一种基于低频振动的氡析出模拟装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于低频振动的氡析出模拟装置。

背景技术：

随着国内地表以上及浅层地下铀矿资源开采的枯竭，对于深部铀矿开采氡的析出方式及防治研究已经是一个刻不容缓的问题。关于氡在岩体中的释放量与振动产生微裂隙之间的关系，国内学界已经对此进行了一定的研究，P Tuccimei等人首次对岩石破坏过程中氡变化特征进行了探究，确认岩石的氡异常与受到机械振动作用条件下产生的微裂隙有关。S Mollo等人对破裂岩石的氡析出律进行了研究，发现地震和火山活动产生的地壳振动对岩石破裂前的氡析出会产生一定的影响。吕汉江对岩石材料破坏过程中的氡射气变化特征进行了研究，实验结果显示超声振动可以促进岩石破裂前氡析出量的增加。在铀矿岩井下开采过程中，峒室大爆破产生的主振频率一般为7～20Hz，采割机、掘进机等作业机器载荷的频率为11～30Hz，以上铀矿岩采掘作业载荷频率均属于低频振动的范围。

在井下铀矿资源开采过程中，机械振动或地质构造变化可能造成铀矿围岩的破裂进而导致氡析出量的异常上升，其中铀矿岩的氡异常析出与其在受到超声与机械作用条件下导致岩石破裂产生的微裂隙特征有关，而目前对铀矿山采掘作业时低频振动作用下铀矿围岩氡析出规律的尚属空白，因此有必要设计一种模拟低频扰动载荷对铀矿围岩氡析出率影响的模拟装置，可以获取实验数据，进而根据实验数据可以计算出低频扰动荷载作用下铀矿岩连续氡析出率，进而为研究低频扰动荷载作用下铀矿岩连续氡析出率变化的规律提供数据基础，为铀矿井下开采氡辐射防治提供理论依据。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于低频振动的氡析出模拟装置，上述装置模拟低频振动下的类铀矿岩氡析出并获得低频振动下类铀矿岩氡析出数据,为研究低频扰动荷载作用下铀矿岩连续氡析出率变化的规律提供数据基础，为铀矿井下开采氡辐射防治提供理论依据。

一方面，本实用新型提供的一种基于低频振动的氡析出模拟装置，包括功率放大器、扫频信号发生器、氡析出模块氡析出模块、干燥器以及测氡仪；

其中，扫频信号、功率放大器与氡析出模块氡析出模块依次连接，所述氡析出模块氡析出模块与所述测氡仪连通；所述氡析出模块氡析出模块包括激振器、氡析出罐、顶盖、振动杆以及滑轨；

其中，所述氡析出罐设有容纳类铀矿岩试块的容纳空间，所述激振器固定在所述滑轨并与所述功率放大器连接，所述振动杆设于所述激振器和所述氡析出罐之间且所述振动杆平行于所述滑轨，所述滑轨上设有可沿滑轨移动的底座平台，所述氡析出罐固定在所述底座平台上；

所述顶盖位于所述氡析出罐上，所述顶盖和所述测氡仪上均设有进气口和出气口，所述氡析出罐与所述测氡仪之间设有管道，所述管道连接所述顶盖和所述测氡仪上的进气口和出气口形成所述氡析出罐和所述测氡仪之间气流回路；

所述干燥器设于连通所述氡析出罐的出气口和所述测氡仪的进气口的管道路径上。

通过管线将功率放大器与激振器连接，调节功率放大器与扫频信号发生器的频率数值来设定实验所需的激振频率，使激振器通过振动对氡析出罐施加激振力形成低频振动，进而使类铀矿岩试块在氡析出罐内在受到激振力作用下产生氡子体，氡子体从出气口流出，通过管道流向干燥器的，再从干燥器流出并流入测氡仪的进气口进行测量，测量后由出气口出来的气体通过管道流向顶盖的进气口，进而流入氡析出罐。测氡仪在整个循环系统内对试块产生的累计氡浓度进行检测，获取原始累计氡浓度数据，从而根据特定的计算公式可以计算出低频振动下的氡析出率，因此本装置可以模拟在不同频率，不同振幅的氡析出测试实验，从而为研究低频机械振动对氡析出的影响规律提供数据基础。

