一种尾矿库因渗流、管涌破坏而导致溃坝的模拟装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种尾矿库因渗流、管涌破坏而导致溃坝的模拟装置，属于岩土工程、矿业工程技术领域。


背景技术：

2.研究表明我国12种大宗矿产每年尾矿排放量约3亿t，作为矿山充填或综合利用的尾矿仅仅是一小部分，大部分尾矿采用构筑尾矿库的方式储存。lemphers等对世界范围内3500个尾矿库进行统计，发现每年平均有2～5个尾矿库发生溃坝，尾矿库的溃坝事件发生的概率为水库溃坝10倍以上。尾矿库作为金属非金属矿山的重大危险源之一，在世界93种事故、公害的隐患中，尾矿库事故名列第18位。所以开展尾矿库溃坝相关的研究对于矿山安全生产、保护下游生命财产安全和周边环境具有重要的意义。
3.尾矿库土体大多处于疏松状态，降雨、库水位变动、渗流等因素均易诱发尾矿库溃坝事故，并造成严重的后果。吴宗之等对国外溃坝事故统计分析，发现诱因是渗透破坏导致尾矿库溃坝的事故量排第一，占44.6％，接近溃坝事故的一半；而诱因是洪水漫顶和地震液化导致尾矿库溃坝的事故量排第二位，均占19.6％。
4.目前，国内外学者对影响尾矿库溃坝的因素、溃坝机理、溃坝过程及下游泥砂运行演进规律都进行了探索并取得了一定的成果，然而，针对尾矿库在渗流破坏条件下发生溃坝的物理模型实验研究还有待深入，针对洪水漫顶、地震破坏的实验装置较多，对尾矿库渗流管涌破坏实验研究较少。并且能够实现尾矿库渗流管涌破坏的模拟装置更是稀少，不能满足如今的科研需求，有鉴于此提出本实用新型。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种尾矿库因渗流、管涌破坏而导致溃坝的模拟装置，本装置能够用于进行尾矿库渗流或管涌破坏模拟试验，为分析尾矿库渗流或管涌破坏导致的溃坝研究分析提供技术支持。
6.本实用新型采用的技术方案是：一种尾矿库因渗流、管涌破坏而导致溃坝的模拟装置，包括监测系统，渗流、管涌成型系统及库型控制系统；
7.所述监测系统包括钻孔控制器4、高速摄像机5、接收线圈ⅰ8、接收线圈ⅱ12、接收线圈ⅲ17、接收线圈ⅳ30、接收线圈
ⅴ
35、接收线圈
ⅵ
38、数据线13、导线ⅰ7、导线ⅱ10、导线ⅲ15、导线ⅳ19、导线
ⅴ
32、导线
ⅵ
37、导线
ⅶ
42、接收机ⅰ9、接收机ⅱ14、接收机ⅲ18、接收机ⅳ29、接收机
ⅴ
36、接收机
ⅵ
41、配谐电容箱20、通用机22、适配数据传导线23、电线ⅰ21、孔隙水压力计40、电线ⅱ44、电线ⅲ46、电源 43、电源多功能控制箱45、主控箱47；
8.所述渗流、管涌成型系统包括管道ⅰ1、管道ⅲ60、多功能控制箱2、储水罐3、纵轴控制器56、横轴控制器57、出水阀24、水泵25、进水口26、补水器27、伸缩器 58、钻孔仪59；
9.所述库型控制系统包括挡板ⅰ6、挡板ⅱ11、挡板ⅲ16、挡板ⅳ31、挡板
ⅴ
34、挡板
ⅵ
39、移动杆28、扭转链件33、坝体61；
10.进水口26、水泵25、出水阀24形成抽水系统，并通过管道ⅰ1与多功能控制箱2 连接，储水罐3固定在多功能控制箱2一侧并与多功能控制箱2连通，多功能控制箱2 通过管道ⅰ1分别与补水箱中补水器27连通，补水箱两侧分别设有两移动杆放置箱，补水器27两外侧端分别与移动杆放置箱中的移动杆28连接，补水器27上端布置有纵轴控制器56、横轴控制器57、钻孔控制器4，钻孔控制器4固定在伸缩器58一侧，纵轴控制器56布置在横轴控制器57上方，纵轴控制器56、横轴控制器57均与伸缩器 58连接，伸缩器58末端与钻孔仪59连接，钻孔控制器4通过伸缩器58外部导线与钻孔仪59连接，高速摄像机5分布在装置前端与后两侧，钻孔仪59长度大于库体最高长度；
