裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法
【专利摘要】本发明涉及稀土矿体的注液和收液工程布置技术，针对丘陵地形，重点研究了溶液在典型山坡、山脊和山谷的渗流规律，提出裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法。本发明包含6个步骤：①测试矿体的渗透系数，②测试矿体和隔水底板形状，③计算注液强度分布，④计算单孔注液强度，⑤计算孔网参数，⑥计算收液工程的布置位置。采用本发明提出的优化注液和收液工程布置方案，充分浸矿和洗矿，达到充分回收资源和减少浸矿剂残留量的目的，合理布置收液工程，有效控制溶液穿过黏土层流向地表，从而到达减少环境污染。
【专利说明】裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及稀土矿体的注液和收液工程布置技术，针对丘陵地形，重点研究了溶 液在典型山坡、山脊和山谷的渗流规律，提出裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布 置优化方法。
【背景技术】
[0002] 离子型稀土就是稀土元素以离子形式吸附在以高岭土为主的硅铝酸盐矿物上的， 含量在0. 3 - 0. 05 %左右，可用电解质淋洗出来的我国特有种类稀土。离子型稀土资源具 有开采周期短和单位面积的开采价值小等特点，原地浸矿开采工艺不仅便于回收低品位资 源，还有效保护了矿区环境，因而，目前南方离子型稀土矿山正在推广应用原地浸矿开采工 艺。
[0003] 离子型稀土开采经历了池浸和堆浸工艺，针对这两种工艺的缺陷，上世纪80年代 开始探索原地浸矿工艺开采离子型稀土资源。要实施原地浸出并非易事，其关键在于注液 和收液。
[0004] 有关注液问题：对于矿体赋存深度2米以内，可采用注液井注液，井径为0. 5- 0. 8m ;矿体赋存深度超过2米的，可采用注液孔注液，孔径为0. 15 - 0. 3m，目前主要采用的 孔径为0.2m。注液孔（井）深度为见矿0.5 -1.0米，注液孔可用Φ 6mm的PVC管，下端lm 钻成带小孔的花管并插至孔底，管壁至孔壁处用棘草或其它材料充填。多采用梅花形布置 注液孔，对于渗透性较好的大矿床，注液孔（井）可呈行列式分布，对于小矿体或渗透性较 差的矿体可按网格式分布。对于渗透性非常低的矿体，采用加压注液方法提高其渗透速度。 根据其向下的渗透速度和横向扩散速度来设计注液孔孔距和排距，而渗透速度和扩散速度 则根据取岩芯试验和现场实验确定。
[0005] 有关收液问题：目前主要采用收液沟收液，沿拟采矿体外围（山脚）基岩出露或基 岩盖层较薄位置开挖集液沟，宽度1米左右，深度以挖到基岩为准，并作好防渗处理，依靠 重力作用，溶液渗流至收液沟。
[0006] 原地浸出工艺是综合了地质、采矿、矿物加工等多学科的集成技术，而实施原地浸 矿工艺时间较短，只有近20年的历史，因而工艺本身还存在不少技术难题有待进一步解 决。合理布置注液和收液工程是影响推广原地浸矿工艺的瓶颈技术，该技术主要具有两方 面的意义，一方面是充分回收稀土资源，根据矿体形状优化布置注液工程，可以有效保证浸 润线覆盖矿体，尽最大可能充分浸矿和洗矿，实现资源充分回收；另一方面是控制地质灾 害，当注液强度超过矿块的出液能力时，浸润线不断升高，当升高到采场可以承受的临界水 位以上时，即可在瞬间发生滑坡，造成滑坡区域资源难以回收，还威胁矿区人们的财产和生 命，合理布置收液工程，可以有效控制浸润线。
[0007] 目前，有关注液强度控制、注液和收液工程布置方面主要存在以下几方面的问题。
[0008] (1)没有提出合理确定注液强度方法。不同注液强度将在矿山形成不同的浸润线， 进而影响浸矿范围，合理的注液强度能够确保充分浸矿和洗矿，充分回收资源和减少浸矿 剂残留。因注液强度不合理，导致部分矿山存在复灌现象，即二次开采现象。
[0009] (2)主要依靠经验确定孔网参数。硫酸铵通过注液孔注入稀土矿时将形成一定渗 透区域（也称影响范围），若注液孔间距布置的过大，将导致有些区域的稀土不能被置换 出，形成所谓的"盲区"，降低了资源回收率；若注液井间距布置的过密，将导致相邻的注液 孔渗透区域重叠过多，造成增加工程量。因而合适的注液孔网参数可以降低开采成本，充分 回收资源。而单孔的渗透区域受到矿体渗透系数、山体坡度、矿区的浸润线等众多因素的影 响，因而给优化注液孔网参数带来一定的难度。
