充填体水质检测装置及其使用方法与流程

本发明涉及采矿工程和水质检测领域，尤其涉及一种充填体水质检测装置及其使用方法。

背景技术：

随着国家对环保重视程度的不断提高，绿色开采已渐渐成为国内各大矿山发展的主要方向。而采用充填法是实现绿色开采最安全、高效的方式。将尾砂充填于井下不但可提高矿石回收率，防止矿山上覆岩层崩落及地表塌陷从而保护矿区地表，还可大幅度减少尾矿堆放占地及减轻或消除尾矿库等遗留的安全隐患。

但使用充填法进行开采时，充填体中含有一定量的重金属离子、选矿药剂等有毒有害物质，充填后可能会受地下水浸泡、渗流、淋溶作用而溶出某些重金属元素、氟离子等。这些有害物质的释放和迁移会对地下水环境造成一定的污染，甚至对地下水环境造成破坏。而且这种污染往往具有隐蔽性、难以逆转性、迁移性、长期性和污染物质的多样性等特性，会威胁矿山的安全生产和可持续生产。因此，需要对地下水从充填体中渗流后渗流水水质进行检测，目前开展了大量有关地下水在充填体中渗流后水质检测与分析的研究。

申请号为cn201510208552.6的发明专利公开了一种金属矿山尾砂胶结充填对地下水重金属含量影响评价方法。该方法是利用滴灌浸泡法进行充填体水质影响测量并提供一种影响评价方法。该方法的不足之处在于：虽然提出了完整的充填体水质影响评价方法，但采用静态浸出法获得的地下水水样，受地下水压力、充填体渗流特征的影响与现场实际相差较大，另外该方法测试周期较长，用其评价结果来指导生产会产生较大的误差。

申请号为cn201810109654.6的发明专利公开了一种用于煤矸石充填采空区重金属离子检测取样的收集装置和与之配套的连接管。所述收集装置和连接管，管体内部用隔水板等分为若干纵向通道，收集装置的一个纵向通道上开设有透水口，连接管无透水口。该收集装置随开采工作面的推进而逐步布设在采空区内，由连接管连接成一排排管路，形成均匀布设采样点，构成采样系统，可以实现采空区重金属离子检测实时均布采样，为进一步分析采空区重金属污染提供取样手段。但是该方法的不足之处在于：该收集装置需在采空区内布置收集取样管，收集的水样还包括未采空区矿井积水，所收集的水样不能确保为充填体渗水，无法确定充填体对水质的影响程度。

申请号为cn201810109458.9的发明专利公开了一种煤矸石充填煤矿采空区重金属离子检测取样系统，在采空区内部架设取样管用于收集采空区矿井积水。该取样系统需在采空区内布置取样管，安全性无法得到保证，且成本也比较高，另外该取样系统收集的水样还包括未采空区矿井积水，所收集的水样不能确保为充填体渗水，无法确定充填体对水质的影响程度。

有鉴于此，目前尚没有一种切实可靠的方法能够对充填体渗流水质进行有毒有害物质含量评价，测试环境与实际情况相差较大，不能精确的判断其影响程度，且无法排除评价装置及方法的影响因素。因此，有必要研发一种充填体渗流水质的检测装置，用于评价和分析矿山充填采场的渗流水质的有毒有害物质的含量。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种充填体水质检测装置及其使用方法，用于真实地模拟地下水在充填体中的渗流过程，切实可靠地对充填体渗流水质进行有毒有害物质含量的评价分析。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种充填体水质检测装置，用于对充填体进行基于层流状态下的水质检测；所述充填体水质检测装置包括用于将所述充填体的充填料浆制作为预定尺寸检测试块的模具、用于放置所述检测试块的外部框架、设置于所述外部框架上部的地下水输入装置、设置于所述外部框架下部的渗流水收集装置以及用于固定连接所述地下水输入装置与所述渗流水收集装置的固定装置；

所述地下水输入装置包括地下水输入盖板、设置于所述地下水输入盖板上开口朝向所述渗流水收集装置的第一凹槽、一端与所述第一凹槽连接的地下水输入管路、自所述第一凹槽的周壁向所述渗流水收集装置方向突伸的延伸壁以及套设于所述延伸壁外周的第一防水胶圈；所述地下水输入管路的另一端与地下水输入容器相连；

