CN109374508A - 一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，包括水箱、压力泵、一号流量计、箱式排渗系统；该系统包括壳体，在壳体的三个侧面分别设有进液阀、出液阀、排液阀，进液阀与一号流量计相连，排液阀与进液阀相对设置，出液阀连接二号流量计；壳体内分为溶液输入缓冲区、填砂区、溶液输出缓冲区和液位调节区，前三个区被带孔隔板分隔，后两个区采用不透水隔板分隔，在不透水隔板底部安设液位调节管；在填砂区内垂直或者水平设有带孔的排渗管，包裹有土工布，当排渗管水平设置时，每根排渗管分别与出液阀相连接。本发明可进行较大尺度样品的物理淤堵与化学淤堵实验；可布置较多排渗管并精确调节水位，满足不同时间点测试要求。
Description
技术领域
本发明属于尾矿排渗系统领域，具体涉及一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置及实验方法。
背景技术
在矿山尾矿库与公路边坡的建设运行过程中，排渗系统长期使用后，因机械充填孔隙、化学沉积与胶结、生物生长与衰亡作用等因素，产生各种沉积物于土工材料表面，使材料的孔隙结构被充填产生淤堵，阻碍水从排渗系统中流出，影响系统的排水效果。为更好的研究排渗系统的淤堵机理与影响因素，可以设计能够进行物理堵塞与化学固结作用的实验装置，开展大型土工织物的淤堵室内模拟实验。调研资料显示，目前，国内外已经有一些学者开展了机械与化学淤堵模拟实验研究，建立了一些试验装置，概括起来看，包括两种类型：1)直立式单柱渗透淤堵实验系统；2)箱式渗透淤堵实验系统。
直立式单柱淤堵实验系统包括三个子系统：进液系统、渗透与淤堵模拟系统与废液回收系统，渗透与淤堵模拟系统为直立式圆柱，圆柱内充填实验材料，底端与进液系统相连，顶端利用压头密封并外接测压管与废液回收装置。此类实验系统主要测试充填材料的渗透能力，当注入溶液为化学溶液时，可以进行材料在化学溶液浸泡后内部结构的变化，因此可以分析充填材料的渗透性与化学淤堵现象及机制。该类系统相对简单，存在以下几个方面的缺点：1)由于直筒的尺寸限制，实验规模较小；2)实验系统仅一个进口与一个出口，无法实时了解材料内部某一特定位置处的溶液浓度、压力、内部结构的变化；3)由于溶液从底部直接进入实验装置，无缓冲区，易对底部的材料产生冲击效应，影响实验效果；4)若改装后进行土工材料的物理与化学淤堵模拟，只能布置一根排渗管，因此同步实验数量受限制。
箱式渗透淤堵实验系统也包括三个子系统：进液系统、渗透与淤堵模拟系统与废液回收系统，其中渗透与淤堵模拟系统为箱式结构，在实验过程中，将土工织物/排渗管预埋于箱内的充填尾砂内，溶液从单侧输入，从另一侧的出水管排出；通过侧边观测溶液流经路径，可以分析流体的渗流过程；通过分析出水管溶液的流量变化，可以测试渗透率；分析出水管处溶液的成分，可以研究充填材料与溶液的化学成分的变化。同时，测试长期浸泡后的样品成分与土工材料表面沉积物的成分，揭示化学沉积淤堵的机理。该系统存在的不足：1)由于出水管口位置固定，箱内的水位无法进行调控，因此不适合进行不同水位条件时的材料浸泡实验；2)箱内布置的土工材料与排渗管位置固定，数量有限，无法进行同一批样品在不同浸泡时间后的对比分析；3)功能相对单一，仅可进行化学淤堵实验与渗透率测试。
发明内容
针对现有排渗系统存在的缺点，本发明的目的是提供一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，可以解决以下问题：1)进行较大尺度样品的模型实验；2)进行排渗管与土工材料的物理淤堵与化学淤堵实验；3)当实验过程需要进行较长的周期，需要布置较多的排渗管时，能满足不同时间点获取样品进行分析测试要求；4)箱式淤堵实验装置中的水位高低可进行精确调节；5)可以进行不同时间点不同深度处流量、渗透系数与化学成分的测试；6)可以调节注入与流出溶液的流量并进行定量计量。
