煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场驱动作用及数学模型构建

煤矿采空区积水水质演化的多场作用模拟试验装置

煤矿采空区积水水质演化的多场协同作用机制

煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场-水化学场-微生物场耦合作用 多场耦合作用

一、装置简介

本装置专为研究煤矿采空区积水水质在水动力场、水化学场及微生物场耦合作用下的演化规律而设计，可复现采空区 “水位回升” 和 “蓄满” 两个关键阶段的水质变化过程。通过模拟顶板导水裂隙带的分层渗透特性，精准调控水动力条件（水位升降、渗流速率），并结合水化学参数监测与微生物群落分析，揭示多场协同作用对水质演化的驱动机制。

二、主要技术参数

模型尺寸：长*宽*高 2000×1000×1500mm（模拟采空区及上覆岩层）

水动力场控制

水位调节范围：0~1000mm

渗流速率：0.1~5m/d

压力控制：0~0.5MPa

水化学场监测

pH 值：2~12（精度 ±0.01）

离子浓度：Ca2?、Mg2?、SO?2?等（检测下限 0.1mg/L）

氧化还原电位（ORP）：-1000~1000mV（精度 ±1mV）

微生物场模拟

温度控制：15~40℃,精度±0.5℃

溶解氧（DO）：0~20mg/L（精度 ±0.01mg/L）

微生物采样口：≥8 个（分布于不同垂向分层）

数据采集

采样频率：1~60min

可调存储容量：≥10 万组

三、装置组成

装置由模拟试验箱系统、多场参数调控系统、监测与分析系统三部分组成，各部分功能如下：

1. 模拟试验箱系统

核心功能：还原采空区及顶板导水裂隙带的物理结构，为多场作用提供模拟空间。

主要组件：

箱体框架：Q235 型钢焊接，内侧衬防腐钢板，顶部设透明观察窗;

分层渗透结构：按导水裂隙带垂向分布，自上而下设置 3 层模拟区（松散层、裂隙发育层、原生岩层），每层填充不同级配的石英砂与碳酸钙混合材料;

采空区模拟单元：底部设多孔集水板（孔径 5mm），连接排水管与水位调节装置，模拟采空区积水存储与排泄过程。

2.多场参数调控系统

核心功能：精准调控水动力、水化学、微生物场关键参数，实现多场耦合模拟。

主要组件：

水动力调控模块：包括恒压供水装置、变频水泵、压力传感器；

水化学调控模块：自动加药装置（可添加 CaCl?、Na?SO?等试剂，调节离子初始浓度）、pH 缓冲系统（维持目标酸碱度）；

微生物场调控模块：恒温控制系统、DO 调节装置、微生物接种口。

3. 监测与分析系统

核心功能：实时采集多场参数并进行数据整合分析，追踪水质演化过程。

主要组件：

传感器阵列：水位计（精度±1mm）、电磁流量计（监测渗流速率）、水质传感器；

采样系统：自动取样器（定时采集不同分层水样，容量 50mL / 次）、微生物采样口；