CN103898865A - 尾矿库模型试验模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尾矿库模型试验模拟系统，包括供水系统、地形模拟系统、测量系统以及水砂回收系统，所述供水系统通过输水管道连通地形模拟系统的上游，地形模拟系统的下游通过砂浆通道连通水砂回收系统，水砂回收系统设置有滤砂装置和回水口；所述测量系统用于对地形模拟系统中溃坝泥石流的参数进行测量；所述地形模拟系统包括地形模拟支架，地形模拟支架的顶端自下而上依次安装有筋网层、毛毡层以及防水层；地形模拟支架包括若干可调支座，相邻可调支座的下部之间通过横梁连接，所述筋网安装在所有可调支座的顶端。本发明解决了试验中存在的地形制作过程复杂、水砂难以回收的问题，提高了模型试验效率，并能够使试验系统重复利用。

Description

尾矿库模型试验模拟系统

技术领域

本发明涉及尾矿库模型试验技术领域，特别是一种用于模拟尾矿库溃坝过程的试验系统。 

背景技术

尾矿库是一种特殊的工业建筑物，是矿山三大基础性工程之一。尾矿库是指筑坝拦截谷口或者围地构成的用于堆存金属或非金属矿石选别后排出尾矿或者其他工业废渣的场所，尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，尾矿库溃坝后库内的尾矿砂会形成大规模的泥石流向下游运动，对下游居民和环境带来毁灭性的灾难。随着我国矿业的迅速发展，尾矿库数量和规模的不断加大，其事故发生后对下游及周边所造成的危害也随之增大，安全问题亟待研究。通过模型试验来尾矿库溃坝过程和泥石流的演进过程是最有效、最可靠的手段。

尾矿库溃坝研究的目的即是为了通过对溃坝流态演进过程的分析计算，预测尾矿库泄砂总量、溃坝最大砂流量、溃坝流量过程线等溃坝重要参数，全面分析溃坝灾害的影响范围和程度，为下游防灾减灾工程等一系列安全问题提供可靠的理论基础。尾矿库溃坝泥石流是由尾矿砂和水的混合而成，水砂掺混演进，其运动机理复杂，较水利工程模型试验而言，尾矿库溃坝泥石流试验在系统设计上难度较大。前人对于尾矿库溃坝试验的研究鲜有报道，仅有的试验研究均采用传统的试验系统进行设计。

传统的模拟尾矿库的试验系统包括供水系统、地形模拟系统、测量系统以及回收系统，在进行溃坝模型试验时，首先需要根据山区地形图将所模拟的尾矿库地形建立在试验室中；其次根据模型相似比例将尾矿砂铺设在建好的地形上，建造出模型尾矿库；然后在建立供水系统和泥沙回收系统；最后完成进行尾矿库溃坝的模拟试验。在试验系统建设的过程中，难度最大的为地形模拟系统和回收系统的建设。

目前在对地形进行模拟时，均是根据地形采用填充固体材料的方式实现对地形的模拟，不仅工作繁杂冗重、耗时耗力，而且精度难以控制，很难满足试验测量的要求。另外，尾矿库大多处于山区，地形起伏跌宕，高差较大，使用填充固体材料来模拟地形会消耗大量的材料，而且这些填充材料不能重复利用，对资源造成了巨大的浪费。而对于泥石流回收系统，一般均是在试验完成后才进行泥沙的回收工作，占地面积及回收难度都非常大。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种尾矿库模型试验模拟系统，以解决传统试验系统存在的地形制作过程复杂、水砂难以回收的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是： 

尾矿库模型试验模拟系统，包括供水系统、地形模拟系统、测量系统以及水砂回收系统，所述供水系统通过输水管道连通地形模拟系统的上游，地形模拟系统的下游通过砂浆通道连通水砂回收系统，水砂回收系统设置有滤砂装置和通过回水管道与供水系统连通的回水口；所述测量系统用于对地形模拟系统中溃坝泥石流的参数进行测量；所述地形模拟系统包括地形模拟支架，地形模拟支架的顶端自下而上依次安装有筋网层、毛毡层以及防水层；所述地形模拟支架包括安装在模拟区域的若干可调支座，相邻可调支座的下部之间通过横梁连接，所述筋网安装在所有可调支座的顶端。

