CN108318660A - 多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置，包括内桶、外桶、淋溶液桶和淋溶液收集器。内桶由过滤和渗透板分隔为淋溶液收集区和充填试验材料的淋溶区。在所述淋溶区上方配置能承载设定压力的进液板，进液板设有进液孔。淋溶液收集区连接淋溶液收集器。所述淋溶液桶用管路连接进液板的进液孔。所述外桶内装有定量的盐水，内桶置于外桶中，外桶内设有半导体制冷片。本发明试验装置，结构简单，结构合理，使用方便，可以模拟采空区固体填充物在应力场、渗流场、温度场、以及酸碱场等多场耦合作用下进行淋溶浸泡试验，收集的淋溶液用于重金属元素溶出测试试验，为解决煤矿采空区固体填充的环境保护问题提供基础数据资料。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿采空区填充的煤矸石淋溶浸泡后重金属离子的析出的分析实验装置，具体说是一种多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置，用于煤矿采空区填充的煤矸石在多场耦合环境下的淋溶浸泡试验。
背景技术
近年来，我国许多矿井尤其是东部矿井可采储量锐减，而不得不面临开采“三下”压煤的难题。据统计，仅大型国有煤矿“三下”压煤量就达130亿t。同时，矿区地表堆放的大量矸石等固体废弃物超过45亿t，且每年以1.5亿t的速度大幅度增加，造成压占耕地、矸石山自燃、污染环境等众多矿山难题。为解放“三下”压煤、解决地表矸石堆积难题。
中国发明专利文献《一种采煤固体物充填方法》（公开号CN101586460A）公开了一种采煤固体物充填方法，利用地面堆积的固体物料作为工作面采空区的充填物料，将固体充填物料从地面通过垂直投料井直接投放到井下巷道内的胶带输送机，再通过井下胶带输送机运至采煤工作面端头，利用自移式充填物料转载机将固体充填物料转载到自夯式充填液压支架后尾梁下悬挂的固体充填开采输送机上，在采煤工作的过程中，实施边采煤边充填，实现底部卸料充填，并借助自夯式充填液压支架的夯实机构实现固体充填物料接顶压实。本方法不仅解决了建筑物下的压煤和回采率低等问题，而且为我国类似条件下“三下”压煤的“规模性”开采开创了一条新的技术途径，其方法简单，操作简便，回采率高，生产效率高，成本较低，具有广泛的实用性。
中国发明专利文献《综合机械化固体物充填采煤的方法》（公开号CN102434163A），公开了一种综合机械化固体物充填采煤的方法，将固体物经地面运输系统送入安装有锥形缓冲器的投料井，其中所述的固体物为矸石、粉煤灰、黄土、石灰，固体物经锥形缓冲器减压后下落并堆积，然后将堆积的固体物运输到已采煤区域进行充填。本发明综合机械化固体物料充填采煤方法，可大大减少或消除地面露天矿排渣场面积，改变矿区生态环境质量，并且可有效控制岩层移动及保证地面建筑物安全使用，最大程度的、高效机械化的回收建筑物下压煤。
上述采煤技术，虽然较好解决了煤矸石的综合利用问题，也解决了采空区的固体填充问题，但是已有研究表明，煤矸石中含有较高含量的重金属元素，如安徽淮南矿区煤矸石中重金属的含量，发现煤矸石中Cd、Ni、Cu含量均高于土壤背景值，其中Cd含量超过土壤背景值近40倍。由于煤矸石在国内多用于固体充填采煤，且堆放时间较长，地下水的淋溶浸泡作用可将煤矸石中的重金属元素溶出，进而渗透至地下水体中，严重的可造成水环境污染的发生。因此，对填充到采空区的煤矸石在多场耦合环境下的淋溶浸泡过程中重金属离子的析出问题开展监测和研究，已经是当前面临的技术课题。
发明内容
本发明的发明目的在于，填补现有技术存在的空白，提出了一种多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置，用于对充填采空区的煤矸石在多场耦合环境下的淋溶浸泡试验，以此分析煤矸石在不同环境下淋溶浸泡后重金属离子的析出对环境的影响。
