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    • 专利摘要:
    本实用新型提供一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，包括如下步骤：将容纳箱贯穿且密封设置在遮光暗箱的侧壁上，CCD相机和恒定光源分别设置在容纳箱的两侧，并分别正对容纳箱的两侧壁，且分别位于遮光暗箱的内侧和外侧，容纳箱分别对应CCD相机和恒定光源的侧壁上均设有透光部；开启恒定光源和CCD相机；向容纳箱内通入溶浸剂；CCD相机获取透射光信息，并保持开启状态直至模拟渗流运动结束；数据处理机构处理实验数据建立流体饱和度模型，得出光强值随时间变化的图像、光强值与流体饱和度之间的关系式，进而得到流体饱和度随时间的变化规律，根据渗透率和孔隙度分别与流体饱和度的关系式，最后得出矿层孔隙性与渗透性时空演化规律。
    公开号:CN214334621U
    申请号:CN202120447561.1U
    申请日:2021-03-02
    公开日:2021-10-01
    发明作者:陈鑫睿；刘金辉；章艳红
    申请人:East China Institute of Technology；
    IPC主号:G01N15-08
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及金属矿浸溶开采技术领域，尤其涉及一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置。
    [n0002] 地浸采铀是一种在天然埋藏条件下，浸出液经钻孔直接进入地下含矿岩石层中，通过溶浸剂与矿物的化学反应选择性地溶解矿石中的铀，并随后在反应带中提取形成的含铀化合物溶液,而不使矿石或围岩产生位移的集采、选、冶于一体的新型铀矿开采方法。在低渗透砂岩型铀矿岩开采过程中，研究铀矿储层孔隙与渗透性变化，对解决含矿层堵塞问题、布置适宜地浸工艺参数、提高开采自然产能及浸出率有关键性作用。目前，实验室内最常见对岩心样品平均渗透率及其在地浸过程中变化的研究为柱浸试验，又称渗滤浸出试验，它是在有机玻璃或塑料渗滤柱中，使用酸性溶浸液将矿石中的有用组分选择性地溶解到溶液中，研究矿样渗透性、确定浸出剂的最佳浓度、浸出剂和氧化剂的消耗量、有用元素的浸出率、浸出液固比等参数。
    [n0003] 如图6所示，是实验室柱浸试验常用的装置。包括依次连接的高位槽20、PVC柱24和集液瓶27，高位槽20和集液瓶27分别与PVC柱24之间通过输液管21连接，且设有阀门22，PVC柱24的顶端和底端分别为石英砂部23，中间为矿石部25，石英砂部和矿石部之间设有过滤层26，实验将制备好的矿样干法分装用木棍压紧在准备好的用PVC材料制成的高柱筒体内，矿样装好后固定在铁架上后连接好柱浸实验装置，从样柱底部进液，上部出液。根据公式得出渗透系数K:K＝846Q/J*F，式中：Q表示排水量(cm3/c)；J表示水头梯度；J表示样品的横截面面积(cm2)。实验过程中测出以上公式中所需参数计算渗透系数，通过绘制时间与渗透系数关系图象研究含矿层孔隙性与渗透性变化规律。
    [n0004] 上述现有方案中，存在以下问题：第一、柱浸实验中所获得的饱和度即渗透性数据为整个砂柱体积的综合饱和度，而不是整个砂柱上的饱和度空间分布，无法详细研究含矿层孔隙性与渗透性在空间上的连续变化规律。第二、柱浸实验中由于取样时间间隔等情况限制，无法直接监测研究时间尺度上含矿层孔隙性与渗透性连续变化规律。第三、柱浸实验中，人为操作测量参数及计算渗透系数等会存在误差。
    [n0005] 本实用新型的目的是提供一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，以解决上述存在的技术问题，能够得到矿层孔隙性与渗透性在空间上的连续变化规律，且能够监测在时间尺度上矿层孔隙性与渗透性连续变化规律，解决了在地浸采铀过程中如何监测矿层孔隙与渗透性的时空演化规律的难题。
