一种采煤沉陷四水转化物理监测装置

1.本发明涉及模拟试验装置技术领域，特别是涉及一种采煤沉陷四水转化物理监测装置。


背景技术：

2.四水是指大气水(降水)、地表水(地表径流水)、土壤水以及地下水，“四水”转化即是大气水(降水)、地表水、土壤水及地下水之间的相互转化及补给关系，目前，国内测量大气水(降水)、地表水(地表径流水)、土壤水与地下水的实验监测设备主要有虹吸式雨量计、翻斗式雨量计、径流测量仪、土壤墒情监测仪(tdr)、地下水检测仪以及探测仪等，这些设备技术先进，功能完备，且应用较为广泛。
3.针对采煤沉陷中的四水转化，现场环境较为复杂，导致人工和设备成本较高，现有技术中尚且缺乏可用于实验室内的针对采煤沉陷下四水转化的模拟装置，无法精准的在实验室内模拟采煤沉陷四水转化过程。
4.因此，亟需一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，用来解决上述问题，实现采煤沉陷下大气降水、地表水、土壤水以及地下水相关模拟实验，同时保证实验数据的精准。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，包括：
7.箱体，所述箱体固定连接在实验台顶端；
8.第一模拟系统，所述第一模拟系统包括煤矿模拟开采组件和土壤层模拟组件，所述煤矿模拟开采组件位于所述箱体内部底端，所述土壤层模拟组件位于所述煤矿模拟开采组件顶端；
9.第二模拟系统，所述第二模拟系统包括降水蒸发组件，所述箱体顶端固定连接有支撑架，所述降水蒸发组件固定连接在所述支撑架顶端且位于所述箱体上方与所述土壤层模拟组件对应设置；
10.供水系统，所述供水系统包括升降组件和供水组件，所述供水组件固定连接在所述升降组件上，所述升降组件固定连接在所述实验台顶端一侧，所述供水组件位于所述箱体一侧，所述煤矿模拟开采组件和所述土壤层模拟组件分别与所述供水系统对应设置；
11.采集处理系统，所述采集处理系统固定连接在所述实验台顶端，所述煤矿模拟开采组件和所述土壤层模拟组件分别与所述采集处理系统对应设置。
12.优选的，所述土壤层模拟组件包括从上至下依次铺设在所述箱体内的土壤层和黏土层，所述土壤层顶端中部开设有沉陷槽，所述沉陷槽内设置有地表水，所述黏土层底端与所述煤矿模拟开采组件顶端对应设置，所述黏土层中部设置有含水层，所述土壤层、所述黏
土层和所述含水层分别与所述供水组件和所述采集处理系统对应设置。
13.优选的，所述箱体内部底端固定连通有若干通气管，若干所述通气管呈阵列状分布，所述煤矿模拟开采组件包括固定连通在所述通气管顶端的气囊，所述气囊外侧壁上设置有石英砂层，所述石英砂层顶端与所述黏土层底端接触设置，所述箱体底端固定连接有气体调节部，所述通气管底端伸出所述箱体与所述气体调节部固定连通。
14.优选的，所述气体调节部包括固定连接在所述箱体底端的调节槽，若干所述通气管底端分别与所述调节槽顶端固定连通，所述调节槽的开口端位于下方，所述调节槽内滑动连接有推板，所述实验台顶端固定连接有气缸，所述气缸的伸缩端与所述推板底端固定连接，所述推板上设置有单控件，若干所述通气管分别与若干所述单控件一一对应。
15.优选的，所述推板顶端开设有若干通孔，若干所述通孔与若干所述通气管一一对应，所述单控件包括滑动连接在所述通孔内的密封柱，所述密封柱底端开设有螺纹凹槽，所述螺纹凹槽内螺纹连接有螺纹杆的一端，所述螺纹杆另一端固定连接有连接杆的一端，所述连接杆另一端伸出所述推板且固定连接有旋钮。
16.优选的，所述降水蒸发组件包括固定连接在所述支撑架顶端的光源和储水箱，所述储水箱底端通过管道固定连通有喷淋板，所述喷淋板底端开设有若干喷淋孔，所述喷淋板内设置有调节部，若干所述喷淋孔分别与所述调节部对应设置，所述管道上设置有阀门和水泵。
17.优选的，所述喷淋板的底板内部开设有空腔，所述调节部包括转动连接在所述空腔内的若干转动轴，所述转动轴上同轴固定连接有调节盘，所述调节盘上沿周向开设有若干调节孔，若干所述调节孔分别与所述喷淋孔对应设置，所述调节盘外侧壁上固定连接有环形齿板，所述空腔内一侧固定连接有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的伸缩端通过安装架固定连接有若干齿板，所述环形齿板与所述齿板啮合。
18.优选的，所述升降组件包括固定连接在所述箱体顶端一侧的液压缸，所述供水组件包括固定连接在所述液压缸顶端的供水箱，所述供水箱上通过四根供水管道分别与所述土壤层、所述黏土层、所述含水层和所述石英砂层对应连通，四根所述供水管道上均安装有第一流量计。
