CN105067407A - 一种尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置，属于矿山设备技术领域。该装置包括加热装置、搅拌装置、加压装置和承模饱和装置，加热装置与承模饱和装置上下连接，搅拌装置、加压装置可拆卸的轮流置于加热装置中；所述加热装置电加热锅可拆卸与承模饱和装置中的承模器旋紧连接并相通，搅拌装置中的搅拌轴插入电加热锅；搅拌轴顶端和底端分别设有旋转器和搅拌爪；所述加压装置中加压杆插入锅盖中，加压杆与卡盘为一个整体，砝码通过中间的圆孔套在卡盘上，加压杆通过承压杆接口依次与承压杆和传压板连接；所述承模饱和装置中饱和筒内部设有可拆卸的承模器，饱和筒顶端一侧设有注水孔，另一侧设有抽气孔。本装置所获得数据较为准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置，属于矿山设备技术领域。
背景技术
当前，土力学是以下列基本原理为基础的：1）压力与体积（即孔隙）变化之间以及剪应力和形状变化之间成正比例关系；2)土随时间的压密（固结）是由于水沿土中孔隙运动的结果，并且这个运动服从于渗透定律；3）属于分散介质的土，不仅具有颗粒间的粘聚力，而且具有内摩擦力，这些特性决定了土的抗破坏强度。基于以上这些原理及假设才可能建立土的线性变形理论、渗透固结理论和极限平衡理论。但与此同时，这些原理及假设在一定程度上将土的特性理想化。实际上，土的性状在加荷时是十分复杂的，例如土变形的时间效应，如蠕变、松弛和荷载长期作用下强度降低等，换句话说，土能够随时间的增长而改变本身的应力、应变状态。而土的另一个特点是应力和应变关系的非线性，尤其是随时间而变化的变形。此外，还应考虑到土的基本特性，即它的内摩擦力不仅在极限状态时出现，而且在极限状态之前也出现，从而对变形发展的特点产生影响，土的这种特点是由于它的抗压和抗剪强度不同所形成的，导致了诸如剪应力引起体积变形（剪胀）及均围压力引起剪切变形等等这样一些畸形现象。因此，荷载作用下土的实际性状与理想的概念有重大区别。虽然在一些情况下土特性的理想化对实际计算是可行的，但若忽视土的上述特点，则会导致计算结果与现场情况严重不符；有许多这样的实例：如长期蠕变的结果会导致结构物的变形；计算中采用的瞬时强度而不是长期强度会导致边坡和挡土墙破坏；由于没有考虑非线性，会导致沉降的计算值与实际值有很大差别。考虑了土的变形特点，就有可能较精确地研究土的实际特性，从而可使理论接近于土的实际情况。
同时，中国是一个矿业大国，每年选矿产生尾矿约3亿吨，除小部分作为矿山充填或综合利用外，绝大部分要以尾矿坝的形式堆存。然而，由于我国在尾矿坝方面的科研投入少，科研滞后，科技水平低，导致频频发生尾矿坝溃坝等重大安全事故，如2008年9月8日，山西襄汾县新塔矿业有限公司发生特大尾矿坝溃坝事故，270人死亡，此次事故造成了极其恶劣的社会影响及环境灾害。被安监总局称为“迄今为止全世界最大的尾矿坝事故”，据统计，仅2007年就发生了14起尾矿坝安全事故。然而，矿山尾矿坝的滑坡及溃坝过程一个长期的过程（量变—质变），这个过程是尾矿发生流变的一个过程。因此，开展尾矿材料的三轴流变实验的重要性不言而喻，而在进行尾矿材料的三轴流变实验时，试样的制备又是实验的基本步骤和成功与否的关键步骤。尽管如此，当前的三轴流变实验的土样制备多是击实器与饱和筒等工具配合使用，人工将散土装进模具并击实，这样制作出来的试样中经常会含有气泡，而且每一个制作出来的试样的饱和度、硬度等物理性质都存在不同程度的差异，这些都会对实验数据有较大的影响；这种人工制样方法还需要较长的饱和时间。所以本发明设计了一种尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置，本装置运用了真空饱和法、热胀冷缩原理以及静态加压等思想，可用于制备尾矿材料、砂类土等的试样土模型。使得制样过程更加简便、高效、快捷。本发明装置节省了人力和物力，制备出来的试样的各性质具有统一性，大大提高了所测尾矿材料流变实验的成功率、可靠性和准确性。有利于矿山尾矿坝坝体的稳定性研究。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置。本装置在节省大量人力的情况下，所获得的试样能使尾矿材料的三轴流变实验获得的数据较为准确，本发明通过以下技术方案实现。
