一种可实时测量高浓度尾矿水分蒸发干燥性能的实验装置的制作方法

本发明涉及矿产领域，具体涉及一种可实时测量高浓度尾矿水分蒸发干燥性能的实验装置。

背景技术：

尾矿库是堆存尾矿或其他工业废渣的场所。经统计，目前我国有12000余座尾矿库，尾矿堆存量已达上百亿吨，且以每年6亿吨的速率增长。大量尾矿废弃物的堆存，不仅占用大量的土地、污染环境，而且经常导致滑坡、泥石流等灾害，给下游人民的生命财产安全造成严重的伤害，对周边的生态环境产生深远的影响。

传统的尾矿堆存方法中由于尾矿浆体浓度低，含水量高，不仅对地下水污染严重，而且使坝体长期处于浸润线较高的状态，坝体的稳定性差及地震液化风险高，易发生坝体滑坡、泥石流等灾害；而现有技术中关于相关研究包括中国科学院寒区旱区环境与工程研究所：一种可动态测试土壤脱湿/冻结水分变化特征的试验系统(专利公开号为cn106370816b)，该发明可用于土壤试样在设定的温度条件下实现脱水干燥过程，也可用于土壤样品在设定的压力条件下实现降温冻结过程，可以实现土壤试样动态变化过程的自动化实时监测和采集。但是该系统没有考虑光照、湿度、风速、降雨等对土壤蒸发脱水的影响，缺少土体蒸发过程中沉降量测量与数据采集装置，缺少土体蒸发过程中土体变形及裂缝扩展监测装置；还比如中国科学院武汉岩土力学研究所：研究土壤蒸发特征的室内模拟装置及其方法(专利公开号为cn108459150a)该发明提供一种研究土壤蒸发特征的室内模拟装置及其方法，以进行室内的模拟蒸发试验来弄清土壤的蒸发特征。但是该装置没有考虑湿度、风速、降雨等对土壤蒸发脱水的影响，缺少土体蒸发过程中沉降量测量与数据采集装置，缺少土体蒸发过程中土体变形及裂缝扩展监测装置；而西安建筑科技大学的一种蒸发条件下测量土壤性能的实验装置(专利公开号为cn106771077a)，该发明提供了一种蒸发条件下测量土壤性能的试验装置，该装置能够降低外界干扰因素对试验结果的影响。但是该装置存在诸多缺陷，首先风扇的存在使得土壤处于敞开的环境中；其次，缺少温度控制装置，不能模拟恒温恒湿环境；缺少土体变形及裂缝扩展监测装置，无蒸发量测量装置；不能实现数据的实时采集。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种可实时测量高浓度尾矿水分蒸发干燥性能的实验装置，可实时采集试验数据，研究温度、湿度、风速、辐射等外部因素影响下，高浓度尾矿中水分蒸发规律，为建立高浓度尾矿蒸发脱水理论模型提供依据；研究高浓度尾矿干燥过程中，表面干缩裂纹的生成、扩展规律，以及干缩裂缝对尾矿蒸发的影响；研究高浓度尾矿蒸发脱水过程中，沉积尾矿中含水量、基质吸力的变化规律。

本发明的一种可实时测量高浓度尾矿水分蒸发干燥性能的实验装置，包括透明且封闭的实验箱、用于模拟外部环境的外部环境因素模拟系统、用于实时采集数据的实时数据采集系统和用于监测实验尾矿样本顶面形态的实景复制系统；

所述外部环境因素模拟系统包括光照模拟系统、风力模拟系统、温度控制系统、湿度控制系统和降雨模拟系统；

所述实时数据采集系统包括用于监测实验箱内部温度的温度传感器、用于监测实验箱内部湿度的湿度传感器、用于监测实验箱内部光照的辐射传感器、用于监测实验箱内尾矿样本基质吸力的基质吸力传感器、用于通过称重法监测尾矿样本水分蒸发量的称重器和与各传感器均电连接的监控终端；所述监控终端为电脑主机及显示器；

所述实景复制系统包括固定设置于尾矿样本上方的扫描仪运行轨道和安装于扫描仪运行轨道上的手持式三维激光扫描仪，所述手持式三维激光扫描仪用于采集尾矿样本顶面形态信息且手持式三维激光扫描仪的输出端与监测终端电连接。

进一步，所述光照模拟系统包括多个设置于实验箱顶部的太阳光模拟灯，所述太阳光模拟灯的高度可调节；所述风力模拟系统包括多个设置于实验箱内用于对尾矿样品顶面吹风的循环风扇，还包括固定设置于尾矿样品顶面上方的风速测量仪。

