一种尾矿坝漫顶破坏模拟的实验装置及实验方法

摘要

本发明涉及一种尾矿坝漫顶破坏模拟的实验装置及实验方法，属于矿山岩土工程领域。本发明包括模拟实验容器、模拟降雨装置、变坡装置；模拟实验容器上方安设有模拟降雨装置。本发明能模拟不同降雨强度及不同尾矿坝边坡角度下的尾矿坝漫顶破坏状况。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山岩土工程领域，具体是一种尾矿坝漫顶破坏模 拟的实验装置，主要用于室内模拟尾矿坝的漫顶破坏。

背景技术

随着人类社会对资源需求量的与日俱增，在对矿产资源进行开 发利用时将产生大量尾矿，建设尾矿坝进行尾矿排放则是最常用的 尾矿堆存方式，也是矿山企业重要的生产设施，当大量的尾矿堆存 于坝前时尾矿坝连同尾矿库内大量的尾矿浆会形成一个具有高势能 的人造泥石流危险源。事实一再表明，尾矿坝一旦失事，将给工农 业生产及下游人民生命财产造成巨大的灾害和损失，2008年造成277 人死亡的山西省襄汾溃坝事故更是对尾矿坝的安全状况敲响了警 钟。

降雨是引发尾矿坝溃坝的重要因素，当降雨强度过大时尾矿库 因为没有足够的调洪库容或排洪系统的堵塞或损坏将导致尾矿库内 洪水不能及时排出，洪水溢出坝顶后将对下游坝坡造成冲刷，水力 冲刷不断破坏坝体结构最终引起溃坝；但由于缺乏准确、完整的溃 坝现场实测数据，而现场实验又因工程量浩大实验周期过长而难以 实施，因此目前对尾矿坝漫顶溃坝的发展机理研究并不清楚，无法 准确了解坝体侵蚀的发展过程。为此，本发明设计了一种尾矿坝漫 顶破坏模拟的实验装置以模拟洪水漫顶对尾矿坝的侵蚀过程及坝体 的破坏机理。模拟实验的基本原理是根据物理现象的规律，用模型 实验来模拟原型结构的实际工作情况，再根据模型试验的结果来反 推原型结构的某些特性，通过模型实验测得的数值可按一定比例换 算为实际问题所需的相应值，其作为科学技术研究的重要手段已广 泛应用与各个领域。

鉴于尾矿坝破坏危害的严重性，确保尾矿坝的安全不仅关系到 矿山企业的生产需求，更关系到下游人民群众的生命财产安全以及 环境破坏问题，因此了解降雨及坡角等因素对坝体漫顶破坏过程研 究具有重要的现实意义。漫顶破坏模拟实验可以开展降雨和坡角对 尾矿坝漫顶溃坝影响的研究，为尾矿坝溃坝机理的研究和溃坝模型 的建立提供实验依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种尾矿坝漫顶破坏模拟的实验装置，该 装置可以根据尾矿坝的组成与结构特点构建不同的尾矿坝模型，开 展在不同降雨强度及不同坡角条件下的尾矿坝体漫顶破坏的物理模 拟实验，以研究尾矿坝体的漫顶破坏模式和破坏机理。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种尾矿坝漫 顶破坏模拟的实验装置，其特征在于：包括模拟实验容器、模拟降 雨装置和变坡装置。

所述实验容器是一个上端敞口的容器。

所述模拟降雨装置位于所述实验容器上方。实验时，所述模拟 降雨装置向下方的实验容器中喷水。

所述变坡装置包括一块变坡板。所述变坡板是一块位于所述实 验容器中的矩形平板。所述变坡板的一个边铰接在实验容器的底部。

实验开始前，向所述实验容器填入作为被测试样的矿样。所述 变坡板位于被测试样的一侧。所述变坡板压向被测试样，使得所述 被测试样被压成一定角度。

进一步，所述实验容器由透明的前挡板、后挡板、左挡板、右 挡板和底板组成。

进一步，所述模拟降雨装置包括：水管、止水阀、加压泵、流 量调节阀、流量表、降雨喷头、小孔、支撑架和支撑架底座。

所述支撑架底座位于实验容器的一侧。所述支撑架下端连接在 支撑架底座上、上端支撑降雨喷头。

所述降雨喷头与水管连接。所述水管上安装有加压泵止水阀、 流量调节阀和流量表。

实验时，所述降雨喷头上的小孔向下喷水。

进一步，所述变坡板通过合页铰链铰接在底板的上表面。所述 变坡板垂直于前挡板和后挡板。所述后挡板的内侧板面上具有圆弧 槽。所述圆弧槽的圆心在所述变坡板的转轴的延长线上。

