CN116337737A - 一种模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，属于采矿技术领域。该装置包括箱体模块、传感器模块、环境调节模块、试样获取模块和数据采集模块。箱体模块包括双层亚克力板、保温棉，箱体侧壁焊接抱箍，箱体模块的底座下部安装轮子。传感器模块中的温湿度传感器、空气传感器及红外线测温仪等安装在箱体模块内。环境调节模块的风机、喷头、卤素灯、加湿器等布置在箱体模块内。试样获取模块将箱体底部划分为网格状，采用网状模具，可提取试样。传感器模块连接数据采集模块。本发明通过调节风速、降雨、温度和湿度等环境参数，能够对不同浓度、厚度的浓密尾矿蒸发龟裂特征进行分析研究，该装置使用方法简单，普适性强。
Description
技术领域
本发明涉及采矿技术领域，尤其涉及一种模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置。
背景技术
浓密尾矿堆存技术在我国采矿行业处于起步阶段，当前研究主要集中在分析浓密尾矿堆存矿山的工程实例上，而对于基础理论的研究少之又少。浓密尾矿在堆存过程中，尾矿表层会随着蒸发产生龟裂，龟裂现象会加速堆体内部水分的蒸发，而蒸发过程是热-水力-力学共同作用的结果。同时尾矿自身的排放浓度和厚度也会影响水分的蒸发过程。当前对不同蒸发条件下排放浓度和厚度对浓密尾矿表层龟裂影响机制不能完全揭示、水分蒸发路径无法探明、龟裂特征与浓缩尾矿的稳定性关系无法建立。现有的室内蒸发模拟装置较少，能控制环境条件的装置更少，而且大部分仪器庞大，价格昂贵，操作复杂，并且往往制样体积大，不利于重复试验，因此亟需一套小型便捷的模拟自然环境研究浓密尾矿蒸发龟裂特征的装置及使用方法。
发明内容
本发明提供了一种模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，同时满足了采矿行业膏体堆存技术的环境模拟、参数收集、试样获取等需求，克服了试验条件控制复杂、浓密尾矿原位取样困难的问题。试验装置具有高精度、高效、使用范围广泛等优点。
为解决上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，包括箱体模块、传感器模块、环境调节模块、试样获取模块和数据采集模块，
所述箱体模块包括底座、亚克力板、保温棉、可伸缩金属螺纹管、抱箍；
所述传感器模块包括温湿度传感器、长款空气温湿度传感器、基质吸力传感器、辐射传感器、短款空气温湿度传感器、流量计、红外测温仪、风速测量仪；
所述环境调节模块包括吹风机、空气干燥机、抽风机、加热棒、空气加湿器、反馈调节式喷雾自动开关、制冷压缩机、光照调节开关、卤素灯、喷头，
所述试样获取模块包括圆柱形模具、方形模具、分隔薄板、铁环；
所述数据采集模块包括手持式三维激光扫描仪、微型摄像头、数据采集仪、电脑；
箱体为上下分体结构，上部箱体和下部箱体通过螺栓紧固连接，箱体侧壁由双层亚克力板制成，箱体底部为底座，底座下部安装轮子，侧壁焊接抱箍固定可伸缩金属螺纹管；
温湿度传感器和基质吸力传感器埋设在箱体内的浓密尾矿中，长款空气温湿度传感器和短款空气温湿度传感器分别安装在箱体内壁上，辐射传感器置于箱体内浓密尾矿上方，流量计安装于连接喷头的水管上；
吹风机和抽风机分别布置于箱体相对的两侧壁上，吹风机和箱体之间设置空气干燥机，加热棒、空气加湿器和制冷压缩机安装在箱体侧壁上，且加热棒置于箱体内部，空气加湿器上设置反馈调节式喷雾自动开关，箱体顶板内部安装卤素灯、喷头、微型摄像头和红外测温仪，卤素灯通过光照调节开关控制；
箱体顶板内壁面设置滑槽，风速测量仪通过滑轮布置在滑槽上；
手持式三维激光扫描仪置于箱体内浓密尾矿上方的滑轨上；
数据采集仪连接传感器模块中的所有传感器，并将采集信息传输至电脑；