[0010] (3)收液工程的布置缺乏理论指导。目前工程上通用的方法是：沿拟采矿体外围 (山脚）基岩出露或基岩盖层较薄位置开挖集液沟，宽度1米左右，深度以挖到基岩为准。 收液工程的布置对地形、矿体形状、出渗层厚度、矿体和黏土层的渗透系数重视的不够。因 收液工程布置不合理，可能引起溶液在半山腰穿过表层黏土层流向地表。
【发明内容】
[0011] 本发明针对上述影响原地浸矿工艺推广的瓶颈技术问题，结合丘陵地形，重点研 究了溶液在典型山坡、山脊和山谷的渗流规律。
[0012] 本发明目的是提供一种裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法。
[0013] 本发明技术方案：一种裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法， 包括以下步骤：
[0014] 第1步，测试矿体的渗透系数：
[0015] 分析生产勘探资料和现场矿层出露情况，分别选择1一2个典型山坡、山脊和山 谷，采用现场选点测试和取样室内测试两种方法，确定典型山坡处矿体的渗透系数κ ρ、典型 山脊处矿体的渗透系数ΜΡ典型山谷处矿体的渗透系数Kg，对现场选点和取样室内测试所 得到的矿体渗透系数求平均值，得到矿体的平均渗透系数κ;
[0016] 第2步，测试矿体和隔水底板形状：
[0017] 原地浸矿的渗流规律是由矿体上表面和隔水底板上表面控制，因此本步骤就是测 试矿体上表面和隔水底板上表面的高程，为实现流场计算，需进一步拟合出两者的形状函 数；在典型山坡布置1一2条测线，测线应与等高线垂直，从山顶延伸至山脚下；在典型山脊 和山谷分别布置3-7条测线，测线应与山脊线（山谷线）平行，从山顶延伸至山脚下；每条 测线布置4一 10个测点，测点的具体数量由现场地形条件确定，测点在空间的分布应能够 反映典型山坡、山脊和山谷的大小和形状，一般要求地形复杂和山坡长度大时就应相应增 加测点数；在现场选择参考点为基准，测量所有测点的位置坐标和高程；在每一个测点钻 孔至隔水底板上表面，记录矿体和隔水底板上表面的出露高程；
[0018] 对于典型山坡，选定隔水底板上表面最低点为坐标原点，采用关系式1拟合矿体 上表面形状函数，采用关系式2拟合隔水底板上表面形状函数；
[0019] 关系式1 :
[0020] H = ^^(x-l)2
[0021] 关系式1中：Η为矿体上表面高程，氏为矿体上表面的最大高程，b为矿体上表面 形状参数，X为山坡的水平坐标，1为矿体在X方向的长度；
[0022] 关系式2 :
[0023] z = a(x_l)2_al2
[0024] 关系式2中：z为隔水底板上表面高程，a为隔水底板上表面形状参数，x为山坡的 水平坐标，1为矿体在X方向的长度；
[0025] 对于典型山脊，采用关系式3拟合矿体上表面形状函数，采用关系4拟合隔水底板 上表面形状函数；
[0026] 关系式3 :
[0027] H = ^(1-802) (1-bjj2)
[0028] 关系式3中：Η为矿体上表面高程，Hj(l为矿体上表面最大高程；ajl和为矿体上 表面形状参数，X和y分别为垂直山脊方向和沿山脊方向的坐标；
[0029] 关系式4 :
[0030] z = zjO(l-aj2x2) (l-bj2y2)
[0031] 关系式4中：z为隔水底板上表面1?程，zj(l为隔水底板上表面最大1?程；a j2和bj2 为隔水底板上表面形状参数，X和y分别为垂直山脊方向和沿山脊方向的坐标；
[0032] 对于典型山谷，采用关系式5拟合矿体上表面形状函数，采用关系式6拟合隔水底 板上表面形状函数；
[0033] 关系式5 :
[0034] H = Hg0 {1+ ξ gl [1-cos (aglx) ]} (l-bgly2)
[0035] 关系式5中：H为矿体上表面高程，Hg(l为矿体上表面与xoz平面交线上的最小高 程；ξ gl为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；agl和bgl为矿体上表面形状参数，X和y 分别为垂直山谷方向和沿山谷方向的坐标；
