放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置及测量方法

1.本发明涉及气体浓度测量领域，特别是涉及一种放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置。此外，本发明还涉及一种应用上述装置的放射性滩面裂隙与氡析出实验测量方法。


背景技术：

2.放射性矿石经磨矿工序后变为粒度很细的矿浆，因矿浆中除矿砂外还含有大量水分，故经管道运输堆积后在尾矿库内形成滩面。滩面在气候作用下失水干缩产生微孔和裂隙，放射性核素氡及其子体极易通过滩面上所形成的微孔和裂隙传输和积聚进入到大气环境中，导致氡的异常析出并向尾矿库周边区域扩散造成污染。
3.研究大气环境条件下滩面的裂隙发育过程，同时为剖析伴生放射性尾矿库滩面的不同裂隙率与氡析出率之间的关系提供科学依据与理论基础，从而致力于降低尾矿库对周边的环境污染及对周边人群造成的安全隐患。
4.因此，如何提供一种放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置，模拟放射性滩面在大气环境条件下的演化，对裂隙发育及氡析出率的变化展开实验测量，得出关系模型。本发明的另一目的是提供一种应用上述装置的放射性滩面裂隙与氡析出实验测量方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置，包括封闭的壳体，所述壳体内部的底板上放置有用于盛放放射性尾矿砂的盛料仓，所述壳体的侧壁上安装有日照模拟系统，所述壳体的顶部安装有对准所述盛料仓上端开口的裂隙发育数字图像拍摄系统，所述壳体外部设置有连通所述壳体内部空间的风流模拟系统和氡浓度测量系统，还包括连接控制各系统的控制处理系统。
7.优选地，所述壳体侧面下部设置有用于所述盛料仓进出的开口，并通过可拆卸的侧板封闭所述开口，所述侧板通过电磁密封条密封连接所述壳体。
8.优选地，所述壳体具体为有机透明材质的方形壳，所述盛料仓为上端开口的方形仓，所述盛料仓两侧设置有容量刻度线。
9.优选地，所述日照模拟系统包括对称设置的两个日光模拟灯条，所述日光模拟灯条贴合于所述壳体侧面上部。
10.优选地，所述裂隙发育数字图像拍摄系统包括设置于所述壳体顶板中部的摄像仪和围绕所述摄像仪的补光灯管。
11.优选地，所述风流模拟系统包括通风管道以及设置于所述通风管道的气泵、快速接头和流量计，所述壳体两侧相对设置有通风进口和通风出口，所述通风管道由所述壳体外部连通所述通风进口和所述通风出口，所述气泵靠近所述通风进口，所述快速接头靠近所述通风出口，且所述快速接头能够向外排气。
12.优选地，所述氡浓度测量系统包括测氡仪和检测管道，所述壳体两侧相对设置有检测进口和检测出口，所述检测进口位于所述通风出口上方，所述检测出口位于所述通风进口上方，所述检测进口和所述检测出口通过所述检测管道连通所述测氡仪。
13.优选地，还包括固定框架，所述固定框架上安装有重量感应器，所述壳体悬挂于所述重量感应器下方。
14.本发明提供一种放射性滩面裂隙与氡析出实验测量方法，包括步骤：
15.将放射性尾矿砂样本放入盛料仓，将所述盛料仓放入所述壳体并封闭所述壳体；
16.断开快速接头，启动气泵形成外循环，排尽所述壳体内的空气，连接快速接头，隔绝外界形成内循环；
17.开启裂隙发育数字图像拍摄系统，获取裂隙的特征参数；
18.控制所述气泵调节风速参数，控制所述日光模拟灯条调节辐照度及照射角度，根据时间变化获取样本重量变化数据和氡浓度变化数据；
19.根据各参数数据计算得出裂隙与氡析出的关系模型；
20.更换放射性尾矿砂样本重复上述步骤。
21.优选地，所述根据各参数数据计算得出裂隙与氡析出的关系模型包括：
22.提取照片后，通过公式li＝βl
i0
将像素值转换为实际尺寸，式中，l
i0
为样品裂隙的像素长度，li为样品裂隙的实际长度，β为长度换算系数，由li得出裂隙总长l，利用式中换算系数β推得裂隙均宽
23.通过公式ξ＝a1/a
总