    [n0006] 为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：提供一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，包括遮光暗箱、贯穿且密封固定在所述遮光暗箱侧壁上的容纳箱，所述容纳箱的外部侧壁和内部侧壁分别设有透光部，所述容纳箱内装载有矿样且所述容纳箱上开设有溶浸剂入口，所述遮光暗箱的外侧设有对外部侧壁的所述透光部覆盖照射的恒定光源，其内侧设有采集透光信息的CCD相机。
    [n0007] 优选的，所述遮光暗箱设有所述容纳箱的一侧密封连接有遮光罩，所述容纳箱和所述恒定光源均位于所述遮光罩内。
    [n0008] 优选的，所述容纳箱内分别位于矿样的上、下两侧均覆盖有石英砂层作为隔水边界。
    [n0009] 优选的，所述容纳箱分别正对所述CCD相机和所述恒定光源的侧壁均由透明玻璃制成，各所述透明玻璃压覆在所述矿样上，且分别作为定水头边界。
    [n0010] 优选的，所述容纳箱上沿光束照射方向的两侧分别设有溶浸剂入口和溶浸剂出口。
    [n0011] 优选的，所述溶浸剂入口和所述容纳箱之间设有与所述定水头边界相适配的定水头机构。
    [n0012] 优选的，所述恒定光源包括若干组等光强的灯带，各所述灯带等间隔且平行排布，并均与所述容纳箱的垂直距离相等。
    [n0013] 本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
    [n0014] 第一、CCD相机保持开启状态直至模拟渗流运动结束，并记录透过容纳箱后的光强信息，将光强信息传输给数据处理机构，也就是说，基于光透法原理及利用光强值建立流体饱和度模型，得出光强值与流体饱和度之间的直接关系，最后依据光强随时间的变化，得到矿层孔隙性与渗透性时空演化规律。
    [n0015] 第二、将矿样的上、下两侧均覆盖有石英砂层作为隔水边界，以消除实验过程中的溶浸剂在矿样中渗透时，其上、下两边界产生的界面效应，保证了溶浸剂传输过程中的稳定性，进而保证了整个渗流过程的均匀性。
    [n0016] 第三、溶浸剂由容纳箱的一侧沿与光束垂直的方向朝另一侧均匀漫延，在容纳箱内部模拟液体在均匀孔隙介质中的一维渗流运动，并能够保证CCD相机充分拍摄到溶浸剂逐渐浸润整个矿样的过程。
    [n0017] 第四、遮光暗箱的外侧设有对外部侧壁的透光部覆盖照射的恒定光源，其内侧设有采集透光信息的CCD相机，由于CCD相机的应用提高了监测时间的即时性和监测空间的高密度性，即监测时间最大分辩和空间分辨率能够充分减小，在研究过程中可以连续、直接、详细监测含矿层孔隙性与渗透性从时间、空间两个角度的变化规律。
    [n0018] 第五、遮光暗箱设有容纳箱的一侧密封连接有遮光罩，容纳箱和恒定光源均位于遮光罩内，防止其他光源穿过容纳箱进入遮光暗箱中影响CCD相机对透射光的采集工作，保证了实验的精确度。
    [n0019] 第六、容纳箱分别正对CCD相机和恒定光源的侧壁均由透明玻璃制成，各透明玻璃压覆在矿样上，且分别作为定水头边界，并结合相适配的定水头机构，使得溶浸剂平稳连续的传输，进而保证了对矿样的稳定渗透作用。
    [n0020] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
    [n0021] 图1为本实用新型整体结构示意图；
    [n0022] 图2为本实用新型容纳箱的正视图；
    [n0023] 图3为本实用新型容纳箱的俯视图；
    [n0024] 图4为本实用新型容纳箱的侧视图；
    [n0025] 图5为本实用新型溶浸剂的泵入系统示意图；
    [n0026] 图6为现有实验室柱浸试验常用的装置；
    [n0027] 其中，1-数据处理机构、2-CCD相机、3-遮光暗箱、4-容纳箱、5-遮光罩、6-恒定光源、7-石英砂层、8-矿样、9-透明玻璃、10-取样孔、11-铝质边框、12-螺栓、13-中心框、14-压边、15-进液槽、16-蠕动泵、17-集液槽、18-溶浸剂入口、19-溶浸剂出口、20-高位槽、22-阀门、23-石英砂部、24-PVC柱、25-矿石部、26-过滤层、27-集液瓶。
    [n0028] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
