CN114965955A - 一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置及实验方法，实验装置包括供液模块、浸出模块、集液模块、数据获取和分析模块；浸出模块由浸出柱和外壳体构成，能对充填体试件进行控压、控温动态浸出；集液模块由集液瓶和液封装置构成，能防止浸出液的挥发；数据获取和分析模块，能对浸出剂的流量、压力、温度以及浸出液的容积实时记录并分析计算出充填体试件的渗透系数；将测得的浸出液中铀及其他有毒有害物质的浓度导入，可得到抗浸出性与渗透系数的关系。本发明结构简单、智能化程度高、动态浸出的过程更贴近真实矿井环境、结果更可靠。

Description

一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及低放射性固体废弃物处置与矿山充填技术领域，特别是涉及一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置及实验方法。

背景技术

铀尾矿是铀矿常规露天和地下开采及其后期浸出和水冶过程中排放的废石、尾砂、尾渣等固体废弃物，普遍具有体量较大、放射性水平低或极低的特点，决定其不可能按照中低放射性废物的处置方式进行处置。其一般采用中和处理后排放至地面尾矿库、尾渣库进行堆存处置，这类处置方式不可避免对环境带来一定的影响。

基于矿山充填技术的发展，铀尾矿的井下充填逐渐成为解决其地面堆存处置的有效方法之一。与膏体充填采矿技术不同的是，铀尾矿的井下胶结充填不仅需要一定的抗压强度，还需要有良好的抗浸出性。

对于充填体的浸出毒性测试，普遍采用定期静态浸泡的方式进行试验，测定一定浸泡周期时浸出液中有毒有害物质的浓度；而在中低放射性废物水泥固化体的浸出性试验普遍采用定期换水的非平衡静态浸出试验；也有对固化体进行破碎后形成一定颗粒进行动态淋溶浸出试验。上述的浸出试验方案均不能真实的模拟井下一定温度、一定压头的水体渗透过较大体积的充填体时对充填体抗浸出性的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置及实验方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过控制浸出剂的温度、压力和流量，限制其在充填体试样的流动方向，更加接近真实矿井水环境下铀尾矿充填体的浸出特征，同时该装置还可以自动根据浸出液的容积变化，获取充填体的渗透系数。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置，包括与数据获取和分析模块电联接的供液模块、浸出模块和集液模块，所述供液模块包括恒压泵和供液管，所述浸出模块包括浸出柱、热浴空腔和外壳体，所述供液管的一端连通浸出剂供液源，另一端与所述浸出柱内部相连；所述浸出柱中放置有铀尾矿充填体试件，所述铀尾矿充填体试件外周包裹有橡胶套，所述铀尾矿充填体试件的上下端部外侧均垫加有橡胶垫，所述橡胶垫、橡胶套及浸出柱内壁之间的空间为密闭空间A，所述密闭空间A内注入有液压油，所述橡胶垫与浸出柱顶盖之间的空间为密闭空间B；所述浸出柱的上部设有压力传感器，所述浸出柱和外壳体之间为可加注热浴介质的热浴空腔，所述外壳体上设置有与热浴空腔的连通的注水口和出水口；

所述集液模块包括集液瓶、烧杯和质量传感器，所述浸出柱的下部通过集液管与所述集液瓶相连，浸出液由所述浸出柱的下部转移到所述集液瓶中，所述集液瓶通过导管与盛满水的烧杯连接，且所述导管的下端伸入烧杯液面以下；在所述集液瓶下端的承载台上设有对集液瓶中浸出液的质量进行实时监测的所述质量传感器。

优选地，所述供液管采用内径2～5mm的不锈钢管；所述供液模块还包括流量调节阀，所述流量调节阀安装在所述供液管上，所述数据获取和分析模块根据所述压力传感器的监测数据对所述流量调节阀进行自动控制调节。

优选地，所述热浴空腔内设置有温度传感器。

优选地，所述注水口通过水管与水泵连接，所述水泵输送来自加热容器的水；所述出水口的另一端也与所述加热容器相连。

优选地，所述加热容器包括加热管和搅拌器组成，所述加热管对加热容器的水进行加热，所述搅拌器用于对加热容器内进行搅拌使容器水温均匀。

优选地，所述集液模块还包括计时器，计时器设置在所述承载台上，所述计时器用于对集液瓶中的浸出时间进行实时监测。

优选地，所述数据获取和分析模块中的数据处理终端终端对压力传感器、温度传感器、质量传感器和计时器的数据进行实时监测以及根据获得的数据进行分析并根据达西公式的变形式K＝m*l/Δh*t，可分析计算出所述铀尾矿充填体试件的渗透系数，其中K为渗透系数、m为浸出液质量、l为充填体试件高度、Δh为压力差、t为浸出时间。

