一种离子型稀土矿的注液工艺优化方法与流程

本发明涉及离子型稀土矿开采技术领域，具体涉及一种离子型稀土矿的注液工艺优化方法。

背景技术：

稀土(尤其是中重稀土)是高端科技产品的重要元素，也是国家重要的储备资源，南方离子型稀土矿由于富含中重稀土资源而被广泛关注。离子型稀土矿的特点是稀土离子以水合离子和羟基水合离子的性质吸附在矿土颗粒表面，可以利用电解质溶液中的阳离子与被吸附的稀土离子发生可逆离子交换反应，将稀土离子解吸，根据这一理论建立的原地浸矿工艺是现阶段离子型稀土矿的主要开采工艺，原地浸矿工艺中浸矿剂浓度影响着稀土离子开采周期，浸矿剂用量影响着稀土离子开采的最终浸取率，因此，如何确定浸矿剂浓度和用量对采用原地浸矿工艺开采离子型稀土矿具有重要意义。

现阶段，设计和施工人员主要在依据矿体稀土品位分布基础上，结合自身工程经验来确定浸矿过程的浸矿剂浓度和用量，然而，稀土品位只是影响浸矿剂浓度和用量的一个因素，矿体的渗透性和矿土颗粒上吸附的杂质离子的量也是影响浸矿剂浓度和用量的重要因素，矿体的渗透性具有明显的空间变异性，即使是相邻矿体，其渗透性也有明显的差异，直接依赖工程经验和稀土品位信息，很难得到较为合适的浸矿剂浓度和用量，前期开采过程就由于采用工程经验估算浸矿剂用量严重偏少，出现反复复灌的现象，对环境造成多次污染，若估算的浸矿剂用量过多，也会增加开采成本，进一步加重开采过程中的环境污染。

技术实现要素：

本发明为解决上述技术问题提供一种离子型稀土矿的注液工艺优化方法。该方法基于原位测试水力性质和弥散度，同时考虑稀土离子和杂质离子对浸矿剂的消耗，结合水流运动和溶质运移理论，建立了有理论基础的确定浸矿剂浓度和用量的方法，摆脱现有依赖工程经验确定浸矿剂浓度和用量的局限性。

本发明的技术方案具体如下：

一种离子型稀土矿的注液工艺优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测试矿体的水力性质：在矿体内布置多个水分传感器，进行原位注水试验，采用水力性质反分析法分析含水率数据，确定矿体的水力性质；

2)确定矿体的弥散度；

3)在矿体打探矿孔，取样确定浸矿前矿体稀土品位和杂质品位的空间分布；

4)建立稀土离子和杂质离子与铵离子竞争交换的数学模型，现场取样，进行杯浸试验，确定稀土离子和杂质离子与铵离子竞争交换的模型参数；

5)把步骤1)得到的水力性质代入现有的矿体内渗流过程的数学方程中，确定矿体内的含水率分布，将得到的含水率分布和步骤2)得到矿体的弥散度代入对流-弥散方程，得到在对流和弥散作用下，任意时刻矿体内离子的分布，考虑步骤3)的品位分布和步骤4)的竞争交换模型，修正任意时刻矿体内离子的分布，得到浸矿完成后矿体内稀土离子浓度的分布；

6)根据浸矿前和浸矿后矿体内的离子浓度分布，确定矿体的稀土浸取率，并改变注入的浸矿剂浓度和用量，可以得到稀土浸取率随注入的浸矿剂浓度和用量变化的轮廓图；

7)设置目标浸取率，根据步骤6)所得的轮廓图确定达到目标浸取率的最小浸矿剂用量，再根据最小浸矿剂用量确定硫酸铵浓度，达到优化注液工艺的目的。

优选地，步骤2)中确定矿体的弥散度的具体步骤为：通过分形理论，建立土水特征曲线和非反应性离子穿透曲线的分形模型，采用土水特征曲线的分形模型拟合步骤1)得到的土水特征曲线，得到分形模型中分形参数，把分形参数代入穿透曲线的分形模型中，得到穿透曲线，采用非反应性离子的对流-弥散模型的解析解拟合穿透曲线，确定矿体的弥散度。

优选地，所述矿体的水力性质包括土水特征曲线和非饱和渗透系数

优选地，步骤3)中在探矿过程中，需要同时测试矿土样品上吸附的稀土离子和杂质离子的量，杂质离子包含矿土颗粒表面吸附的所有非稀土阳离子，采用加权平均法确定杂质离子的平均价态。

优选地，步骤4)中，铵离子和稀土离子的交换过程以及铵离子和杂质离子的交换过程均采用双参数模型描述，通过交换过程中，矿土颗粒表面的吸附位守恒，来考虑稀土离子和杂质离子的竞争交换特性。

优选地，步骤1)中，先开挖一个见矿深度为0.50m～1.00m，直径为0.10m～0.20m的注液孔，然后在与注液孔中轴线同一平面内开挖至少3条贯穿矿层的传感器埋设孔，每个传感器埋设孔内埋置至少3个水分传感器。

