溝谷地形下煤炭開采對地表徑流影響的實驗裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實驗裝置及方法，尤其是一種溝谷地形下煤炭開采對地表徑流影響的實驗裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國西部礦區(qū)普遍存在著溝谷發(fā)育的地形地貌特征，如地處陜蒙交界的神東礦區(qū)，煤層為近水平淺埋煤層，地表受沖溝影響呈典型的溝谷地形，其特征是溝道密集，地形破碎。溝谷內(nèi)常常因潛水出露形成泉域、河流，是陜北地區(qū)天然的水源地，對于維持整個地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。近年來，隨著我國煤炭資源開發(fā)逐步向西轉(zhuǎn)移，大規(guī)模的煤炭開采造成地下水位普遍下降，部分溝谷內(nèi)泉流量減小，甚至干涸，進而影響到地表生態(tài)環(huán)境。
[0003]目前有關(guān)溝谷地形下采動對水資源影響的研宄主要集中在裂隙發(fā)育規(guī)律方面，而對于溝谷地形下開采沉陷對水資源的影響的研宄還非常少，但是裂隙不溝通潛水含水層的條件下，開采沉陷是對地下潛水的影響，開采沉陷是否會改變潛水位，進而影響地表徑流表現(xiàn)形式，是否可以利用沉陷規(guī)律來改善本地區(qū)的地表水資源狀況，進而改善生態(tài)環(huán)境這些問題都有待進一步研宄和解決。隨著西部煤田的大規(guī)模開發(fā)，在溝谷地形下開采的情況會越來越多，急需一種有效模擬上述地理環(huán)境的實驗方法及裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:針對上述技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、現(xiàn)象直觀的溝谷地形下煤炭開采對地表徑流影響的實驗裝置及方法。
[0005]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的溝谷地形下煤炭開采對地表徑流影響的實驗裝置，它包括前后兩側(cè)面板可拆卸的模擬箱，模擬箱底部鋪設有模擬煤層，模擬煤層上方設有模擬巖層，模擬巖層上方設有潛水含水層袋潛水含水層袋上部鋪設溝谷地形地表松散層，地表松散層左右兩側(cè)分別設有典型溝谷，其中一側(cè)的典型溝谷谷底比另一側(cè)典型溝谷的谷底淺，兩個典型溝谷的谷底均設有與含水層袋相通的水位管，水位管上設有浮子式水位計；
所述的潛水含水層袋為橡膠水袋構(gòu)成，橡膠水袋內(nèi)設有模擬含水層支撐骨架并填滿水袋的石子，所述石子直徑為0.5cm，橡膠水袋內(nèi)注水充滿石子的間隙直至水位上升到水位管中；
所述模擬煤層由砂子、碳酸鈣、石膏構(gòu)成，其中砂子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號773配比，并加上煤粉著色模擬煤層；由砂子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號573配比模擬軟巖層，由砂子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按配比號337配比模擬硬巖層。
[0006]所述左側(cè)典型溝谷比右側(cè)典型溝谷淺，左側(cè)典型溝谷的水位管內(nèi)的水位低于左側(cè)溝谷的谷底標高2cm，右側(cè)典型溝谷的水位管內(nèi)的水位高于右側(cè)溝谷的谷底標高3cm。