本发明还提供一种铀尾矿充填体动态浸出实验方法，应用于上述的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，包括以下步骤：

步骤一：将铀尾矿充填体试件的外周包裹上橡胶套，并在铀尾矿充填体试件的上下端部外侧垫加橡胶垫，在浸出柱内固定好铀尾矿充填体试件后，连接好供液管和恒压泵，同时在浸出柱的上部安装压力传感器，浸出柱的下部连接好集液管，将连接好的浸出柱放在热浴空腔内；

步骤二：打开加热容器的加热管和搅拌器，将水通过水泵由注水口注入热浴空腔内，使热浴空腔内的液面高度高于铀尾矿充填体试件的高度，待热浴空腔内的温度升高到要求的温度后，打开油压泵，将油经进油口泵入到密闭空间A内使其形成油压来模拟围压施加在铀尾矿充填体试件上；

步骤三：将集液瓶用导管连接盛满水的烧瓶，并将集液瓶置于承载台上，再将压力传感器、温度传感器、质量传感器和计时器与数据处理终端连接，来实时监控和记录数据；

步骤四：打开恒压泵，将浸出剂由供液管输送到浸出柱上部，由于浸出柱顶盖和橡胶垫的固定和密封，在密闭空间A中液压油提供的围压作用下浸出剂只能从铀尾矿充填体试件的上部渗透到下部，从集液管进入集液瓶；根据各传感器传入数据处理终端的数据，以达西公式为依据，推导计算出铀尾矿充填体试件的渗透系数；

步骤五：最后关闭加热管、搅拌器、油压泵、恒压泵、水泵和各传感器并将实验结束后的设备分别拆卸清洗装好。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1.本发明提供的一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置及实验方法，通过控制浸出剂的温度、压力和流量，限制其在充填体试样的流动方向，可以实现铀尾矿充填体的控温控压动态浸出试验，模拟铀尾矿充填体在矿井水实际环境下铀及其他有毒有害物质的浸出特征。

2.可以通过实施监测浸出液的容积变化，获取充填体的渗透系数。

3.可以模拟充填体整体的渗透性浸出试验，避免了破碎后的动态淋溶浸出与矿井下大体积充填体在水环境下浸出实际不符的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的铀尾矿充填体动态浸出实验装置的结构示意图；

图2为本发明提供的浸出柱结构示意图。

图中：1—恒压泵；2—供液管；3—流量调节阀；4—浸出柱；5—热浴空腔；6—集液管；7—压力传感器；8—铀尾矿充填体试件；9—橡胶套；10—橡胶垫；11—浸出柱顶盖；12—进油口；13—外壳体；14—注水口；15—出水口；16—温度传感器；17—水泵；18—加热容器；19—加热管；20—搅拌器；21—集液瓶；22—烧杯；23—质量传感器；24—计时器；25—承载台；26—数据处理终端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置及实验方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过控制浸出剂的温度、压力和流量，限制其在充填体试样的流动方向，更加贴近真实矿井水环境下铀尾矿充填体的浸出特征，同时该装置还可以自动根据浸出液的容积变化，获取充填体的渗透系数。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图2所示，本实施例提供一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置，具体为一种模拟矿井水环境的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，该实验装置包括供液模块、浸出模块、集液模块、数据获取和分析模块，可以模拟一定温度、压力的矿井水环境下，铀尾矿充填体中铀及其他有毒有害物质的动态浸出实验。

具体地，供液模块由恒压泵1、供液管2、流量调节阀3组成，恒压泵2给浸出剂提供一定的压力，通过供液管2注入浸出模块，供液管2采用内径2～5mm的不锈钢管；流量调节阀3根据浸出柱4上部的压力传感器7的监测数据由数据处理终端26自动控制调节。

浸出模块由浸出柱4、热浴空腔5、集液管6、压力传感器7构成；浸出柱4中铀尾矿充填体试件8选用Φ50mm*h50mm的充填体试件；铀尾矿充填体试件8外部用橡胶套9将充填体试件包裹使其与油隔离，铀尾矿充填体试件8上下端部外侧垫加橡胶垫10，橡胶垫10与包裹充填体的橡胶套9、浸出柱内壁形成密闭空间A，其中橡胶垫10由浸出柱顶盖11和密闭空间A中的液压油固定。

橡胶垫10与浸出柱顶盖11形成密闭空间B；在密闭空间A中液压油提供的围压作用下，密闭空间B中的浸出剂只能从铀尾矿充填体试件8上部径向流向下部，而不会从充填体侧壁渗入集液装置；密闭空间A中一定压力的液压油一方面起到密闭充填体侧壁渗流通道的作用，另一方面使得充填体具有一定围压，使得试样更接近井下实际的应力环境，其由手动液压泵提供的液压油经进油口12产生。

