CN104046774A - 裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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。

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。

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Φ6mm的PVC管，下端1m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。

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。

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。

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。

(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。

(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。

(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

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。

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。

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：

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—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K_p、典型山脊处矿体的渗透系数K_j和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—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—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＝H₁-b(x-l)²

关系式1中：H为矿体上表面高程，H₁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，l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，l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＝H_j0(1-a_j1x²)(1-b_j1y²)

关系式3中：H为矿体上表面高程，H_j0为矿体上表面最大高程；a_j1和b_j1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＝z_j0(1-a_j2x²)(1-b_j2y²)

关系式4中：z为隔水底板上表面高程，z_j0为隔水底板上表面最大高程；a_j2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＝H_g0{1+ξ_g1[1-cos(a_g1x)]}(1-b_g1y²)

关系式5中：H为矿体上表面高程，H_g0为矿体上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g1为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；a_g1和b_g1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＝z_g0{1+ξ_g2[1-cos(a_g2x)]}(1-b_g2y²)

关系式6中：z为隔水底板上表面高程，z_g0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；a_g2和b_g2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H₁、b、a、l，结合第1步测试结果确定典型山坡处矿体的渗透系数K_p，采用关系式7计算注液强度；

关系式7：

W＝2bK_p[H₁+al²-3(a+b)(x-l)²]

关系式7中：W为注液强度，b为矿体上表面形状参数，K_p为典型山坡处矿体的渗透系数，H₁为矿体上表面的最大标高，a为隔水底板上表面形状参数，l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H_j0、a_j1、b_j1、z_j0、a_j2、b_j2，结合第1步测试结果确定典型山脊处矿体的渗透系数K_j，采用关系式8计算注液强度；

关系式8：

$\begin{array}{c}\frac{W}{K_j}={2H}_{j0}{a}_{j1}(1-b_{j1}{y}^2)[H_{j0}(1-3a_{j1}{x}^2)(1-b_{j1}{y}^2)-z_{j0}(1-{3a}_{j2}{x}^2)\left({1-b}_{j2}{y}^2\right)]\\ +{2H}_{j0}{b}_{j1}\left({1-a}_{j1}{x}^2\right)\left[H_{j0}(1-a_{j1}{x}^2)\left({1-3b}_{j1}{y}^2\right){-z}_{j0}\left({1-3b}_{j2}{y}^2\right)(1-a_{j2}{x}^2)\right]\end{array}$

关系式8中：W为注液强度，K_j为典型山脊的渗透系数，H_j0为矿体上表面最大高程；a_j1和b_j1为矿体上表面形状参数，z_j0为隔水底板上表面最大高程，a_j2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，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数H_g0、ξ_g1、a_g1、b_g1、ξ_g2、z_g0、a_g2、b_g2，结合第1步测试结果确定典型山谷处矿体的渗透系数K_g，采用关系式9计算注液强度；

关系式9：

$\begin{array}{c}\frac{W}{K_g}=-H_{g0}^2{\mathrm{\ξ}}_{g1}{a}_{g1}{(1-b_{g1}{y}^2)}^2[a_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)\left({1+\mathrm{\ξ}}_{g1}\right)-a_{g1}{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left({2a}_{g1}x\right)]\\ +H_{g0}{\mathrm{\ξ}}_{g1}{a}_{g1}{z}_{g0}\left({1-b}_{g1}{y}^2\right)\left({1-b}_{g2}{y}^2\right)[a_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)(1+{\mathrm{\ξ}}_{g2}-{\mathrm{\ξ}}_{g2}\cos \left(a_{g2}x\right))+{\mathrm{\ξ}}_{g2}{a}_{g2}\sin \left(a_{g1}x\right)\sin \left(a_{g2}x\right)]\\ +2b_{g1}{H}_{g0}^2{[1+{\mathrm{\ξ}}_{g1}-{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)]}^2\left({1-3b}_{g1}{y}^2\right)\\ -2b_{g1}{H}_{g0}{z}_{g0}[{1+\mathrm{\ξ}}_{g1}-{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)][1+{\mathrm{\ξ}}_{g2}-{\mathrm{\ξ}}_{g2}\cos \left(a_{g2}x\right)]\left({1-3b}_{g2}{y}^2\right)\end{array}$