本发明多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置，包括内桶、外桶、淋溶液桶和淋溶液收集器。
所述内桶的底部为淋溶液收集区，淋溶液收集区上部覆盖过滤板，所述过滤板板面均匀布设若干过滤孔。过滤板的上面加盖承压渗透板，所述承压渗透板的厚度达到承载设定的压力所需要的厚度，板面上均匀布设过滤孔。承压渗透板上方是充填试验材料的淋溶区。在所述淋溶区上方配置可承载设定压力的进液板，进液板设有进液孔。所述淋溶液收集区底部设有放液口，所述放液口管路接入到所述淋溶液收集器。
所述淋溶液桶管路连接进液板的进液孔。调配好PH值与温度的淋溶液从进液孔进入到淋溶区。
所述外桶内装有定量的盐水，底部设置一个底座，所述内桶置于底座上，外桶内设有半导体制冷片，用于升高或者降低盐水的温度。
所述进液板分为三层，第一层为承压层，用于承载压力机施加的轴压，承压层上设有进液孔；第二层为进液分散层，层中设若干淋溶液分散通道，用于承压层进入的淋溶液在这一层分散开来，用于进入调配好PH值的淋溶液，第三层为渗透层，层面上均布若干小渗透孔，淋溶液通过第三层的小渗透孔进入到淋溶区中。
所述淋溶液桶内盛装蒸馏水，内部设半导体制冷片，淋溶液桶上部设酸性溶液桶和碱性溶液桶，所述酸性溶液桶和碱性溶液桶分别通过带有阀门的管路与淋溶液桶连通。用于调配和控制淋溶液的PH值。淋溶液桶内部的半导体制冷片控制淋溶液的温度。
试验过程如下：
首先，将渗透板、承压过滤板分别装好，再往内桶装入拟做试验的材料（如煤矸石），将材料填平，最后把进液板置于试验材料上。将内桶放到外桶内的底座上，再往外桶注入适量的盐水，半导体制冷片将盐水调节到设定的温度。
将内外两桶移至压力机加载的中心处，这时再通过压力机对进液板施加设定的压力。将淋溶液注入到内桶的淋溶区。淋溶区内的实验材料，模拟采空区固体填充材料，在应力场、渗流场、温度场、以及酸碱场的作用下进行淋溶浸泡。
淋溶液带着残渣通过承压过滤板，再由渗透板过滤的残渣后，进入淋溶液收集区，初步收集淋溶液，最后淋溶液流入淋溶液收集器，用于化学分析。
本发明试验装置，结构简单，结构合理，使用方便，可以模拟采空区固体填充物在应力场、渗流场、温度场、以及酸碱场等多场耦合作用下进行淋溶浸泡试验，收集的淋溶液用于重金属元素溶出测试试验，为解决煤矿采空区固体填充的环境保护问题提供基础数据资料。
附图说明
图1是本发明多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置的原理示意图。
图中的标号名称分别是：1-内桶、2-外桶、3-压力机、4-半导体制冷片、5-淋溶液桶、6-控制器、7-进液板、8-渗透板、9-承压过滤板、10-淋溶液收集区、11-管路、12-管路、13-淋溶液收集器、14-酸性溶液桶、15-碱性溶液桶、16-蒸馏水、17-盐水。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细的描述。
图1所示的是本发明多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置，包括内桶1、外桶2、淋溶液桶5和淋溶液收集器13。
内桶1为不锈钢桶，外半径为28cm，内半径为25cm，高为70cm。内桶1的底部为淋溶液收集区10，淋溶液收集区10上部覆盖过滤板8，过滤板8的厚度为0.2cm，板面上均布半径为0.5cm的过滤孔112个，用于过滤上一层不能过滤的残渣。过滤板8的上面加盖承压渗透板9，也是主要承压的一层，承压渗透板9的厚度为3cm，能够达到承载设定的压力的需要，其板面上均布着半径为1cm的渗透孔45个，淋溶液带着残渣通过这一层。承载渗透板9上方是内桶盛装实验煤矸石的淋溶区。淋溶区是作为淋溶试验的实验材料（如煤矸石）所在处，整个淋溶试验的所发生的反应都在这个区中产生，也是应力场，温度场和PH值耦合作用的区域。在所述淋溶区上方配置可承载设定压力的进液板7，所述进液板7分为三层。第一层为承压层，厚度为3cm，用于承载压力机3施加的轴压，承压层上有两个进液孔，调配好PH值与温度的淋溶液从两孔进入；第二层为进液分散层，厚度为2cm，层中设若干淋溶液分散通道，于承压层进入的淋溶液在这一层分散开来，用于承压层进入的淋溶液在这一层分散开来；第三层为渗透层，厚度为1cm，这层均布半径为0.25cm的小渗透孔45个，淋溶液通过第三层的小渗透孔进入到淋溶区中。