本发明采取的技术方案是：
一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，包括由水箱、压力泵、一号流量计顺序相连构成的流体输入系统，该流体输入系统连接有箱式排渗系统；
所述箱式排渗系统包括壳体，在壳体的三个侧面分别设有进液阀、出液阀、排液阀，其中，所述进液阀与一号流量计相连，排液阀设置在与进液阀相对的一侧，所述出液阀设有数个，每一个出液阀均连接有一个二号流量计；在壳体内部，沿进液阀至排液阀所指方向被分为溶液输入缓冲区、填砂区、溶液输出缓冲区和液位调节区，其中，溶液输入缓冲区、填砂区和溶液输出缓冲区依次被带孔隔板分隔，溶液输出缓冲区与液位调节区采用不透水隔板分隔，在不透水隔板底部安设有旋转式液位调节管，用于连通溶液输出缓冲区与液位调节区并对溶液输出缓冲区的水位高度进行控制；在填砂区内垂直或者水平设有数根带孔的排渗管，每根排渗管外面包裹有土工布，其中，当排渗管水平设置时，每根排渗管分别与出液阀相连接。
进一步的，所述出液阀共有12个，分三层设置，对应的，水平设置的排渗管也为12根，每根排渗管直径为50mm，排渗管上沿圆周方向等间隔设有4排圆孔，相邻圆孔间距8cm，圆孔直径5-8mm。
进一步的，在所述的带孔隔板表面设置有拦砂网，该拦砂网的孔径小于填砂区的砂粒直径，以防止砂粒流出填砂区。
进一步的，所述壳体为透明有机玻璃材料，能够实时观察流体流动状况。
进一步的，所述压力泵为供给流量达6L/min的大流量蠕动泵，流速由电位器调节；一号流量计和二号流量计为玻璃转子流量计，流量范围为40-400L/h。
进一步的，当排渗管垂直设置时，在每根排渗管内设有水位监测仪。
本发明的有益效果：
本发明装置可以进行砂土材料与土工材料渗透实验与淤堵实验，在进行了不同化学成分溶液浸泡不同时间后，获得材料的成分、结构与渗透率的的变化，以及土工材料淤堵成分与表面结构的变化，进而对排渗管渗透性能的变化规律、土工材料淤堵规律的机理分析与影响因素分析，揭示出物理充填与化学结垢作用对土工材料渗透性的影响。
与现有技术相比，具体表现为：
1)实验设备的尺寸比较大，可以放置较多的排渗管进行同步实验；同时，一批布置12根排渗管，可以在不同的时间取出进行测试分析，获得材料在不同时间结构变化；
2)可以布置水平与直立式两套排渗系统，通过切换排渗系统，可以分别进行物理淤堵与化学淤堵实验；
3)设置溶液输入缓冲区，可以防止高速水流对填砂产生冲击作用，影响渗透效果；
4)设置液位调节管，可以随时任意调节水位高度，进行不同水位时的浸泡实验，获得填砂与土工材料在干湿循环过程中结构与沉积物的变化规律；
5)通过在流体流向垂直一侧设置出液阀与流量计，可以在不同深度与时间取水样，获得排渗管的渗流量与溶液化学成分的变化；
6)在直立式排渗管内放置水位计，可以观测不同时间时填砂内部的水位变化规律。
附图说明
图1是本发明装置整体结构连接示意图；
图2是箱式排渗系统侧视图(直立式排渗系统)；
图3是箱式排渗系统俯视图(直立式排渗系统)；
图4是箱式排渗系统侧视图(水平式排渗系统)；
图5是箱式排渗系统俯视图(水平式排渗系统)；
图中，(1)水箱，(2)压力泵，(3)一号流量计，(4)进液阀，(5)出液阀，(6)排液阀，(7)箱式排渗系统，(8)壳体，(9)带孔隔板，(10)排渗管，(11)土工布，(12)不透水隔板，(13)旋转式液位调节管，(14)二号流量计，(A)溶液输入缓冲区，(B)填砂区，(C)溶液输出缓冲区，(D)液位调节区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，包括由水箱1、压力泵2、一号流量计3顺序相连构成的流体输入系统，该流体输入系统连接有箱式排渗系统7；