优选地，相邻水分传感器的垂直间距为0.50m～1.50m。

优选地，步骤1)中采用vangenuchten-mualem模型描述矿体的水力性质。

本发明的有益效果是：该方法基于原位测试水力性质和弥散度，同时考虑稀土离子和杂质离子对浸矿剂的消耗，结合水流运动和溶质运移理论，建立了离子型稀土矿浸出过程的数值模拟方法，提出的方法考虑了水力性质、弥散度、稀土品位和杂志品位的空间分布对稀土离子浸出的影响，根据提出的浸出过程的数值模拟方法，建立了有理论基础的确定浸矿剂浓度和用量的方法，摆脱现有依赖工程经验确定浸矿剂浓度和用量的局限性。

附图说明

图1为水分传感器布置示意图。

图2为含水率的测试值。

图3为水力性质的测试结果。

图4为稀土和杂质离子浓度的测试值和拟合值。

图5为确定注液方案的轮廓图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

第一步，测试矿体的水力性质，

在福建长汀某离子型稀土矿区选择一横截面面积953.20m²、矿层厚度为7.54m的矿体，选择一位置，各开挖一个见矿深度为0.50m、直径为0.15m的注液孔，开挖过程中采用取土钻取原状土，通过烘干法测试初始质量含水量，结果为16.87％，干密度为1.35g/cm³；在与注液孔中轴线同一平面内开挖3条贯穿矿层的传感器埋设孔，相邻埋设孔的水平间距为1.00m，每个传感器埋设孔内埋置3个水分传感器，相邻水分传感器的垂直间距为1.00m，水分传感器布置示意图如图1所示，其中1为表土层，2为矿层，3为注液孔，4为传感器埋设孔，5为水分传感器，水分传感器所在位置也称为测点，往注液孔内注入去离子水，通过水分传感器记录各位置处的含水率变化，即得到测点处含水率的测试值，结果如图2所示，采用vangenuchten-mualem模型描述矿体的水力性质，水力性质中土水特征曲线和非饱和渗透系数分别为关系式(1)和关系式(2)，水分在矿体内的渗流过程采用richards方程描述(关系式(3))，以周边测点作为中间测点的边界条件，采用差分法解关系式(3)，得到中间测点p5含水率随时间变化的计算值，以关系式(4)作为目标函数，以水力参数(θr、n、α和ks)作为基本未知量，采用内点算法得到极小化目标函数对应的水力参数，结果为(0.0665m³/m³，1.778，1.198m^-1，0.3203m/d)，把水力参数的计算结果分别代入关系式(1)和关系式(2)中，可以测试得到矿体的水力性质，结果如图3所示，这种确定矿体水力性质的方法称为水力性质反分析法。

关系式(1)～关系式(4)中，θ为体积含水率，简称含水率，θr和θs分别为残余含水率和饱和含水率，α、n和m为与孔隙分布相关的参数，m＝1-1/n，h为负压水头，ks和k分别为饱和、非饱和渗透系数，d为扩散系数，d＝-kdθ/dh，t为时间，z为垂直坐标，r为径向坐标，of为目标函数，b为水力参数，b＝b(θr，n，α，ks)，||||2为2-范数运算，为中间测点含水率测试值，θb为水力参数取b时对应中间测点p5含水率的计算值；

第二步，测试矿体的弥散度，

以hmax和df为基本未知数，采用关系式(5)所示的土水特征曲线分形模型拟合第一步测试的土水特征曲线，得到hmax和df分别为0.4837m和2.510；把hmax和df代入关系式(6)，得到分形理论下，非反应性离子的穿透曲线，以弥散度αl和真实孔隙流速ul为基本未知量，采用关系式(7)拟合穿透曲线，得到αl和ul分别为4.61×10^-2m/d和0.2314m/d；

关系式(5)～关系式(7)中，hmax为最大孔径对应的负压水头，df为分形维数，cf为分形模型的非反应性离子的出流浓度，rmin和rmax分别取0.53×10^-6m和1.23×10^-6m，rl为矿体内的孔隙半径，j＝2.43×10⁶，lz为矿层厚度，当时，qr＝0，当时，ccde为对流-弥散方程的出流浓度，ul为真实孔隙流速，dl为水动力弥散系数，dl＝αlul，αl为弥散度；