[0036] 关系式6 :
[0037] z = zg0{l+ξ g2[l_cos(ag2x)]} (l_bg2y2)
[0038] 关系式6中：z为隔水底板上表面高程，zg(l为隔水底板上表面与xoz平面交线上 的最小高程；ξ g2为由实测数据确定的隔水底板上表面高程系数；ag2和bg2为隔水底板上表 面形状参数，X和y分别为垂直山谷方向和沿山谷方向的坐标；
[0039] 第3步，计算注液强度分布：
[0040] 对于典型山坡，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数氏、b、a、1，结 合第1步测试结果确定典型山坡处矿体的渗透系数κ ρ，采用关系式7计算注液强度；
[0041] 关系式7:
[0042] ff = 2bKp[H1+al2-3(a+b) (χ-1)2]
[0043] 关系式7中：W为注液强度，b为矿体上表面形状参数，Κρ为典型山坡处矿体的渗 透系数，氏为矿体上表面的最大标高，a为隔水底板上表面形状参数，1为矿体在X方向的 长度，X为山坡的水平坐标；
[0044] 对于典型山脊，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数 aj2、b"，结合第1步测试结果确定典型山脊处矿体的渗透系数I，采用关系式8计算注液强 度；
[0045] 关系式8 :
[0046]
【权利要求】
1. 一种裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法，包括以下步骤： 第1步，测试矿体的渗透系数： 分析生产勘探资料和现场矿层出露情况，分别选择1一2个典型山坡、山脊和山谷，采 用现场选点测试和取样室内测试两种方法，确定典型山坡处矿体的渗透系数Kp、典型山脊 处矿体的渗透系数ΜΡ典型山谷处矿体的渗透系数K g，对现场选点和取样室内测试所得到 的矿体渗透系数求平均值，得到矿体的平均渗透系数K ; 第2步，测试矿体和隔水底板形状： 原地浸矿的渗流规律是由矿体上表面和隔水底板上表面控制，因此本步骤就是测试矿 体上表面和隔水底板上表面的高程，为实现流场计算，需进一步拟合出两者的形状函数；在 典型山坡布置1一2条测线，测线应与等高线垂直，从山顶延伸至山脚下；在典型山脊和山 谷分别布置3-7条测线，测线应与山脊线（山谷线）平行，从山顶延伸至山脚下；每条测线 布置4一 10个测点，测点的具体数量由现场地形条件确定，测点在空间的分布应能够反映 典型山坡、山脊和山谷的大小和形状，一般要求地形复杂和山坡长度大时就应相应增加测 点数；在现场选择参考点为基准，测量所有测点的位置坐标和高程；在每一个测点钻孔至 隔水底板上表面，记录矿体和隔水底板上表面的出露高程； 对于典型山坡，选定隔水底板上表面最低点为坐标原点，采用关系式1拟合矿体上表 面形状函数，采用关系式2拟合隔水底板上表面形状函数； 关系式1 : H = Hrb (x-1)2 关系式1中：Η为矿体上表面高程，氏为矿体上表面的最大高程，b为矿体上表面形状 参数，X为山坡的水平坐标，1为矿体在X方向的长度； 关系式2 : z = a(x-l)2-al2 关系式2中：z为隔水底板上表面高程，a为隔水底板上表面形状参数，X为山坡的水平 坐标，1为矿体在X方向的长度； 对于典型山脊，采用关系式3拟合矿体上表面形状函数，采用关系4拟合隔水底板上表 面形状函数； 关系式3 : H = Hjod-ajiX2) (l-bjiY2) 关系式3中：Η为矿体上表面高程，为矿体上表面最大高程；a#和为矿体上表面 形状参数，X和y分别为垂直山脊方向和沿山脊方向的坐标； 关系式4 : z = zJ0(l-aJ2x2) (l-bJ2y2) 关系式4中：z为隔水底板上表面1?程，zj(l为隔水底板上表面最大1?程；aj2和b j2为隔 水底板上表面形状参数，X和y分别为垂直山脊方向和沿山脊方向的坐标； 对于典型山谷，采用关系式5拟合矿体上表面形状函数，采用关系式6拟合隔水底板上 表面形状函数； 关系式5 : H = Hg0{l+ ξ gl [1-cos (aglx)]} (l-bgly2) 关系式5中：Η为矿体上表面高程，Hg(l为矿体上表面与X〇z平面交线上的最小高程；ξ 8? 