关系式9中：W为注液强度，K_g为典型山谷处矿体的渗透系数，H_g0为矿体上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g1为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；a_g1和b_g1为矿体上表面形状参数，z_g0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；a_g2和b_g2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：

$\begin{array}{c}\frac{W_{\mathrm{dj}}}{2\mathrm{\πK}}={(1-m)}^{\frac{1}{m}}{\left[\frac{{(1-\mathrm{\η})}^{1+m}{s}^{1+m}-{(1-\mathrm{\λ})}^{1+m}{l}_j^{1+m}}{(1+m)(R^{1-m}-r^{1+m})}\right]}^{\frac{1}{m}}+{\left(r^{2m-1}s\right)}^{\frac{1}{m}}\\ +2\×{\left(\frac{6\mathrm{\ηs}}{m}\right)}^{\frac{1}{m}}[(1+4\×{0.5}^{m-1}){(\frac{{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{4}+r^2)}^{1/2-m}+4\×{0.5}^{m-1}{(\frac{25{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{16}+r^2)}^{1/2-m}+{(\frac{49{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{16}+r^2)}^{1/2-m}]\end{array}$

关系式10中：W_dj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，l_j为潜水非完整孔在潜水面以下的长度，η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：

$R=2s\sqrt{\mathrm{Kh}}$

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，K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l_jj(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l_pj(垂直山坡走向)，采用关系式12计算排距；

关系式12：

$l_{\mathrm{pj}}=\frac{W_{\mathrm{dj}}}{{\mathrm{Wl}}_{\mathrm{jj}}}$

关系式12中：l_pj为排距，l_jj为孔距，W为第3步计算得到的注液强度，W_dj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。

本发明的积极效果：

(1)实施注液和收液工程布置优化方法时，只需增加少量钻孔，结合生产勘探资料，获取矿体的基本形状，根据矿体基本形状确定注液强度分布和孔网参数，操作简单；

(2)对复杂地形条件和矿体赋存条件的矿山，可以主动调整测线和测点的数量，能够实现精度可调可控，实现资源充分回收；

(3)充分利用生产勘探资料，将勘探孔作为矿体形状控制测点，测点处的钻孔作为浸润线的监测孔，因此优化注液和收液工程布置的成本低；

(4)在实施原地浸矿工艺时，主动调节注液工程布置，充分浸矿和洗矿，充分回收资源，减少浸矿剂残留量，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。

具体实施方式

采用本发明提出优化方法，在龙南足洞矿区的某矿块进行了不公开试验，该矿块属于裸脚式离子型稀土矿山。矿块面积为13.5亩，开采前某公司对该矿块采用20×20m勘探网进行了生产勘探，并提交了生产勘探报告，估算矿块SR₂O₃品位达到边际品位以上保有资源量：矿石量为39622.47吨，(SR₂O₃)资源量为17.16吨；SR₂O₃品位达到0.02％以上保有资源量：矿石量为62147.87吨，(SR₂O₃)资源量为22.13吨；SR₂O₃品位达到0.01％以上保有资源量：矿石量为77637.19吨，(SR₂O₃)资源量为25.31吨。

试验过程如下：

第1步，测试矿体的渗透系数：

该实施矿块面积较小，地形相对简单，结合生产勘探报告，在该矿块分别选择了1个典型山坡，1个典型山脊和1个典型山谷。

分别在典型山脊和山谷现场选1个点，采用钻孔降水头注水法，按照《注水试验规程》(YS5214-2000)测试，测得典型山脊处矿体的渗透系数K_j＝0.60m/d和典型山谷处矿体的渗透系数K_g＝0.65m/d。在典型山坡处选取2个点，通过取样室内测试得到矿体渗透系数分别为0.56m/d和0.68m/d，求平均值确定典型山坡处矿体的渗透系数K_p＝0.62m/d。另外还矿块内选3个点，通过取样室内测试得到矿体渗透系数分别为0.50m/d、0.53m/d和0.68m/d。对7个试验结果求平均值得到矿体的平均渗透系数K＝0.60m/d。