11.主控箱47通过适配数据传导线23与通用机22连接，主控箱47通过电线ⅲ46与电源多功能控制箱45连接，电源多功能控制箱45通过电线ⅱ44与电源43连接，主控箱47通过导线
ⅶ
42与接收机
ⅵ
41连接，接收机
ⅵ
41通过数据线13与接收线圈
ⅵ
38 连接，接收机
ⅵ
41通过导线
ⅵ
37与接收机
ⅴ
36连接，接收机
ⅴ
36通过数据线13与接收线圈
ⅴ
35连接，接收机
ⅴ
36通过导线
ⅴ
32与接收机ⅳ29连接，接收机ⅳ29通过数据线13与接收线圈ⅳ30连接，接收机ⅳ29通过导线ⅰ7与接收机ⅰ9连接，接收机ⅰ9 通过数据线13与接收线圈ⅰ8连接，接收机ⅰ9通过导线ⅱ10与接收机ⅱ14连接，接收机ⅱ14通过数据线13与接收线圈ⅱ12连接，接收机ⅱ14通过导线ⅲ15与接收机ⅲ18 连接，接收机ⅲ18通过数据线13与接收线圈ⅲ17连接，接收机ⅲ18通过导线ⅳ19与主控箱47连接，主控箱47通过电线ⅰ21与配谐电容箱20连接；
12.坝体61左侧与挡板ⅲ16连接，右侧与挡板
ⅵ
39连接，孔隙水压力计40布置在坝体61内，接收线圈
ⅵ
38布置在挡板
ⅵ
39内部，挡板
ⅵ
39通过扭转链件33与挡板
ⅴ
34 连接，接收线圈
ⅴ
35布置在挡板
ⅴ
34内部，挡板
ⅴ
34通过扭转链件33与挡板ⅳ31连接，接收线圈ⅳ30布置在挡板ⅳ31内部，挡板ⅳ31通过扭转链件33与右侧的移动杆 28一侧连接，右侧的移动杆28另一侧与补水器27右侧连接，左侧移动杆28一侧与补水器27左侧连接，另一侧与挡板ⅰ6连接，接收线圈ⅰ8布置在挡板ⅰ6内部，挡板ⅰ6 通过扭转链件33与挡板ⅱ11连接，接收线圈ⅱ12布置在挡板ⅱ11内部，挡板ⅱ11通过扭转链件33与挡板ⅲ16连接，接收线圈ⅲ17布置在挡板ⅲ16内部；
13.各挡板、移动杆28、补水箱27、扭转链件33、坝体61围成库体，伸缩器58伸展长度比库体最大长度长。
14.具体地，所述的钻孔仪59包括钻头591、钻轴593、定子铁芯592、风扇594、接线盒595，钻轴593右端连接定子铁芯592，左端连接钻头591，风扇594连接在定子铁芯592右方，风扇594主要起散热作用，定子铁芯592和风扇594的壳体外部设有分别与二者连接的接线盒595，接线盒595同时与钻孔控制器4连接。
15.具体地，所述的扭转链件33包括设置在柔性壳体内的可拉伸密封层50、扭转支座 48、滑珠49、连接杆51，可拉伸密封层50设置在扭转链件33上下两端，柔性壳体的两侧壁上上下交错安装有扭转支座48，扭转支座48内侧端与连接杆51一端连接，连接杆51另一端与滑珠49连接，上下相邻两滑珠49彼此咬合。
16.具体地，所述的补水器27包括外壳及设置在外壳内的管道ⅱ54、若干排的布水孔，管道ⅱ54与管道ⅰ1连通，每一排布水孔包括水压控制器55、均匀器52，每一个水压控制器55的进水端都与管道ⅱ54连接，每一个水压控制器55的出水端通过密封口53 与管道ⅲ60的一端连通，管道ⅲ60的另一端与均匀器52连通，均匀器52为补水器27 面向尾砂一面的侧壁
上的出水口。
17.优选地，所述的补水箱里间隔放置两个补水器27，多功能控制箱2通过管道ⅰ1 分别与补水箱中两个补水器27连通，右侧的移动杆28的左侧与右侧的补水器27连接，左侧移动杆28右侧与左侧的补水器27连接。
18.优选地，所述的孔隙水压力计40自带数据存储功能。
19.优选地，所述的移动杆28为气压伸缩装置。
20.优选地，所述的钻孔控制器4通过固定在伸缩器58外部的电线与控制钻孔仪59 连接。
21.本实用新型的有益效果是：
22.(1)本装置能用于实验室和野外现场进行尾矿库渗流或管涌破坏导致溃坝的模拟试验，且结构简单，操作方便；
23.(2)本装置能够通过扭转挡板模拟出不同库型；
