尾矿库堆坝模型试验及动力学模拟试验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟试验装置，特别是涉及一种尾矿库堆坝模型试验及动 力学模拟试验装置。

背景技术

尾矿库是一种特殊的工业建筑，它的运营好坏，不仅影响到矿山企业的经 济效益，而且与库区下游居民的生命财产及周边环境息息相关，因此新建尾矿 库投入运营之前的稳定性研究至关重要。

目前岩土工程研究的方法主要有四种，分别为：理论分析、数值模拟、现 场测试及室内试验。采用理论方法分析岩土问题时，均需将初始条件和边界条 件给予简化或假定，而数值计算在计算分析中对土的本构关系等同样存在假 设。尾矿库作为大型矿山建筑不可能通过现场试验测的，而且现场费用很高， 再加之破坏性试验及超前预见性的研究也无法通过现场试验实现。

因此本领域技术人员致力于开发一种新型放矿装置，即满足对高浓缩粗粒 尾矿放矿要求，又可以测试尾矿坝内部应力和不同工况下浸润线变化规律，且 可模拟不同降雨状况及模拟在地震作用下尾矿坝的稳定性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供新型放矿 装置，即满足对高浓缩粗粒尾矿放矿要求，又可以测试尾矿坝内部应力和不同 工况下浸润线变化规律，且可模拟不同降雨状况及模拟在地震作用下尾矿坝的 稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种尾矿库堆坝模型试验及动力学模拟试 验装置，包括至少一组电磁机和开口向上的模型钢槽；

所述电磁机包括第一电磁机和第二电磁机，所述第一电磁机的一端通过弹 簧与所述第二电磁机的一端连接；所述第二电磁机的另一端与所述模型钢槽一 端固定；所述模型钢槽底部设置有滑轮；

所述模型钢槽的顶部设置有两条相互平行的轨道，所述轨道的上设置有放 矿系统和激光坡度测试系统；

所述放矿系统包括第一横梁和第二横梁，所述第一横梁和第二横梁的两端 均通过第一轨道轮可滑动的设置在所述轨道上；所述在第一横梁和第二横梁的 上方设置有工作台，所述工作台的两端分别与所述第一横梁和第二横梁滑动连 接；

所述工作台的下方设置有操作平台，所述操作平台位于所述模型钢槽中， 所述操作平台通过绞线与所述工作台活动连接；所述操作平台上设置有放矿支 管，所述放矿支管上开有放矿口，所述放矿支管的上方设置有可伸缩的放矿管， 所述放矿管上设置有流量计，所述放矿管的一端与所述放矿支管连接，所述放 矿管的另一端连接有搅拌容器；

所述搅拌容器的顶部设置有电动机和进料口；所述搅拌容器的底部设置有 浓度计；所述搅拌容器内设置有搅拌机，所述搅拌机通过所述电动机带动；

所述激光坡度测试系统包括第三横梁，所述沿第三横梁的长度方向设置有 凹槽；

所述第三横梁的两端分别通过第二轨道轮可滑动的设置在所述轨道上；所 述第三横梁上设置有激光控制开关，所述第二轨道轮上设置有与所述激光控制 开关相对应的激光控制开关触发点；

所述第三横梁上沿长度方向设置有通过链条连接的第一链轮、第二链轮和 第三链轮，所述第二链轮位于所述第一链轮和第三链轮之间，所述第二链轮上 设置有激光仪。

采用以上技术方案后，第一电磁机的一端与墙壁固定，第一电磁机和第二电 磁机通过感应原理来控制模型钢槽水平方向运动，从而使整个模型钢槽处在一 个水平震动过程，并且通过调节第一电磁机和第二电磁机的电流大小、频率控 制电磁的大小和振动频率，来模拟在不同强度的地震下对尾矿库稳定性的影响。

在测试放矿系统时，尾矿通过进料口进入搅拌容器中，随后搅拌容器中的 搅拌机通过电机带动，搅拌机的转动能够防止矿砂在搅拌容器底部沉积，影响 放矿浓度，造成试验误差。搅拌容器底部设置的浓度计可以用于测试矿浆的浓 度，而放矿管上的流量计可监测矿浆的流量。