所述渗流水收集装置包括渗流水收集盖板、设置于所述渗流水收集盖板上的第二凹槽、一端与所述第二凹槽连接的渗流水收集管路、自所述第二凹槽的周壁向所述地下水输入装置方向突伸的突伸壁以及套设于所述突伸壁外周的第二防水胶圈；所述渗流水收集管路的另一端与渗流水收集容器相连；

所述第一凹槽与所述第二凹槽的中轴线相互重合，且所述第二凹槽在所述第一凹槽上的投影面积小于等于所述第一凹槽的投影面积的二分之一。

优选的，所述第一凹槽与所述第二凹槽均为圆形凹槽，且所述第二凹槽的直径小于等于所述第一凹槽的直径的二分之一。

优选的，所述地下水输入盖板的长宽尺寸与所述渗流水收集盖板的长宽尺寸相同，且二者的长宽尺寸与所述外部框架内周的长宽尺寸相同；所述第一凹槽设置于所述地下水输入盖板的中间位置，所述第二凹槽设置于所述渗流水收集盖板的中间位置。

优选的，所述模具包括相对设置的模具框架和盖设于所述模具框架上的模具盖板；在所述模具盖板的下表面的中间位置设置有第一凸环，在所述模具框架的底板的上表面的中间位置设置有第二凸环；所述第一凸环的内径与所述第一凹槽的直径相同，所述第二凸环的内径与所述第二凹槽的直径相同。

优选的，所述外部框架为由钢板组装而成的呈上下开口的长方形框架。

为了实现上述发明目的，本发明还提供了上述充填体水质检测装置的使用方法，包括如下步骤：

s1、制作检测试块：提供模具，所述模具包括相对设置的模具框架和盖设于所述模具框架上的模具盖板；在所述模具盖板的下表面的中间位置设置有第一凸环，在所述模具框架的底板的上表面的中间位置设置有第二凸环；取预定体积的充填料浆，将所述充填料浆倒入所述模具框架中，盖上所述模具盖板，按混凝土养护标准养护28天后拆去所述模具框架及所述模具盖板，制备得到与所述模具的内周尺寸一致的所述检测试块；所述检测试块的上表面形成有与所述第一凸环尺寸相同的第一环形凹槽，所述检测试块的下表面形成有与所述第二凸环尺寸相同的第二环形凹槽；

s2、组装所述充填体水质检测装置：将所述检测试块放置在所述外部框架中，将所述地下水输入装置的第一防水胶圈对准所述第一环形凹槽压紧形成密闭结构；将所述渗流水收集装置的第二防水胶圈对准所述第二环形凹槽压紧形成密闭结构；用所述固定装置实现所述充填体水质检测装置的固定支撑和水平调整；将所述地下水输入管路与所述地下水输入容器相连，将所述渗流水收集管路与所述渗流水收集容器相连；

s3、检测试块渗流水质检测：采集矿山地下水，注入到所述地下水输入容器中，将所述地下水的压力设置为矿山充填采场的地下水压力；所述地下水通过所述地下水输入管路先进入所述第一凹槽，通过所述检测试块后再进入所述第二凹槽，收集到的渗流水通过所述渗流水收集管路流入所述渗流水收集容器中，最后进入充填体水质检测装置中；

s4、所述充填体渗流水质的影响分析：记录步骤s3收集所述渗流水的检测时间，从所述渗流水收集容器中提取预定量水质样品，对所述水质样品进行水质检测，分析所述水质样品是否符合标准要求。

优选的，所述第一环形凹槽与所述第一防水胶圈相互弥合；所述第二环形凹槽与所述第二防水胶圈相互弥合。

优选的，在步骤s3中，所述地下水压力的设置方式为：通过调整所述地下水输入容器与所述充填体水质检测装置的相对高差和/或通过压力泵将所述地下水的压力设置为矿山充填采场的地下水压力。

优选的，所述水质检测包括但不限于有毒有害物质含量的检测、ph值的检测。

优选的，所述第一凸环的内径大于等于所述第二凸环的内径的两倍，用以保证所述收集到的渗流水为层流部分渗水。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的充填体水质检测装置，通过将第一环形凹槽内径设置为大于等于第二环形凹槽的两倍，保证了渗流水收集装置中收集的均为层流部分渗流水，避免了现有技术中未经层流，直接经过边壁流出收集到的水对检测结果的影响，提高了层流水检测结果的准确性，该部分渗流水流动稳定，所受干扰因素少，可将得到的检测结果用于理论计算，推演其他流动状态下的充填水质检测，具有很好的理论意义。