24.(3)本装置能够通过成像系统呈现出水流途径或聚集区；
25.(4)本装置能够定点模拟尾矿库渗流或管涌破坏导致溃坝现象；
26.(5)本装置中的高速摄像机能够把溃坝前后状况收录下来，供重复研究。
附图说明
27.图1是本实用新型的整体结构示意图；
28.图2是本实用新型扭转链件的剖面图；
29.图3是本实用新型补水器的剖面图；
30.图4是本实用新型钻孔仪的剖面图；
31.图5是本实用新型钻孔控制器、纵轴控制器、横轴控制器连接处的放大图。
32.图中：1
‑
管道ⅰ，2
‑
多功能控制箱，3
‑
储水罐，4
‑
流量计，5
‑
高速摄像机，6
‑
挡板ⅰ，7
‑
导线ⅰ，8
‑
接收线圈ⅰ，9
‑
接收机ⅰ，10
‑
导线ⅱ，11
‑
挡板ⅱ，12
‑
接收线圈ⅱ， 13
‑
数据线，14
‑
接收机ⅱ，15
‑
导线ⅲ，16
‑
挡板ⅲ，17
‑
接收线圈ⅲ，18
‑
接收机ⅲ，19
‑ꢀ
导线ⅳ，20
‑
配谐电容箱，21
‑
电线ⅰ，22
‑
通用机，23
‑
适配数据传导线，24
‑
出水阀，25
‑ꢀ
水泵，26
‑
进水口，27
‑
补水器，28
‑
移动杆，29
‑
接收机ⅳ，30
‑
接收线圈ⅳ，31
‑
挡板ⅳ， 32
‑
导线
ⅴ
，33
‑
扭转链件，34
‑
挡板
ⅴ
，35
‑
接收线圈
ⅴ
，36
‑
接收机
ⅴ
，37
‑
导线
ⅵ
，38
‑ꢀ
接收线圈
ⅵ
，39
‑
挡板
ⅵ
，40
‑
孔隙水压力计，41
‑
接收机
ⅵ
，42
‑
导线
ⅶ
，43
‑
电源，44
‑ꢀ
电线ⅱ，45
‑
电源多功能控制箱，46
‑
电线ⅲ，47
‑
主控箱，48
‑
扭转支座，49
‑
滑珠，50
‑ꢀ
可拉伸密封层，51
‑
连接杆，52
‑
均匀器，53
‑
密封口，54
‑
主控箱，55
‑
水压控制器，56
‑ꢀ
纵轴控制器，57
‑
横轴控制器，58
‑
伸缩器，59
‑
钻孔仪，管道
ⅲ‑
60，坝体
‑
61，接线盒
‑
595，钻头
‑
591，钻轴
‑
593，定子铁芯
‑
592，风扇
‑
594。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
34.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
35.实施例1：如图1
‑
5所示，一种尾矿库因渗流、管涌破坏而导致溃坝的模拟装置，包括监测系统，渗流、管涌成型系统及库型控制系统；
36.所述监测系统包括钻孔控制器4、高速摄像机5、接收线圈ⅰ8、接收线圈ⅱ12、接收线圈ⅲ17、接收线圈ⅳ30、接收线圈
ⅴ
35、接收线圈
ⅵ
38、数据线13、导线ⅰ7、导线ⅱ10、导线ⅲ15、导线ⅳ19、导线
ⅴ
32、导线
ⅵ
37、导线
ⅶ
42、接收机ⅰ9、接收机ⅱ14、接收机ⅲ18、接收机ⅳ29、接收机
ⅴ
36、接收机
ⅵ
41、配谐电容箱20、通用机22、适配数据传导线23、电线ⅰ21、孔隙水压力计40、电线ⅱ44、电线ⅲ46、电源 43、电源多功能控制箱45、主控箱47；
37.所述渗流、管涌成型系统包括管道ⅰ1、管道ⅲ60、多功能控制箱2、储水罐3、纵轴控制器56、横轴控制器57、出水阀24、水泵25、进水口26、补水器27、伸缩器 58、钻孔仪59；
38.所述库型控制系统包括挡板ⅰ6、挡板ⅱ11、挡板ⅲ16、挡板ⅳ31、挡板
ⅴ
34、挡板
ⅵ
39、移动杆28、扭转链件33、坝体61；