同时该放矿系统上的第一横梁和第二横梁可沿模型钢槽前后移动，工作台可 在第一横梁和第二横梁上左右移动，工作台通过绞线控制操作平台的上下移动， 从而放矿系统可前后左右上下方位移动的三维方位模拟放矿，实现坝前多点排 放及尾矿库不同位置放矿。

第三横梁的通过第二轨道轮可滑动的设置在所述轨道上；实现对激光坡度 测试系统前后移动和采样间距(以轮周长计)，且可通过改变第二轨道轮的直 径调节采样间距，通过激光控制开关和设置在第二轨道轮上的激光控制开关触 发点实现等距采样，数据精确可靠，避免人为测量带来的误差。

随后通过设置在第三横梁上的第一链轮、第二链轮和第三链轮控制链条和齿 轮调节激光仪左右移动，确定采样点。第三横梁上设置凹槽，保证小轮凸起部 分与凹槽咬合，以保证激光仪向正下方发射激光，保证测量准确性。通过激光 坡度测试系统对尾矿库滩面进行纵深方向的等距测量数据，数据处理后得出坡 度变化规律，指导尾矿库调洪验算设计。操作简单方便，数据精确可靠。

所述模型钢槽的正上方设置有喷头支架，所述喷头支架大小与所述模型钢 槽的开口大小相应，所述喷头支架上设置有若干个喷头。

采用以上技术方案后，喷头支架通过喷头将雨水喷出，可在不同坝高下模拟 降雨大小及雨量，以模拟不同降雨工况下对尾矿库浸润线变化规律、坝体内力 变化及位移变化的影响，为坝体稳定性分析提供依据。

所述模型钢槽内设置有用于测试土压力的第一压力传感器和用于测试孔隙 水压的第二压力传感器，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器与无线传 输主机连接。

采用以上技术方案后，可据试验方案在库区不同部位布置传感器。按照预 设方案，在放矿后通过预设在内部的用于测试孔隙水压的第二压力传感器，测 试坝体不同高度不同工况等情况下坝体内部应力变化规律，研究坝体内力变化 情况。在无线传输主机中设置无线远程监测第一压力传感器，可实现全天候不 间断对坝体内力进行监测。配合喷头，实现对长期降雨天气进行内力测试，研 究内力变化系统。

所述模型钢槽内设置有PVC塑料滤水管，所述PVC塑料滤水管的一端连接有 带小孔的滤水管，所述PVC塑料滤水管的另一端连接有透明玻璃管；所述PVC塑 料滤水管与所述带小孔的滤水管和透明玻璃管相垂直。

沿尾矿库主沟方向布置多根滤水管，PVC塑料滤水管设置在模型钢槽内部 ，设置在模型槽外部的透明有机玻璃管，便于清晰测量地下水位。

本发明的有益效果是：本发明即满足对高浓缩粗粒尾矿放矿要求，又可以 测试尾矿坝内部应力和不同工况下浸润线变化规律，且可模拟不同降雨状况及 模拟在地震作用下尾矿坝的稳定性。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明俯视图；

图3是放矿系统结构示意图；

图4是激光坡度测试系统结构示意图；

图5是激光坡度测试系统俯视图；

图6是应力测试系统示意图；

图7是地下水位测试系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种尾矿库堆坝模型试验及动力学模拟试验装置，包括至少 一组电磁机1和开口向上的模型钢槽2。本发明中设置两组电磁机为最佳。

如图1所示，所述模型钢槽2的正上方设置有喷头支架51，所述喷头支架 51大小与所述模型钢槽2的开口大小相应，所述喷头支架51上设置有若干个喷 头52。

如图1、图6所示，所述模型钢槽2内设置有用于测试土压力的第一压力 传感器55和用于测试孔隙水压的第二压力传感器56，所述第一压力传感器55 和所述第二压力传感器56与无线传输主机57连接。

如图1、图7所示，所述模型钢槽2内设置有PVC塑料滤水管60，所述PVC 塑料滤水管60的一端连接有带小孔的滤水管61，所述PVC塑料滤水管60的另 一端连接有透明玻璃管62；所述PVC塑料滤水管60与所述带小孔的滤水管61 和透明玻璃管62相垂直。

如图1所示，所述电磁机1包括第一电磁机100和第二电磁机101，所述 第一电磁机100的一端通过弹簧3与所述第二电磁机101的一端连接；所述第 二电磁机101的另一端与所述模型钢槽2一端固定；所述模型钢槽2底部设置 有滑轮31。