得到面积裂隙率，式中，a
总
为照片的总像素，a1为照片中裂隙的总像素；
24.通过面积裂隙率ξ、裂隙均宽和裂隙总长l构建裂隙总指标模型
25.通过公式计算风速υ，式中，q为气体流量，s为通风管道截面积；
26.利用局部静态法监测各条件下射气介质表面的氡浓度变化，并通过公式计算氡析出率j；
27.式中，j为射气介质表面的氡析出率，δc为δt时间内氡浓度变化，a为被测射气介质的表面积，h为壳体内部气体部分的高度，s为所述壳体内部气体部分的底面积，t为集气的时间；
28.通过数值模拟y＝k*x+b对氡浓度测量系统所得的时间序列氡析出浓度值与析出时间进行拟合后得出斜率k，其中一系列氡浓度值c1至cn作为y，各个浓度值所对应的时间t1至tn作为x；
29.得出公式并代入，推得氡析出率的简化式j＝kh；
30.获取辐照度e及照射角度θ，根据裂隙总指标模型得出裂隙与氡析出的关系模型g
t
(f,j)。
31.本发明提供一种放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置，包括封闭的壳体，壳体内部的底板上放置有用于盛放放射性尾矿砂的盛料仓，壳体的侧壁上安装有日照模拟系
统，壳体的顶部安装有对准盛料仓上端开口的裂隙发育数字图像拍摄系统，壳体外部设置有连通壳体内部空间的风流模拟系统和氡浓度测量系统，还包括连接控制各系统的控制处理系统。模拟放射性滩面在大气环境条件下的演化，对裂隙发育及氡析出率的变化展开实验测量，得出关系模型，降低对周边环境的污染，避免对周边人群造成安全隐患。
32.本发明还提供一种应用上述装置的放射性滩面裂隙与氡析出实验测量方法，由于上述装置具有上述技术效果，上述放射性滩面裂隙与氡析出实验测量方法也应具有同样的技术效果，在此不再详细介绍。
附图说明
33.图1为本发明所提供的放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
34.本发明的核心是提供一种放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置，模拟放射性滩面在大气环境条件下的演化，对裂隙发育及氡析出率的变化展开实验测量，得出关系模型。本发明的另一核心是提供一种应用上述装置的放射性滩面裂隙与氡析出实验测量方法。
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
36.请参考图1，图1为本发明所提供的放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置的一种具体实施方式的结构示意图。
37.本发明具体实施方式提供一种放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置，包括壳体1、盛料仓2、日照模拟系统、裂隙发育数字图像拍摄系统、风流模拟系统、氡浓度测量系统和控制处理系统，壳体1为封闭的箱体结构，盛料仓2放置于壳体1内部的底板上，且盛料仓2用于盛放放射性尾矿砂14的盛料仓2，形成放射性滩面，日照模拟系统安装于壳体1的侧壁上，用于提供模拟的日照环境，裂隙发育数字图像拍摄系统安装于壳体1的顶部，并对准盛料仓2上端开口，获取放射性滩面的图像信息，风流模拟系统和氡浓度测量系统设置于壳体1外部，并连通壳体1内部空间，风流模拟系统用于提供模拟的大气环境，氡浓度测量系统用于检测壳体1内部的氡浓度，控制处理系统连接控制各系统，并获取参数数据，得出裂隙与氡析出的关系模型，可以设置信息采集接口，连接计算机进行控制。
38.模拟放射性滩面在大气环境条件下的演化，对裂隙发育及氡析出率的变化展开实验测量，得出关系模型，降低对周边环境的污染，避免对周边人群造成安全隐患。
39.具体地，为了实现盛料仓2的进出，壳体1侧面下部设置有用于盛料仓2进出的开口，并通过可拆卸的侧板封闭开口，侧板通过电磁密封条密封连接壳体1。使用过程中，拆卸侧板以打开开口，将装有尾矿砂的盛料仓2由开口处放入壳体1内部，安装侧板以封闭开口，使壳体1再次形成封闭结构，并启动电磁密封条，使壳体1与侧板稳定密封连接，并保证密封效果。
