CN103205566B - 原地浸矿渗流试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原地浸矿渗流试验系统，主要由注液部分、压力容器组成，压力容器又包括箱体和与箱体法兰盘连接的箱盖以及布置在箱体中的孔隙水压力测试部分、收液部分、渗漏底板、集液空间。适用于研究原地浸矿溶液渗流过程、渗流规律和优化收液工程布置，通过准确控制注液压力，调节收液管孔径、密度及位置，控制底板渗漏量和渗漏裂隙位置，实现研究不同地地质条件和工艺参数下离子型稀土原地浸矿渗流过程和渗流规律，为合理确定实际注液速度和优化收液工程布置提供试验平台。

Description

原地浸矿渗流试验系统

技术领域

本发明涉及一种原地浸矿渗流试验系统，适用于研究原地浸矿溶液渗流过程、渗流规律和优化收液工程布置，通过准确控制注液压力，调节收液管孔径、密度及位置，控制底板渗漏量和渗漏裂隙位置，实现研究不同地地质条件和工艺参数下离子型稀土原地浸矿渗流过程和渗流规律，为合理确定实际注液速度和优化收液工程布置提供试验平台。

背景技术

稀土是镧、铈和镨等17种稀有元素的总称，是一组同时具有电、磁、光以及生物等多种特性的新型功能材料，是信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料。稀土用途广泛，需要使用稀土的功能材料种类繁多，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。江西、广东等南方五省的离子型稀土属中重稀土资源，至今仅在我国发现，经济价值极高，十分宝贵，已被我国政府列为实行国家保护性开采特定矿种。

离子型稀土矿的开采工艺经历了池浸工艺和堆浸工艺，现已发展到原地浸矿。原地浸矿开采离子型稀土的工艺是在稀土矿体区域布置注液井网，通过注液井向矿体注入浸取剂溶液，使其与稀土离子发生交换反应形成母液，母液从收液工程流出，用草酸沉淀母液中的稀土，实现资源回收的目的。由于原地浸矿开采过程中不需剥离表土，不开挖与搬运矿体，达到不破坏植被，环境污染小，稀土资源回采率大幅提高的目的，被称为“绿色高效”的开采工艺，取得了较好的社会和经济效益。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。

如何高效回收母液是原地浸矿工艺面临的核心技术难题之一，特别是开采地质条件复杂、底板裂隙发育的稀土矿体。大部分稀土矿山没有完好底板，如赣南70%的稀土矿山中不具备完好底板，因而收液技术直接决定原地浸矿工艺的生命力。为此开展了大量的技术研究工作，先后提出了水封闭法和负压法等收液技术等。

矿体赋存条件不同，实施原地浸矿工艺时，所布置开采工程及其参数也不同。根据矿体赋存和矿区地质条件，主要分为全覆式和裸脚式稀土矿山。对于全覆式稀土矿山，目前被工程实践证明收液效果最好的是导流孔—收液巷道组合收液技术，但是该收液技术运用于中钇富铕“鸡窝状”严重的稀土矿山时，因导流孔布置不合理，导致收液效果不理想，不仅浪费了宝贵的稀土资源，还造成了土壤和地下水系的污染，给矿区周边地区的生产和生活带来危害。对于裸脚式稀土矿山，因裂隙渗漏导致相当部分的母液流失，有些矿山甚至大部分母液无法回收，而目前还没有有效渗漏裂隙探测和评价技术手段，给推广原地浸矿工艺带来了困难。不管是全覆式还是裸脚式稀土矿山，对于复杂地质条件下实施原地浸矿时，收液效果不甚理想，甚至还容易引起地质灾害和环境污染等问题。究其原因，主要是离子型稀土矿床复杂和对于原地浸矿的基础研究不够，特别是浸取剂溶液在贫杂矿体中的扩散和渗流的过程、规律、机理研究不够，难以建立相应的原地浸矿模型来指导工业生产，直接影响到原地浸矿技术在稀土矿山的应用，需要针对不同地域的稀土矿进行浸取水动力学、浸取动力学及浸取传质过程的研究，建立相应的数学模型。对于稀土原地浸矿的收液问题，由于浸取水动力学理论研究落后于收液技术发展，导致主要依靠经验布置导流孔和收液巷道，缺乏理论指导，具有一定的盲目性。因此常常出现导流孔和收液巷道布设位置不对；导流孔收液失效或者导流孔收液效果不能满足要求；或者为保证收液效果而盲目加密、增多导流孔数量等情况，造成不必要的浪费。