本装置中振动杆与滑轨平行，氡析出罐可相对于滑轨水平移动，保证了氡析出罐的位移方向与受到来自激振器的激振力方向保持在同一水平线上。

优选地，所述氡析出罐底部设有固定部件，所述固定部件上设有凹槽，所述类铀矿岩试块放置于所述凹槽内。

可以避免在激振测试中类铀矿岩试块在氡析出罐随意滑动造成类铀矿岩试块部分损伤的情况发生。

优选地，所述凹槽的长、宽、高的尺寸为100mm、100mm、50mm。

优选地，所述干燥器内储存干燥剂，所述干燥器下端设置过滤筛。

氡子体从顶盖出气口流出，通过管道先流向干燥器上端的进气口，经过干燥以及过滤后再从干燥器下端的出气口出来流向测氡仪的进气口进行测量，测量后由测氡仪出气口出来的气体通过管道流向顶盖的进气口，进而流入氡析出罐。

优选地，所述顶盖上设有可闭合的开孔接口，其中，至少存在一个所述开孔接口位于所述顶盖中间位置。

优选地，所述装置还包括温度传感器，所述温度传感器位于所述顶盖上的开孔接口上。

模拟实验开始前，将温度传感器安装在顶盖上边缘侧的开孔接口上，用于测量氡析出罐内测的环境温度，检测是否为25；℃若是，随后再将温度传感器安装在顶盖中间位置的开孔接口上，用于测量类铀矿岩试块在模拟实验过程的温度。

优选地，所述开孔接口的数量5。

优选地，所述装置还包括压电式压力传感器，所述压电式传感器设置于所述振动杆。

所述装置还包括压力信号采集系统，压力信号采集系统包括计算机、电荷放大器以及上述压电式压力传感器，其中压电式压力传感器将检测到氡析出罐内的压力以及氡析出罐受到的激振力大小转换为电荷传给电荷放大器，电荷放大器再将电荷转变为电压，再传送给计算机。

优选地，所述顶盖为法兰盖，所述顶盖上设有密封圈。

设置密封圈，更好地保证顶盖密封氡析出罐的效果。

优选地，所述氡析出罐的直径为220mm，高为300mm。

有益效果

与现有预测技术相比，本实用新型的优点有：本装置通过设置激振器、振动杆、滑轨、氡析出罐模拟了低频振动下铀矿岩连续氡析出，并通过测氡仪测量出低频扰动荷载作用下铀矿岩累计氡浓度，为研究低频扰动荷载作用下铀矿岩连续氡析出率变化的规律，为铀矿井下开采氡辐射防治提供数据基础，其中，轨道、振动杆的设置保证氡析出罐的位移方向与受到来自激振器的激振力方向保持在同一水平线上，可以提高数据的可靠性；本装置还通过设置了扫频信号发生器以及功率放大器可以模拟不同频率不同振幅的低频振动下类铀矿岩氡析出，为研究不同频率下的低频扰动荷载作用下铀矿岩连续氡析出率变化的规律。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种基于低频振动的氡析出模拟装置的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种基于低频振动的氡析出模拟装置的另一示意图；

图3是本实用新型实施例提供的氡析出罐和顶盖的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的氡析出罐和顶盖的另一结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的顶盖的示意图。

其中，对附图标记进一步说明：

1-振动杆，2-激振器，3-滑轨，4-类铀矿岩试块，5-顶盖，6-流量控制阀，7-干燥器，8-测氡仪进气口，9-测氡仪出气口，10-测氡仪，11-析出罐短口出气管，12-析出罐长口进气管，13-功率调节操控台，14-功率放大器，15-扫频信号发生器，16-激振器电源接入线，17-氡析出罐，18-温度测量仪，19-固定部件，20-压电式压力传感器，21-压力信号采集系统。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型做进一步的说明。

如图1和图2所示，本实施例中提供的一种基于低频振动的氡析出模拟装置，包括功率放大器14、扫频信号发生器15、氡析出模块、干燥器7以及测氡仪10，其中，氡析出模块包括激振器2、氡析出罐17、顶盖5、振动杆1以及滑轨3。

其中，功率放大器14与所述扫频信号发生器15电连接，功率放大器14与激振器2通过电源管线连接，如图2所示的激振器电源接入线16。调节功率放大器14和扫频信号发生器15使激振器2输出特定频率和特定振动波的激振力给氡析出罐17。如图所示的功率放大器14上的功率调节操控台13。其中，低频振动频率设置为10～50Hz，振动波的类型包括正弦波、方波、三角波。本实施例中选择激振器2为JZK-20型电动式模态激振器，功率放大器14为HY5872A功率放大器，扫频信号发生器15为YE1311扫频信号发生器，本实用新型对此不进行具体的限定。