40.具体地，壳体1具体为的方形壳，便于计算尺寸参数，并采用有机透明材质，便于观察内部情况，盛料仓2为上端开口的方形仓，尺寸与壳体1内部尺寸匹配，盛料仓2两侧设置有容量刻度线，通过对比调整所加入放射性滩面的高度来精确计算调整并且记录待测滩面
的盛放体积。
41.在本发明具体实施方式提供的放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置中，日照模拟系统包括对称设置的两个日光模拟灯条3，日光模拟灯条3贴合于壳体1侧面上部，沿竖直方向延伸，其发光强度、光源位置可通过计算机控制改变，模拟现实情况下太阳照射强度和照射角度的变化，从而达到更加真实全面的实验效果。
42.裂隙发育数字图像拍摄系统包括设置于壳体1顶板中部的摄像仪4和围绕摄像仪4的补光灯管5，通过进行补光灯管5补光，防止在光供给不足的情况下出现无法有效观测裂隙发育状况的情形。
43.风流模拟系统包括通风管道6以及设置于通风管道6的气泵7、快速接头8和流量计9，壳体1两侧相对设置有通风进口和通风出口，通风管道6由壳体1外部连通通风进口和通风出口，气泵7靠近通风进口，快速接头8靠近通风出口，且快速接头8能够向外排气。
44.实验过程中，当快速接头8断开时，气泵7将空气由通风进口输入至壳体1内部，壳体1内部空气由通风出口输出至快速接头8，并由快速接头8排出外界，形成外循环，当快速接头8打开时，气泵7将空气由通风进口输入至壳体1内部，壳体1内部空气由通风出口输出至快速接头8，再由快速接头8输出回气泵，隔绝外界形成内循环，同时通过流量计9获取内循环过程中的气体流量。
45.进一步地，氡浓度测量系统包括测氡仪10和检测管道11，壳体1两侧相对设置有检测进口和检测出口，检测进口位于通风出口上方，检测出口位于通风进口上方，由于通风进口和通风出口的相对位置，在壳体1内部形成特定的流动方向，而检测进口和检测出口位置对调，便于壳体1内气体由检测进口输入测氡仪10，再由测氡仪10和检测出口输回壳体1，可以测量单位体积内的氡及氡子体的含量，即氡浓度。其中各管道可以采用软管，管道与壳体1的进口及出口连接处设置气密垫，保证密封效果。根据情况调整各部件的布置位置及连接方式，均在本发明的保护范围之内。
46.在上述各具体实施方式提供的放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置的基础上，还可设置固定框架13，固定框架13上安装有重量感应器13，壳体1悬挂于重量感应器13下方，两者可以通过钢丝悬挂。拉式的重量感应器13可在实验中实时记录裂隙发育的过程中，目标滩面的重量变化，以多维度研究裂隙发育的成长特征，使实验数据更加准确完善。固定框架13在裂隙发育的过程中保证装置的水平放置，避免产生倾斜或者振动等不稳定因素，避免因倾斜产生重力分力影响裂隙发育状况的情况，以减少试验误差。
47.具体实验测量方法为：
48.将放射性尾矿砂14样本放入盛料仓2，将盛料仓2放入壳体1并通过电磁密封条封闭壳体1。断开快速接头8，启动气泵7形成外循环，排尽壳体1内的空气，同时对整体装置气密性以及气流控制的稳定性进行测试，测试环境初始化完毕后按关闭气泵7，重新连接快速接头8，隔绝外界形成内循环；
49.开启裂隙发育数字图像拍摄系统的摄像仪4和补光灯管5，并进行对焦等调试，通过信息采集接口传输给计算机端的像为清晰的合格像，通过显示模块可以清晰观察到裂隙的特征参数。
50.控制气泵7调节风速参数，设计的风速可以为0.25m/s、0.5m/s、0.75m/s、1m/s，测试时要留意数字流量计的稳定性，控制日光模拟灯条3调节辐照度及照射角度，设计的辐照
度可以为150kw/m2、250kw/m2、350kw/m2、450kw/m2,设计的照射角度可以为20
°
、40
°
、60
°
、80
°
，开启重量感应器13，其量程为0至25000g，精确度达0.1g，用来将测量土壤的水分流失程度，可以根据情况调整各参数数据。