2、本发明提供的充填体水质检测装置，通过防水胶圈与环形凹槽的相互弥合，保证地下水输入装置中的第一凹槽和检测试块的上表面形成密闭结构，保证渗流水收集装置中的第二凹槽和检测试块的下表面形成密闭结构，用以保证该检测装置能够承受一定的地下水输入水压，且整个装置不会发生泄漏，可以真实地模拟地下水在充填体中的渗流过程，可以有效地进行渗流水的收集。

3、本发明提供的充填体水质检测装置，检测试块的材质由矿山充填站的实际充填料浆制作而成，并且还按实际的混凝土养护标准养护28天后才进行检测，同时保障装置中输入的地下水压为矿山充填采场实际水压，因此，该装置能在检测时真实地还原地下充填体所处环境，检测结果与实际情况更为相符，检测数据更加精准。

4、本发明提供的充填体水质检测装置的使用方法，操作安全合理且操作过程简单，还能够真实地模拟地下水在充填体中的渗流过程，所检测的数据精准，检测结果合理规范，具备一定的实际指导意义。同时，本发明提供的充填体水质检测装置制作成本低，工艺安全设计合理，具备应用潜力。

附图说明

图1为本发明提供的充填体水质检测装置中模具的结构示意图。

图2为本发明提供的充填体水质检测装置中模具的另一角度的结构示意图。

图3为本发明提供的充填体水质检测装置中检测试块的结构示意图。

图4为本发明提供的充填体水质检测装置中检测试块的另一角度的结构示意图。

图5为本发明提供的充填体水质检测装置的结构示意图。

图6为本发明提供的充填体水质检测装置的另一角度的结构示意图。

图7为本发明提供的充填体水质检测装置中的外部框架的立体图。

图8为本发明提供的充填体水质检测装置的使用方法中渗流流线示意图。

附图标记：

1、模具；11、模具框架；12、模具盖板；13、第一凸环；14、第二凸环；

2、检测试块；21、第一环形凹槽；22、第二环形凹槽；

3、地下水输入装置；31、地下水输入管路；32、地下水输入盖板；33、第一凹槽；34、第一防水胶圈；35、延伸壁；

4、渗流水收集装置；41、渗流水收集管路；42、渗流水收集盖板；43、第二凹槽；44、第二防水胶圈；45、突伸壁；

5、外部框架；

6、固定支撑装置；61、丝杠；62、固定螺母；63、固定耳片；

7、稳定流线；8、渗流流线。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

请参阅图1-7所示，本发明提供了一种充填体水质检测装置，用于对充填体进行基于层流状态下的水质检测；所述充填体水质检测装置包括用于将所述充填体的充填料浆制作为预定尺寸检测试块2的模具1、用于放置所述检测试块2的外部框架5、设置于所述外部框架5上部的地下水输入装置3、设置于所述外部框架5下部的渗流水收集装置4以及用于固定连接所述地下水输入装置3与所述渗流水收集装置4的固定装置6。

请参阅图1-2所示，所述模具1包括相对设置的模具框架11和盖设于所述模具框架11上的模具盖板12。在所述模具盖板12的下表面的中间位置设置有第一凸环13，在所述模具框架11的底板的上表面的中间位置设置有第二凸环14。

请参阅图5-6所示，所述地下水输入装置3包括地下水输入盖板32、设置于所述地下水输入盖板32上开口朝向所述渗流水收集装置4的第一凹槽33、一端与所述第一凹槽33连接的地下水输入管路31、自所述第一凹槽33的周壁向所述渗流水收集装置4方向突伸的延伸壁35以及套设于所述延伸壁35外周的第一防水胶圈34。所述地下水输入管路31的另一端与地下水输入容器相连。所述第一凹槽33设置于所述地下水输入盖板32的中间位置，所述第一凹槽33的直径与所述第一凸环13的内径相同。

