、步驟1，實(shí)驗(yàn)開始前，根據(jù)煤層工程原型及模型尺寸，確定幾何相似比，結(jié)合煤礦地質(zhì)條件與相關(guān)論文經(jīng)驗(yàn)，相似材料骨料選取河砂和云母粉，膠結(jié)材料選取碳酸鈣和熟石膏，緩凝劑選擇硼砂，根據(jù)煤層上覆巖層的軟硬程度及物理力學(xué)性質(zhì)，按照經(jīng)驗(yàn)人為將相似材料進(jìn)行配比，由相似開采高度選取需要的單體油囊個(gè)數(shù)及編號(hào)，打開分流箱和液壓泵，控制油液注入所選油囊；在柱體中分層鋪設(shè)相似實(shí)驗(yàn)材料，同時(shí)在固定高度布置水率傳感器，每鋪設(shè)一層土體夯實(shí)一次；

19、步驟2，在水箱中灌滿水，打開閥門，同時(shí)開啟水率傳感器記錄數(shù)據(jù)；打開卡扣，人為適當(dāng)上下移動(dòng)水箱，使柱體的液面高度(即模擬的地下水位高度)達(dá)到采煤區(qū)地下水位設(shè)定位置，然后關(guān)閉卡扣和水閥；

20、步驟3，利用分流箱控制液壓泵將油囊油液抽出，柱體內(nèi)土體自然落下模擬采煤沉陷區(qū)，隨后打開柱體下部的排水口，實(shí)時(shí)記錄水率傳感器數(shù)據(jù)；

21、步驟4，重復(fù)執(zhí)行步驟1～步驟3，重復(fù)執(zhí)行時(shí)，在步驟2中變更柱體內(nèi)初始液面高度；

22、步驟5，將油液抽出前所記錄的數(shù)據(jù)按序號(hào)列、稱號(hào)列、線號(hào)列、點(diǎn)號(hào)列、東坐標(biāo)、北坐標(biāo)及含水率按列記入excel表中，導(dǎo)入sufer軟件中作插值處理，得到礦區(qū)未開采時(shí)各地層含水率分布特征；將排水口打開后傳感器的數(shù)據(jù)繪制成曲線，每個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)為一組，得到礦沉陷區(qū)不同地層含水率隨地下水位下降的變化規(guī)律；將同一地層不同初始水位條件下的含水率隨地下水位下降響應(yīng)變化數(shù)據(jù)記為一組，得到沉陷區(qū)土壤水分隨水位下降的響應(yīng)規(guī)律在不同初始水位條件下的差異性。

23、有益效果：本發(fā)明提供了一種土壤水對(duì)地下水位變化響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，不僅能夠還原煤炭開采過程與還原采煤區(qū)沉陷樣貌，而且能夠模擬采煤沉陷區(qū)土壤水分對(duì)地下水位變化響應(yīng)，為研究煤炭開采對(duì)水資源的影響以及地下水位對(duì)采煤區(qū)土壤的影響提供一種新的研究方法，對(duì)于礦區(qū)尤其是西部生態(tài)脆弱礦區(qū)的環(huán)境保護(hù)提供一定的價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.一種土壤水對(duì)地下水位變化響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括柱體模塊、供水模塊、監(jiān)測(cè)模塊和可移動(dòng)裝置；

2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，為了能準(zhǔn)確模擬不同采高，所述油囊(2)為十個(gè)單體油囊，從上到下分別記為第一單體油囊(22)～第十單體油囊(31)，單體油囊的制作材料為聚氨酯材料，最下部油囊為第十單體油囊(31)，第十單體油囊(31)與橡膠包塞(3)膨脹厚度為1cm，其余第一單體油囊(22)～第九單體油囊(30)膨脹厚度2cm，單個(gè)油囊抗壓強(qiáng)度為800～1000pa。

3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述橡膠包塞(3)為不透水活塞。

4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)單體油囊前端設(shè)置進(jìn)液口(4)、后端設(shè)置出液口(18)，進(jìn)液口(4)、出液口(18)分別與液壓泵(6)控制的分流箱(5)連接。

5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述支架(7)為單腳支架。

6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水箱(8)外側(cè)壁焊接有套筒(19)，下部固定有卡扣(20)。

7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管路(11)首端和尾端分別連接出水口(9)與注水口(12)，首端設(shè)置有水閥(10)。

8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管路(11)為橡膠軟材料。

9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述柱體(1)由透明亞克力板制作而成，側(cè)壁含有厘米刻度線，為了防止油囊阻擋水體流出，注水口(12)與排水口(21)分別布置在柱體(1)底部20cm的側(cè)壁和后部位置，內(nèi)側(cè)壁沿豎直方向等距布置有水率傳感器(13)。

10.一種土壤水對(duì)地下水位變化響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)方法，采用如權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種土壤水對(duì)地下水位變化響應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括柱體模塊、供水模塊、監(jiān)測(cè)模塊和可移動(dòng)裝置模塊。所述柱體模塊為底部密封頂部敞口的棱柱結(jié)構(gòu)，包括柱體，柱體用于盛裝實(shí)驗(yàn)用土；所述柱體下部設(shè)置有注水口和排水口；所述柱體底部設(shè)置有豎直方向可伸縮的油囊，所述油囊上部設(shè)置有橡膠包塞，油囊與分流箱、液壓泵順次連接；所述方法包括以下步驟：相似模擬模型鋪設(shè)、初始水頭高度確定、模型開挖、水位變更及土壤含水率監(jiān)測(cè)。本發(fā)明提供的系統(tǒng)及方法能夠模擬煤炭開采過程，對(duì)研究土壤水分對(duì)地下水位變化響應(yīng)機(jī)制具有一定的參考價(jià)值，在煤炭行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：李俊孟,黃艷利,鄔志雄,李新剛,郭亞超,郭鑫,艾澤田,楊原,王恒,段良超
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21