所述变坡板面向圆弧槽的一侧安装有螺杆。所述螺杆平行于变 坡板的转轴。所述螺杆的一端连接在变坡板上、另一端插入圆弧槽 中。

进一步，所述螺杆上旋入了螺帽。所述后挡板的内侧上具有角 度指示线。所述角度指示线位于圆弧槽的周围。所述角度指示线的 中心是圆弧槽的圆心。

进一步，所述前挡板、后挡板、左挡板和右挡板均为透明材料， 变坡板为钢板。

进一步，所述实验容器内部安装有水位观测管。

实验时，所述水位观测管下端插入被测试样中。

进一步，所述水位观测管为聚氯乙烯材料。所述水位观测管的 管壁上具有若干通孔。所述水位观测管的外壁外用土工布包裹。

进一步，所述底板下端具有支架。所述底板上开有泄水孔。

本实验装置的目的是开展不同降雨条件以及不同坡角条件下的 坝体漫顶破坏的室内物理模拟实验，对坝体破坏模式和破坏机理进 行研究。本发明还公开采用上述装置的实验步骤：

1)将变坡板调整到所需角度，并使得变坡板的位置固定。

2)将尾矿样装入到实验容器中，所述尾矿样位于变坡板的一侧。 将尾矿样压实后，形成模拟的尾矿坝体。

3)解除对变坡板的固定，使得变坡板转动到背向尾矿坝体的一 侧。

4)模拟降雨装置向实验容器中的尾矿坝体喷水，以模拟降雨。

5)模拟降雨装置施加降雨对尾矿坝体进行冲刷，直至发生溃坝。 记录溃坝的数据。

本发明具有以下有益效果：

1、能模拟降雨条件下尾矿坝漫顶破坏过程；

2、能模拟不同坡角的尾矿坝边坡；

3、可以改变降雨的强度；

4、可以测量坝体内水位线高度；

5、可以将泻下的水砂混合物排出模拟容器外。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的模拟实验容器示意图；

图3为本发明的模拟降雨装置示意图；

图4为本发明的变坡装置示意图。

图中：模拟实验容器A、模拟降雨装置B、变坡装置C、前挡板 1、后挡板2、左挡板3、右挡板4、底板5、支架6、泄水孔7、水 位观测管8、坝体9、水管10、止水阀11、加压泵12、流量调节阀 13、流量表14、降雨喷头15、小孔16、支撑架17、支撑架底座18、 变坡板19、合页铰链20、变坡槽21、螺杆22、螺帽23、角度指示 线24。

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，但不应该 理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上 述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出 各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种尾矿坝漫顶破坏模拟的实验装置，包括模拟实验容器A、模 拟降雨装置B和变坡装置C。

所述实验容器A是一个上端敞口的容器。实施例中，所述实验 容器A由透明的前挡板1、后挡板2、左挡板3、右挡板4和底板5 组成。所述前挡板1、后挡板2、左挡板3和右挡板4均为透明材料， 变坡板19为钢板。所述底板5下端具有支架6。所述底板5上开有 泄水孔7。

所述模拟降雨装置B位于所述实验容器A上方。实验时，所述 模拟降雨装置B向下方的实验容器A中喷水。参见附图3所述模拟 降雨装置B包括：水管10、止水阀11、加压泵12、流量调节阀13、 流量表14、降雨喷头15、小孔16、支撑架17和支撑架底座18，以 达到控制和记录模拟降雨装置B喷水量的目的。所述支撑架底座18 位于实验容器A的一侧。所述支撑架17下端连接在支撑架底座18 上、上端支撑降雨喷头15。所述降雨喷头15与水管10连接。所述 水管10上安装有加压泵12止水阀11、流量调节阀13和流量表14。 实验时，所述降雨喷头15上的小孔16向下喷水。