所述淋溶液收集区10底部设有放液口，所述放液口管路12接入到所述淋溶液收集器13。
所述淋溶液桶5通过管路11连接进液板的进液孔。淋溶液桶5内盛装蒸馏水16，内部设半导体制冷片4，淋溶液桶5上部设酸性溶液桶14（内盛HCl溶液）和碱性溶液桶15（内盛NaOH溶液），所述酸性溶液桶和碱性溶液桶分别通过带有阀门的管路与淋溶液桶连通。NaOH溶液和HCl溶液在蒸馏水16中的调配，使淋溶液控制在想要的PH值，同时还可以通过蒸馏水中的半导体制冷片4将淋溶液控制到想要的温度。调配好PH值与温度的淋溶液从进液孔进入到淋溶区。
外桶2为不锈钢材质，内装有定量的盐水17，外桶2底部设置一个底座，内桶1置于底座上。外桶2底部侧壁上设有半导体制冷片4，用于升高或者降低盐水的温度。
1、首先将内桶1的渗透板8、承压过滤板9分别装好，再往内桶1装上想要做试验的材料（如煤矸石），将材料填平，最后把进液板7置于试验材料上，并将内桶1放到外桶2内的底座上，固定好内桶1，再往外桶2注入适量的盐水17，通过人力或机器将内外桶移至压力机3的中心。
2、可以先通过控制器6打开外桶内壁上的半导体制冷片4，将外桶2的水温度升高或降低，同时用控制器6控制压力机3对试验材料施加轴向压力，将HCl溶液和NaOH溶液在蒸馏水16中进行调配，使淋溶液控制在想要的PH值，同时还可以通过蒸馏水中的半导体制冷片4将淋溶液控制到想要的温度，再将淋溶液通过管路11与内桶1的进液板7的两个进液孔连通，打开阀门，将淋溶液桶5中的淋溶液流入进液板7，对实验材料进行淋溶试验，再通过管路12将实验结束后得到的淋溶液收集到淋溶液收集器13里，再对得到的淋溶液进行分析。
4、试验之前量出试验材料的高度h，再往内桶注满水，水的体积即是材料内孔隙的体积，孔隙的体积与试验材料的体积之比得到试验材料的孔隙度。根据淋溶液收集器13收集的淋溶液，计算出渗流量、渗流速度以及渗透率。
5、最后关闭半导体制冷片4，关闭淋溶液桶5出液阀门，再将内外桶从压力机上移出，最后将试验结束后的设备分别拆卸清洗装好。
Claims (3)
1.一种多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置，包括内桶、外桶、淋溶液桶和淋溶液收集器；其特征是：
所述内桶的底部为淋溶液收集区，淋溶液收集区上部覆盖过滤板，所述过滤板板面均匀布设若干过滤孔；过滤板的上面加盖承压渗透板，板面上均匀布设过滤孔；承压渗透板上方是充填试验材料的淋溶区；在所述淋溶区上方配置能承载设定压力的进液板，进液板设有进液孔；所述淋溶液收集区底部设有放液口，所述放液口管路接入到所述淋溶液收集器；
所述淋溶液桶用管路连接进液板的进液孔；
所述外桶内装有定量的盐水，底部设置一个底座，所述内桶置于底座上，外桶内设有半导体制冷片，用于升高或者降低盐水的温度。
2.根据权利要求1所述多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置，其特征是：所述进液板分为三层，第一层为承压层，用于承载压力机施加的轴压，承压层上设有进液孔；第二层为进液分散层，层中设若干淋溶液分散通道，用于承压层进入的淋溶液在这一层分散开来；第三层为渗透层，层面上均布若干小渗透孔。
3.根据权利要求1或2所述多场耦合作用下煤矸石淋溶浸泡试验装置，其特征是：所述淋溶液桶内盛装蒸馏水，内部设半导体制冷片，淋溶液桶上部设酸性溶液桶和碱性溶液桶，所述酸性溶液桶和碱性溶液桶分别通过带有阀门的管路与淋溶液桶连通。
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