箱体内底部为网格型，分隔薄板嵌于网格中，圆柱形模具或方形模具置于网格内。
所述双层亚克力板中间填充保温棉。
所述温湿度传感器和基质吸力传感器均设置不少于两个，分别布置在浓密尾矿不同深度处，且温湿度传感器和基质吸力传感器均固定在可伸缩金属螺纹管末端，可伸缩金属螺纹管另一端通过抱箍固定在箱体侧壁，伸缩金属螺纹管能够伸缩长度和旋转固定360°；温湿度传感器和基质吸力传感器分别在箱体内相对的两侧壁内壁布置。
所述长款空气温湿度传感器不少于两个，均匀布置于浓密尾矿上方。
所述短款空气温湿度传感器为两个，分别布置于吹风机空气出口处和抽风机空气入口处。
所述箱体顶板能够拆卸，顶板上设置凸型盖板，便于打开部分顶板测量数据；顶板上设置不少于两个预留圆孔，用于安装直剪仪进行原位强度测试。
所述箱体顶板内部的滑槽为互相垂直的两条滑槽，能够悬挂设备测试不同位置环境参数。
所述圆柱形模具和方形模具顶部均设置铁环，用于旋转、提升模具；圆柱形模具和方形模具均设置成孔状模具壁，且模具底部为孔状底盖。
所述抽风机进风口水平高度低于吹风机出风口水平高度。
所述浓密尾矿内部埋设的温湿度传感器和基质吸力传感器均，针对不同尾矿高度调节传感器高度；箱体顶部中央安装的红外线测温仪能够旋转360°，监测尾矿任何区域表层温度。
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
上述方案，满足了采矿行业膏体堆存技术的环境模拟、参数收集、试样获取等内容，克服了试验条件控制复杂、浓密尾矿原位取样困难的问题，具有高精度、高效、使用范围广泛等优点。
本发明应用范围广，可模拟降雨、风速、光照、温湿度等自然环境，监测浓密尾矿蒸发特征。
本发明同时可高效全面的对尾矿内部温湿度、基质吸力、电导率、表层温度及空气温湿度进行监测。
本发明将尾矿堆放区域划分为网格，用孔状薄板分隔，每个网格内又可单独埋设带孔模具，克服了样品提取困难的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明一种模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置结构示意图；
图2为本发明装置的顶板结构示意图；
图3为本发明装置的底板结构示意图；
图4为本发明装置中的圆柱形模具结构示意图；
图5为本发明装置中的方形模具结构示意图；
图6为本发明装置中的可伸缩金属螺纹管未伸缩状态结构示意图；
图7为本发明装置中的可伸缩金属螺纹管改变伸缩状态结构示意图。
其中附图标记说明如下：
1-轮子；2-底座；3-亚克力板；4-保温棉；5-浓密尾矿；6-可伸缩金属螺纹管；7-抱箍；
8-温湿度传感器；9-长款空气温湿度传感器；10-吹风机；11-空气干燥机；12-基质吸力传感器；13-辐射传感器；14-螺栓；15-短款空气温湿度传感器；16-抽风机；17-手持式三维激光扫描仪；18-加热棒；19-空气加湿器；20-反馈调节式喷雾自动开关；21-制冷压缩机；22-光照调节开关；23-卤素灯；24-流量计；25-喷头；26-微型摄像头；27-红外线测温仪；
28-滑槽；29-滑轮；30-风速测量仪；31-数据采集仪；32-电脑；
33-凸型盖板；34-预留圆孔；35-圆柱形模具；36-方形模具；37-分隔薄板；38-铁环；39-孔状模具壁；40-连接线；41-孔状底盖；42-孔状可伸缩金属螺纹管壁。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
需要说明的是，本发明中使用的“上”、“下”、“左”、“右”“前”“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1，本发明提供了一种模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，包括箱体模块、传感器模块、环境调节模块、试样获取模块和数据采集模块，