如图2所示，所述模型钢槽2的顶部设置有两条相互平行的轨道4，所述轨 道4的上设置有放矿系统5和激光坡度测试系统6。

如图1-图2所示，所述放矿系统5包括第一横梁7和第二横梁8，所述第 一横梁7和第二横梁8的两端均通过第一轨道轮9可滑动的设置在所述轨道4 上；所述在第一横梁7和第二横梁8的上方设置有工作台36，所述工作台36的 两端分别与所述第一横梁7和第二横梁8滑动连接。

如图1-图3所示，所述工作台36的下方设置有操作平台10，所述操作平 台10位于所述模型钢槽2中，所述操作平台10通过绞线15与所述工作台36 活动连接；所述操作平台10上设置有放矿支管12，所述放矿支管12上开有放 矿口11，所述放矿支管12的上方设置有可伸缩的放矿管13，所述放矿管13上 设置有流量计16，所述放矿管13的一端与所述放矿支管12连接，所述放矿管 13的另一端连接有搅拌容器14。

如图3所示，所述搅拌容器14的顶部设置有电动机17和进料口18；所述 搅拌容器14的底部设置有浓度计19；所述搅拌容器14内设置有搅拌机20，所 述搅拌机20通过所述电动机17带动。

如图2、图4、图5所示，所述激光坡度测试系统6包括第三横梁22，所 述沿第三横梁22的长度方向设置有凹槽25。

如图2、图4所示，所述第三横梁22的两端分别通过第二轨道轮23可滑 动的设置在所述轨道4上；所述第三横梁22上设置有激光控制开关24，所述第 二轨道轮23上设置有与所述激光控制开关24相对应的激光控制开关触发点35。

如图4、图5所示，所述第三横梁22上沿长度方向设置有通过链条29连 接的第一链轮26、第二链轮27和第三链轮28，所述第二链轮27位于所述第一 链轮26和第三链轮28之间，所述第二链轮27上设置有激光仪30。

本发明中的模型钢槽试验装置设置在地下，方便试验人员配置尾矿浆。

相似模型的实验原理如下：

(1)相似材料模拟实验基本原理

相似材料模拟是可许实验的一种，这是人们探讨和认识低压规律的途径之 一，用与现场地质性质相似的人工材料，按矿山实际原型，遵循一定比例缩小 做成模型，然后按照现场尾矿堆筑方式，演绎尾矿库堆筑过程，研究模型的变 形、位移变化，研究尾矿坝地下水位线变化等情况，据以分析，推测原型中发 生的情况，这种方法称为相似材料模拟方法。

要使模型中发射功能的情况能如实反映原型中发生的情况，就必须根据问 题的性质，找出主要矛盾，并根据主要矛盾，确定原型与模型之间的相似关系 和相似准则，所以相似准则要求具备以下几个条件：

①几何相似

式中a_l—原型与模型长度比；

l_n—原型广义长度；

l_m—模型广义长度；

一般a_l＝20～100。

②运动相似

$a_t=t_n/t_m=\sqrt{a_l}$

式中a_t—时间比；

t_n—原型运动所需时间；

t_m—模型运动所需时间；

③动力相似

$a_{\delta }=\frac{r_n}{r_m}{a}_l$

a_δ—应力比；

r_n—原型密度比；

r_m—模型视密度；一般r_m取在1.5～1.8g/cm³，过大容易造成制作模型时 夯实困难。过小则使模型材料松散不易成型。

根据相似准则计算模型上相应的参数，相似模型同时满足原由物理力学指 标相似是很困难的，也是没有必要的，根据要解决的问题，应选取影响模型与 原型的主要指标作为相似参数。

(2)相似材料的选择

相似材料包括地基物质和充填物，地基即用于模拟预选尾矿库库址区域山 地模型，充填物即为选矿厂所排放尾矿。尾矿库堆坝模型中地基材料一般选用 透水性差的粘性土，地基模型制作时，对粘性土进行夯实，使之与现场实际类 似。模型试验用尾矿则直接取自选矿厂所排放尾矿，与现场排放尾矿性质相同。