请参阅图5-6所示，所述渗流水收集装置4包括渗流水收集盖板42、设置于所述渗流水收集盖板42上的第二凹槽43、一端与所述第二凹槽43连接的渗流水收集管路41、自所述第二凹槽43的周壁向所述地下水输入装置3方向突伸的突伸壁45以及套设于所述突伸壁45外周的第二防水胶圈44。所述渗流水收集管路41的另一端与渗流水收集容器相连。所述第二凹槽43设置于所述渗流水收集盖板42的中间位置。所述第二凹槽43的直径与所述第二凸环14的内径相同。

所述地下水输入盖板32的长宽尺寸与所述渗流水收集盖板42的长宽尺寸相同，且二者的长宽尺寸与所述外部框架5内周的长宽尺寸相同。

所述第一凹槽33与所述第二凹槽43的中轴线相互重合，在本实施例中，所述第一凹槽33与所述第二凹槽43均为圆形凹槽，且所述第二凹槽43的直径小于等于所述第一凹槽33的直径的二分之一。

请参阅图5-6所示，所述固定支撑装置6包括丝杆61、与所述丝杆61适配的固定螺母62以及固定耳片63；所述固定耳片63的一端分别固定连接在所述渗流水收集盖板42下表面的四角处和所述地下水输入盖板32上表面的四角处且在垂直方向上相互对称，另一端与所述固定螺母62可拆卸连接，实现所述充填体水质检测装置的固定和垂直方向上的调整；通过所述丝杆61对所述充填体水质检测装置进行支撑。

请参阅图7所示，所述外部框架5为由钢板组装而成的呈上下开口的长方形框架。

下面对本发明的充填体水质检测装置的使用原理结合具体实施例进行详细描述。

以某重金属矿山充填体为例进行充填体水质检测，该矿山某采场处地下水压为0.1mpa。

所述充填体水质检测装置的尺寸如下：

如图1-2所示，所述模具框架11是由钢板组装而成的长1m、宽1m、高0.5m、厚度为0.02m的方形框架；在模具框架11的底板正中有一个内径为0.4m、外径为0.42m，厚度为0.01m的第二凸环14；所述模具盖板12是由钢板组装而成的长1m、宽1m、厚0.01m的盖板，在模具盖板12下方正中有一内径为0.8m、外径为0.82m，厚度为0.01m的第一凸环13。

如图5-6所示，所述的地下水输入盖板32尺寸为长1m、宽1m、厚0.02m，在其中间位置设有直径为0.8m深度为0.01m的第一凹槽33。

第一防水胶圈34的外径与延伸壁35的内径之差略微大于第一凸环13内外径之差，以使第一防水胶圈34能够和与第一环形凹槽21形成过盈配合，形成防水密闭结构。

所述渗流水收集盖板42尺寸为长1m、宽1m、厚0.02m，在其中间位置设有直径为0.4m深度为0.01m的第二凹槽43。

第二防水胶圈44的外径与突伸壁45的内径之差略微大于第二凸环14内外径之差，以使第二防水胶圈44能够和与第二环形凹槽22形成过盈配合，形成防水密闭结构。

作为本发明的另一种优选方案，所述第一防水胶圈34套设于所述延伸壁35内周，所述第二防水胶圈44套设于所述突伸壁45内周。第一防水胶圈34的内径与延伸壁35的外径之差略微大于第一凸环13内外径之差，以使第一防水胶圈34能够和与第一环形凹槽21形成过盈配合，形成防水密闭结构；第二防水胶圈44的内径与突伸壁45的外径之差略微大于第二凸环14内外径之差，以使第二防水胶圈44能够和与第二环形凹槽22形成过盈配合，形成防水密闭结构。

需要注意的是，本领域的技术人员应当理解，作为本方案的另一种优选方案，第一防水胶圈34也可以是直接黏贴在第一凹槽33的外边缘上，且第一防水胶圈34直接与第一环形凹槽21形成过盈配合，形成防水密闭结构；第二防水胶圈44也可以是直接黏贴在第二凹槽43的外边缘上，且第二防水胶圈44直接与第二环形凹槽22形成过盈配合，形成防水密闭结构。