本发明所述可调支座的具体结构为：所述可调支座包括带底盘的伸缩套筒，伸缩套筒的顶端通过支撑立柱连接有可调顶座；所述可调顶座包括平板型顶座和垂直可调顶座底端面设置的连接板；所述支撑立柱的顶端开设有插放连接板并横向贯穿支撑立柱顶端的凹槽，所述连接板通过相配装的定位螺栓和螺母定位在凹槽中；所述横梁连接在相邻可调支座的伸缩套筒之间，筋网安装在所有可调支座的平板型顶座上端面。

本发明所述可调支座的改进在于：所述可调支座支撑立柱凹槽两侧的支臂上顺应凹槽方向对称设置有用于顶紧定位螺栓的加固螺栓。

本发明所述可调支座的改进在于：所述可调支座支撑立柱的底端与伸缩套筒的顶端螺纹连接。

本发明所述可调支座的进一步改进在于：所述可调支座的伸缩套筒包括至少两节相互套接的套筒，位于下方的套筒外壁上设置有用于定位上方套筒的顶丝。

本发明所述可调支座的改进还在于：所述可调顶座的平板型顶座为圆形平板结构，圆形平板顶座的周边匀布有若干用于固定筋网的通孔。

本发明所述供水系统的具体结构为：所述供水系统包括通过供水管道与水源连通的水箱，水箱的底部设置有进水口和返水口，水箱内通过设置在进水口和返水口之间的溢流板将水箱分隔为供水区和返水区，所述溢流板的高度低于水箱的高度；水箱底部的侧壁上设置有与输水管道连通的出水口。

本发明所述供水系统的改进在于：所述水箱底部靠近进水口处设置有稳水栅。

本发明所述水砂回收系统的结构为：所述水砂回收系统包括收集箱，收集箱远离砂浆通道的侧壁底部设置有与回水管道连通的回水口，收集箱内自砂浆通道至回水口之间的内腔中依次通过垂直收集箱底面设置的挡砂板和过滤网将收集箱内腔分隔为粗砂沉淀区、细砂沉淀区和集水区；所述滤砂装置设置有两个，分别设置在粗砂沉淀区和细砂沉淀区的侧壁上。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明提出了一种完整的尾矿库模型试验模拟系统，重点解决了试验中存在的地形制作过程复杂、水砂难以回收的问题，提高了模型试验效率，并能够使试验系统重复利用。

本发明的地形模拟系统通过拼装式安装方法进行组建，能够重复利用。地形模拟系统中的地形模拟支架也通过可调支座搭建，再在可调支座上安装支撑上部物体的筋网、毛毡层及防止漏水的防水层，提高了建模速度，使尾矿库模型试验实现了机械化生产，使专业化的模型地形制作转变为容易操作的大众模式。另外，本发明在模拟地形时通过调节可调支座的排列度、高低及方向即可模拟出地形的谷峰、坡度及地形走向，再在防水层上进行试验即可，非常方便。试验完成后依次拆除即可，不仅不存在固体废弃物，而且还可重复利用，实现了资源利用最大化和污染零排放。

本发明中采用的可调支座灵活性和机动性高，可以适应任何地形条件，通过转动可调顶座的方向即可模拟任意地形的走向和倾斜坡度，方法简便灵活；与可调顶座配套的伸缩套筒可精确地模拟地形高程，减小了传统方法中人工水泥抹面的人为误差，并且能够通过调节伸缩套筒达到模拟地形高度变化的目的。在支撑立柱凹槽两侧的支臂上设置的加固螺栓用于顶紧定位螺栓，保证可调顶座的稳定性。支撑立柱与伸缩套筒采用螺纹连接方式，使得可调顶座能够在水平上360度旋转。平板型顶座设置为圆形平板状结构并结合周边设置的通孔，方便在使用过程中与筋网之间连接固定。