如图2～4所示，所述箱式排渗系统7包括透明有机玻璃材料的壳体8，能够实时观察流体流动状况，在壳体8的三个侧面分别设有进液阀4、出液阀5、排液阀6，其中，所述进液阀4与一号流量计3相连，排液阀6设置在与进液阀4相对的一侧，所述出液阀5设有12个，分三层设置，对应的，水平设置的排渗管10也为12根，每根排渗管直径为50mm，排渗管上沿圆周方向等间隔设有4排圆孔，相邻圆孔间距8cm，圆孔直径8mm；每一个出液阀5均连接有一个二号流量计14；
在壳体8内部，沿进液阀4至排液阀6所指方向被分为溶液输入缓冲区A、填砂区B、溶液输出缓冲区C和液位调节区D，其中，溶液输入缓冲区A、填砂区B和溶液输出缓冲区C依次被带孔隔板9分隔，在所述的带孔隔板9表面设置有拦砂网，该拦砂网的孔径小于填砂区的砂粒直径，以防止砂粒流出填砂区，溶液输出缓冲区C与液位调节区D采用不透水隔板12分隔，在不透水隔板12底部安设有旋转式液位调节管13，用于连通溶液输出缓冲区C与液位调节区D并对溶液输出缓冲区C的水位高度进行控制；在填砂区B内垂直或者水平设有数根带孔的排渗管10，每根排渗管10外面包裹有土工布11，其中，当排渗管10水平设置时，每根排渗管10分别与出液阀5相连接。
所述压力泵2为供给流量达6L/min的大流量蠕动泵，流速由电位器调节；一号流量计3和二号流量计14为玻璃转子流量计，流量范围为40-400L/h。当排渗管10垂直设置时，在每根排渗管内设有水位监测仪。
本发明通过填砂与土工材料的长期浸泡渗流实验，可以较好的获得材料在不同浓度的化学溶液浸泡后，土工材料表面淤堵沉积物的结构与成分，揭示产生淤堵的机理并进行定量描述。
将配制的溶液或者泥浆装入水箱后，通过蠕动泵施加高压输入模型箱内，通过流量计测量输入的溶液的总量与速度；通过计量出液口排出的废液量与时间，可以获得流出速率；测试化学成分变化，可以获得经过模型箱内充填材料渗流后离子成分与浓度的变化。
PVC管直立时，主要进行不同浸泡时间后土工材料化学淤堵实验；PVC管水平布置时，进行不同浸泡时间后排渗管渗透性测试，获得渗透率与不同深度土工材料淤堵模拟实验；溶液输出缓冲区主要收集从填砂区渗流出的化学溶液。通过转动旋转式液位调节管的角度，进而控制溶液输出缓冲区的水位高度。
利用本发明装置进行实验的步骤是：
一、化学淤堵实验
1)连接好管路及部件，并测试密封性合格；
2)在实验前关闭进液阀4，将配制好的化学溶液装入水箱1内，并在溶液内添加染色剂；
3)先在填砂区平铺砂土，然后将包裹土工布11的带孔排渗管10等间隔垂直布置于砂土内，同时，在排渗管10内布置水位监测仪，测试水位在不同时间的变化规律；
4)将排液阀6和出液阀5关闭，打开进液阀4，通过压力泵2按设计的速度与压力将水箱1中的溶液注入溶液输入缓冲区，让溶液通过孔渗流进填砂区，然后再进入溶液输出缓冲区；通过观察带有染色剂的水位的变化以及水位监测仪的测量结果，获得溶液在砂土中的渗透规律；
5)等待溶液输入缓冲区与溶液输出缓冲区的水位稳定一致后，关闭进液阀4，静置30～60min，然后在溶液输入缓冲区、溶液输出缓冲区及排渗管10内分别取水样，测试其中化学成分与浓度，分析填砂对化学成分的影响规律；
6)随后，通过改变液位调节管13的角度，降低填砂区的水位，分析水位降低对溶液化学成分、土工布表面性能的影响；