氡析出罐17设有容纳类铀矿岩试块4的容纳空间，本实施例优选氡析出罐17底部设有固定部件19，所述固定部件19上设有凹槽，所述类铀矿岩试块4放置于所述凹槽内，其中固定部件19与氡析出罐17底部相匹配，固定在氡析出罐17底部，还将类铀矿岩试块4固定在凹槽内，本实施例中凹槽的尺寸为100mm×100mm×50mm。顶盖5用于盖合容纳空间，密封氡析出罐17，顶盖5上开设若干个开孔接口，至少一个开孔接口是位于顶盖5的中间位置，其中，开孔接口包括进气口、出气口以及供温度检测的接口。如图3-图5所示，本实施例中优选开设5个可闭合的开孔接口，优选顶盖5为法兰，法兰内设置了橡胶圈来密封氡析出罐17。本实施例中氡析出罐17是外径与高度为的圆筒型铁皮制成的，采用厚度为8mm的304钢板制作，法兰顶盖的厚度为15mm，顶盖5通过螺栓与氡析出罐17固定连接。优选类铀矿岩试块4的尺寸为：长×宽×厚＝70.7×70.7×70.7mm。

激振器2固定在所述滑轨3，滑轨3上设有可沿滑轨3移动的底座平台，所述氡析出罐17固定在所述底座平台上，振动杆1设于所述激振器2和所述氡析出罐17之间且所述振动杆1平行于所述滑轨3。激振器2通过振动杆1将对氡析出罐17施加激振力，促使氡析出罐17相对于滑轨3移动，且位移方向与受到的激振力方向保持在同一水平线上。

本实施例中，氡析出罐17的顶盖5上出气口通过管道连接干燥器7的进气口，干燥器7的出气口通过管道连接测氡仪进气口8，测氡仪出气口9通过管道连接氡析出罐17的顶盖5上进气口，进而形成了氡析出罐17和测氡仪10之间气流回路。如图所示，氡析出罐17的顶盖5上出气口处设置图示中的析出罐短口出气管11，氡析出罐17的顶盖5上进气口处设置了析出罐长口进气管12；其中，氡析出罐17的顶盖5上出气口与干燥器7的进气口之间的管道以及测氡仪出气口9与氡析出罐17的顶盖5上进气口之间的管道上设置了流量控制阀6。测氡仪10用于测量累计氡浓度，具体的，测氡仪10采用静电采集原理，通过内置泵将干燥后的无子体微粒的氡气气流抽入一个0.7L的半球形腔体内之后，氡气衰变产生的子体在静电场中被收集在半导体探测器表面，测氡仪10就是通过测量这些子体产生的ɑ粒子而得出氡浓度，在sniff模式下，其测氡的灵敏度为0.2cpm/(37Bq.m^-3)。本实施例中选择5min为一个测量周期，即每个5min测量出氡浓度。本实施例选用RAD-7测氡仪。

基于上述装置进行模拟测试时，实验开始前调节功率放大器14与扫频信号发生器15的达到设定实验的激振频率，激振器2提供所设定的实验激振频率的激振力，通过振动杆1作用于氡析出罐17，类铀矿岩试块4在氡析出罐17内在受到激振力作用下产生氡子体，氡子体从氡析出罐17顶盖5的出气口经过流量控制阀6联通到干燥器7上端的进气口，干燥器7内储存有干燥剂；从干燥器7下端的出气口出来的气体通过过滤筛连接到测氡仪进气口8，测氡仪10对进入循环的氡子体进行测量后由测氡仪出气口9出来的气体经过调节流量阀门与氡析出罐17顶盖5的进气口联通。

此外，上述装置中还设有压力信号采集系统21，压力信号采集系统21包括依次电连接计算机、电荷放大器以及压电式压力传感器20，其中压电式压力传感器20设置在振动杆1上，用于检测到氡析出罐17内的压力以及氡析出罐17受到的激振力大小，并转化为电荷传给电荷放大器，电荷放大器再将电荷转变为电压，再传送给计算机，进而通过计算机可以记录氡析出罐17内压力和其接受的激振力随时间变化曲线，可以监控以及比较不同振幅条件下试块4受到的机械振动力及压力大小。本实施例中优选压电式压力传感器20为CL-YD系列压电式压力传感器，CL-YD系列压电式压力传感器部分元件设置于振动杆1上，其他元件与设于振动杆1上的元件电连接以及与电荷放大器电连接。