本发明供水系统中，水箱进水口处设置的稳水栅，起到平稳水流的作用；溢流板的设置，能够保证水箱供水区水量及水位的稳定，从而使得输送至地形模拟系统中的水流保持稳定的流量。

本发明设置的水砂回收系统，可在试验过程中边试验边进行清水和泥砂的回收，节约了试验时间。挡砂板和过滤网的设置，可使得砂浆中的粗砂和细砂得到分离，方便后续试验使用。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明所述供水系统的主视示意图；

图3为本发明所述水砂回收系统的主视示意图

图4为本发明所述地形模拟支架的结构示意图；

图5为本发明所述可调支座的结构示意图；

其中：1.供水系统，11.水箱，12.进水口，13.返水口，14.溢流板，15.出水口，16.稳水栅，2.地形模拟系统， 3.测量系统，4.水砂回收系统，41.收集箱，42.回水口，43.挡砂板，44.过滤网，5.可调支座，51.底盘，52.伸缩套筒，53.支撑立柱，531.支臂，54.可调顶座，541.连接板，542.通孔，543.平板型顶座，55.定位螺栓，56.加固螺栓，57.顶丝，6.横梁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

一种尾矿库模型试验模拟系统，其结构如图1所示，包括供水系统1、地形模拟系统2、测量系统3以及水砂回收系统4，所述供水系统1通过输水管道连通地形模拟系统2的上游，地形模拟系统2的下游通过砂浆通道连通水砂回收系统4，水砂回收系统4设置有滤砂装置和回水口42，回水口42通过回水管道与供水系统1连通；所述测量系统3用于对地形模拟系统中溃坝泥石流的参数进行测量。

本发明中所述地形模拟系统，包括地形模拟支架，地形模拟支架的顶端自下而上依次安装有筋网层、毛毡层以及防水层；地形模拟支架的结构如图4所示，包括安装在模拟区域的若干可调支座5，相邻可调支座的下部之间通过横梁6连接，筋网安装在所有可调支座的顶端。

本发明中可调支座的结构如图5所示。包括底盘51、伸缩套筒52、支撑立柱53和可调顶座54；底盘51焊接在伸缩套筒的底端，并与伸缩套筒垂直设置；支撑立柱53螺纹连接在伸缩套筒52的顶端，可调顶座54安装在支撑立柱53上。

可调顶座54包括平板型顶座543和连接板541，连接板541垂直设置在可调顶座的底端面上。本发明中的平板型顶座543为圆形平板结构，圆形平板顶座的周边匀布有若干通孔542，用于固定筋网。当然，平板型顶座的形状还可以是方形等其他形状的平板型结构。

支撑立柱53的顶端开设有凹槽，凹槽横向贯穿支撑立柱的顶端设置，用于插放连接板541。连接板541通过相配装的定位螺栓55和螺母定位在凹槽中，连接板的底部设置有配装定位螺栓的过孔，连接板与定位螺栓之间采用过盈配合方式安装，以保证连接板和定位螺栓之间不会产生相对位移。定位螺栓55垂直凹槽方向穿接在凹槽两侧的支臂中，伸出支臂的另一端配装防滑扣螺母。支撑立柱的支臂531上顺应凹槽方向还对称设置有加固螺栓56，用于顶紧定位螺栓，防止与定位螺栓配装的可调顶座在受力时定位螺栓受力转动，影响地形坡度的模拟。

本实施例中的伸缩套筒包括两节相互套接的套筒，位于下方的套筒外壁上设置有顶丝57，用于定位上方套筒。当然也可以是多节套筒相互套接。

本发明所述供水系统1的结构如图2所示，包括水箱11，水箱的底部设置有进水口12和13，水箱底部的侧壁上设置有出水口15。进水口12通过供水管道与水源连通，用于向水箱内输送试验用水；进水口处还设置有稳水栅16，用于起到稳定水流的作用；返水口通过返水管道与水源连通，用于将水箱中溢出的水流输送回水源，避免水资源的浪费；出水口15与输水管道连通，用于向下游的地形模拟系统供水。