7)打开进液阀4，重新注入化学溶液，达到最初水位，再放置1h，使水位平稳，然后再降低水位，进行多个水位升降循环，分析水位循环过程对化学溶液浓度的影响，在此循环过程中，隔一段时间取出一根排渗管10，获得包裹表面的土工布11，进行土工布表面微观结构分析与沉积物化学成分的测试，具体过程为：前三根排渗管的取出间隔为7天，共计21天，再分别按照10天、15天和30天的时间间隔各取出三根，依次用时为30天、45天和90天；
8)待所有的PVC管排渗管10全部取出进行测试后，将液位调节管放平，打开排液阀6，排出化学溶液，取出填砂，将设备清洗，结束实验。
二、物理与化学淤堵同步实验
9)其它准备步骤相同，区别在于将排渗系统由直立式改为水平式，同时不再需要安装水位监测仪，另外，还需要将水平PVC管10与对应位置的出液阀5连接好；
10)将排液阀6和出液阀5关闭，打开进液阀4，通过压力泵2按设计的速度与压力将水箱1中的溶液注入溶液输入缓冲区，让溶液通过孔渗流进填砂区，然后再进入溶液输出缓冲区；
11)当水位至设定高度后，放置30min，然后分别打开同一水平位置的四个出液阀5，测试出液阀5处的流量，获得排渗管10渗流变化规律，测试后再注入溶液至同样的初始位置(即本步骤所说的设定高度)，再换成不同水平位置的其它阀门进行测试，最终获得不同深度、不同水平位置排渗管的流量变化、土工布渗透率的变化；
14)通过改变液位调节管13的角度，调整初始水位，重复步骤11，从而获得不同水位条件下渗透变化规律，即设置多个初始水位，每一个初始水位测量多组实验；
15)实验结束后，平放液位调节管13，打开排液阀6，将溶液全部排空；取出排渗管10与土工布11，测试土工布11表面的物质成分，通过电镜扫描分析表面结构，通过渗透率测试仪获得材料的渗透率。
Claims (7)
1.一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，其特征在于，包括由水箱(1)、压力泵(2)、一号流量计(3)顺序相连构成的流体输入系统，该流体输入系统连接有箱式排渗系统(7)；
所述箱式排渗系统(7)包括壳体(8)，在壳体(8)的三个侧面分别设有进液阀(4)、出液阀(5)、排液阀(6)，其中，所述进液阀(4)与一号流量计(3)相连，排液阀(6)设置在与进液阀(4)相对的一侧，所述出液阀(5)设有数个，每一个出液阀(5)均连接有一个二号流量计(14)；在壳体(8)内部，沿进液阀(4)至排液阀(6)所指方向被分为溶液输入缓冲区(A)、填砂区(B)、溶液输出缓冲区(C)和液位调节区(D)，其中，溶液输入缓冲区(A)、填砂区(B)和溶液输出缓冲区(C)依次被带孔隔板(9)分隔，溶液输出缓冲区(C)与液位调节区(D)采用不透水隔板(12)分隔，在不透水隔板(12)底部安设有旋转式液位调节管(13)，用于连通溶液输出缓冲区(C)与液位调节区(D)并对溶液输出缓冲区(C)的水位高度进行控制；在填砂区(B)内垂直或者水平设有数根带孔的排渗管(10)，每根排渗管(10)外面包裹有土工布(11)，其中，当排渗管(10)水平设置时，每根排渗管(10)分别与出液阀(5)相连接。
2.如权利要求1所述的一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，其特征在于，所述出液阀(5)共有12个，分三层设置，对应的，水平设置的排渗管(10)也为12根，每根排渗管直径为50mm，排渗管上沿圆周方向等间隔设有4排圆孔，相邻圆孔间距8cm，圆孔直径5-8mm。
3.如权利要求1所述的一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，其特征在于，在所述带孔隔板(9)的表面设置有拦砂网，该拦砂网的孔径小于填砂区的砂粒直径，以防止砂粒流出填砂区。
4.如权利要求1所述的一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，其特征在于，所述壳体(8)为透明有机玻璃材料，能够实时观察流体流动状况。