39.进水口26、水泵25、出水阀24形成抽水系统，并通过管道ⅰ1与多功能控制箱2 连接，储水罐3固定在多功能控制箱2一侧并与多功能控制箱2连通，多功能控制箱2 通过管道ⅰ1分别与补水箱中补水器27连通，补水箱两侧分别设有两移动杆放置箱，补水器27两外侧端分别与移动杆放置箱中的移动杆28连接，补水器27上端布置有纵轴控制器56、横轴控制器57、钻孔控制器4，钻孔控制器4固定在伸缩器58一侧，纵轴控制器56布置在横轴控制器57上方，纵轴控制器56、横轴控制器57均与伸缩器 58连接，伸缩器58末端与钻孔仪59连接，钻孔控制器4通过伸缩器58外部导线与钻孔仪59连接，高速摄像机5分布在装置前端与后两侧，钻孔仪59长度大于库体最高长度(只有这样最底下的点才可能被钻到)；
40.主控箱47通过适配数据传导线23与通用机22连接，主控箱47通过电线ⅲ46与电源多功能控制箱45连接，电源多功能控制箱45通过电线ⅱ44与电源43连接，主控箱47通过导线
ⅶ
42与接收机
ⅵ
41连接，接收机
ⅵ
41通过数据线13与接收线圈
ⅵ
38 连接，接收机
ⅵ
41通过导线
ⅵ
37与接收机
ⅴ
36连接，接收机
ⅴ
36通过数据线13与接收线圈
ⅴ
35连接，接收机
ⅴ
36通过导线
ⅴ
32与接收机ⅳ29连接，接收机ⅳ29通过数据线13与接收线圈ⅳ30连接，接收机ⅳ29通过导线ⅰ7与接收机ⅰ9连接，接收机ⅰ9 通过数据线13与接收线圈ⅰ8连接，接收机ⅰ9通过导线ⅱ10与接收机ⅱ14连接，接收机ⅱ14通过数据线13与接收线圈ⅱ12连接，接收机ⅱ14通过导线ⅲ15与接收机ⅲ18 连接，接收机ⅲ18通过数据线13与接收线圈ⅲ17连接，接收机ⅲ18通过导线ⅳ19与主控箱47连接，主控箱47通过电线ⅰ21与配谐电容箱20连接；
41.坝体61左侧与挡板ⅲ16连接，右侧与挡板
ⅵ
39连接，孔隙水压力计40布置在坝体61内，接收线圈
ⅵ
38布置在挡板
ⅵ
39内部，挡板
ⅵ
39通过扭转链件33与挡板
ⅴ
34 连接，接收线圈
ⅴ
35布置在挡板
ⅴ
34内部，挡板
ⅴ
34通过扭转链件33与挡板ⅳ31连接，接收线圈ⅳ30布置在挡板ⅳ31内部，挡板ⅳ31通过扭转链件33与右侧的移动杆 28一侧连接，右侧的移动杆28另一侧与补水器27右侧连接，左侧移动杆28一侧与补水器27左侧连接，另一侧与挡板ⅰ6连接，接收线圈ⅰ8布置在挡板ⅰ6内部，挡板ⅰ6 通过扭转链件33与挡板ⅱ11连接，接收线圈ⅱ12布置在挡板ⅱ11内部，挡板ⅱ11通过扭转链件33与挡板ⅲ16连接，接收线圈ⅲ17布置在挡板ⅲ16内部；
42.各挡板、移动杆28、补水箱27、扭转链件33、坝体61围成库体，伸缩器58伸展长度比库体最大长度长(可以保证整个库体的点都能被钻到)。
43.多功能控制箱2里面有个类似水龙头的装置，是通过电流控制水龙头旋转圈数(圈
数越多流量越小)，多功能控制箱2可以控制管道1的流量，其他管道流量相等，其他管道流量总和便是管道1的流量。
44.进一步地，所述的钻孔仪59包括钻头591、钻轴593、定子铁芯592、风扇594、接线盒595，钻轴593右端连接定子铁芯592，左端连接钻头591，风扇594连接在定子铁芯592右方，风扇594主要起散热作用，定子铁芯592和风扇594的壳体外部设有分别与二者连接的接线盒595，接线盒595同时与钻孔控制器4连接。
45.进一步地，所述的扭转链件33包括设置在柔性壳体内的可拉伸密封层50、扭转支座48、滑珠49、连接杆51，可拉伸密封层50设置在扭转链件33上下两端，柔性壳体的两侧壁上上下交错安装有扭转支座48，扭转支座48内侧端与连接杆51一端连接，连接杆51另一端与滑珠49连接，上下相邻两滑珠49彼此咬合。
46.进一步地，所述的补水器27包括外壳及设置在外壳内的管道ⅱ54、若干排的布水孔，管道ⅱ54与管道ⅰ1连通，每一排布水孔包括水压控制器55、均匀器52，每一个水压控制器55的进水端都与管道ⅱ54连接，每一个水压控制器55的出水端通过密封口53与管道ⅲ60的一端连通，管道ⅲ60的另一端与均匀器52连通，均匀器52为补水器27面向尾砂一面的侧壁上的出水口。