稀土原地浸矿开采过程是一个溶液在稀土矿山渗流的过程，渗流规律控制了开采的各个技术环节。溶液在矿体和土层的渗流规律受到矿物性质、矿体颗粒大小及级配、孔隙比、饱和度、渗漏裂隙等因素的影响。目前对常见岩土类材料的渗流规律进行了较深入的研究，但稀土矿层的渗流规律研究较少。由于稀土矿层具有自身的特性，溶液渗流过程与离子交换相互耦合，同时不可避免地改变土体微观结构，进而导致土体的土性参数发生变化，另外，溶液在稀土矿体的渗流过程中还受到复杂多变的渗漏裂隙、密集导流孔和收液巷道的影响，很难将一般岩土体的渗流规律直接运用到稀土矿的原地浸矿工艺。

综上所述，原地浸矿工艺可以很好解决稀土资源绿色开采问题，但是目前该工艺仅适用于开采有完整底板的矿体，收液技术限制了该工艺的进一步推广。开展底板裂隙发育条件下导流孔和收液巷道对稀土原地浸矿渗流控制机制的研究，将有助突破限制原地浸矿工艺推广的瓶颈。

离子型稀土资源分布范围广，如江西省赣州市离子型稀土资源分布面积超过几百平方公里，包含多种类型地质条件，再加上原地浸矿工艺推广时间较短，工艺本身还面临不少技术问题，难以适用于复杂多变的地质条件。目前，原地浸矿工艺面临的主要问题有：（1）如何合理确定注液速度，注液速度过大容易诱发滑坡和泥石流，注液速度过小，导致部分矿体未发生浸取反应，降低资源回收率；（2）如何合理确定全覆式稀土矿山人造底板的工程参数，因全覆式稀土矿山没有天然底板，需开挖收液巷道和导流孔作为人造底板，稀土矿物理和地质条件对人造底板的收液效果影响很大，需要合理优化人造底板的工程参数；（3）如何合理评价裸脚式稀土矿山底板对渗流场的影响，大部分稀土矿山不存在完好底板，不同程度的影响了母液回收率，因而准确掌握矿体底板渗漏裂隙位置及其对渗流场的影响规律是制定裸脚式稀土矿山原地浸矿方案的前提；（4）渗透系数非均匀条件下如何合理布置收液工程。因未对原地浸矿渗规律进行深入研究，目前工程上主要依赖经验解决上述问题，导致实施原地浸矿工艺时难免引发地质灾害和环境污染等问题，影响原地浸矿工艺适用性。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种原地浸矿渗流试验系统，通过试验数据来确定实际原地浸矿工艺条件和参数。

本发明的技术方案：一种原地浸矿渗流试验系统，包括压力容器和向压力容器注入浸取剂溶液的注液部分，压力容器的上部设置有压力容器注液口；所述的压力容器包括箱体和与箱体法兰盘连接的箱盖以及布置在箱体中的集液空间、渗漏底板、孔隙水压力测试部分、收液部分；所述的集液空间位于箱体的底部，由设置在箱体底部的支撑板和放置在支撑板上端的渗漏底板以及箱体的底部围成，支撑板上布置有母液汇集通孔，集液空间的出口设置有球阀和电磁流量计；所述的渗漏底板包括从上而下依次布置的带长条孔的塑料板、滤纸、透水石和布有渗漏孔的钢板；所述的孔隙水压力测试部分由孔隙水压力传感器、导线和自动化数据采集仪组成，自动化数据采集仪布置在箱体外，导线穿过箱体壁上的孔隙水压力传感器导线引出口将箱体内的孔隙水压力传感器和自动化数据采集仪连接起来；所述的收液部分布置在渗漏底板上方，包括收液管、与收液管一端连通的软管以及与软管连通且安装在箱体壁上的球阀，收液管另一端封堵；收液管为圆管或半圆管，当收液管为圆管时，圆管上半部布有圆管小孔；

所述的注液部分包括浸取剂溶液容器、布置于浸取剂溶液容器中的潜水泵、在潜水泵的输出管路上依次安装的止回阀、水压力表、电磁流量计以及连接于潜水泵和水压力表之间的变频器，其输出连通到压力容器注液口。

