基于固结控制的尾矿一维淋滤试验系统及其试验方法

本发明涉及尾矿淋滤试验，特别涉及一种基于固结控制的尾矿一维淋滤试验系统及其试验方法。

背景技术：

1、随着我国经济社会的快速发展，矿产资源开发程度逐渐增加，但随之而来的是大量尾矿废弃物的产生。由于目前对于尾矿砂这类固体废弃物的资源化利用率相对较低，进而产生了大量为尾矿堆积和留存。尾矿砂中含有大量的铅、铬、砷等污染离子，在长期的露天存放下，受到的大气降水、地下水的淋溶作用，污染物溶出并随着水流在土壤、岩体等介质中渗透、迁移和扩散，进而造成尾矿库或堆存区周围的土壤和地下水污染，最终威胁区域生态环境。

2、为了了解污染物在尾矿、土壤、地下水中的含量、运移规律，获取尾矿库内污染物的溶出规律和迁移转化规律是研究上述内容的基础，也是重要的基础参数。污染物的溶出机制和规律的研究通常采用淋滤模拟试验，淋滤法是探究污染物释放规律的一种有效的试验方法，一般是通过将尾矿砂浸泡在水、酸性或碱性溶液中，分析其在一定时间或试验条件下污染物离子的浓度；或者是将尾矿砂填入到玻璃管内，从顶部将水、酸性或碱性溶液从顶部倒入使其自然下渗。通过淋滤试验不仅可以研究尾矿的污染物溶出机制，还可以分析污染物在尾矿内的吸附、转化机制，为尾矿污染的源头防治和生态修复提供科学依据。

3、目前，大多数尾矿的污染物淋滤试验通常采用静态和动态淋滤两种方式，而现在的淋滤试验往往存在一定的缺陷。例如：1、静态淋滤的试验装置较为简单，通常是将尾矿样品放入装用淋溶液的锥形瓶中浸泡或在摇床上震动浸泡，这种方式试样数量较少由于尾矿的均匀较差易产生误差，且仅能反应试验条件下的污染物溶出特征；2、一般的动态淋滤试验就将尾矿填入到玻璃管内，淋滤液从顶部加入，液体会在尾矿柱的松散部位快速下渗，导致淋滤试验难以准确的反应污染物的溶出；3、目前的动态淋滤的土柱高度是固定长度，尾矿砂的填充没有固定的质量，难以控制填充的密实度和内部的孔隙率；4、动态淋滤的土柱填充难以还原尾矿的真实堆积和固结特性，试验结果难以准确反应真是的污染物溶出特征；5、动态淋滤中渗滤液的提取通常是在土柱的底端提取，而对于过程中的污染物的释放量难以提取，以此造成污染物的溶出和吸附机制研究较为困难；6、污染物的溶出和吸附是在氧化或还原条件下进行的，通常采用氧化剂和还原剂对样品进行浸泡，通过测定电位变化情况进行判断，但这种试验条件难以与真实堆积条件下的尾矿所处的氧化还是还原环境相对应；7、现有淋滤试验装置的淋滤液通常是采用由上而下的自由渗透的方式，而在自然条件下尾矿库内的淋滤液存在水平和垂向渗透两种形式；8、现有淋滤系统的淋滤液收集主要是通过人工取样的方式，试验周期长，取样工作繁重，且存在一定的误差。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于固结控制的多流场堆积尾矿淋滤系统及其试验方法，其中通过设置液压伺服固结控制装置、设置多流场组装式柱体、浸出液提取装置、电位测量系统，实现尾矿试样多固结度、多流场的快速组装和准确取样。本发明可以实现尾矿堆填环境、渗流条件的模拟，并达到自动、准确、及时、高效的获取浸出液，提高试验效率与准确性。同时，利用本发明可以建立尾矿固结状态与氧化-还原条件的关联，为尾矿污染物的溶出与吸附机制研究提供基础试验和数据支撑。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种基于固结控制的尾矿一维淋滤试验系统，包括固结控制装置、尾矿堆积模拟装置、淋滤供液与浸出液集液装置、电位测量装置和反馈控制装置。