水箱内设置有溢流板14，溢流板垂直于水箱底部设置在进水口和返水口之间，溢流板14将水箱分隔为供水区和返水区，溢流板的高度低于水箱的高度，用于将保持水箱内水位的稳定，进一步保证供水流量的稳定性。

本发明所述水砂回收系统4的结构如图3所示，包括收集箱41，收集箱的进口与砂浆通道连通，收集箱用于将砂浆通道输送来的水砂混合体进行分离，以得到粗砂、细砂和清水。收集箱41上设置有回水口42，回水口42设置在远离砂浆通道的侧壁底部，回水口与回水管道连通，用于将分离出来的清水输送回水源，继续利用。

收集箱内自砂浆通道至回水口之间的内腔中依次在三分之一处设置有挡砂板43和过滤网44，挡砂板43和过滤网44均垂直收集箱底面设置。挡砂板43和过滤网44将收集箱内腔分隔为粗砂沉淀区、细砂沉淀区和集水区。收集箱设置一个回水口42用于回水。

本发明用于模拟尾矿库溃坝试验时，试验过程如下：

第一步，制作地形模拟系统

1、制作地形

首先在试验室将模型区域依据实际地形高度和走势，将模型区域划分为若干横竖垂直的正交网格，并在地面进行网格布线。地形平缓的地方网格稀疏，地形陡峭的地方网格加密。

其次，在地形图上找出每个网格节点的高程值，并将可调支座安装在网格节点处，依据各节点处的高度调节伸缩套筒的长度至相应的地形高程；再在地形图上测量出每个网格节点的地形走向，依据地形走向调节可调顶座的方向，使之与地形相吻合；在确定好高度的相邻可调支座之间通过安装横梁将可调支座连接为一个整体结构的地形模拟支架。

在调节可调顶座方向的过程中，可调顶座在垂直方向的角度调节通过转动定位销轴实现，并用防滑扣螺母将定位销轴和可调顶座的连接板固定锁死在支撑立柱上；可调顶座在水平方向的角度调节通过伸缩套筒与支撑立柱的螺纹连接位置进行调节。

最后在稳固好的地形模拟支架上自下而上依次铺设筋网、毛毡层以及防水层，筋网通过相配装的螺栓和螺母安装在地形模拟支架中可调支座的可调顶座上，相配装的螺栓和螺母串接在通孔中将平板型顶座和筋网连接在一起，即制作完成地形。

2、制作尾矿库

依据原型尾矿库设计图纸，将尾矿库初期坝所用碎石屑和堆积坝所用尾矿砂分层填筑在建好的地形之上，直到达到尾矿库设计高程，尾矿库模型制作完成，同时地形模拟系统制作完成。在尾矿砂填筑过程中，每填筑一层，将尾矿砂夯实到一定的密实度，逐层上升。

第二步，制作供水系统

依据尾矿库调洪演算结果，在尾矿库模型上游建立供水系统。通过水泵将水由上水管输送到水箱进水口，进入水箱的水流在稳水栅的作用下变得平缓。水流流入供水区后，多余的水从溢流板溢出到返水区，返回水源处。供水区的水流通过供水管道输送到地形模拟系统中的尾矿库模型上。

第三步，制作水砂回收系统

将收集箱布置在地形模拟系统的下游，并通过砂浆通道将地形模拟系统的砂浆出口与收集箱的进口连通；在收集箱内安装挡砂板和过滤网；最后采用回水管道将收集箱的回水口与供水系统连接起来，水砂回收系统制作完成。

第四步，模拟溃坝试验

各系统准备好之后，进行尾矿库溃坝模型试验研究，采用测量系统对溃坝泥石流各项数据进行测量。首先通过供水系统向尾矿库模型注水，保持尾矿库内水位不变，直到尾矿库发生溃坝。从溃坝时刻起开始监测各项泥石流数据，例如泥深、流速等。