一种原地浸矿渗流试验系统，所述的集液空间高度为5—10cm。

一种原地浸矿渗流试验系统，所述渗漏底板的塑料板中含有长条孔，其尺寸为：宽×长=0.5—5㎝ ×0.2—0.8m，钢板上渗漏孔的孔径为0.5—3㎝。

一种原地浸矿渗流试验系统，所述的孔隙水压力传感器埋置数量为八至十二个。

一种原地浸矿渗流试验系统，所述的收液管设置成两排，每排按每米2—4个确定收液管，下排距渗漏底板高度为10—15cm，上排距渗漏底板高度为40—50cm，两排错位布置；当收液管为圆管时，圆管上半部布有的圆管小孔孔径为1—2mm。

一种原地浸矿渗流试验系统，在箱体下设置有滚轮和高低可调底座。

本发明的积极效果：（1）可以任意且连续调节注液压力或注液量，开展不同注液条件下渗流场变化规律研究，确定合理的注液速度，有效控制原地浸矿诱发的山体滑坡和泥石流等地质灾害。（2）可以调节收液管的孔径、间距、高度和制作不同试验矿样，获取浸矿过程试验矿样内水压力的动态变化规律，优化全覆式稀土矿山人造底板的工程布置，提高母液和稀土资源的回收率，减少环境污染。（3）通过调节试验系统底部电磁流量计的流量和渗漏裂隙大小及位置，研究不同土性参数下渗漏底板对渗流场的影响规律，合理评价渗漏底板和优化裸脚式稀土矿山收液工程布置，确定不同地质条件下的经济、高效、绿色的原地浸矿开采方案。

附图说明

图1为本发明注液部分示意图。

图2为本发明压力容器的结构示意图。

图3为图2的右视图。

图4为本发明压力容器中的收液部分（放大）的结构示意图（与图2投影方向相同）。

图5为本发明压力容器中的渗漏底板（放大）的结构示意图（与图3投影方向相同）。

图6为本发明压力容器中的集液空间（放大）的结构示意图（图3中集液空间俯视图）。

图中：1、浸取剂溶液；2、潜水泵；3、浸取剂溶液容器；4、变频器；5、止回阀；6、水压力表；7、电磁流量计； 8、压力容器注液口；9、箱盖； 10.法兰盘；11、箱体；12、孔隙水压力传感器导线引出口；13、收液部分；14、渗漏底板；15集液空间；16、滚轮；17、高低可调底座；18、球阀；19、软管；20、粗砂；21、圆管小孔；22、圆管（收液管）；23、渗漏底板；24、塑料板；25、滤纸；26、透水石；27、钢板；28、支撑板；29、母液汇集通孔。

具体实施方式

如附图所示，本发明主要由注液部分、压力容器组成，压力容器又包括箱体和与箱体法兰盘连接的箱盖以及布置在箱体中的孔隙水压力测试部分、收液部分、渗漏底板、集液空间，每一部分具有独立的功能，通过集成各部分功能，从而达到开展试验研究原地浸矿渗流场的目的。

试验前在压力容器的渗漏底板上堆放好稀土试验矿样，试验矿样需高出收液管，试验矿样中还埋有孔隙水压力传感器，然后关闭压力容器，注液部分通过压力容器的注液口向压力容器中注入压力可调的浸取剂溶液。浸取剂溶液在试验矿样中渗流，同时发生离子交换反应，反应后浸取剂溶液变成母液，一部分母液从收液部分的收液管流出；另一部分母液经渗漏底板，从集液空间流出。通过改变收液管和渗漏底板的参数，母液从收液管和集液空间流出的比例发生变化，同时通过孔隙水压力测试部分获取试验矿样内部的孔隙水压力，从而实现研究收液管和渗漏底板对原地浸矿渗流场的影响规律。各部分组成及工作过程详说如下。

一、注液部分：

通过大量的离子型稀土矿山地质调查和已开展的相关研究，确定注液压力为0-0.6MPa。注液部分如图１所示，由变频器、止回阀、水压力表、电磁流量计、浸取剂溶液容器、潜水泵组成，采用不锈钢管连接。潜水泵将抽取浸取剂溶液经止回阀、压力表、电磁流量计和压力容器注液口注入压力容器。在潜水泵和水压力表中间连接一个变频器，实现动态控制注液压力。通过调节注液压力，有效模拟不同高度注液引起母液流出的渗流过程。