所述箱体模块包括底座2、亚克力板3、保温棉4；可伸缩金属螺纹管6、抱箍7；
所述传感器模块包括温湿度传感器8、长款空气温湿度传感器9、基质吸力传感器12、辐射传感器13、短款空气温湿度传感器15、流量计24、红外测温仪27、风速测量仪30；
所述环境调节模块包括吹风机10、空气干燥机11、抽风机16、加热棒18、空气加湿器19、反馈调节式喷雾自动开关20、制冷压缩机21、光照调节开关22、卤素灯23、喷头25，
所述试样获取模块包括圆柱形模具35、方形模具36、分隔薄板37、铁环38；
所述数据采集模块包括手持式三维激光扫描仪17、微型摄像头26、数据采集仪31、电脑32；
箱体为上下分体结构，便于设备安装和浓密尾矿装填；上部箱体和下部箱体通过螺栓14紧固连接，且上部箱体和下部箱体之间采用橡胶垫闭合；箱体侧壁由双层亚克力板3制成，箱体底部为底座2，底座2下部安装轮子1，抱箍7焊接在亚克力板3上，可伸缩金属螺纹管6固定在抱箍7上；
温湿度传感器8和基质吸力传感器12埋设在箱体内的浓密尾矿5中，长款空气温湿度传感器9和短款空气温湿度传感器15分别安装在箱体内壁上，辐射传感器13置于箱体内浓密尾矿5上方，流量计24安装于连接喷头25的水管上；
吹风机10和抽风机16分别布置于箱体相对的两侧壁上，吹风机10和箱体之间设置空气干燥机11，加热棒18、空气加湿器19和制冷压缩机21安装在箱体侧壁上，且加热棒18置于箱体内部，空气加湿器19上设置反馈调节式喷雾自动开关20，箱体顶板内部安装卤素灯23、喷头25、微型摄像头26和红外测温仪27，卤素灯23通过光照调节开关22控制；
如图2，箱体顶板内壁面设置滑槽28，风速测量仪30通过滑轮29布置在滑槽28上；
手持式三维激光扫描仪17置于箱体内浓密尾矿5上方的滑轨上；
数据采集仪31连接传感器模块中的所有传感器，并将采集信息传输至电脑32；
如图3，箱体内底部为网格型，分隔薄板37嵌于网格中，圆柱形模具35或方形模具36置于网格内。
所述双层亚克力板3中间填充保温棉4。
所述温湿度传感器8和基质吸力传感器12均设置不少于两个，分别布置在浓密尾矿5不同深度处，且温湿度传感器8和基质吸力传感器12分别在固定在箱体侧壁可伸缩金属螺纹管6的末端。
所述长款空气温湿度传感器9不少于两个，均匀布置于浓密尾矿5上方。
所述短款空气温湿度传感器15为两个，分别布置于吹风机10空气出口处和抽风机16空气入口处。
所述箱体顶板能够拆卸，顶板上设置凸型盖板33，顶板上设置不少于两个预留圆孔34，用于安装直剪仪进行原位强度测试。
所述箱体顶板内部的滑槽为互相垂直的两条滑槽，能够悬挂设备测试不同位置环境参数。
所述圆柱形模具35和方形模具36顶部均设置铁环38，用于旋转、提升模具；圆柱形模具35和方形模具36均设置成孔状模具壁39，且模具底部为孔状底盖41。
所述抽风机进风口水平高度低于吹风机出风口水平高度，以延长风量在装置内的停留时间。
所述浓密尾矿5内部埋设的温湿度传感器和基质吸力传感器固定在可伸缩金属螺纹管末端，可伸缩金属螺纹管通过抱箍连接，抱箍焊接在箱体内部，伸缩金属螺纹管能够伸缩长度和旋转固定360°，针对不同尾矿高度调节传感器高度；箱体顶部中央安装的红外线测温仪能够旋转360°，监测尾矿任何区域表层温度。
具体设计中，箱体内部可堆放0～100cm浓密尾矿，底座底部安装的4个轮子能够移动和固定，方便箱体移动。箱体侧壁上分别等间距设置4个温湿度传感器和4个基质吸力传感器，传感器固定在可伸缩金属螺纹管末端，根据实验需要，先将可伸缩金属螺纹管旋转固定在指定角度后，安装到箱体侧壁上。