一种尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置，该装置包括加热装置、搅拌装置、加压装置和承模饱和装置，加热装置与承模饱和装置上下连接，搅拌装置、加压装置可拆卸的轮流置于加热装置中；
所述加热装置包括电加热锅外接线4、排气口10、锅盖接口11、电加热锅12、锅盖27和锅盖轴接口28，搅拌装置包括搅拌轴2、搅拌爪3和旋转器9，加压装置包括砝码20、加压杆21、承压杆接口23、承压杆24、卡盘35和传压板36，承模饱和装置包括注水孔盖5、注水孔6、排水孔7、排水孔盖8、抽气机14、橡皮塞15、抽气孔16、活塞17、承模器18、饱和筒19、拦条29、二通阀30、橡皮塞31和管夹32；
所述加热装置中的电加热锅12可拆卸与承模饱和装置中的承模器18旋紧连接并相通，电加热锅12通过锅盖接口11与锅盖27连接，电加热锅12上设有电加热锅外接线4，锅盖27顶部设有排气口10，搅拌装置中的搅拌轴2通过锅盖轴接口28插入锅盖27；
所述搅拌装置中搅拌轴2顶端和底端分别设有旋转器9和搅拌爪3；
所述加压装置中砝码20呈中间有孔的圆饼状，孔的直径与加压杆21的杆直径相等，加压杆21取代搅拌轴2插入锅盖27（锅盖27也可与电加热锅通过螺纹而连接。锅盖27一个是起支撑作用，支撑搅拌装置和支撑加压装置；其另一个作用是减少热量的散失，可以有效缩短尾矿材料的加热时间）中，加压杆21与卡盘35为一个整体，呈十字架型，砝码20通过中间的圆孔套在卡盘35上，加压杆21通过承压杆接口23依次与承压杆24和传压板36连接，加压杆21上设有刻度线，可测量试样加压时的沉降高度，传压板36直径与承模器18内径直径相等；
所述承模饱和装置中饱和筒19为圆筒状，饱和筒19内部设有可拆卸的承模器18，饱和筒19顶端一侧设有注水孔6，另一侧设有抽气孔16，饱和筒19底部设有排水孔7，注水孔6、排水孔7上分别设有注水孔盖5和排水孔盖8，抽气孔16上设有橡皮塞15，管道穿过橡皮塞15依次与二通阀30、抽气机14连接；在搅拌过程中，所述电加热锅12与承模器18交接处从上至下依次设有透水石Ⅰ13和活塞17；在加压过程中，电加热锅12与承模器18交接处传压板36接触透水石Ⅱ25。
所述承压杆接口23内设有有橡皮套22，橡皮套22保证了加压杆21与承压杆24紧密连接，不会滑脱。
所述锅盖轴接口28内设有滚珠1，其作用是减小搅拌轴2穿过锅盖轴接口28旋转时的摩擦阻力。
上述拦条29与承模器18为一体，其目的是为了使承模器18的底部有孔，使承模器18内部与饱和筒19连通，当抽气机14向饱和筒19中抽气时，承模器18内的活塞17下滑，使电加热锅12内的土样受到负压而被吸入承模器18中；活塞17到达承模器18的底部后，拦条29挡住活塞17，以阻止活塞17脱落。
该尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置的操作步骤：
第一步：此时用到的是加热装置、搅拌装置和承模饱和装置，首先将三个装置按图1所示安装好：将承模器18拧紧于饱和筒19上，在将电加热锅12与承模器18拧紧。需要注意的是透水石Ⅰ13和活塞17置于承模器18顶部，透水石Ⅰ13与电加热锅12的底部平齐，透水石Ⅰ13和与活塞17之间无缝隙。打开锅盖27，向电加热锅12中加入适量的水和尾矿材料，盖上锅盖27，将电加热锅12通过电加热锅外接线4接通电源，使电加热锅12处于加热状态，打开旋转器9，对尾矿材料进行搅拌，使尾矿材料和水混合均匀，并缩短其加热时间。
第二步：当加热到尾矿材料沸腾后，在继续加热一段时间，待到除尽尾矿材料中的气泡，断开电加热锅12的电源，拧紧注水孔盖5和排水孔盖8，打开二通阀30，开启抽气机14，使饱和筒19内的压力为负，从而活塞17带动透水石13从承模器18的上部缓缓下移，将加热锅12中已经加热好的尾矿材料吸入承模器18内，然后关闭二通阀30，关闭抽气机14。
