技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明為一種通過模擬巖溶陷落柱演化過程探究其形成機(jī)理的實(shí)驗(yàn)裝置，屬于巖溶地下水動力學(xué)研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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巖溶陷落柱常發(fā)育于奧陶系-寒武系古巖溶內(nèi)，后穿過石炭系、二疊系地層，的陷落充填體或含水體，屬于古巖溶范疇。巖溶陷落柱的形成演化過程是決定其空間分布的關(guān)鍵因素，研究其形成機(jī)理對準(zhǔn)確預(yù)測其分布規(guī)律，解決目前礦山突水致災(zāi)的重要前提。為此結(jié)合我國巖溶陷落柱發(fā)育的地質(zhì)條件、物質(zhì)基礎(chǔ)以及水文條件，設(shè)計(jì)發(fā)明一種裝置模擬巖溶陷落柱的形成條件及其演化過程，對礦山巖溶水害的防治具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種模擬巖溶陷落柱演化過程的試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，直觀模擬再現(xiàn)陷落柱的演化過程以及巖溶塌陷的控制因素。

實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明的所采用的技術(shù)方案為：一種模擬巖溶陷落柱演化過程的試驗(yàn)裝置，其特征在于：該裝置包括邊界水頭控制系統(tǒng)、陷落柱模擬演化系統(tǒng)和地下水流裝置觀測系統(tǒng)三部分組成；邊界水頭控制系統(tǒng)主要由控制水位的溢流槽、供水管、回水管、進(jìn)水管、止水閥裝置組成；陷落柱模擬演化系統(tǒng)主要由裝有相似模擬材料的長方體箱體，連接箱體左右兩側(cè)的水槽，連接長方型箱體底部的真空泵三部分組成；地下水流裝置觀測系統(tǒng)由壓力傳感器和采集箱連接電腦組成；各部分連接主要為左端邊界水頭控制系統(tǒng)通過進(jìn)水管與陷落柱演化模擬系統(tǒng)中的水槽相連，箱體底部由橡膠管連接真空泵，右端的地下水流裝置觀測系統(tǒng)的壓力傳感器通過布置在箱體前方的觀測孔埋設(shè)在相似模擬材料中。

所述的溢流槽內(nèi)部用擋板隔開兩個區(qū)域，作為控制水頭邊界。

所述的箱體內(nèi)部由隔板分上下兩層，隔板位于箱體下部四分之一位置處，隔板帶有均勻的小孔，且纏有鐵絲網(wǎng)，隔板沿箱體觀側(cè)面開有長方形的槽口,長方形的槽口不纏鐵絲網(wǎng)。

所述的裝有模擬材料的箱體由有機(jī)玻璃制成，連接箱體兩邊的水槽內(nèi)壁上分布有均勻的小孔，內(nèi)壁纏有鐵紗網(wǎng)，方便水流流入和流出，防止箱體內(nèi)的相似模擬材料流出，箱體右邊的水槽在隔板以下的位置并開有可打開的通道口，使得隔板上長方形槽口下來的相似模擬材料可通過通道口流出。

所述的相似模擬材料在箱體隔板下部鋪設(shè)的為工業(yè)食鹽，上部為砂粒再按一定比例加入混合料(碳酸鈣、石膏、水、石蠟)獲得的砂樣相似模擬材料，該材料與研究區(qū)的基巖具有相似的力學(xué)性質(zhì)和滲透性能。

本發(fā)明一種模擬巖溶陷落柱演化過程的試驗(yàn)裝置的有益效果如下：

本試驗(yàn)裝置屬于探究巖溶塌陷形成機(jī)理的試驗(yàn)裝置，相較于同類模擬裝置，可以綜合分析潛蝕致塌模式和真空吸蝕致塌模式對巖溶塌陷的影響。因考慮的因素較為綜合和全面，可以更全面的再現(xiàn)巖溶塌陷的時空演化規(guī)律。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明一種模擬巖溶陷落柱演化過程的試驗(yàn)裝置立體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明一種模擬巖溶陷落柱演化過程的試驗(yàn)裝置中陷落柱演化模擬系統(tǒng)中箱體的隔板立體結(jié)構(gòu)圖。

圖中：1-滑輪組；2-溢流槽；3-供水管；4-進(jìn)水管；5-回水管；6-水箱；7-止水閥；8-水槽；9-密封板；10-箱體；11-安有壓力傳感器的觀測孔；12-隔板；13-長方形槽口；14-橡膠管；15-真空泵；16-鐵質(zhì)支架；17-排水管；18-采集箱；19-電腦

具體實(shí)施方式：

為使本發(fā)明的發(fā)明目的和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施步驟對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：