如图7所示，所述外部框架5是内部尺寸为长1m、宽1m、厚0.02m上下开口的长方形框架。

需要注意的是，本领域的技术人员应当理解，所述充填体水质检测装置还能够根据矿山填充浆料和采场充填的实际情况进行尺寸大小的调整。

请参阅图1至图8所示，基于层流状态下，本发明实施例1提供的充填体水质检测装置的使用方法，包括如下步骤：

s1、制作检测试块2：

从矿山充填站下料口中取预定体积的充填料浆，将所述充填料浆倒入所述模具框架11中，盖上所述模具盖板12，按混凝土养护标准养护28天后拆去所述模具框架11及所述模具盖板12，制备得到所述检测试块2；由模具1的三维尺寸可知，所述检测试块2的上表面设置有与所述第一凸环13尺寸相同的所述第一环形凹槽21；所述检测试块2的下表面设置有与所述第二凸环14尺寸相同的所述第二环形凹槽22。

s2、组装所述充填体水质检测装置：

将所述检测试块2放置在所述外部框架5中，将所述地下水输入装置3上的所述第一防水胶圈34对准所述检测试块2上的所述第一环形凹槽21压紧，形成密闭结构；将所述渗流水收集装置4上的所述第二防水胶圈44对准所述检测试块2上的所述第二环形凹槽22压紧，形成密闭结构；利用带有四个固定螺母62的丝杠61将上下对应的固定耳片63串联起来，调整所述固定螺母62位置保持所述充填体水质检测装置水平，在所述丝杠62加设四个固定螺母62，并同时旋紧，使第一防水胶圈34和第二防水胶圈44分别与第一环形凹槽21、第二环形凹槽22完全弥合；用所述固定支撑装置6实现所述充填体水质检测装置的固定支撑和水平调整；将所述地下水输入管路31与地下水输入容器相连，将所述渗流水收集管路41与渗流水收集容器相连。

s3、检测试块2渗流水质检测：

采集矿山地下水，将其注入到地下水输入容器中，通过压力泵调整输入地下水的水压为0.1mpa，地下水通过地下水输入管路31进入装置中；由于第一防水胶圈34和第二防水胶圈44分别与第一环形凹槽21、第二环形凹槽22完全弥合，能够保证实验装置能够承受一定的地下水压力，且不会发生泄漏，可以真实的模拟地下水在充填体中的渗流过程；根据检测试块2的第一环形凹槽21与第二环形凹槽22的大小可以绘制充填体渗流流线(如图8所示，包括稳定流线7和渗流流线8)，通过流线可知，由于上部的第一环形凹槽21大于下部的第二环形凹槽21，试块下部的第一环形凹槽21能够收集到层流部分的渗流水7，该部分的渗流水较为稳定，可将得到检测结果用于理论计算；收集到的渗流水通过渗流水收集管路41流入渗流水收集容器中。

s4、所述充填体渗流水质的影响分析：

检测开始一段时候后，记录检测时间t，从渗流水收集容器中取出一定量的水质样品，送至水质检测中心测试渗流水水质样品中有毒有害物质含量kn(n为有毒有害物质cd、ni、pb、cr、as、mn、zn等)以及ph值等项目的的水质检测。

表1为实施例1渗流水水质检测记录表

检测结果如表1所示，将检测数据与《地下水质量标准》(gb/t14848－93)ⅲ类标准规定的限值进行对比：从对比结果中可以看出地下水在该矿山充填体中渗流预定时间t(t＝1，2，3，4，5…..，单位为：天)后，其渗流水的水质仍符合《地下水质量标准》(gb/t14848－93)ⅲ类标准要求，具备一定的实际指导意义。

需要注意的是，本领域的技术人员应当理解，通过本发明提供的充填体水质检测装置收集到的渗流水质还能够进行其它的水质检测项目的检测和分析评价。

综上所述，本发明提供了一种充填体水质检测装置及其使用方法。所述充填体水质检测装置包括用于将所述充填体的充填料浆制作为预定尺寸的检测试块的模具、用于收容所述检测试块的外部框架、设置于所述外部框架上部的地下水输入装置、设置于所述外部框架下部的渗流水收集装置以及用于固定连接所述地下水输入装置与所述渗流水收集装置的固定装置。该装置的使用方法为：先从矿山充填站下料口中取充填料浆倒入模具框架中，制备得到检测试块；然后将地下水输入装置、渗流水收集装置、外部框架、固定装置及检测试块组装成充填水质检测装置；接着通过该装置进行层流状态下的充填体渗流水的收集，进行充填体渗流水质检测；最后通过分析所收集的渗流水水质即可判断充填体对渗流水质的影响。本发明提供的方法相对传统方法而言，更为接近地下环境，所取得的检测数据更为准确可靠。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。