第三步，确定浸矿前矿体稀土品位和杂质品位的空间分布，

在矿体上每隔15.00m打一贯穿矿层的直径为0.12m的探矿孔，每隔1.50m取一次样，20g/l的硫酸铵连续浸矿，采用icp-ms仪器测试浸出液中的稀土和所有杂质离子的浓度，采用各种杂质离子的价态与浓度乘积除以总浓度的加权平均方式，确定杂质离子的平均价态，结果为+2.31，将浸出液中稀土和杂质对应氧化物的质量除以矿土质量，得到矿土的稀土和杂质品位，各坐标处稀土和杂质离子品位(x,y,z,εre,εim)(x、y和z为坐标，εre和εim分别为稀土和杂质品位)的空间分布分别为(7.5,7.5,1.5,0.26‰,0.40‰)、(7.5,7.5,3.0,0.65‰,0.12‰)、(7.5,7.5,4.5,0.80‰,0.13‰)、(7.5,7.5,6.0,0.51‰,0.32‰)、(7.5,22.5,1.5,0.25‰,0.36‰)、(7.5,22.5,3.0,0.55‰,0.23‰)、(7.5,22.5,4.5,0.85‰,0.10‰)、(7.5,22.5,6.0,0.43‰,0.30‰)、(22.5,7.5,1.5,0.22‰,0.41‰)、(22.5,7.5,3.0,0.70‰,0.26‰)、(22.5,7.5,4.5,0.65‰,0.29‰)、(22.5,7.5,6.0,0.47‰,0.33‰)、(22.5,22.5,1.5,0.24‰,0.43‰)、(22.5,22.5,3.0,0.47‰,0.32‰)、(22.5,22.5,4.5,0.85‰,0.09‰)和(22.5,22.5,6.0,0.28‰,0.51‰)；

第四步，确定稀土离子和杂质离子与铵离子交换的模型参数，

取10个100ml的离心盒，分别加入10g～50g(本实施例为20g)矿土，依次加入80ml的1.0g/l～20.0g/l的硫酸铵溶液，采用磁力搅拌器搅拌2h，采用icp-ms仪器测试浸出液中稀土离子和杂质离子浓度，结果如图4所示，铵离子和稀土离子以及铵离子和杂质离子的交换过程均采用双参数模型进行描述，如关系式(8)和关系式(9)所示；

关系式(8)和关系式(9)中，vl和ms分别为加入的硫酸铵溶液体积和矿土质量，p1、p2、p3和p4均为双参数模型的模型参数，和分别为浸矿前矿样上稀土离子和杂质离子的浓度，εre和εim分别为稀土品位和杂质品位，mre和mreo分别为稀土离子和稀土氧化物的相对分子质量，mim和mimo分别为杂质离子和相应氧化物的相对分子质量，mn为铵离子的相对分子质量，和分别为浸出液中稀土离子和杂质离子的浓度，为加入的硫酸铵溶液浓度；

采用关系式(8)和关系式(9)拟合图4中的试验数据，确定稀土离子和杂质离子与铵离子交换的模型参数(p1，p2，p3，p4)为(3.82，24.57，3.96，27.23)，从而得到图4中的拟合值曲线；

第五步，注液工艺的优化，

采用式(10)描述水分在矿体内的渗流过程，采用关系式(11)描述铵离子、稀土离子和杂质离子在矿体中的运移过程，

关系式(10)和关系式(11)中，对于铵离子，x＝nh，对于稀土离子，x＝re，对于杂质离子，x＝im，kx、ky和kz分别为x、y和z方向的非饱和渗透系数，ux、uy和uz分别为x、y和z方向的真实孔隙流速，dx、dy和dz分别为x、y和z方向的水动力弥散系数，dx＝αxux，dy＝αyuy，dz＝αzuz，αx、αy和αz分别为x、y和z方向的弥散度，假设矿土各项同性问题，ux＝uy＝uz＝ul，αx＝αy＝αz＝α，kx＝ky＝kz＝k；

将浸矿过程等效为均匀注液情况，在矿层与表土层的分界处，含水率恒定为0.4500m³/m³，先注入的硫酸铵浓度为20g/l，后注入顶水，采用关系式(10)计算矿体内的含水率分布情况，再采用关系式(11)计算铵离子、稀土离子和杂质离子在对流和弥散作用下的分布情况，最后通过关系式(8)和关系式(9)修正铵离子、稀土离子和杂质离子在矿体内的分布，在此过程中，可以得到稀土离子的穿透曲线，当稀土离子浓度小于0.1g/l时，浸矿结束，计算尾矿内的稀土离子分布，采用关系式(12)计算稀土浸取率，

关系式(12)中，ηre为稀土浸取率，lx、ly和lz分别为矿体的长、宽和矿层厚度，为浸矿后矿体内稀土离子浓度的分布；

改变注入的硫酸铵溶液浓度和总量，可以得到稀土浸取率随注入的硫酸铵溶液浓度和用量的变化关系，结果如图5所示，设定目标浸取率为0.95，在图中画一条垂直线，向右水平移动，与浸取率为0.95的轮廓线的第一个交点坐标即为注入的硫酸铵浓度和用量，结果分别为134.63t和35.16g/l，在矿体上布置1.50m×1.50m的注液孔网，在山脚以稀土品位为0.25‰作为边界品位布置收液工程，往注液孔网内注入浓度为35.16g/l的硫酸铵溶液，待134.63t硫酸铵全部注完后，再注顶水，等到母液中稀土离子浓度小于0.01g/l后浸矿完成，取尾矿测试矿体的尾矿稀土品位，计算浸矿过程的真实浸取率，结果为0.93，由此可见，本专利提出的方法能较好的确定注液方案(注入的硫酸铵溶液浓度和用量)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，同样也应视为本发明的保护范围。