一種模擬巖溶陷落柱演化過程的實(shí)驗(yàn)裝置,包括邊界水頭控制系統(tǒng)、陷落柱模擬演化系統(tǒng)和地下水流裝置觀測系統(tǒng)三部分組成；所述的邊界水頭控制系統(tǒng)主要由控制水位升降的的滑輪組1和溢流槽2、供水管3、進(jìn)水管4、回水管5、水箱6以及止水閥7組成；所述的陷落柱模擬演化系統(tǒng)主要由連接邊界水頭控制系統(tǒng)的水槽8、密封板9、裝有相似模擬材料的箱體10(箱體上開有連接壓力傳感器的觀測孔11，箱體內(nèi)有分層的隔板12，隔板上開有均勻的小孔和長方形槽口13)、用橡膠管14連接長方形槽的真空泵15這三部分組成；所述的地下水流裝置觀測系統(tǒng)由壓力傳感器和采集箱18連接電腦19組成；各部分連接主要為左端邊界水頭控制系統(tǒng)的進(jìn)水管4連接陷落柱演化模擬系統(tǒng)的水槽8，陷落柱模擬演化系統(tǒng)中的真空泵15通過橡膠管14連接隔板上的長方形槽口13，右端的地下水流裝置觀測系統(tǒng)通過采集箱18連接陷落柱模擬演化系統(tǒng)中箱體內(nèi)壓力傳感器。

本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置具體實(shí)施如下所示：

實(shí)驗(yàn)前，將箱體10內(nèi)的隔板取出，鋪上工業(yè)食鹽至箱體四分之一高度處，放下隔板，在隔板12上再鋪上按一定配比獲得的砂樣模擬材料(砂樣模擬材料鋪設(shè)第一個5cm厚度時，在本層用鋼尺每間隔20cm處切一刀用來模擬裂隙，并在邊緣撒上云母片，用來區(qū)分兩層，相似模擬材料鋪設(shè)第二個5cm厚度時，在本層用鋼尺每間隔20cm處切一刀，注意第二層切割的裂隙位置與第一層錯開，往后依照類似工序?qū)⑸皹愉仢M整個箱體),考慮到滿足室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的尺度效果的要求，采用的砂樣配比中的砂的粒徑較小，并將各管道連接好。

實(shí)驗(yàn)中，首先調(diào)整溢流槽2高度，打開進(jìn)水管，利用供水水箱對溢流槽水量補(bǔ)給，水流通過進(jìn)水管4進(jìn)入有機(jī)玻璃水槽中。當(dāng)陷落柱演化模擬系統(tǒng)中箱體10中的相似材料處于飽和狀態(tài)時，同時記錄隔板12底部工業(yè)食鹽的溶蝕情況，并拍照記錄長方形槽口上方裂隙發(fā)育情況，待工業(yè)食鹽溶蝕完，形成管道流，及時清理右方水槽中的砂，觀察記錄在管道流情況下陷落柱演化模擬系統(tǒng)中塌陷情況，待沉陷基本穩(wěn)定后，滑輪組降低溢流槽高度將水位控制在形成的管道流二分之一高度，開啟真空泵，對隔板長方形槽口進(jìn)行真空吸蝕，拍照記錄塌陷情況。最終將地下水流裝置觀測系統(tǒng)中采集箱的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

實(shí)驗(yàn)后，分析陷落柱模擬演化系統(tǒng)中塌陷處滲流場和應(yīng)力場的變化情況，以及現(xiàn)場模擬拍攝的照片，分析潛蝕和真空吸蝕對巖溶塌陷的影響，探究巖溶陷落柱的形成機(jī)理。

上述實(shí)例只說明本發(fā)明的技術(shù)結(jié)構(gòu)及方法，凡根據(jù)上述說明所作的改進(jìn)或變換均因包含在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種模擬巖溶陷落柱演化過程的試驗(yàn)裝置,該裝置由邊界水頭控制系統(tǒng)、陷落柱模擬演化系統(tǒng)和地下水流裝置觀測系統(tǒng)三部分組成。邊界水頭控制系統(tǒng)的進(jìn)水管連接陷落柱模擬演化系統(tǒng)中的水槽，水槽連接著箱體，箱體底部通過橡膠管連接著真空泵，地下水流裝置觀測系統(tǒng)的壓力傳感器通過箱體上的觀測孔埋設(shè)在相似模擬材料中。實(shí)驗(yàn)通過升降水位和真空泵來控制模擬巖溶陷落柱在潛蝕以及真空吸蝕作用下的演化過程，通過地下水流裝置觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析巖溶陷落柱形成過程中滲流場和應(yīng)力場的變化規(guī)律，再現(xiàn)溶陷落柱的形成機(jī)理及演化過程。

技術(shù)研發(fā)人員：黎志豪;許光泉;汪遷遷;馬志尚;高加林;姚慶健
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.05
技術(shù)公布日：2017.07.28