第2步，测试矿体和隔水底板形状：

在典型山坡布置2条测线，第1条测线布置7个测点，第2条测线布置6个测点，采用洛阳铲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，选定隔水底板上表面最低点为坐标原点建立坐标系，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＝H₁-b(x-l)²

关系式1中：H为矿体上表面高程，H₁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，l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，l为矿体在x方向的长度；

对典型山坡的拟合结果为H₁＝27m、b＝0.015、a＝0.0084、l＝41m。

在典型山脊布置5条测线，第1、2、4、5条测线布置4个测点，第3条测线布置5个测点，采用洛阳铲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，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＝H_j0(1-a_j1x²)(1-b_j1y²)

关系式3中：H为矿体上表面高程，H_j0为矿体上表面最大高程，a_j1和b_j1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＝z_j0(1-a_j2x²)(1-b_j2y²)

关系式4中：z为隔水底板上表面高程，z_j0为隔水底板上表面最大高程，a_j2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；

对典型山脊的拟合结果为H_j0＝13m；a_j1＝1/(44×44)、b_j1＝1/(56×56)、z_j0＝13m、a_j2＝1/(32×32)、b_j2＝1/(46×46)。

在典型山谷布置5条测线，第1、2、4、5条测线布置4个测点，第3条测线布置5个测点，采用洛阳铲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，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＝H_g0{1+ξ_g1[1-cos(a_g1x)]}(1-b_g1y²)

关系式5中：H为矿体上表面高程，H_g0为矿体上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g1为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；a_g1和b_g1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＝z_g0{1+ξ_g2[1-cos(a_g2x)]}(1-b_g2y²)

关系式6中：z为隔水底板上表面高程，z_g0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；a_g2和b_g2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；

对典型山谷的拟合结果为H_g0＝20m、ξ_g1＝4/20、a_g1＝π/24、b_g1＝1/(45×45)、z_g0＝12m、ξ_g2＝3/12、a_g2＝π/20、b_g2＝1/(35×35)。

第3步，计算注液强度分布：

对于典型山坡的拟合结果H₁＝27m、b＝0.015、a＝0.0084、l＝41m，结合第1步测试确定典型山坡处矿体的渗透系数K_p＝0.62m/d，将这些参数代入关系式7计算典型山坡的注液强度。

关系式7：

W＝2bK_p[H₁+al²-3(a+b)(x-l)²]

关系式7中：W为注液强度，b为矿体上表面形状参数，K_p为典型山坡处矿体的渗透系数，H₁为矿体上表面的最大标高，a为隔水底板上表面形状参数，l为矿体在x方向的长度，x为山坡的水平坐标。

由式7计算得到，从坡顶向坡脚、水平距离为24m范围内注液，坡顶上最大注液强度W＝0.23m³/(m²·d)，随山坡高程减小，注液强度逐渐减小。

对于典型山脊，由关系式3和关系式4确定形状参数H_j0＝13m；a_j1＝1/(44×44)、b_j1＝1/(56×56)、z_j0＝13m、a_j2＝1/(32×32)、b_j2＝1/(46×46)，结合第1步测试确定典型山脊处矿体的渗透系数K_j＝0.60m/d，将这些参数代入关系式8计算典型山脊的注液强度。

关系式8：

$\begin{array}{c}\frac{W}{K_j}={2H}_{j0}{a}_{j1}(1-b_{j1}{y}^2)[H_{j0}(1-3a_{j1}{x}^2)(1-b_{j1}{y}^2)-z_{j0}(1-{3a}_{j2}{x}^2)\left({1-b}_{j2}{y}^2\right)]\\ +{2H}_{j0}{b}_{j1}\left({1-a}_{j1}{x}^2\right)\left[H_{j0}(1-a_{j1}{x}^2)\left({1-3b}_{j1}{y}^2\right){-z}_{j0}\left({1-3b}_{j2}{y}^2\right)(1-a_{j2}{x}^2)\right]\end{array}$

关系式8中：W为注液强度，K_j为典型山脊处矿体的渗透系数，H_j0为矿体上表面最大高程；a_j1和b_j1为矿体上表面形状参数，z_j0为隔水底板上表面最大高程，a_j2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。