进一步，所述温度控制系统包括设置于实验箱内的加热棒和用于对实验箱内部制冷的制冷压缩机；所述湿度控制系统包括用于增加实验箱内部湿度的雾化加湿器和用于降低实验箱湿度的干燥机构，所述雾化加湿器的出口通过管道与实验箱内腔连通，所述干燥机构包括抽吸口与实验箱内腔连通的抽风机和内设有干燥剂的干燥灌，抽风机的出气口与干燥灌的进气口连通，干燥灌的出气口与实验箱的内腔连通，所述抽风机的进气口处设置有流量调节阀。

进一步，所述降雨模拟系统包括设置于尾矿样本上方的喷淋管和排水组件，所述排水组件包括用于装尾矿样本的圆筒形陶瓷容器、适形外套于圆筒形陶瓷容器的蓄水套和设置于圆筒形陶瓷容器底部的蓄水海绵，所述蓄水套底部支撑于实验箱底部；圆筒形陶瓷容器底部开设有多个第一漏水孔且圆筒形陶瓷容器底部中间设置有螺纹连接孔，所述称重器的顶部固定有用于支撑圆筒形陶瓷容器的支撑螺杆，所述蓄水海绵的下侧设置有与蓄水套内壁固定的支撑垫片和间隔设置于支撑垫片下侧的汇流斜隔板，支撑垫片开设有多个第二漏水孔，所述支撑垫片与汇流斜隔板之间形成汇流流道，所述汇流流道的最低处连通设置有向实验箱外部排水的排水管；所述支撑螺杆的上端依次穿过汇流斜隔板、支撑垫片、蓄水海绵并与圆筒形陶瓷容器通过螺纹连接孔螺纹连接；所述蓄水海绵包括竖向并列的多层海绵且每层海绵的吸水性能由上往下逐渐增加。

进一步，还包括固定于实验箱顶部用于测量尾矿样本沉降的激光测距仪，所述激光测距仪的输出端与监测终端电连接。

本发明的有益效果是：

1.实现数据实时采集与传输，能够监测蒸发脱水全过程的相关物理力学参数的变化规律。

2.为避免线路干扰，部分传感器设计为无线数据传输系统，采用无线数据采集盒，通过gprs实现数据的无线实时传输。

3.整个实验装置设计为实时反馈调节系统，保证实验过程中所设定参数恒定。

4.设计有激光测距仪及数据传输系统，能够实时测定所测试尾矿样品的沉降量。

5.风环境的模拟采用循环风扇，减小外界因素对箱体内部环境的干扰。

6.设计有降雨模拟装置，可以模拟多种降雨状态，能够实现不同自然条件下尾矿蒸发规律的研究。

7.设计采用手持式三维激光扫描仪对尾矿表面的形态(包括裂缝扩展)进行实景复制，为研究裂缝对蒸发脱水规律的影响提供参数支撑。

8.箱体采用透明有机玻璃制成，能够保证整个实验过程的可视化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中a处放大图。

其中：1、透明有机玻璃箱体；2、太阳光模拟灯；3、灯具高度调节器；4、激光测距仪；5、雾化加湿器管路；6、反馈调节式喷雾自动开关；7、温度传感器；8、湿度传感器；9、辐射传感器；10、湿度探针；11、无线数据采集盒；12、基质吸力传感器；13、风速测量仪；14、循环风扇；15、手持式三维激光扫描仪；16、扫描仪滑轨；17、圆筒形陶瓷容器；18、高精度电子秤；19、加热棒；20、制冷压缩机；21、雾化加湿器；22、降雨装置高度调节器；23、喷头固定装置；24、喷头；25、进水管路；26、进水阀门；27、控制及数据采集系统；28、高度可调式底座；29、支撑螺杆；30、第一漏水孔；31a、上海绵层；31b、中海绵层；31c、下海绵层；32、支撑垫板；33、汇流斜隔板；34.、第二漏水孔；35、抽风机；36、干燥灌。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为图1中a处放大图，如图所示，本实施例中的一种可实时测量高浓度尾矿水分蒸发干燥性能的实验装置，光照模拟系统主要由太阳光模拟灯、灯泡高度调节器等组成，模拟灯按矩阵形式排列，灯泡照度可按试验要求直接更换，灯泡高度可根据试验要求由灯泡高度调节器进行调节；