4、固结控制装置的作用是通过伺服液压缸施加压力使尾矿中的细颗粒物质形成固结体，通过控制程序为位于伺服液压缸上方的位移和压力传感器提供指定信号，实现尾矿固结过程中的应力控制和位移控制，从而达到获得不同密实度尾矿堆积体的目的。

5、尾矿堆积模拟装置的作用是模拟自然状态下尾矿在淋滤过程中的物理化学特性和行为，包括尾矿浸出液的重金属浓度及氧化电位、尾矿的形态及物质组成，通过模拟实验得到尾矿重金属浸出浓度与尾矿固结度及氧化还原电位的关系，为后期尾矿库重金属污染防治提供理论基础。

6、淋滤供液与浸出液集液装置的作用是提供淋滤所需的供液系统和液体收集系统。供液系统向堆积尾矿注入淋滤液，使其渗透进入尾矿堆体，而液体收集系统则收集从尾矿堆体中排出的浸出液，以便进行后续分析测试。

7、电位测量装置的作用是通过测量尾矿堆体的电位变化来实时监测尾矿所处的氧化还原状态。

8、反馈控制装置作用是根据测试数据分析结果，及时调整供液系统淋滤速率及集液系统采集浸出液频率，从而保证淋滤系统的正常运行。

9、进一步地，所述的固结控制装置，包括：反力支架、伺服液压缸、位移和压力传感器和控制程序。

10、所述反力支架由基座、立柱、横梁、尾矿模拟装置集液支撑底座组成，基座上竖立两根立柱，两根立柱顶部通过横梁连接。基座上还竖立固定四根支柱，四根支柱用于支撑尾矿模拟装置集液支撑底座。所述伺服液压缸通过螺栓固定于横梁中部，伺服液压缸上方固定有位移和压力传感器。固结压力的施加通过控制程序调控，固结控制方式包括应力控制和位移控制。

11、进一步地，所述的尾矿堆积模拟装置是至少由两个短柱单元连接组成的复合柱体，复合柱体的顶部设加压密封渗流盖，底部设有集液底盖；

12、所述加压密封渗流盖和集液底盖的结构形状相同，均可打开或关闭。加压密封渗流盖上表面中心位置设有一个进液孔，下表面均匀布设若干贯穿透水孔，使淋滤液均匀流到固体表面。

13、所述复合柱体的短柱单元两两之间通过液体提取板连接，连接的方式为螺纹连接，短柱单元侧壁设置取液口。

14、进一步地，所述液体提取板由连接上下两个短柱的内螺纹外环、内部中空透液板、柔性胶条、连接限位销组成。所述内螺纹外环位于最外侧，内部中空透液板位于内螺纹外环内侧，通过柔性胶条和限位销连接；所述限位销共四个，通过铰链接固定于内螺纹外环的内壁，限位销另一端固定于内螺纹外环的外壁，使内环能够进行一定范围的竖向位移；密封胶条将内螺纹外环与内部中空透液板连接形成密封腔体。

15、所述内部中空透液板为两块分布有贯穿孔的有机玻璃板，贯穿孔分别插入液体提取针和氧化还原电极。

16、进一步地，所述的浸出液集液装置由液体提取板、液体提取针、取液泵和集液平台组成。

17、集液平台通过移液软管依次与取液泵和液体提取针相连。

18、集液平台由移动手臂、轨道、集液瓶安置台组成，所述移动手臂通过轨道与集液瓶安置台相连，移动手臂能够在集液瓶安置台上移动，移动手臂上设有固定架用于夹持移液软管，移动手臂的移动能够让移液软管能够对准集液瓶安置台上的所有集液瓶，进行连续的集液采样。

19、进一步地，所述的淋滤液供液装置由伺服压力缸、储液缸、输液管和加压密封渗流盖组成，所述储液缸内设活塞与伺服压力缸相连，提供定压力或定流量淋滤液；所述加压密封渗流盖为中空腔体，下部设贯穿透水孔；所述加压密封渗流盖通过输液管与储液缸相连。