二、压力容器：

压力容器为箱型，长×宽×高=1—2m×0.5—1m×1—1.5m，根据试验需要可以调整压力容器大小。压力容器分为箱盖和箱体，箱盖和箱体采用法兰盘连接。试验前，先将箱盖搬走，再分层向压力容器装入、压实制作试验矿样，最后用螺栓连接箱盖和箱体。根据最大注液压力确定压力容器壁厚，如果计算得到的壁厚过大，可以通过在压力容器四周焊接槽钢，减小试验系统的自重和控制压力容器的变形。试验过程中，压力容器会发生弹性变形，如果变形过大，会造成浸取剂溶液从矿样与压力容器壁的间隙向下渗流。为避免浸取剂溶液从矿样与压力容器的间隙向下渗流，试验系统采取了三个措施：一是在设计压力容器时，要严格控制压力容器的变形；二是在试验矿样顶部与压力容器壁的间隙注入适量的浆体，浆体必须与浸取剂溶液不发生反应；三是收液管与压力容器内壁的间距大于5cm，保证浸取剂溶液不能直接进入收液管。考虑试验过程中底座承受的载荷较大，同时便于搬运试验系统，底座设计成滚轮+高低可调底座，搬运过程中采用滚轮支撑，试验时采用高低可调底座支撑。

在压力容器中制作试验矿样，选取有代表性取样点，采用钻孔取土器取矿样，测试矿样孔隙比和密实度，采用原位渗透系数测试仪现场测试渗透系数，采用加权平均法确定矿区土体的孔隙比、密实度和渗透系数。现场开挖矿样运至实验室。根据研究目的选用相应的原则，基本原则为矿样的孔隙比（或密实度，或渗透系数）应与矿区土体对应土性参数一致。采用分层压实法制作试验矿样，每一分层高度不超过15cm。矿样的制作过程：（1）根据基本原则确定试验矿样的孔隙比；（2）根据制作试验矿样的分层数和矿样含水量，确定各分层矿样质量；（3）根据压力容器的面积和试验矿样的孔隙比，计算各分层高度；（4）分层装入并压实制作试验矿样。

压力容器中还布置有集液空间、渗漏底板、孔隙水压力测试部分、收液部分，分述如下：

1、集液空间：

在压力容器的底部设置有支撑板，支撑板上布置有母液汇集通孔，支撑板上端放置有渗漏底板，压力容器的底部与渗漏底板之间构成母液汇集空间——集液空间，其高度为5—10cm，集液空间的出口设置有球阀和电磁流量计，如图6所示。对于均匀渗漏底板，可以通过改变集液空间出口电磁流量计的流量有效控制渗漏底板的渗漏量。为便于试验过程母液汇集，可以适当调整试验系统底座的高度。

2、渗漏底板：

渗漏底板设置在集液空间的支撑板上，包括从上而下依次布置的带长条孔塑料板、滤纸、透水石和布有渗漏孔（孔径0.5—3㎝）的不锈钢板，如图5所示。其用于堆放试验矿样，母液通过渗漏底板汇集在集液空间，母液通过支撑板上的母液汇集通孔流向压力容器右侧壁出口的球阀，从电磁流量计中流出。塑料板主要用于研究渗漏裂隙对渗流场的影响规律，在塑料板中制作若干不同大小的细长孔洞（宽×长=0.5—5㎝ ×0.2—0.8 m），用于模拟不同的渗漏裂隙。当模拟均匀渗漏的底板时，将塑料板拿走，通过改变集液空间出口处的电磁流量计流量，实现模拟研究不同渗漏条件下渗流规律。为了便于清洗集液空间，不焊接渗漏底板与压力容器内壁。

3、孔隙水压力测试部分：

孔隙水压力测试部分由孔隙水压力传感器、导线和自动化数据采集仪组成。孔隙水压力传感器布置在试验矿样中，自动化数据采集仪放置在压力容器外。根据试验研究目的，设计孔隙水压力传感器的布置位置，在试验矿样中埋置八至十二个孔隙水压力传感器，在压力容器的两侧开有孔隙水压力传感器导线引出口，将传感器导线引出，为保证浸取剂溶液不从导线孔流出，需将孔隙水压力传感器导线引出口密封。导线将孔隙水压力传感器和自动化数据采集仪连接起来，实施动态测试，记录试验过程中试验矿样渗流孔隙水压力变化。