    [n0029] 本实用新型的目的是提供一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置及方法，以解决上述存在的技术问题，能够得到矿层孔隙性与渗透性在空间上的连续变化规律，且能够监测在时间尺度上矿层孔隙性与渗透性连续变化规律，解决了在地浸采铀过程中如何监测矿层孔隙与渗透性的时空演化规律的难题。
    [n0030] 为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
    [n0031] 请参考图1-5所示，本实施例中提供一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验方法，包括如下步骤：
    [n0032] S1、实验前准备：准备遮光暗箱3、装载有矿样8的容纳箱4、CCD相机2、数据处理机构1和恒定光源6，将容纳箱4贯穿且密封设置在遮光暗箱3的侧壁上，优选的采用螺栓12将容纳箱固定在遮光暗箱上，CCD相机2和恒定光源6分别设置在容纳箱4的两侧，并分别正对容纳箱4的两侧壁，且分别位于遮光暗箱3的内侧和外侧，容纳箱4分别对应CCD相机2和恒定光源6的侧壁上均设有透光部，将CCD相机2电连接在数据处理机构1上；优选的，将矿样8的上、下两侧均覆盖有石英砂层7作为隔水边界，模拟矿层渗透过程中的承压层，以消除实验过程中的溶浸剂在矿样8中渗透时，其上、下两边界产生的界面效应。
    [n0033] 作为本实用新型优选的实施方式，容纳箱4整体由两块钢化玻璃内夹一个中心铝框组成，钢化玻璃作为透光部，优选的中心框13底部及左右两侧内部凸起部位均需要黏滤网，防止渗流过程中矿样8或石英砂堵塞溶浸剂进出口，并利用两个铝质边框11在外部进行固定，铝质边框11的大小略大于玻璃尺寸。玻璃与中心框13之间密封连接，例如利用橡胶条和玻璃胶等。且在容纳箱4外侧设有压边14以保证对钢化玻璃和石英砂层7的稳定性，依次完成中心框13组装、中心框13滤网固定、钢化玻璃安装、外框与容纳箱4和脚安装、容纳箱4顶底部取样孔10安装、左右两侧溶浸剂出入口安装后，溶浸剂入口18连接蠕动泵16，使砂箱装满水并测试其各个部位无漏水情况即砂箱可正常使用。
    [n0034] S2、开启透射：开启恒定光源6，使其光束覆盖在容纳箱4的外部侧壁的透光部上，开启CCD相机2，并调节其拍摄范围覆盖容纳箱4的内部侧壁的透光部；光透法是一种高效的、非破坏性、非侵入性的室内监测方法，且它所需要的专业设备费用最低，对人体没有危害。优选的为确保检测系统运行过程中不受外界光源干扰，在整个实验监测过程中，用遮光窗帘将整个实验台包围。
    [n0035] S3、模拟渗流运动：向容纳箱4内通入溶浸剂，并逐渐浸润整个矿样8；优选的，溶浸剂由容纳箱4的一侧沿与光束垂直的方向朝另一侧均匀漫延。在容纳箱4内部模拟液体在均匀孔隙介质中的一维渗流运动，并能够保证CCD相机2充分拍摄到溶浸剂逐渐浸润整个矿样8的过程。
    [n0036] S4、数据采集：CCD相机2保持开启状态直至模拟渗流运动结束，并记录透过容纳箱4后的光强信息，将光强信息传输给数据处理机构1。
    [n0037] S5、数据处理：数据处理机构1处理实验数据建立流体饱和度模型，得出光强值随时间变化的图像、光强值与流体饱和度之间的关系式，进而得到流体饱和度随时间的变化规律，根据渗透率和孔隙度分别与流体饱和度的关系式，最后得出矿层孔隙性与渗透性时空演化规律。以解决地浸采铀过程中所出现的难题，优化地浸采铀工艺、提高浸出效率。优选的数据处理机构1设有软件Camware64，通过软件Camware64自动记录光强信息获得实验数据，后使用软件mat l ab处理实验数据建立适用于本实验条件的流体饱和度模型，
    [n0038] 如图1-5所示，还提供一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，包括遮光暗箱3、贯穿且密封固定在遮光暗箱3侧壁上的容纳箱4，优选的遮光暗箱3采用木板拼接而成，利用木板遮光效果好、结实耐用的特点，保证了遮光暗箱3内部的不透光性；优选的容纳箱4采用现有技术中常用的砂箱结构等，且在遮光暗箱3上开设有用于放置容纳箱4的开口，以将容纳箱4装载在开口上；容纳箱4的外部侧壁和内部侧壁分别设有透光部，例如采用透光性较好的玻璃等结构，容纳箱4内装载有矿样8且容纳箱4上开设有溶浸剂入口18，通过溶浸剂入口18将溶浸剂通入容纳箱4内，以在实验的过程中浸润矿样8，模拟渗流运动，遮光暗箱3的外侧设有对外部侧壁的透光部覆盖照射的恒定光源6，其内侧设有采集透光信息的CCD相机2，CCD相机2保持开启状态直至模拟渗流运动结束，并记录透过容纳箱4后的光强信息，将光强信息传输给数据处理机构1。