20、进一步地，所述电位测量装置包括多个氧化还原电极。所述氧化还原电极分别插入到加压密封渗流盖、集液底盖和液体提取板内，以监测柱内各部分的氧化还原电位。

21、进一步地，反馈控制系统包括软件控制系统、固结压力控制器、供液控制器、集液控制器、反馈控制器和电位测量与数据采集控制器。

22、软件控制系统用于试验条件设定与试验过程控制，其中控制过程包括固结压力控制、渗透液供给控制、浸出液采集控制、电位采集控制

23、固结压力控制器用于调节尾矿固结过程中位移和施加压力的变化，以达到预设的固结度。

24、供液控制器用于控制淋滤供液的流量和压力，保证淋滤液的定量输出。

25、集液控制器用于控制浸出液的收集频率，确保浸出液重金属浓度及氧化还原电位的基本化学性质的分析测试。

26、反馈控制器根据电位测量与数据采集控制器的反馈信息，调整淋滤供液及浸出集液参数，以实现尾矿堆积的固结控制和淋滤效果的优化。

27、本发明还公开了一种尾矿一维淋滤试验系统的试验方法，其步骤如下：

28、s1：根据尾矿库现场调查采集到的尾矿密度、固结度、浸润线埋深等数据，计算模拟试验柱体长度、单元数和每单元样品参数；

29、s2：在系统中依次输入各单元试验样品参数，利用固结控制装置依次对各单元进行压密固结；

30、s3：将固结完成的试样按照尾矿堆积模拟装置中复合柱体顺序依次固定在基座上，底部的短柱单元在试样底部放置透水石，复合柱体间使用体液体提取板连接，顶部的短柱单元上安置透水石后加装加压密封渗流盖，并与伺服液压缸连接；

31、s4：在复合柱体相应位置插入氧化还原电极和取液管，连接集液平台与电位测量装置；在集液瓶安置台上放置集液瓶；

32、s5：向淋滤液供液装置内加装淋滤液；

33、s6：在反馈控制系统输入和控制试验参数，包括样品编号、一维固结压力、各柱体单元试样参数、淋滤液供液压力、流量、温度、取样电位、取样时间和取样次数。

34、s7：开始试验，待完成取样设定次数后，系统自动停止供液，各子系统自动关闭并保存数据。

35、s8：试验结束，由上至下依次拆除所述短柱单元，并倾倒试验样品与终了废液，进行对应部件的清洗和相关组件的拆除还原。

36、与现有技术相比，本发明的优点在于：

37、(1)本发明通过设置不同类型的柱体可以模拟不同堆积结构、不同长度的尾矿结构，可以满足不同试样参数和试验需求，具有适用范围广、模拟类型多、还原程度高的优点。

38、(2)本发明通过固结装置的伺服压力缸可以为试样施加一维固结压力，使试样达到不同的固结度；利用该装置可以模拟试样在渗流作用下的一维固结试验，能够进行固结对淋滤影响的研究。增加该试验装置的应用范围，为拓展理论研究提供基础。

39、(3)本发明通过多单元柱体液体提取板对上下单元柱体实现连接、密封的同时，可以对上下土柱的固结应力实现传递，保证试样的连续固结和形变；该装置可以实现不同固结参数下淋滤液的分离与提取，并且达到连续淋滤的目的。通过多单元柱体液体提取板内淋滤液提取管可以自动、连续的进行取样，使得淋滤试验的自动化程度提高，避免了人为干扰，提高了试验的准确性。

40、(4)本发明通过多单元柱体液体提取板内设置的电极可以实时获取淋滤样品的氧化还原电位，通过电极组合对不同组合的土柱进行自动测量。该装置具有自动、灵活、测量数据多样的技术特点。

41、(5)本发明通过设置淋滤液取样时间集液装置可自动的提取淋滤液，并通过移动手臂完整不同集液瓶间的自动移动，实现了淋滤液收集的自动化。

42、(6)本发明通过淋滤试验数据采集与试验控制系统集成了固结控制、淋滤液供液控制、电位测量控制、淋滤液提取控制，实现了试验参数的输入、试验数据的采集与输出、试验过程控制，实现了淋滤试验过程的完全自动化，大大解放了人力提高了试验效率和准确性。

43、(7)本发明具有结构简便、组装拆分快捷，能够模拟多种条件下的淋滤试验，准确性和自动化程度高。