进一步地，浸出柱4和外壳体13之间形成一个可加注热浴介质的热浴空腔5，热浴空腔5可通过由注水口14注入一定温度的水和出水口15出水形成水循环，给浸出柱4的浸出过程提供一定的温度，并设有温度传感器16；注水口14通过水管与水泵17连接，水泵17输送来自加热容器18的水，加热容器由加热管19、搅拌器20组成，加热管19对注入容器的水进行加热，然后经搅拌器20进行搅拌使容器水温均匀，进而实现实验装置对浸出过程控温的技术要求。

进一步地，浸出柱4的上部设有的压力传感器7能够实时监测由恒压泵1输送过来的浸出剂的压力，来确保浸出剂压力的稳定；浸出柱4的下部与集液管6相连，集液管6与集液模块连接，将浸出液由浸出柱4下部转移到集液模块。

集液模块包括集液瓶21、烧杯22、质量传感器23、计时器24；集液瓶21用来收集浸出液，但收集的时间较长，因此需要解决浸出液挥发的问题，本发明装置采用液封来防止浸出液的挥发，将集液瓶21用导管与盛满水的烧杯22连接，并将导管下端伸入烧杯23液面以下，另外导管还有平衡集液瓶21内气压的作用，使浸出液能够顺利的从集液管6进入集液瓶21；在集液瓶21下端的承载台25上设有质量传感器23和计时器24，分别对浸出液的质量和浸出时间进行实时监测。

进一步地，数据获取和分析模块中的数据处理终端26与浸出柱上部的压力传感器7、温度传感器16、承载台25下部的质量传感器23、计时器24连接，对数据进行实时监测以及根据获得的数据进行分析并以达西公式的变形式K＝m*l/Δh*t为依据,可以分析计算出充填体试件试件渗透系数，其中K为渗透系数、m为浸出液质量、l为充填体试件高度、Δh为压力差、t为浸出时间；其中对于铀尾矿充填体试件8高度l、压力差Δh，对于确定的铀尾矿充填体试件8这些数据可提前测得，即可根据本实验装置测得铀尾矿充填体试件8的渗透系数。

为实现上述发明目的，本发明还提供了上述一种模拟矿井水环境的铀尾矿充填体动态浸出实验装置的使用方法，包括以下步骤；

步骤一：将铀尾矿充填体试件8包裹上橡胶套9，并在铀尾矿充填体试件8的上下端部外侧垫加橡胶垫10，固定好充填体试8，连接好供液模块的供液管2和恒压泵1、压力传感器7、下部连接好集液管6，将连接好的浸出柱4放在热浴空腔5内。

步骤二：打开加热容器18的加热管19和搅拌器20，将水经水泵17由注水口注入热浴空腔5内，使其液面高度高于铀尾矿充填体试件8，将温度升高到适合的温度，再打开油压泵，将油经进油口12使其形成一定的油压来模拟围压施加在铀尾矿充填体试件8上。

步骤三：将集液瓶21用导管连接盛满水的烧瓶22，形成对收集液的液封作用，并将集液瓶21置于承载台25上，再将上部的压力传感器7、温度传感器16、下部的质量传感器23、计时器24与数据处理终端26连接，来实时监控和记录数据。

步骤四：打开恒压泵1，将浸出剂由供液管2输送到浸出柱4上部，由于浸出柱顶盖11和橡胶垫10的固定和密封，在密闭空间A中液压油提供的围压作用下浸出剂只能从铀尾矿充填体试件8的上部渗透到下部，从集液管6进入集液瓶21，根据各传感器传入显示器终端的数据，以达西公式为依据，推导计算出充填体试件的渗透系数。

最后关闭加热管19、搅拌器20、油压泵、恒压水1、水泵16和各传感器并将实验结束后的设备分别拆卸清洗装好。

参考《放射性废物固化体长期浸出试验》(GB 7023-1986)并根据浸出剂的流量和压力，确定取样的时间，分别在实验开始后的1d、3d、5d、7d、11d、14d进行取样检测，14d以后每隔5d对集液瓶21中的浸出液进行铀及其他有毒有害元素的测试，其中铀的浓度可用ICP-MS测定。