上述装置中还设有温度测量仪18，温度测量仪18内设有温度传感器，其中，温度传感器探头安装在氡析出罐17的顶盖5上的开孔接口上。其中，模拟实验之前，温度传感器探头安装在顶盖5外侧接口上，调节温度传感器探头长度，测量氡析出罐17桶壁内侧的环境温度是否满足25℃，例如调节温度传感器探头的长度为15cm；随后，将温度传感器安装在顶盖5中间位置的开孔接口上，调节温度传感器探头的长度，使其与试块4上表面相接触，进而在试验过程监测试块4的温度变化。

为了获取计算氡析出率所需的数据，上述装置的一种使用过程如下：

Step1：将制作的类铀矿岩试块4固定在氡析出罐17上的固定部件19上，其中，使用锡箔纸将试块4除朝向顶盖5一面外的其他五个面遮挡，使试验中保持试块4单面氡析出；

Step2：将顶盖5密封安装，向氡析出罐17内供气，并在顶盖5的开孔接口上涂抹肥皂水，检查是否有气泡产生，若无，则表示气密性好；若有，则表示气密性不好，需要调整。

Step3：使用水平仪测量振动杆1是否与轨道保持平行，并使用温度测量仪18进行测温。

其中，现将温度测量仪18的温度传感器探头安装在顶盖5的外侧开孔接口上，调节温度传感器探头长度，测试氡析出罐17桶壁内侧的环境温度是否为25℃，若不是，则调节温度；若是，再将温度传感器安装在顶盖5上中间位置的开孔接口上，将温度传感器探头伸长至与试块4表面相接触。

Step4：测试前调解功率放大器14和扫频信号发生器15，设定试验的频率数值以及测试振动波形。

其中，优选测试开始前，打开功率放大器14和扫频信号发生器15对激振器2进行热机，例如热机时间为30min。

Step5：打开测氡仪10，净化20min进而将仪器内残留的氡气排出并使仪器内空气湿度降低到10％以下，再将测氡仪10设置为sniff模式，用来跟踪析出罐内快速变化的氡浓度。

其中，测氡仪10在sniff模式下，每个测量周期测量出当前时刻的氡浓度。本实施例中选择5min为一个测量周期，30min为取样周期来计算氡浓度，例如测氡仪10以5min为一个测量周期，得到60个连续测量点的氡浓度，对应测量时间为5h。获取到测氡仪10在5h的测量数据后，计算当前实验的设定振动频率和幅度下氡析出率时，选择30min为取样周期进行取样，则5h的测量数据，可以得到10取样点对应的氡浓度，10个取样点的氡浓度分别为30min，60min，90min，120min，150min，180min，210min，240min，270min以及300min的氡浓度。例如设置空白对照组(不加低频扰动的类铀矿岩试块实验组)、10Hz组、20Hz组、30Hz组、40Hz组、50Hz组一共6个实验单元，其中，在10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz组实验单元中，待RAD-7启动sniff模式后，打开功率放大器，根据试验的需要设置对应的激振频率，它将带动激振器对析出罐内试块施加激振力。实验开始时，受到激振力作用的类铀矿岩试块产生的氡随接口进入到干燥剂的上方管道中，然后从干燥剂下方管道流出通过调节阀进入RAD-7测氡仪的进气口，经过RAD-7测氡仪的处理从出气口流出，通过管道从法兰顶盖的长接口处流回到析出罐中形成一个循环，待一组实验单元测试完成后，关闭所有仪器，将试块封存24h，继续下一个实验组试验。如果每0.5h截取一段实验数据并计算氡析出率，则每个实验组可得到C(n)(n＝1、2，…10)共计10个氡析出率数值。如下表1所示，给出了空白对照组、10Hz组、20Hz组、30Hz组四个实验单元中RAD-7测氡仪采集的氡浓度。

表1

本装置可以提供氡析出率计算所需的实验数据，这是基于氡析出率可以是基于多个取样点的氡浓度数据计算而来，此外，还可以利用本装置的实验数据计算其他参数，本实用新型对此不进行具体的限定。

由此可知，利用本实用新型提供的模拟装置，可以模拟低频振动下类铀矿岩的氡析出，并获取到低频振动下累计氡浓度，为计算低频振动下氡析出率提供数据基础和研究低频扰动荷载作用下铀矿岩连续氡析出率变化的规律提供数据基础。

需要强调的是，本实用新型所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本实用新型宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本实用新型的保护范围。