5.如权利要求1所述的一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，其特征在于，所述压力泵(2)为供给流量达6L/min的大流量蠕动泵，流速由电位器调节；一号流量计(3)和二号流量计(14)为玻璃转子流量计，流量范围为40-400L/h。
6.如权利要求1所述的一种尾矿排渗系统淤堵模拟实验装置，其特征在于，当排渗管(10)垂直设置时，在每根排渗管内设有水位监测仪。
7.采用权利要求1所述实验装置进行实验，其特征在于，包括以下步骤：
一、化学淤堵实验
1)连接好管路及部件，并测试密封性合格；
2)在实验前关闭进液阀(4)，将配制好的化学溶液装入水箱(1)内，并在溶液内添加染色剂；
3)先在填砂区平铺砂土，然后将包裹土工布(11)的带孔排渗管(10)等间隔垂直布置于砂土内，同时，在排渗管(10)内布置水位监测仪，测试水位在不同时间的变化规律；
4)将排液阀(6)和出液阀(5)关闭，打开进液阀(4)，通过压力泵(2)按设计的速度与压力将水箱(1)中的溶液注入溶液输入缓冲区，让溶液通过孔渗流进填砂区，然后再进入溶液输出缓冲区；通过观察带有染色剂的水位的变化以及水位监测仪的测量结果，获得溶液在砂土中的渗透规律；
5)等待溶液输入缓冲区与溶液输出缓冲区的水位稳定一致后，关闭进液阀(4)，静置30～60min，然后在溶液输入缓冲区、溶液输出缓冲区及排渗管(10)内分别取水样，测试其中化学成分与浓度，分析填砂对化学成分的影响规律；
6)随后，通过改变液位调节管(13)的角度，降低填砂区的水位，分析水位降低对溶液化学成分、土工布表面性能的影响；
7)打开进液阀(4)，重新注入化学溶液，达到最初水位，再放置1h，使水位平稳，然后再降低水位，进行多个水位升降循环，分析水位循环过程对化学溶液浓度的影响，在此循环过程中，隔一段时间取出一根排渗管(10)，获得包裹表面的土工布(11)，进行土工布表面微观结构分析与沉积物化学成分的测试，具体过程为：前三根排渗管的取出间隔为7天，共计21天，再分别按照10天、15天和30天的时间间隔各取出三根，依次用时为30天、45天和90天；
8)待所有的排渗管(10)全部取出进行测试后，将液位调节管放平，打开排液阀(6)，排出化学溶液，取出填砂，将设备清洗，结束实验。
二、物理与化学淤堵同步实验
9)其它准备步骤相同，区别在于将排渗系统由直立式改为水平式，同时不再需要安装水位监测仪，另外，还需要将水平排渗管(10)与对应位置的出液阀(5)连接好；
10)将排液阀(6)和出液阀(5)关闭，打开进液阀(4)，通过压力泵(2)按设计的速度与压力将水箱(1)中的溶液注入溶液输入缓冲区，让溶液通过孔渗流进填砂区，然后再进入溶液输出缓冲区；
11)当水位至设定高度后，放置30min，然后分别打开同一水平位置的四个出液阀(5)，测试出液阀(5)处的流量，获得排渗管(10)渗流变化规律，测试后再注入溶液至同样的初始位置，再换成不同水平位置的其它阀门进行测试，最终获得不同深度、不同水平位置排渗管的流量变化、土工布渗透率的变化；
12)通过改变液位调节管(13)的角度，调整初始水位，重复步骤11，从而获得不同水位条件下渗透变化规律，即设置多个初始水位，每一个初始水位测量多组实验；
13)实验结束后，平放液位调节管(13)，打开排液阀(6)，将溶液全部排空；取出排渗管(10)与土工布(11)，测试土工布(11)表面的物质成分，通过电镜扫描分析表面结构，通过渗透率测试仪获得土工布的渗透率。
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