    [n0039] 基于光透法原理及利用光强值建立流体饱和度模型，得出光强值与流体饱和度之间的直接关系，最后依据光强随时间的变化，得到矿层孔隙性与渗透性时空演化规律。优选的，在遮光暗箱3的侧壁上开设有用于取放CCD相机2的活动门，活动门缝隙设有柔性密封结构，避免遮光暗箱3通过活动门缝隙漏光，而且在遮光暗箱3的与活动门同侧的侧壁上开设有贯穿孔，以放置CCD相机2与数据处理机构1之间连接的数据线。
    [n0040] CCD相机2的主要部件：探测器FML-M-2011，空间分辨率：2048×1152；峰值量子效率：72％；像元尺寸：65μm；系统噪声：2e-；时间分辨率：55fps；制冷温度：-45度；快门：电子；非线性度：<1％；光学接口：C；数据接口：USB3，由于CCD相机2的应用极大提高了监测时间的即时性和监测空间的高密度性，即监测时间最大分辩可达1s，空间分辨可达到1mm2以下。在研究过程中可以连续、直接、详细监测含矿层孔隙性与渗透性从时间、空间两个角度的变化规律。
    [n0041] 如图1所示，遮光暗箱3设有容纳箱4的一侧密封连接有遮光罩5，容纳箱4和恒定光源6均位于遮光罩5内，防止其他光源穿过容纳箱4进入遮光暗箱3中影响CCD相机2对透射光的采集工作，提高了实验的精确度，其中优选的遮光罩5采用木板搭接而成，或者采用遮光布料，以将容纳箱4和恒定光源6完全遮盖，与外界光源形成隔断作用，优选的，为简化安装和使用工作，采用黑色遮光布制作成兜状结构，并套接在遮光暗箱3设有容纳箱4的一侧，且将容纳箱4和恒定光源6完全包覆与外界光源形成隔断，优选的遮光罩5支撑在恒定光源6的光路外侧，以避免影响恒定光源6对透光部的照射作用。
    [n0042] 如图2-4所示，容纳箱4内腔的上、下边界为隔水边界，左、右边界为给定水头边界，容纳箱4内分别位于矿样8的上、下两侧均覆盖有石英砂层7作为隔水边界，模拟矿层渗透过程中的承压层，以消除实验过程中的溶浸剂在矿样8中渗透时，其上、下两边界产生的界面效应，使得溶浸剂在流动的过程中水头能够等势线分布，保证了溶浸剂传输过程中的稳定性，进而保证了整个渗流过程的均匀性。优选的，容纳箱4内腔总高为90mm，上下各装填的石英砂为80目且其厚度为20mm，矿样8装填厚为50mm。
    [n0043] 如图2-4所示，容纳箱4分别正对CCD相机2和恒定光源6的侧壁均由透明玻璃9制成，各透明玻璃9压覆在矿样8上，且分别作为定水头边界，两透明玻璃9作为容纳箱4的透光部，恒定光源6透过外侧的透明玻璃9照射在矿样8上，光线依次透过矿样8和内侧的透明玻璃9后，由CCD相机2收集。当光照射于矿样8表面时，在通过矿样8后，由于矿样8吸收了一部分光能，透射光的强度就要减弱，且此过程中介质的吸附作用遵守比尔定律，即当光源穿过矿样8时，光能被矿样8吸收后以指数形式减弱。对于有着相同含水量的均质孔隙介质可认为是均匀的介质，基于以上光透法原理及利用光强值建立流体饱和度模型，得出光强值与流体饱和度之间的直接关系，最后，依据光强随时间的变化监测含矿层孔隙性与渗透性时空演化规律。
    [n0044] 如图5所示，容纳箱4上沿光束照射方向的两侧分别设有溶浸剂入口18和溶浸剂出口19，溶浸剂由容纳箱4的一侧沿与光束垂直的方向朝另一侧均匀漫延，在容纳箱4内部模拟液体在均匀孔隙介质中的一维渗流运动，并能够保证CCD相机2充分拍摄到溶浸剂逐渐浸润整个矿样8的过程。优选的，溶浸剂入口18和溶浸剂出口19内侧均设有用于防矿样8或石英砂堵塞的滤网。