19.优选的，所述采集处理系统包括采集装置和处理装置，所述采集装置和所述处理装置分别与所述土壤层、所述黏土层、所述含水层和所述石英砂层对应设置。
20.优选的，所述箱体为透明有机玻璃材质。
21.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
22.本发明提供的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，还原采样点原位条件，开展采煤沉陷条件以及非沉陷条件(不同采煤量、不同渗透性等)下的模型实验研究，实现了采煤沉陷下大气降水、地表水、土壤水以及地下水相关模拟实验，同时装置操作简单，调节便捷，模拟不同状态下的实验条件，保证了实验数据的精准。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图：
24.图1为本发明整体结构示意图；
25.图2为本发明图1中a处局部放大图；
26.图3为本发明图1中b处局部放大图；
27.图4为本发明调节孔结构示意图；
28.其中，1、箱体；2、实验台；3、土壤层；4、黏土层；5、沉陷槽；6、含水层；7、通气管；8、气囊；9、石英砂层；10、调节槽；11、推板；12、气缸；13、通孔；14、密封柱；15、螺纹凹槽；16、螺纹杆；17、连接杆；18、旋钮；19、支撑架；20、光源；21、储水箱；22、管道；23、喷淋板；24、喷淋孔；25、调节盘；26、调节孔；27、环形齿板；28、电动伸缩杆；29、齿板；30、阀门；31、水泵；32、液压缸；33、供水箱；34、供水管道；35、第一流量计；36、采集装置；37、处理装置。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.参考图1-4，本发明提供一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，包括：
32.箱体1，箱体1固定连接在实验台2顶端；
33.第一模拟系统，第一模拟系统包括煤矿模拟开采组件和土壤层模拟组件，煤矿模拟开采组件位于箱体1内部底端，土壤层模拟组件位于煤矿模拟开采组件顶端；
34.第二模拟系统，第二模拟系统包括降水蒸发组件，箱体1顶端固定连接有支撑架19，降水蒸发组件固定连接在支撑架19顶端且位于箱体1上方与土壤层模拟组件对应设置；
35.供水系统，供水系统包括升降组件和供水组件，供水组件固定连接在升降组件上，升降组件固定连接在实验台2顶端一侧，供水组件位于箱体1一侧，煤矿模拟开采组件和土壤层模拟组件分别与供水系统对应设置；
36.采集处理系统，采集处理系统固定连接在实验台2顶端，煤矿模拟开采组件和土壤层模拟组件分别与采集处理系统对应设置。
37.进一步优化方案，土壤层模拟组件包括从上至下依次铺设在箱体1内的土壤层3和黏土层4，土壤层3顶端中部开设有沉陷槽5，沉陷槽5内设置有地表水，黏土层4底端与煤矿模拟开采组件顶端对应设置，黏土层4中部设置有含水层6，土壤层3、黏土层4和含水层6分别与供水组件和采集处理系统对应设置。
38.采用凡士林、硅油和石蜡作为胶结剂与调节剂，以粘土模拟泥岩层，以砂、砾和胶结剂等材料模拟砂岩层，通过现场采集土样采用充填压实法制作土壤层，还原采样点原位条件，充填过程中在非饱和带预埋设若干个土壤含水率传感器(图中未标记)以及传统水银负压计(图中未标记)监测模型内土壤基质势，在饱和带利用钢管埋设若干测压孔(图中未标记)。
39.进一步优化方案，箱体1内部底端固定连通有若干通气管7，若干通气管7呈阵列状
分布，煤矿模拟开采组件包括固定连通在通气管7顶端的气囊8，气囊8外侧壁上设置有石英砂层9，石英砂层9顶端与黏土层4底端接触设置，箱体1底端固定连接有气体调节部，通气管7底端伸出箱体1与气体调节部固定连通。
40.通过在底层设置若干气囊8，并通过通气管7排放和输入气体，放气时气囊8收缩模拟采煤工作的进行，为避免气囊8挤压导致堵塞水分通过，在气囊8中间、上部铺一定厚度的石英砂层9，在石英砂层9上方，将粘性土壤充填并压实。
41.进一步优化方案，气体调节部包括固定连接在箱体1底端的调节槽10，若干通气管7底端分别与调节槽10顶端固定连通，调节槽10的开口端位于下方，调节槽10内滑动连接有推板11，实验台2顶端固定连接有气缸12，气缸12的伸缩端与推板11底端固定连接，推板11上设置有单控件，若干通气管7分别与若干单控件一一对应。
42.通过气缸12带动推板11在调节槽10内移动，实现对若干气囊8内气体的推送或抽取，实现对若干气囊8的同步控制，针对不同采煤量进行模型实验。