47.进一步地，所述的补水箱里间隔放置两个补水器27，多功能控制箱2通过管道ⅰ1 分别与补水箱中两个补水器27连通，右侧的移动杆28的左侧与右侧的补水器27连接，左侧移动杆28右侧与左侧的补水器27连接，通过两个补水器可以提高出水速度，使库体进水均匀。
48.进一步地，所述的孔隙水压力计40自带数据存储功能。
49.进一步地，所述的伸缩器58伸展长度比库体最大长度略长，这样可以保证整个库体的点都能被钻到。
50.进一步地，所述的移动杆28为气压伸缩装置，工作时往其内部气缸输送气体，形成压力，当压力越大，杆伸出越长(类似千斤顶)，从而推动补水器27。
51.进一步地，所述的钻孔控制器4通过固定在伸缩器58外部的电线与控制钻孔仪59 连接，连接简单方便。
52.本实用新型的实验方法如下：
53.1、根据实验设计要求选取尾矿库初始条件，通过挡板ⅰ6、挡板ⅱ11、挡板ⅲ16、挡板ⅳ31、挡板
ⅴ
34、挡板
ⅵ
39、扭转链件33等进行尾矿库形状改变，按照实验条件称量尾砂并倒入装置中。
54.2、按需求设计渗流或管涌破坏点，然后通过纵轴控制器56伸缩功能改变伸缩器58上下位置，通过横轴控制器57伸缩功能改变伸缩器58左右位置，使钻孔仪59的钻头591对准设计点，打开钻孔控制器4使钻头591转动，通过调节伸缩器58长度使钻头591钻进预设深度形成渗流或管涌破坏点，关闭钻孔控制器4使钻头591停止转动，回收钻孔仪59，填补钻孔仪59工作时造成的纵向空洞，但由于钻头591钻出的横向空洞大小远远小于尾砂体积，填补尾砂时并不会使横向空洞完全堵上，这便形成了渗流、管涌前提条件。需要说明的是钻孔仪59大小是远小于尾砂体积大小，钻孔后的填补对于整体试验造成的误差是极小的。可通过两组钻进深度的不同进行对照试验，也可研究两组渗流或管涌破坏点之间的关系，其中钻孔仪59长度略大于库体最高长度。
55.3、启动监测系统，打开高速摄像机进行观察。接收线圈
ⅵ
38布置在挡板
ⅵ
39内部，接收线圈
ⅴ
35布置在挡板
ⅴ
34内部，接收线圈ⅳ30布置在挡板ⅳ31内部，接收线圈ⅲ17布置在挡板ⅲ16内部，接收线圈ⅱ12布置在挡板ⅱ11内部，接收线圈ⅰ8 布置在挡板ⅰ6内部，接收线圈皆为分离模式。打开电源43为电源多功能控制箱45 中的电容充电，根据线圈的电感通过配谐电容箱20，选择合适的配谐电容，再通过主控箱47发射具有拉莫尔频率的大功率激发电流，以此激发地下含水层(当水分子氢质子受激发磁场作用后，核磁矩相对于地磁场被扳倒一定角度θ，称这个角度为扳倒角，扳倒角的大小决定了氢质子的受激发程度，也表示着水分子数目)，采集地面磁共振信号，通过适配数据传导线23上传到通用机22中，进行数据预处理、反演计算和数据成图解释，达到对水流的观察。
56.4、首先打开出水阀24，然后启动水泵25进行抽水，启动多功能控制箱2储水功能，等到储水罐3装满，关闭出水阀24以及水泵25，移动杆28伸展时，可把补水器 27往中间推动，移动杆28缩回时，可把补水器27往两侧拉回，启动多功能控制箱2 流量控制功能选取特定流量条件，使得该水流通过管道ⅱ54流入水压控制器55、管道ⅲ60、均匀器52，其中水压控制器55对水压进行限制，以避免大压力水流对尾砂产生冲击破环，而均匀器52则使水流均匀分布在孔口上，水流经过这一系列步骤最终流入尾砂。
57.5、待尾矿库溃坝时，记录钻孔控制器4的钻孔预设深度以及孔径大小、记录多功能控制箱2中通过补水器27流入尾砂水流大小、导出孔隙水压力计40数据至计算机中。
58.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
59.以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。