第三步：将搅拌装置拆下，换上加压装置（需注意要把加压杆21插到承压杆接口23的底部，以使测量出的试样沉降量更为准确）。在吸入承模器18顶部的尾矿材料上放上透水石25，加压装置的传压板36与透水石25接触传递压力。打开注水孔盖5，向饱和筒19内注满冷水，盖上注水孔盖5。在加压杆21上不断添加砝码20，直至卡盘35与锅盖27接触为止。
第四步：静置一段时间，当承模器18内的试样完全冷却后，将承模器18从加热锅12与饱和筒19上拆下，向上推动承模器18底部的活塞17，即可取出试样用于实验。
第五步：若是需要用到真空饱和，则在搅拌装置拆下，换上加压装置后，只需将注水孔盖5取下，按照图2将橡皮塞31、引水管33和管夹32、水缸34等装置连接好，在缝隙处涂上凡士林以防漏气。关管夹32，开二通阀30，开动抽气机，抽除饱和筒19及试样中气体，当饱和筒19内的气压达到约1个大气负压力值后，继续抽气（粘质土约1h，粉质土约0.5h），然后稍微开启管夹32，使清水由引水管33徐徐注入饱和筒19内，在注水过程中，应调节管夹32使饱和筒19内的压力值基本上保持不变，待饱和筒19内注满水后，即停止抽气，将引水管33自水缸34中提出开管夹32，静置一定时间，借助大气压力使试样饱和，然后按照第四步取出试样即可。
本发明的有益效果是：
（1）在节省大量人力的情况下，所获得的试样能使尾矿材料的三轴流变实验获得的数据较为准确。
（2）由于尾矿材料的渗透系数较大，在制样之前对尾矿材料进行加热，在将试样连同承模器浸泡于冷水中，利用热胀冷缩原理使试样充分饱和。
（3）通过增加轴向的加压装置的和砝码来对实验土样施加轴向压力，从而确定试样高度以及消除试样中的气泡。
（4）在制样过程中，能实时测定试样沉降量的变化。在同一套装置中，能够对试样进行真空饱和。
附图说明
图1是本发明立体结构示意图A；
图2是本发明立体结构示意图B；
图3是本发明加压装置部分结构示意图；
图4是本发明1-1剖面结构示意图；
图5是本发明加热装置部分结构示意图；
图6是旋转器、搅拌轴、锅盖连接结构示意图。
图中：1-滚珠，2-搅拌轴，3-搅拌爪，4-电加热锅外接线，5-注水孔盖，6-注水孔，7-排水孔，8-排水孔盖，9-旋转器，10-排气口，11-锅盖接口，12-电加热锅，13-透水石Ⅰ，14-抽气机，15-橡皮塞，16-抽气孔，17-活塞，18-承模器，19-饱和筒，20-砝码，21-加压杆，22-橡皮套，23-承压杆接口，24-承压杆，25-透水石Ⅱ，26-试样，27-锅盖，28-锅盖轴接口，29-拦条，30-二通阀，31-橡皮塞，32-管夹，33-引水管，34-水缸，35-卡盘，36-传压板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1至6所示，该尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置，包括加热装置、搅拌装置、加压装置和承模饱和装置，加热装置与承模饱和装置上下连接，搅拌装置、加压装置可拆卸的轮流置于加热装置中；
所述加热装置包括电加热锅外接线4、排气口10、锅盖接口11、电加热锅12、锅盖27和锅盖轴接口28，搅拌装置包括搅拌轴2、搅拌爪3和旋转器9，加压装置包括砝码20、加压杆21、承压杆接口23、承压杆24、卡盘35和传压板36，承模饱和装置包括注水孔盖5、注水孔6、排水孔7、排水孔盖8、抽气机14、橡皮塞15、抽气孔16、活塞17、承模器18、饱和筒19、拦条29、二通阀30、橡皮塞31和管夹32；
所述加热装置中的电加热锅12可拆卸与承模饱和装置中的承模器18旋紧连接并相通，电加热锅12通过锅盖接口11与锅盖27连接，电加热锅12上设有电加热锅外接线4，锅盖27顶部设有排气口10，搅拌装置中的搅拌轴2通过锅盖轴接口28插入锅盖27；
所述搅拌装置中搅拌轴2顶端和底端分别设有旋转器9和搅拌爪3；