43.进一步优化方案，推板11顶端开设有若干通孔13，若干通孔13与若干通气管7一一对应，单控件包括滑动连接在通孔13内的密封柱14，密封柱14底端开设有螺纹凹槽15，螺纹凹槽15内螺纹连接有螺纹杆16的一端，螺纹杆16另一端固定连接有连接杆17的一端，连接杆17另一端伸出推板11且固定连接有旋钮18。
44.通过拧动旋钮18带动螺纹杆16转动，螺纹杆16带动密封柱14进行竖向移动，从而实现对单个气囊8的独立控制，实现不同区域不同采煤量的调节。
45.进一步优化方案，降水蒸发组件包括固定连接在支撑架19顶端的光源20和储水箱21，储水箱21底端通过管道22固定连通有喷淋板23，喷淋板23底端开设有若干喷淋孔24，喷淋板23内设置有调节部，若干喷淋孔24分别与调节部对应设置，管道22上设置有阀门30和水泵31。
46.通过喷淋孔24进行模拟降雨过程，通过控制光源20的瓦数调节模拟蒸散发过程。
47.进一步优化方案，喷淋板23的底板内部开设有空腔，调节部包括转动连接在空腔内的若干转动轴，转动轴上同轴固定连接有调节盘25，调节盘25上沿周向开设有若干调节孔26，若干调节孔26分别与喷淋孔24对应设置，调节盘25外侧壁上固定连接有环形齿板27，空腔内一侧固定连接有电动伸缩杆28，电动伸缩杆28的伸缩端通过安装架固定连接有若干齿板29，环形齿板27与齿板29啮合。
48.若干调节孔26之间的孔径均不相同，且沿顺时针(逆时针)方逐渐变小(变大)，通过电动伸缩杆28带动齿板29移动，齿板29通过啮合的环形齿板27带动调节盘25转动，使不同孔径的调节孔26与喷淋孔24对应连通，实现对不同降雨大小的调节。
49.进一步优化方案，升降组件包括固定连接在箱体1顶端一侧的液压缸32，供水组件包括固定连接在液压缸32顶端的供水箱33，供水箱33上通过四根供水管道34分别与土壤层3、黏土层4、含水层6和石英砂层9对应连通，四根供水管道34上均安装有第一流量计35。
50.通过液压缸32带动供水箱33进行高度调节，高度调节时实现对边界水位的控制。
51.进一步优化方案，采集处理系统包括采集装置36和处理装置37，采集装置36和处理装置37分别与土壤层3、黏土层4、含水层6和石英砂层9对应设置。
52.采集装置36包括高清摄像机、数字式流量计和流量计算控制仪，对数据进行采集，处理装置37为计算机对采集的数据进行计算。
53.进一步优化方案，箱体1为透明有机玻璃材质。
54.透明有机玻璃材质便于对内部进行观察，同时便于通过高清摄像机连续拍摄。
55.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
56.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于，包括：箱体(1)，所述箱体(1)固定连接在实验台(2)顶端；第一模拟系统，所述第一模拟系统包括煤矿模拟开采组件和土壤层模拟组件，所述煤矿模拟开采组件位于所述箱体(1)内部底端，所述土壤层模拟组件位于所述煤矿模拟开采组件顶端；第二模拟系统，所述第二模拟系统包括降水蒸发组件，所述箱体(1)顶端固定连接有支撑架(19)，所述降水蒸发组件固定连接在所述支撑架(19)顶端且位于所述箱体(1)上方与所述土壤层模拟组件对应设置；供水系统，所述供水系统包括升降组件和供水组件，所述供水组件固定连接在所述升降组件上，所述升降组件固定连接在所述实验台(2)顶端一侧，所述供水组件位于所述箱体(1)一侧，所述煤矿模拟开采组件和所述土壤层模拟组件分别与所述供水系统对应设置；采集处理系统，所述采集处理系统固定连接在所述实验台(2)顶端，所述煤矿模拟开采组件和所述土壤层模拟组件分别与所述采集处理系统对应设置。2.根据权利要求1所述的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于：所述土壤层模拟组件包括从上至下依次铺设在所述箱体(1)内的土壤层(3)和黏土层(4)，所述土壤层(3)顶端中部开设有沉陷槽(5)，所述沉陷槽(5)内设置有地表水，所述黏土层(4)底端与所述煤矿模拟开采组件顶端对应设置，所述黏土层(4)中部设置有含水层(6)，所述土壤层(3)、所述黏土层(4)和所述含水层(6)分别与所述供水组件和所述采集处理系统对应设置。3.根据权利要求2所述的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于：所述箱体(1)内部底端固定连通有若干通气管(7)，若干所述通气管(7)呈阵列状分布，所述煤矿模拟开采组件包括固定连通在所述通气管(7)顶端的气囊(8)，所述气囊(8)外侧壁上设置有石英砂层(9)，所述石英砂层(9)顶端与所述黏土层(4)底端接触设置，所述箱体(1)底端固定连接有气体调节部，所述通气管(7)底端伸出所述箱体(1)与所述气体调节部固定连通。