[0007]一種溝谷地形下煤炭開采對地表徑流影響的實驗方法，其步驟如下: a.在模擬箱底部鋪設利用由砂子、碳酸鈣、石膏和煤粉混合的模擬煤層，并在模擬煤層上鋪設由混合砂子、碳酸鈣和石膏混合的在模擬巖層在模擬巖層的上部放置填有石子的潛水含水層袋，在潛水含水層袋上部鋪設由土壤構(gòu)成的模擬地表松散層，模擬地表松散層上左右分別鋪設有典型溝谷，其中左側(cè)典型溝谷比右側(cè)典型溝谷淺，左右溝谷高差5cm，并在潛水含水層袋的上部、模擬地表松散層的兩個典型溝谷的溝底處設置兩個與潛水含水層袋連通用于模擬典型溝谷處地表徑流水位的水位管；
b.在兩個水位管的內(nèi)安裝浮子式水位計，向潛水含水層袋內(nèi)注水，直至水位管的水位通過浮子式水位計顯示高出右側(cè)溝谷的谷底3cm且低于左側(cè)溝谷的谷底標高2cm，由于潛水流出溝谷地表確實會形成泉眼，沿溝谷由高到低形成徑流，此時右側(cè)典型溝谷的水位管內(nèi)高出溝谷地表水位代表實際泉眼的徑流，而左側(cè)典型溝谷的水位管內(nèi)水位因溝深較淺并未出露潛水位；
c.測量兩個典型溝谷的標高變化、潛水位變化及潛水出露兩側(cè)溝谷的各項數(shù)據(jù)并記錄為初始數(shù)據(jù)；
d.拆卸模擬箱的前后面板，從左至右對模擬煤層進行不留邊界煤柱采煤，隨著開采，采空區(qū)上方的模擬巖層向下垮塌，從而使?jié)撍畬哟蛳乱苿幽M地下水的流動，引起水位下降，垮塌區(qū)的左側(cè)典型溝谷向下變形，引起潛水含水層袋模擬的水位下降，左側(cè)典型溝谷在變形的同時因沉陷較大，導致水位出露；
e.采集兩個水位管內(nèi)的浮子式水位計讀數(shù)，同時測量兩個典型溝谷的標高變化、潛水位變化及潛水出露兩側(cè)溝谷情況數(shù)據(jù)，通過與初始狀態(tài)的各項數(shù)據(jù)對比，從而有效模擬分析出溝谷地形下煤炭開采對地表徑流影響。
[0008]有益效果:地表松散層上設置的一側(cè)溝谷受開采沉陷影響，另一側(cè)不受其影響，通過對比兩側(cè)水位變化及水位出露溝谷情況，直觀地反映了溝谷地形下煤炭開采對地表徑流的影響，采用地表與煤層相似材料對煤巖層進行了模擬，模擬效果好；
使用浮子式水位計來記錄兩個溝谷的潛水位隨著開采沉陷的變化情況，可以考察水位變化與煤層開采的時空關(guān)系；
模擬開采沉陷對溝谷地形潛水位及地表徑流關(guān)系的影響包括煤層采高、基巖厚度、工作面尺寸等，通過設置參數(shù)可以滿足不同采礦條件的模擬需要，并探索不同采礦地質(zhì)因素對潛水位及地表徑流變化影響的差異，為實際應用提供參考依據(jù)。
【附圖說明】
[0009]附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖中:1_模擬箱；2_潛水含水層袋；3_浮子式水位計；4_水位管；5_模擬地表松散層；6_模擬巖層；7_模擬煤層。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述:
如圖1所示，本發(fā)明的溝谷地形下煤炭開采對地表徑流影響的實驗裝置，它包括前后兩側(cè)面板可拆卸的模擬箱1，模擬箱I底部鋪設有模擬煤層7，模擬煤層上方設有模擬巖層6，模擬巖層6上方設有潛水含水層袋2潛水含水層袋2上部鋪設溝谷地形地表松散層5，地表松散層5左右兩側(cè)分別設有典型溝谷，其中一側(cè)的典型溝谷谷底比另一側(cè)典型溝谷的谷底淺，兩個典型溝谷的谷底均設有與含水層袋2相通的水位管4，水位管4上設有浮子式水位計3 ；
所述的潛水含水層袋2為橡膠水袋構(gòu)成，橡膠水袋內(nèi)設有模擬含水層支撐骨架并填滿水袋的石子，所述石子直徑為0.5cm，橡膠水袋內(nèi)注水充滿石子的間隙直至水位上升到水位管4中；
所述模擬煤層7由砂子、碳酸鈣、石膏構(gòu)成，其中砂子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號773配比，并加上煤粉著色模擬煤層；由砂子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量按相似模擬配比號573配比模擬軟巖層，由砂子、碳酸鈣、石膏質(zhì)量