试验过程中，在尾矿库发生溃坝前，流入水砂回收系统中的砂浆大部分为清水，仅含有少量泥砂；在尾矿库发生溃坝后，流入水砂回收系统中的砂浆即为泥石流。泥石流为水砂混合体，粗细颗粒掺混在水流中向下游运动，泥石流中较粗的颗粒在水砂回收系统的粗砂沉淀区进行沉淀，细颗粒随水流经过挡砂板进入到细砂过滤区，经过过滤网过滤后细砂与清水分离，细砂沉淀在细砂沉淀区，清水则在清水区中通过回水管道进入供水系统中。

Claims (9)

1.尾矿库模型试验模拟系统，包括供水系统（1）、地形模拟系统（2）、测量系统（3）以及水砂回收系统（4），所述供水系统（1）通过输水管道连通地形模拟系统（2）的上游，地形模拟系统（2）的下游通过砂浆通道连通水砂回收系统（4），水砂回收系统（4）设置有滤砂装置和通过回水管道与供水系统（1）连通的回水口（42）；所述测量系统（3）用于对地形模拟系统中溃坝泥石流的参数进行测量；其特征在于：所述地形模拟系统（2）包括地形模拟支架，地形模拟支架的顶端自下而上依次安装有筋网层、毛毡层以及防水层；所述地形模拟支架包括安装在模拟区域的若干可调支座（5），相邻可调支座的下部之间通过横梁（6）连接，所述筋网安装在所有可调支座（5）的顶端。

2.根据权利要求1所述的尾矿库模型试验模拟系统，其特征在于：所述可调支座包括带底盘（51）的伸缩套筒（52），伸缩套筒（52）的顶端通过支撑立柱（53）连接有可调顶座（54）；所述可调顶座（54）包括平板型顶座（543）和垂直可调顶座底端面设置的连接板（541）；所述支撑立柱（53）的顶端开设有插放连接板（541）并横向贯穿支撑立柱顶端的凹槽，所述连接板（541）通过相配装的定位螺栓（55）和螺母定位在凹槽中；所述横梁连接在相邻可调支座的伸缩套筒之间，筋网安装在所有可调支座的平板型顶座（543）上端面。

3.根据权利要求2所述的尾矿库模型试验模拟系统，其特征在于：所述可调支座支撑立柱凹槽两侧的支臂（531）上顺应凹槽方向对称设置有用于顶紧定位螺栓的加固螺栓（56）。

4.根据权利要求2所述的尾矿库模型试验模拟系统，其特征在于：所述可调支座支撑立柱的底端与伸缩套筒（52）的顶端螺纹连接。

5.根据权利要求2所述的尾矿库模型试验模拟系统，其特征在于：所述可调支座的伸缩套筒包括至少两节相互套接的套筒，位于下方的套筒外壁上设置有用于定位上方套筒的顶丝（57）。

6.根据权利要求2所述的尾矿库模型试验模拟系统，其特征在于：所述可调顶座的平板型顶座（543）为圆形平板结构，圆形平板顶座的周边匀布有若干用于固定筋网的通孔（542）。

7.根据权利要求1所述的尾矿库模型试验模拟系统，其特征在于：所述供水系统（1）包括通过供水管道与水源连通的水箱（11），水箱的底部设置有进水口（12）和返水口（13），水箱内通过设置在进水口和返水口之间的溢流板（14）将水箱分隔为供水区和返水区，所述溢流板的高度低于水箱的高度；水箱底部的侧壁上设置有与输水管道连通的出水口（15）。

8.根据权利要求7所述的尾矿库模型试验模拟系统，其特征在于：所述水箱底部靠近进水口处设置有稳水栅（16）。

9.根据权利要求1所述的尾矿库模型试验模拟系统，其特征在于：所述水砂回收系统（4）包括收集箱（41），收集箱（41）远离砂浆通道的侧壁底部设置有与回水管道连通的回水口（42），收集箱内自砂浆通道至回水口之间的内腔中依次通过垂直收集箱底面设置的挡砂板（43）和过滤网（44）将收集箱内腔分隔为粗砂沉淀区、细砂沉淀区和集水区。

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