(3)堆坝模型制作

尾矿库库区地形制作需按照实际尾矿库现场地形等高线图，对其进行一定 比尺缩小后在模型槽中进行制作，制作过程中必须对坝基进行夯实。在坝基制 作之前需设置地下水位测试系统，地下水位测试系统依据“U”型管原理制作， 库区内部设置滤水管，用塑料管塑料管与模型槽外部的透明有机玻璃管相连， 以保证可以通过外部透明管观测地下水位。

本发明的工作原理如下：

采用以上技术方案后，在测试前需进行山地模型制作，在模型钢槽2内，根 据实际尾矿库选址，通过实际等高线图按一定比尺缩小后，选用粘土材料堆筑 尾矿坝坝基，堆筑过程中需不断夯实，保证坝基为透水性较差状况。

在进行地震模拟测试时，第一电磁机100的一端与墙壁固定，第一电磁机 100和第二电磁机101通过感应原理来控制模型钢槽2水平方向运动，从而使整 个模型钢槽2处在一个水平震动过程，并且通过调节第一电磁机100和第二电磁 机101的电流大小和频率控制电磁的大小和振动频率，来模拟在不同强度的地 震下对尾矿库稳定性的影响。

在测试放矿系统5时，尾矿通过进料口18进入搅拌容器14中，随后搅拌 容器14中的搅拌机20通过电机17带动，搅拌机20的转动能够防止矿砂在搅 拌容器14底部沉积，影响放矿浓度，造成试验误差。搅拌容器14底部设置的 浓度计19可以用于测试矿浆的浓度，而放矿管13上的流量计16可监测矿浆的 流量。

同时该放矿系统5上的第一横梁7和第二横梁8可沿模型钢槽2前后移动， 工作台36可在第一横梁7和第二横梁8上左右移动，工作台36通过绞线15控 制操作平台10的上下移动，从而放矿系统5可前后左右上下方位移动的三维方 位模拟放矿，实现坝前多点排放及尾矿库不同位置放矿。

在进行坡度测量时，中间开缝的第三横梁22的通过第二轨道轮23可滑动的 设置在所述轨道4上；实现对激光坡度测试系统6前后移动和采样间距(以轮 周长计)，且可通过改变第二轨道轮23的直径调节采样间距，通过激光控制开 关24和设置在第二轨道轮23上的激光控制开关触发点35实现等距采样，数据 精确可靠，避免人为测量带来的误差。

随后通过设置在第三横梁22上的第一链轮26、第二链轮27和第三链轮28 控制链条29和齿轮调节激光仪30左右移动，确定采样点。第三横梁22上设置 凹槽25，保证小轮凸起部分与凹槽25咬合，以保证激光仪30向正下方发射激 光，保证测量准确性。通过激光坡度测试系统6对尾矿库滩面进行纵深方向的 等距测量数据，数据处理后得出坡度变化规律，指导尾矿库调洪验算设计。操 作简单方便，数据精确可靠。

在进行降雨模拟系统测试时，喷头支架51通过喷头52将雨水喷出，可在 不同坝高下模拟降雨大小及雨量，以模拟不同降雨工况下对尾矿库浸润线变化 规律、坝体内力变化及位移变化的影响，为坝体稳定性分析提供依据。

本发明还可据试验方案在库区不同部位布置传感器。按照预设方案，在放 矿后通过预设在内部的用于测试孔隙水压的第二压力传感器56，测试坝体不同 高度不同工况等情况下坝体内部应力变化规律，研究坝体内力变化情况。在无 线传输主机中设置无线远程监测第一压力传感器55，可实现全天候不间断对坝 体内力进行监测。配合喷头，实现对长期降雨天气进行内力测试，研究内力变 化系统。

本发明还可沿尾矿库主沟方向布置多根滤水管61，PVC塑料滤水管60设置 在模型钢槽内部，设置在模型槽外部的透明玻璃管62，该透明玻璃管62为有机 透明玻璃管，便于清晰测量地下水位。

本发明主要用于演绎尾矿库不同筑坝方式堆坝过程，研究尾矿库堆筑过程 中洪水正常工况下和不同降雨量工况下的尾矿库的应力变化规律和浸润线变化 规律，以及在地震工况下尾矿库的稳定性。以上述测试结果为依据对尾矿坝稳 定性进行分析，以此指导新建尾矿库设计施工，而且可为已投入使用尾矿库安 全评价提高指导。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术 人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡 本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推 理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范 围内。