本发明中的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，可以模拟一定温度、压力的矿井水环境下，铀尾矿充填体中铀及其他有毒有害物质的动态浸出实验，同时可获取铀尾矿充填体的渗透系数，通过检测浸出液中铀及其他有毒有害物质的浓度，进而获得充填体抗浸出性与渗透系数的关系。浸出模块由浸出柱和外壳体构成，能对充填体试件进行控压、控温动态浸出，集液模块由集液瓶和液封装置构成，能防止浸出液的挥发，数据获取和分析模块，能对浸出剂的流量、压力、温度以及浸出液的容积实时记录并分析计算出充填体试件的渗透系数，将测得的浸出液中铀及其他有毒有害物质的浓度导入，可得到抗浸出性与渗透系数的关系。本装置结构简单、智能化程度高、动态浸出的过程更贴近真实矿井环境、结果更可靠。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种铀尾矿充填体动态浸出实验装置，其特征在于：包括与数据获取和分析模块电联接的供液模块、浸出模块和集液模块，所述供液模块包括恒压泵和供液管，所述浸出模块包括浸出柱、热浴空腔和外壳体，所述供液管的一端连通浸出剂供液源，另一端与所述浸出柱内部相连；所述浸出柱中放置有铀尾矿充填体试件，所述铀尾矿充填体试件外周包裹有橡胶套，所述铀尾矿充填体试件的上下端部外侧均垫加有橡胶垫，所述橡胶垫、橡胶套及浸出柱内壁之间的空间为密闭空间A，所述密闭空间A内注入有液压油，液压油用于为铀尾矿填充体试件提供围压，所述橡胶垫与浸出柱顶盖之间的空间为密闭空间B；所述浸出柱的上部设有压力传感器，所述浸出柱和外壳体之间为可加注热浴介质的热浴空腔，所述外壳体上设置有与热浴空腔的连通的注水口和出水口；

所述集液模块包括集液瓶、烧杯和质量传感器，所述浸出柱的下部通过集液管与所述集液瓶相连，浸出液由所述浸出柱的下部转移到所述集液瓶中，所述集液瓶通过导管与盛满水的烧杯连接，且所述导管的下端伸入烧杯液面以下；在所述集液瓶下端的承载台上设有对集液瓶中浸出液的质量进行实时监测的所述质量传感器。

2.根据权利要求1所述的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，其特征在于：所述供液管采用内径2～5mm的不锈钢管；所述供液模块还包括流量调节阀，所述流量调节阀安装在所述供液管上，所述数据获取和分析模块根据所述压力传感器的监测数据对所述流量调节阀进行自动控制调节。

3.根据权利要求1所述的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，其特征在于：所述热浴空腔内设置有温度传感器。

4.根据权利要求1所述的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，其特征在于：所述注水口通过水管与水泵连接，所述水泵输送来自加热容器的水；所述出水口的另一端也与所述加热容器相连。

5.根据权利要求4所述的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，其特征在于：所述加热容器包括加热管和搅拌器，所述加热管对加热容器的水进行加热，所述搅拌器用于对加热容器内进行搅拌使容器水温均匀。

6.根据权利要求1所述的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，其特征在于：所述集液模块还包括计时器，计时器设置在所述承载台上，所述计时器用于对集液瓶中的浸出时间进行实时监测。

7.根据权利要求3或6所述的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，其特征在于：所述数据获取和分析模块中的数据处理终端终端对压力传感器、温度传感器、质量传感器和计时器的数据进行实时监测以及根据获得的数据进行分析并根据达西公式的变形式K＝m*l/Δh*t，可分析计算出所述铀尾矿充填体试件的渗透系数，其中K为渗透系数、m为浸出液质量、l为充填体试件高度、Δh为压力差、t为浸出时间。

8.一种铀尾矿充填体动态浸出实验方法，应用于权利要求1-7中任一项所述的铀尾矿充填体动态浸出实验装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将铀尾矿充填体试件的外周包裹上橡胶套，并在铀尾矿充填体试件的上下端部外侧垫加橡胶垫，在浸出柱内固定好铀尾矿充填体试件后，连接好供液管和恒压泵，同时在浸出柱的上部安装压力传感器，浸出柱的下部连接好集液管，将连接好的浸出柱放在热浴空腔内；

步骤二：打开加热容器的加热管和搅拌器，将水通过水泵由注水口注入热浴空腔内，使热浴空腔内的液面高度高于铀尾矿充填体试件的高度，待热浴空腔内的温度升高到要求的温度后，打开油压泵，将油经进油口泵入到密闭空间A内使其形成油压来模拟围压施加在铀尾矿充填体试件上；

步骤三：将集液瓶用导管连接盛满水的烧瓶，并将集液瓶置于承载台上，再将压力传感器、温度传感器、质量传感器和计时器与数据处理终端连接，来实时监控和记录数据；

步骤四：打开恒压泵，将浸出剂由供液管输送到浸出柱上部，由于浸出柱顶盖和橡胶垫的固定和密封，在密闭空间A中液压油提供的围压作用下浸出剂只能从铀尾矿充填体试件的上部渗透到下部，从集液管进入集液瓶；根据各传感器传入数据处理终端的数据，以达西公式为依据，推导计算出铀尾矿充填体试件的渗透系数；

步骤五：最后关闭加热管、搅拌器、油压泵、恒压泵、水泵和各传感器并将实验结束后的设备分别拆卸清洗装好。

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