所述变坡装置C包括一块变坡板19。所述变坡板19是一块位于 所述实验容器A中的矩形平板。所述变坡板19的一个边铰接在实验 容器A的底部。

实验开始前，向所述实验容器A填入作为被测试样的矿样。所 述变坡板19位于被测试样的一侧。所述变坡板19压向被测试样， 使得所述被测试样被压成一定角度。

作为优选，需要控制变坡板19的倾斜角度，以到达模拟出不同 坡度的尾矿坝的目的。

实施例中，为了实现上述目的，所述变坡板19通过合页铰链20 铰接在底板5的上表面。所述变坡板19垂直于前挡板1和后挡板2。 所述后挡板2的内侧板面(面向实验容器A中心的一侧为内侧)上 具有圆弧槽21。所述圆弧槽21的圆心在所述变坡板19的转轴的延 长线上。

所述变坡板19面向圆弧槽21的一侧安装有螺杆22。所述螺杆 22平行于变坡板19的转轴。所述螺杆22的一端连接在变坡板19 上、另一端插入圆弧槽21中。

更进一步地，本实施例还公开一种将变坡板19锁紧的方式，即 所述螺杆22上旋入了螺帽23。转动所述螺帽23，使得螺帽23压紧 后挡板2的内侧，这样就使得变坡板19不会在外力作用下轻易转动。 所述后挡板2的内侧上具有角度指示线24。所述角度指示线24位于 圆弧槽21的周围。所述角度指示线24的中心是圆弧槽21的圆心。

优选地，所述实验容器A内部安装有水位观测管8。实验时，所 述水位观测管8下端插入被测试样中。以观察被测试样中水位的高 度。所述水位观测管8为聚氯乙烯材料。所述水位观测管8的管壁 上具有若干通孔，使得被测试样中的水能够顺利地渗入。所述通孔 的形成是采用梅花形钻孔的方式。所述水位观测管8的外壁外用土 工布包裹，以防止被测试样中的颗粒堵塞通孔。

实施例2：

本实施例采用了实施例1所述装置，进行尾矿坝漫顶破坏模拟 的实验，主要包括以下步骤：

1)将取得的尾矿样放入烘干箱烘干，烘干箱温度控制在105° -110°，烘干时间为8-10小时。

2)将变坡板19倾斜呈30°，转动螺帽23，使得螺帽23压紧 后挡板2的内侧，变坡板19的角度将固定为30°。

3)通过干密度控制尾矿坝体压实指标，尾矿样干密度计算时体 积通过其对应的容器体积进行计算，尾矿样质量通过实际称重获得， 将尾矿样压实干密度控制在1.7g/cm³左右，所述尾矿样位于变坡板 19的一侧。

4)将尾矿样分3次压实装入到实验容器A中，且装样时分层之 间进行凿毛操作，尾矿样压实后，将形成模拟的尾矿坝体。

5)解除对变坡板19的固定，将变坡板19转动到背向尾矿坝体 的一侧后水平放置，使其不与尾矿坝体接触。

6)打开模拟降雨装置B的止水阀11，通过流量调节阀13和流 量调节表14控制降雨强度,向实验容器A中的尾矿坝体喷水，使水 位溢出坝顶；

7)保持降雨强度，使溢出水流对坝体进行冲刷，直至完全溃坝。

8)记录下坝体的溃坝时间，溃坝位置，溃坝过程，溃坝后的形 态以及降雨强度和坝坡角等参数。

清除实验容器A中的物体，重复上述步骤。其中，改变尾矿坝 体坡角(步骤2中变坡板19倾斜的角度)、改变降雨强度(步骤6 中的水流量)。记录下多种模拟的自然条件下，坝体的溃坝时间，溃 坝位置，溃坝过程，溃坝后的形态以及降雨强度和坝坡角等参数。