51.将测氡仪10调为“净化档”，将准备阶段矿尾砂的辐射以及集存在测氡仪10内的氡原子及其子体排放到测氡仪10外。
52.打开测氡仪10，根据正交实验方案调节测量时间，实验测量时间分为五档10h、20h、30h、40h。将测氡仪10设置为“sniff”模式，用来跟踪集氡空间内快速变化的氡浓度。
53.根据各参数数据计算得出裂隙与氡析出的关系模型；测试完成后，关闭各系统，对数据进行后期处理，更换放射性尾矿砂14样本，调节不同的数据参数重复上述步骤。
54.根据各参数数据计算得出裂隙与氡析出的关系模型包括：
55.提取照片后，通过公式li＝βl
i0
将像素值转换为实际尺寸，式中，l
i0
为样品裂隙的像素长度，li为样品裂隙的实际长度，β为长度换算系数，由li得出裂隙总长l，利用式中换算系数β推得裂隙均宽
56.通过公式ξ＝a1/a
总
得到面积裂隙率ξ，式中，a
总
为照片的总像素，a1为照片中裂隙的总像素。
57.通过面积裂隙率ξ、裂隙均宽和裂隙总长l构建裂隙总指标模型以对裂隙发育程度进行量化分析。裂隙发育受装置内风速υ，辐照度e及照射角度θ等因素共同影响，与此同时氡的析出主要由裂隙的发育程度决定，故以裂隙总指标模型作为影响氡析出的主要依据。
58.通过公式计算风速υ，式中，q为流量计9获取的气体流量，单位为m3/h，s为通风管道6截面积，单位为m2；
59.利用局部静态法监测各条件下射气介质表面的氡浓度变化，并通过公式计算氡析出率j；
60.式中，j为射气介质表面的氡析出率，δc为δt时间内氡浓度变化，a为被测射气介质的表面积，h为壳体1内部气体部分的高度，s为壳体1内部气体部分的底面积，t为集气的时间；
61.通过数值模拟y＝k*x+b对氡浓度测量系统所得的时间序列氡析出浓度值与析出时间进行拟合后得出斜率k，其中一系列氡浓度值c1至cn作为y，各个浓度值所对应的时间t1至tn作为x；
62.得出公式并代入，推得氡析出率的简化式j＝kh；
63.获取辐照度e及照射角度θ，根据裂隙总指标模型进一步得到干缩作用下放射性滩面发育时间t过程中裂隙与氡析出的关系模型g
t
(f,j)。
64.正交实验设计是一种用于多维因素分析试验的科学研究方法，它是从全面海量实验小组中挑选具有代表性的点来进行科学分析试验，从而避免重复实验对资源的浪费提高研究效率，这些点具有均匀整齐的特点。通常正交设计实验在水平值较少的情况下具有很
高的效率，经常用于对典型实验进行统筹安排，进而找出实验中各个因素对实验结果的影响程度。
65.采用装置中设置的四个可变因素，根据相关文献和工程实际情况每个因素设定四个水平方案，测量时间10h至40h；正上方风速设定0.25m/s至1m/s，光照射的辐射度范围150kw/m2至450kw/m2；光照角度范围20
°
至90
°
，详细正交设计配比见下表。
[0066][0067]
本次实例所选择的铀尾矿砂样取自铀尾矿池的裸露部分，是从厂房铀尾矿储藏所的裸露部处，采集了1.5米深处的铀尾矿砂经充分干燥筛选后作为样本，经检验其由85.250％的sio2、1.630％的fe2o3、0.078％的mgo、6.180％的al2o3、0.007％的mno、3.180％的k2o、0.360％的feo、0.006％的u以及3.309％的其他化学成分构成，具体参数可以根据情况进行调整，均在本发明的保护范围之内。
[0068]
测量时采用密闭腔体法，有机透明的壳体1中，尾矿沙上方的余留空间为集氡气体空间。气泵7可以调节气体流量可在0至4900ml/min范围内变化，与内径为8mm的软管耦合工作，满足实验中风速的梯度范围。用于识别裂隙发育的摄像仪为720万像素，保证实验时所获图像的质量。日光模拟灯条3为多个1000w的疝气灯，相互配合，模拟相应的辐照度与照射角度。
[0069]
以上对本发明所提供的放射性滩面裂隙与氡析出实验测量装置及测量方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。