4.根据权利要求3所述的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于：所述气体调节部包括固定连接在所述箱体(1)底端的调节槽(10)，若干所述通气管(7)底端分别与所述调节槽(10)顶端固定连通，所述调节槽(10)的开口端位于下方，所述调节槽(10)内滑动连接有推板(11)，所述实验台(2)顶端固定连接有气缸(12)，所述气缸(12)的伸缩端与所述推板(11)底端固定连接，所述推板(11)上设置有单控件，若干所述通气管(7)分别与若干所述单控件一一对应。5.根据权利要求4所述的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于：所述推板(11)顶端开设有若干通孔(13)，若干所述通孔(13)与若干所述通气管(7)一一对应，所述单控件包括滑动连接在所述通孔(13)内的密封柱(14)，所述密封柱(14)底端开设有螺纹凹槽(15)，所述螺纹凹槽(15)内螺纹连接有螺纹杆(16)的一端，所述螺纹杆(16)另一端固定连接有连接杆(17)的一端，所述连接杆(17)另一端伸出所述推板(11)且固定连接有旋钮(18)。6.根据权利要求5所述的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于：所述降水蒸发组件包括固定连接在所述支撑架(19)顶端的光源(20)和储水箱(21)，所述储水箱(21)底端通过管道(22)固定连通有喷淋板(23)，所述喷淋板(23)底端开设有若干喷淋孔(24)，所述喷淋板(23)内设置有调节部，若干所述喷淋孔(24)分别与所述调节部对应设置，所述
管道(22)上设置有阀门(30)和水泵(31)。7.根据权利要求6所述的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于：所述喷淋板(23)的底板内部开设有空腔，所述调节部包括转动连接在所述空腔内的若干转动轴，所述转动轴上同轴固定连接有调节盘(25)，所述调节盘(25)上沿周向开设有若干调节孔(26)，若干所述调节孔(26)分别与所述喷淋孔(24)对应设置，所述调节盘(25)外侧壁上固定连接有环形齿板(27)，所述空腔内一侧固定连接有电动伸缩杆(28)，所述电动伸缩杆(28)的伸缩端通过安装架固定连接有若干齿板(29)，所述环形齿板(27)与所述齿板(29)啮合。8.根据权利要求7所述的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于：所述升降组件包括固定连接在所述箱体(1)顶端一侧的液压缸(32)，所述供水组件包括固定连接在所述液压缸(32)顶端的供水箱(33)，所述供水箱(33)上通过四根供水管道(34)分别与所述土壤层(3)、所述黏土层(4)、所述含水层(6)和所述石英砂层(9)对应连通，四根所述供水管道(34)上均安装有第一流量计(35)。9.根据权利要求8所述的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于：所述采集处理系统包括采集装置(36)和处理装置(37)，所述采集装置(36)和所述处理装置(37)分别与所述土壤层(3)、所述黏土层(4)、所述含水层(6)和所述石英砂层(9)对应设置。10.根据权利要求1所述的一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，其特征在于：所述箱体(1)为透明有机玻璃材质。

技术总结
本发明公开了一种采煤沉陷四水转化物理监测装置，包括箱体，第一模拟系统，第一模拟系统包括煤矿模拟开采组件和土壤层模拟组件；第二模拟系统，第二模拟系统包括降水蒸发组件；供水系统，供水系统包括升降组件和供水组件，供水组件固定连接在升降组件上，供水组件位于箱体一侧，煤矿模拟开采组件和土壤层模拟组件分别与供水系统对应设置；采集处理系统，采集处理系统固定连接在实验台顶端，煤矿模拟开采组件和土壤层模拟组件分别与采集处理系统对应设置。本发明实现了采煤沉陷下大气降水、地表水、土壤水以及地下水相关模拟实验，同时装置操作简单，调节便捷，模拟不同状态下的实验条件，保证了实验数据的精准。保证了实验数据的精准。保证了实验数据的精准。


技术研发人员：许成成 许光泉 张海涛 李旭 贺江辉 曹传起 谭河飞 王紫佳 薛梓贤 董陈业 时心茹
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/13