为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；agl和bgl为矿体上表面形状参数，X和y分别为 垂直山谷方向和沿山谷方向的坐标； 关系式6 : z = zg0{l+ξ g2[l-cos(ag2x)]} (l-bg2y2) 关系式6中：z为隔水底板上表面高程，zg(l为隔水底板上表面与X〇z平面交线上的最 小高程；ξ g2为由实测数据确定的隔水底板上表面高程系数；ag2和bg2为隔水底板上表面形 状参数，X和y分别为垂直山谷方向和沿山谷方向的坐标； 第3步，计算注液强度分布： 对于典型山坡，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数氏、b、a、1，结合第 1步测试结果确定典型山坡处矿体的渗透系数Kp，采用关系式7计算注液强度； 关系式7 : ff = 2bKp [Η!+β12-3 (a+b) (χ-1)2] 关系式7中：W为注液强度，b为矿体上表面形状参数，Κρ为典型山坡处矿体的渗透系 数，氏为矿体上表面的最大标高，a为隔水底板上表面形状参数，1为矿体在X方向的长度， X为山坡的水平坐标； 对于典型山脊，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数 bj2，结合第1步测试结果确定典型山脊处矿体的渗透系数I，采用关系式8计算注液强度； 关系式8 :
关系式8中：W为注液强度，&为典型山脊的渗透系数，为矿体上表面最大高程；ajl 和^为矿体上表面形状参数，z#为隔水底板上表面最大高程，a#和b#为隔水底板上表面 形状参数，X和y分别为垂直山脊方向和沿山脊方向的坐标； 对于典型山谷，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数Hg(l、ξ gl、agl、bgl、 €82、28(|、382、13!；2，结合第1步测试结果确定典型山谷处矿体的渗透系数1( !；，采用关系式9计 算注液强度； 关系式9 :
关系式9中：W为注液强度，Kg为典型山谷处矿体的渗透系数，Hg(l为矿体上表面与X〇Z 平面交线上的最小高程；ξ gl为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；agl和bgl为矿体上 表面形状参数，z g(l为隔水底板上表面与X〇Z平面交线上的最小高程；ξ g2为由实测数据确 定的隔水底板上表面高程系数；ag2和bg2为隔水底板上表面形状参数，X和y分别为垂直山 谷方向和沿山谷方向的坐标； 第4步，计算单孔注液强度： 离子型稀土的原地浸矿工艺采用潜水非完整孔注液，根据规范选择孔径和孔深，采用 关系式10计算单孔的注液强度； 关系式10 :
关系式10中：Wu为潜水非完整孔单孔的注液强度，K为矿体的平均渗透系数，m为反映 渗流状态的参数，通过室内渗透试验确定，R为影响半径，其计算见关系式11，s为注液过程 潜水非完整孔中液面升高高度，r为潜水非完整孔半径，1」为潜水非完整孔在潜水面以下的 长度，Π 和λ为反映潜水非完整孔渗流状态的参数，通过现场单孔注水试验确定，通常取 η = 0. 1 -0· 2，λ = 0· 1-0. 3 ； 关系式11 :
关系式11中：S为注液过程潜水非完整孔中液面升高高度，h为含水层厚度，Κ为矿体 的平均渗透系数； 第5步，计算孔网参数： 根据单孔影响半径确定孔距U(沿山坡走向），根据第3步计算得到的注液强度分布 确定排距lpj(垂直山坡走向），采用关系式12计算排距； 关系式12 :
关系式12中：lpj为排距，ljj为孔距，W为第3步计算得到的注液强度，Wdj为潜水非完 整孔单孔的注液强度； 第6步，计算收液工程的布置位置： 在第3步的计算中，可能出现在山脚下靠近出渗层一定范围内注液强度为负数，表明 该范围内不仅不能注液，还需布置合适的收液工程，可以采用导流孔或收液巷道的形式增 强矿体出渗能力，收液工程布置在开始出现注液强度为负数的位置至山脚下范围内。
【文档编号】C22B3/04GK104046774SQ201410233660
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】王观石, 邹志强, 王强, 邓旭, 罗嗣海 申请人:赣州稀土矿业有限公司, 江西理工大学