风力模拟系统主要由无叶循环风扇组成，循环风扇均匀分布于试样表层上部，风扇设置于试验箱体内部，保证风扇工作过程中不改变箱体内部环境。

温度控制系统主要由制冷压缩机、送风管、电加热棒等组成，制冷压缩机与电加热棒均与温度传感器形成反馈调节，可根据试验设定的温度条件自动启停工作，确保箱体内温度恒定。

湿度控制系统主要由雾化加湿器、喷雾自动开关、管道等组成，湿度控制系统与湿度传感器形成反馈调节，根据试验设定的湿度条件自行启闭喷雾开关，确保箱体内湿度恒定。

降雨模拟系统由降雨喷头、汇水装置、进水阀门、汇水装置高度调节装置等组成，可模拟从小雨到大雨等不同的降雨量变化情况，水压平衡装置的作用是保证各降雨喷头喷水均匀。

实时数据采集数据包括温度、湿度、辐射、基质吸力、重量等数据的采集，

为保证实验箱(即透明有机玻璃箱体)内温度恒定，位于箱体内的温度传感器与温度控制系统相互作用，实现反馈调节，保证箱体内温度恒定。

湿度传感器包括箱体内湿度传感器和矿浆内湿度探针，箱体内湿度传感器主要监测箱体内湿度变化，并与湿度控制系统实现反馈调节，保证箱体内湿度恒定，而在光照时或需要降低实验箱内部湿度时，可通过干燥机构降低实验箱内部湿度，湿度探针用于监测水分蒸发过程中尾矿材料内部的含水率变化情况。可通过分析含水率数据、基质吸力数据以及裂缝扩展数据综合分析得出高浓度尾矿的蒸发脱水规律以及裂缝扩展机理。

辐射传感器主要用于测量光照辐射量，用于研究光照对蒸发脱水规律的影响；基质吸力传感器设置于尾矿内部，测量蒸发脱水过程中尾矿内基质吸力的变化；重量采集器主要用于采集蒸发过程中试样重量的变化，从而间接得出蒸发量的数据；而排水组件包括用于装尾矿样本的圆筒形陶瓷容器、适形外套于圆筒形陶瓷容器的蓄水套和设置于圆筒形陶瓷容器底部的蓄水海绵，所述蓄水套底部支撑于实验箱底部；圆筒形陶瓷容器底部开设有多个第一漏水孔且圆筒形陶瓷容器底部中间设置有螺纹连接孔，所述称重器的顶部固定有用于支撑圆筒形陶瓷容器的支撑螺杆，所述蓄水海绵的下侧设置有与蓄水套内壁固定的支撑垫片和间隔设置于支撑垫片下侧的汇流斜隔板，支撑垫片开设有多个第二漏水孔，所述支撑垫片与汇流斜隔板之间形成汇流流道，所述汇流流道的最低处连通设置有向实验箱外部排水的排水管；所述支撑螺杆的上端依次穿过汇流斜隔板、支撑垫片、蓄水海绵并与圆筒形陶瓷容器通过螺纹连接孔螺纹连接；所述蓄水海绵包括竖向并列的多层海绵且每层海绵的吸水性能由上往下逐渐增加；本实施例蓄水海绵包括上海绵层、中海绵层和下海绵层，该结构排水组件能方便模拟地下水流情况，根据不同地理环境可设置不同数量层数的海绵，同时通过旋转圆筒形陶瓷容器，利于调节圆筒形陶瓷容器高度，保证蓄水海绵上、下端面与其他部件在竖向紧密结合。

因模拟水分蒸发过程试验耗时较长(一般均在64h以上)，人工采集数据会导致数据采集量小、数据采集不全等影响，该装置设计有数据实时采集系统。

因试验过程中湿度探针与基质吸力传感器放置于试样内部，为使数据采集与重量数据采集不产生影响，湿度探针与基质吸力传感器采集的数据可采用gprs无线传输方式进行实时数据传输。

实景复制系统包括手持式三维激光扫描仪、扫描仪运行轨道，水分蒸发过程试样表面可能会出现裂缝，裂缝的深度和宽度等都会对蒸发过程造成影响；而且裂缝的深度和宽度直接与基质吸力相关需进行深入分析，因此采用三维激光扫描仪对试验过程中裂纹的产生、扩展进行实景复制。手持式三维激光扫描仪因体积较小，精度较高，适合于较小型试样的扫描。本装置设计有扫描仪运行轨道，可保证不对试验条件扰动的条件下对试样进行扫描。

工作过程：

(1)试样制备：将现场采集的尾矿样烘干，根据试验设计的矿浆浓度，称取烘干的尾矿样和相应的清水，并充分搅拌均匀，配置成设定浓度的尾矿浆。

(2)实验准备：根据试验条件，将试验箱内的温度、湿度、风速等设定为相应值，待所设定的条件稳定后，将所准备的试样倒入圆筒形陶瓷容器中。可模拟不同初始浓度、不同厚度、不同粒径、不同类别尾矿等多种条件的蒸发脱水试验。

(3)开始实验：关闭实验箱门，在密封的环境中进行蒸发干燥试验，蒸发时，开启干燥机构，利于实验箱内部湿度稳定。

(4)数据采集：采用实时数据采集系统对实验过程中的相关数据(温度、湿度、风速、含水率、基质吸力、重量、表面形态等)进行采集，其中，箱体内的温度、湿度、风速数据参与实时反馈调节，以保证箱体内参数的恒定。

(5)数据处理：按照试验方案及时记录保存相关数据，试验后及时处理，如误差较大，要寻找错误原因，重复实验。各传感器均为现有技术，在此不再赘述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。