4、收液部分：

收液部分可以采用圆管式收液或半圆管式收液。

圆管式收液：收液管为防腐材料做成的圆管（如不锈钢圆管），管径为20—30cm，圆管上半部钻有大量圆管小孔的，圆管小孔孔径为1—2mm，圆管小孔为母液流入圆管的通道。圆管小孔孔径的具体尺寸需要综合矿样粒径及其级配确定，一般来说，小颗粒矿样和级配良好，其孔径应适当减小。在圆管上面用粗砂铺设成半圆环状，通过改变粗砂厚度模拟不同孔径的收液管，粗砂粒径为圆管小孔直径的1.5—2倍，保证渗流过程砂砾不堵住圆管小孔，影响母液流入圆管。圆管的一端通过软管与压力容器侧壁外的球阀连通，另一端密封，保证母液只能从圆管上半部分流入。采用软管连接的目的是便于改变收液管的空间位置，根据收液的空间位置确定软管长度，一般应大于5cm。

半圆管式收液：试验前确定收液管直径，将防腐圆管沿轴心线锯成两半，半圆管开口朝上布置于压力容器内，在半圆管内用粗砂铺成圆柱状，圆柱状粗砂的上半圆部分为母液进入收液管的入渗面，半圆管能够保证进入收液管的母液不外渗。半圆管式的主要技术要求：粗砂的渗透系数应大于试验矿样的渗透系数的10倍；半圆管的一端通过软管与压力容器侧壁外的球阀连通，另一端封堵，半圆管两端与压力容器壁的距离应大于5cm。

如图4所示，收液部分布置在渗漏底板上方。在压力容器的壁上开上下两排孔作为收液管与软管的出口，下排孔距渗漏底板高度为10—15cm，上排孔距渗漏底板高度为40—50cm，两排孔错位布置，收液管与软管出口与球阀连通。目前原地浸矿工艺采用的是每米布置4—5个收液管，水射流成孔，减小母液透过孔壁进入收液管的入渗阻力。

Claims (6)

1.一种原地浸矿渗流试验系统，其特征是：包括压力容器和向压力容器注入浸取剂溶液的注液部分，压力容器的上部设置有压力容器注液口；所述的压力容器包括箱体和与箱体法兰盘连接的箱盖以及布置在箱体中的集液空间、渗漏底板、孔隙水压力测试部分、收液部分；所述的集液空间位于箱体的底部，由设置在箱体底部的支撑板和放置在支撑板上端的渗漏底板以及箱体的底部围成，支撑板上布置有母液汇集通孔，集液空间的出口设置有球阀和电磁流量计；所述的渗漏底板包括从上而下依次布置的带长条孔的塑料板、滤纸、透水石和布有渗漏孔的钢板；所述的孔隙水压力测试部分由孔隙水压力传感器、导线和自动化数据采集仪组成，自动化数据采集仪布置在箱体外，导线穿过箱体壁上的孔隙水压力传感器导线引出口将箱体内的孔隙水压力传感器和自动化数据采集仪连接起来；所述的收液部分布置在渗漏底板上方，包括收液管、与收液管一端连通的软管以及与软管连通且安装在箱体壁上的球阀，收液管另一端封堵；收液管为圆管或半圆管，当收液管为圆管时，圆管上半部布有圆管小孔；

所述的注液部分包括浸取剂溶液容器、布置于浸取剂溶液容器中的潜水泵、在潜水泵的输出管路上依次安装的止回阀、水压力表、电磁流量计以及连接于潜水泵和水压力表之间的变频器，其输出连通到压力容器注液口。

2.根据权利要求1所述的一种原地浸矿渗流试验系统，其特征是：所述的集液空间高度为5—10cm。

3.根据权利要求1所述的一种原地浸矿渗流试验系统，其特征是：所述渗漏底板的塑料板中含有长条孔，其尺寸为：宽×长=0.5—5㎝ ×0.2—0.8m，钢板上渗漏孔的孔径为0.5—3㎝。

4.根据权利要求1所述的一种原地浸矿渗流试验系统，其特征是：所述的孔隙水压力传感器埋置数量为八至十二个。

5.根据权利要求1所述的一种原地浸矿渗流试验系统，其特征是：所述的收液管设置成两排，每排按每米2—4个确定收液管，下排距渗漏底板高度为10—15cm，上排距渗漏底板高度为40—50cm，两排错位布置；当收液管为圆管时，圆管上半部布有的圆管小孔孔径为1—2mm。

6.根据权利要求1所述的一种原地浸矿渗流试验系统，其特征是：在箱体下设置有滚轮和高低可调底座。

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