箱体上部悬挂卤素灯23模拟光照，卤素灯23通过调节开关、更换不同瓦数来控制光照强度。箱体内安装喷淋设备，通过水管连接至实验室水龙头，中间连接流量计24调节水量。空气加湿器19和空气干燥机11通过塑料管伸入箱体内部，分别连接至电脑调控箱体内部空气湿度。箱体内部安装加热棒18，外部连接制冷压缩机21，用于调节箱体内部温度。
箱体内部的辐射传感器13用于监测内部光照强度。
箱体上部的微型摄像头和尾矿上方安装的手持式三维激光扫描仪，两者同时储存拍摄尾矿表层的裂隙生成过程及特征，数据输出端与监测终端电脑连接。
本发明设计的用于原位提取的模具，模具分为方形模具36和圆柱形模具35，模具均采用孔状结构；模具整体分为三部分，圆柱形模具平均分为两半，共同镶嵌在底板上，连接处用卡槽连接，防止底板掉落，上部安装圆环，便于勾爪将试样提出。
箱体内部顶板安装的水平和垂直滑槽，可悬挂传感器测试不同位置环境参数。
本发明同时安装微型摄像头和手持式三维激光扫描仪，长期记录浓密尾矿表层蒸发龟裂过程，保证数据完整。
在具体使用中，空气从吹风机内吹入，由抽风机抽出，空气通过入口处由空气干燥机干燥，加湿器通过增湿来调节箱体内部湿度，并由反馈调节式喷雾自动开关进行自动调节。模拟光照则是通过悬吊卤素灯，通过更换瓦数或调节开关来改变温度。通过加热棒和制冷压缩机控制箱体内部温度。喷头连接流量计和外界水龙头控制降雨量。
温湿度传感器埋设在浓密尾矿内部，监测不同高度尾矿参数；长款空气温湿度传感器分别安装在尾矿表面不同高度，监测温湿度在空气中变化趋势；短款空气温湿度传感器用于监测进出风口的温湿度，为蒸发速率计算提供数据；辐射传感器监测卤素灯的辐射强度；红外线测温仪安装在顶部可旋转360°，监测尾矿任何区域表层温度。
圆柱形模具、方形模具提前埋设在堆体内部，保证原位取样的完整性；分隔薄板将堆体划分为不同的区域。箱体底板被划分为若干网格，可按照试验目的插入对应分隔薄板，薄板为孔状结构。
如图4和图5，分别为自制的圆柱形模具和方形模具。自制提取式孔状模具，模具四周布满小孔，保证料浆自由流动；模具顶部设置小铁环38，模具提出时，先进行旋转，再向上提出。需要说明的是，模具侧壁上设置连接线40，用于连接模具底部，防止取样过程中，模具底部脱落，样品破坏。
如图6和图7，分别为可伸缩金属螺纹管伸缩前后的状态。自制固定式孔状可伸缩金属螺纹管，螺纹管壁为孔状可伸缩金属螺纹管壁42，保证料浆沉降。温湿度传感器8和基质吸力传感器12固定在螺纹管末端，螺纹管利用自身的伸缩性和定型性，将传感器调整在试验高度。
监测时，浓密尾矿5蒸发过程中表层产生龟裂，在箱体上部安装微型摄像头26全时间段储存拍摄尾矿表层的裂隙生成过程，并配合手持式三维激光扫描仪17进行实时记录；风速测量仪30能够对箱体内部风速、温度、湿度同时进行测量，借助滑槽28移动位置，对不同区域参数进行测量；在箱体表面预留圆孔34，将直剪仪安装在圆孔内，便于获取尾矿强度；传感器相关数据则由数据采集仪共同采集，传输在电脑内。
有以下几点需要说明：
(1)本发明实施例附图只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。
(3)在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，包括箱体模块、传感器模块、环境调节模块、试样获取模块和数据采集模块，
所述箱体模块包括箱体、底座、可伸缩金属螺纹管、抱箍；
所述传感器模块包括温湿度传感器、长款空气温湿度传感器、基质吸力传感器、辐射传感器、短款空气温湿度传感器、流量计、红外测温仪、风速测量仪；
所述环境调节模块包括吹风机、空气干燥机、抽风机、加热棒、空气加湿器、反馈调节式喷雾自动开关、制冷压缩机、光照调节开关、卤素灯、喷头，