所述加压装置中砝码20呈中间有孔的圆饼状，孔的直径与加压杆21的杆直径相等，加压杆21取代搅拌轴2插入锅盖27（锅盖27也可与电加热锅通过螺纹而连接。锅盖27一个是起支撑作用，支撑搅拌装置和支撑加压装置；其另一个作用是减少热量的散失，可以有效缩短尾矿材料的加热时间）中，加压杆21与卡盘35为一个整体，呈十字架型，砝码20通过中间的圆孔套在卡盘35上，加压杆21通过承压杆接口23依次与承压杆24和传压板36连接，加压杆21上设有刻度线，可测量试样加压时的沉降高度，传压板36直径与承模器18内径直径相等；
所述承模饱和装置中饱和筒19为圆筒状，饱和筒19内部设有可拆卸的承模器18，饱和筒19顶端一侧设有注水孔6，另一侧设有抽气孔16，饱和筒19底部设有排水孔7，注水孔6、排水孔7上分别设有注水孔盖5和排水孔盖8，抽气孔16上设有橡皮塞15，橡皮塞15通过管道依次二通阀30、抽气机14连接；在搅拌过程中，所述电加热锅12与承模器18交接处从上至下依次设有透水石Ⅰ13和活塞17；在加压过程中，电加热锅12与承模器18交接处传压板36接触透水石Ⅱ25。
其中承压杆接口23内设有有橡皮套22，橡皮套22保证了加压杆21与承压杆24紧密连接，不会滑脱；锅盖轴接口28内设有滚珠1，其作用是减小搅拌轴2穿过锅盖轴接口28旋转时的摩擦阻力。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置，其特征在于：该装置包括加热装置、搅拌装置、加压装置和承模饱和装置，加热装置与承模饱和装置上下连接，搅拌装置、加压装置可拆卸的轮流置于加热装置中；
所述加热装置包括电加热锅外接线（4）、排气口（10）、锅盖接口（11）、电加热锅（12）、锅盖（27）和锅盖轴接口（28），搅拌装置包括搅拌轴（2）、搅拌爪（3）和旋转器（9），加压装置包括砝码（20）、加压杆（21）、承压杆接口（23）、承压杆（24）、卡盘（35）和传压板（36），承模饱和装置包括注水孔盖（5）、注水孔（6）、排水孔（7）、排水孔盖（8）、抽气机（14）、橡皮塞（15）、抽气孔（16）、活塞（17）、承模器（18）、饱和筒（19）、拦条（29）和二通阀（30）、橡皮塞（31）和管夹（32）；
所述加热装置中的电加热锅（12）可拆卸与承模饱和装置中的承模器（18）旋紧连接并相通，电加热锅（12）通过锅盖接口（11）与锅盖（27）连接，电加热锅（12）上设有电加热锅外接线（4），锅盖（27）顶部设有排气口（10），搅拌装置中的搅拌轴（2）通过锅盖轴接口（28）插入锅盖（27）；
所述搅拌装置中搅拌轴（2）顶端和底端分别设有旋转器（9）和搅拌爪（3）；
所述加压装置中砝码（20）呈中间有孔的圆饼状，孔的直径与加压杆（21）的杆直径相等，加压杆（21）取代搅拌轴（2）插入锅盖（27）中，加压杆（21）与卡盘（35）为一个整体，呈十字架型，砝码（20）通过中间的圆孔套在卡盘（35）上，加压杆（21）通过承压杆接口（23）依次与承压杆（24）和传压板（36）连接，加压杆（21）上设有刻度线，传压板（36）直径与承模器（18）内径直径相等；
所述承模饱和装置中饱和筒（19）为圆筒状，饱和筒（19）内部设有可拆卸的承模器（18），饱和筒（19）顶端一侧设有注水孔（6），另一侧设有抽气孔（16），饱和筒（19）底部设有排水孔（7），注水孔（6）、排水孔（7）上分别设有注水孔盖（5）和排水孔盖（8），抽气孔（16）上设有橡皮塞（15），管道穿过橡皮塞（15）依次与二通阀（30）、抽气机（14）连接；在搅拌过程中，所述电加热锅（12）与承模器（18）交接处从上至下依次设有透水石Ⅰ（13）和活塞（17）；在加压过程中，电加热锅（12）与承模器（18）交接处传压板（36）接触透水石Ⅱ（25）。
2.根据权利要求1所述的尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置，其特征在于：所述承压杆接口（23）内设有有橡皮套（22）。
3.根据权利要求1所述的尾矿材料的三轴流变实验自动制样饱和装置，其特征在于：所述锅盖轴接口（28）内设有滚珠（1）。
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