    [n0045] 如图5所示，溶浸剂入口18和容纳箱4之间设有与定水头边界相适配的定水头机构，定水头机构将溶浸剂形成水头高度大约为1m水柱结构，溶浸剂由蠕动泵16以已知速度、连续、平稳传输，溶浸剂由进液槽15通过定水头机构稳定进入容纳箱4内，由于石英砂层7作为隔水边界，以消除溶浸剂上下边界的界面效应，溶浸剂的水头等势线分布，进而保证了在容纳箱4内模拟溶浸剂在均匀空隙介质中的一维渗流运动，最后经出溶浸剂出口19流出容纳箱4，流入集液槽17。优选的在此模拟渗流运动过程中可根据实验需求在容纳箱4的顶部和底部分别设有若干个取样孔10，通过取样孔10对渗流过程中的溶浸剂进行取样。
    [n0046] 恒定光源6包括若干组等光强的灯带，例如LED灯带等，各灯带等间隔且平行排布，并均与容纳箱4的垂直距离相等，优选的恒定光源6采用灯箱结构，灯箱的外壳采用亚克力板制作，灯带设置在灯箱内，并连接有大功率稳压器等，以保证各灯带的发光强度稳定，光源穿过亚克力板后发光均匀，整个灯箱不同位置光强基本相同，灯箱能够长期稳定工作，提供恒定均匀光源强度且长期工作不大量发热，底座稳定可安全长期放在试验台上，优选的灯箱底部设置用于调节其整体高度的支架等。
    [n0047] 需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
    [n0048] 本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
    权利要求:
    Claims (7)
    [0001] 1.一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，其特征在于，包括遮光暗箱、贯穿且密封固定在所述遮光暗箱侧壁上的容纳箱，所述容纳箱的外部侧壁和内部侧壁分别设有透光部，所述容纳箱内装载有矿样且所述容纳箱上开设有溶浸剂入口，所述遮光暗箱的外侧设有对外部侧壁的所述透光部覆盖照射的恒定光源，其内侧设有采集透光信息的CCD相机。
    [0002] 2.根据权利要求1所述的监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，其特征在于，所述遮光暗箱设有所述容纳箱的一侧密封连接有遮光罩，所述容纳箱和所述恒定光源均位于所述遮光罩内。
    [0003] 3.根据权利要求1或2所述的监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，其特征在于，所述容纳箱内分别位于矿样的上、下两侧均覆盖有石英砂层作为隔水边界。
    [0004] 4.根据权利要求3所述的监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，其特征在于，所述容纳箱分别正对所述CCD相机和所述恒定光源的侧壁均由透明玻璃制成，各所述透明玻璃压覆在所述矿样上，且分别作为定水头边界。
    [0005] 5.根据权利要求4所述的监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，其特征在于，所述容纳箱上沿光束照射方向的两侧分别设有溶浸剂入口和溶浸剂出口。
    [0006] 6.根据权利要求5所述的监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，其特征在于，所述溶浸剂入口和所述容纳箱之间设有与所述定水头边界相适配的定水头机构。
    [0007] 7.根据权利要求1所述的监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置，其特征在于，所述恒定光源包括若干组等光强的灯带，各所述灯带等间隔且平行排布，并均与所述容纳箱的垂直距离相等。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    CN202120447561.1U|CN214334621U|2021-03-02|2021-03-02|一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置|CN202120447561.1U| CN214334621U|2021-03-02|2021-03-02|一种监测矿层的孔隙性和渗透性变化的实验装置|
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