所述试样获取模块包括圆柱形模具、方形模具、分隔薄板、铁环；
所述数据采集模块包括手持式三维激光扫描仪、微型摄像头、数据采集仪、电脑；
箱体为上下分体结构，上部箱体和下部箱体通过螺栓紧固连接，箱体侧壁由双层亚克力板制成，箱体底部为底座，底座下部安装轮子，箱体侧壁焊接抱箍，抱箍用于固定可伸缩金属螺纹管；
温湿度传感器和基质吸力传感器埋设在箱体内的浓密尾矿中，长款空气温湿度传感器和短款空气温湿度传感器分别安装在箱体内壁上，辐射传感器置于箱体内浓密尾矿上方，流量计安装于连接喷头的水管上；
吹风机和抽风机分别布置于箱体相对的两侧壁上，吹风机和箱体之间设置空气干燥机，加热棒、空气加湿器和制冷压缩机安装在箱体侧壁上，且加热棒置于箱体内部，空气加湿器上设置反馈调节式喷雾自动开关，箱体顶板内部安装卤素灯、喷头、微型摄像头和红外测温仪，卤素灯通过光照调节开关控制；
箱体顶板内壁面设置滑槽，风速测量仪通过滑轮布置在滑槽上；
手持式三维激光扫描仪置于箱体内浓密尾矿上方的滑轨上；
数据采集仪连接传感器模块中的所有传感器，并将采集信息传输至电脑；
箱体内底部为网格型，分隔薄板嵌于网格中，圆柱形模具或方形模具置于网格内。
2.根据权利要求1所述的模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，所述双层亚克力板中间填充保温棉。
3.根据权利要求1所述的模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，所述温湿度传感器和基质吸力传感器均设置不少于两个，分别布置在浓密尾矿不同深度处，且温湿度传感器和基质吸力传感器均固定在可伸缩金属螺纹管末端，可伸缩金属螺纹管另一端通过抱箍固定在箱体侧壁，伸缩金属螺纹管能够伸缩长度和旋转固定360°；温湿度传感器和基质吸力传感器分别在箱体内相对的两侧壁内壁布置。
4.根据权利要求1所述的模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，所述长款空气温湿度传感器不少于两个，均匀布置于浓密尾矿上方。
5.根据权利要求1所述的模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，所述短款空气温湿度传感器为两个，分别布置于吹风机空气出口处和抽风机空气入口处。
6.根据权利要求1所述的模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，所述箱体顶板能够拆卸，顶板上设置凸型盖板，顶板上设置不少于两个预留圆孔，用于安装直剪仪进行原位强度测试。
7.根据权利要求1所述的模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，所述箱体顶板内部的滑槽为互相垂直的两条滑槽，能够悬挂设备测试不同位置环境参数。
8.根据权利要求1所述的模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，所述圆柱形模具和方形模具顶部均设置铁环，用于旋转、提升模具；圆柱形模具和方形模具均设置成孔状模具壁，且模具底部为孔状底盖。
9.根据权利要求1所述的模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，所述抽风机进风口水平高度低于吹风机出风口水平高度。
10.根据权利要求1所述的模拟自然环境下浓密尾矿蒸发龟裂特征的监测装置，其特征在于，所述浓密尾矿内部埋设的温湿度传感器和基质吸力传感器针对不同尾矿高度调节传感器高度；箱体顶部中央安装的红外线测温仪能够旋转360°，监测尾矿任何区域表层温度。
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