由关系式8计算得到，山脊处注液强度分布近似为抛物面，山脊最高处的注液强度最大，是W＝0.42m³/(m²·d)，沿分水线向山脚下延伸注液强度逐渐减小，从山顶沿分水线延伸36m为注液范围，从分水线向两侧坡底延伸，注液强度逐渐减小。

对于典型山谷，由关系式5和关系式6确定形状参数H_g0＝20m、ξ_g1＝4/20、a_g1＝π/24、b_g1＝1/(45×45)、z_g0＝12m、ξ_g2＝3/12、a_g2＝π/20、b_g2＝1/(35×35)，结合第1步测试确定典型山谷处矿体的渗透系数K_g＝0.65m/d，将这些参数代入关系式9计算典型山谷的注液强度。

关系式9：

$\begin{array}{c}\frac{W}{K_g}=-H_{g0}^2{\mathrm{\ξ}}_{g1}{a}_{g1}{(1-b_{g1}{y}^2)}^2[a_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)\left({1+\mathrm{\ξ}}_{g1}\right)-a_{g1}{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left({2a}_{g1}x\right)]\\ +H_{g0}{\mathrm{\ξ}}_{g1}{a}_{g1}{z}_{g0}\left({1-b}_{g1}{y}^2\right)\left({1-b}_{g2}{y}^2\right)[a_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)(1+{\mathrm{\ξ}}_{g2}-{\mathrm{\ξ}}_{g2}\cos \left(a_{g2}x\right))+{\mathrm{\ξ}}_{g2}{a}_{g2}\sin \left(a_{g1}x\right)\sin \left(a_{g2}x\right)]\\ +2b_{g1}{H}_{g0}^2{[1+{\mathrm{\ξ}}_{g1}-{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)]}^2\left({1-3b}_{g1}{y}^2\right)\\ -2b_{g1}{H}_{g0}{z}_{g0}[{1+\mathrm{\ξ}}_{g1}-{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)][1+{\mathrm{\ξ}}_{g2}-{\mathrm{\ξ}}_{g2}\cos \left(a_{g2}x\right)]\left({1-3b}_{g2}{y}^2\right)\end{array}$

关系式9中：W为注液强度，K_g为典型山谷处矿体的渗透系数，H_g0为矿体上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g1为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；a_g1和b_g1为矿体上表面形状参数，z_g0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；a_g2和b_g2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。

由关系式9计算得到，山谷两侧分水线处的注液强度大，最大值W＝0.52m³/(m²·d)，分水线沿坡面至山谷线，注液强度快减小，在山谷线注液强度减小至W＝-0.21m³/(m²·d)。

第4步，计算单井注液强度：

考虑到矿山渗透系数不均匀，单孔注液强度须有一定的富余，根据规范选择孔径为18cm，孔深为见矿1.5m，通过单孔注水试验(按照《注水试验规程》(YS5214-2000))确定η＝0.14，λ＝0.22，由勘探资料确定h＝10m，结合第1步测试确定的矿体的平均渗透系数K＝0.60m/d。采用常水头法室内渗透试验(按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999))确定m＝1.63，采用关系式10计算单孔的注液强度。

关系式10：

$\begin{array}{c}\frac{W}{2\mathrm{\πK}}={(1-m)}^{\frac{1}{m}}{\left[\frac{{(1-\mathrm{\η})}^{1+m}{s}^{1+m}-{(1-\mathrm{\λ})}^{1+m}{l}_j^{1+m}}{(1+m)(R^{1-m}-r^{1+m})}\right]}^{\frac{1}{m}}+{\left(r^{2m-1}s\right)}^{\frac{1}{m}}\\ +2\×{\left(\frac{6\mathrm{\ηs}}{m}\right)}^{\frac{1}{m}}[(1+4\×{0.5}^{m-1}){(\frac{{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{4}+r^2)}^{1/2-m}+4\×{0.5}^{m-1}{(\frac{25{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{16}+r^2)}^{1/2-m}+{(\frac{49{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{16}+r^2)}^{1/2-m}]\end{array}$

关系式10中：W_dj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为潜水非完整孔注液过程中液面升高高度，r为潜水非完整孔半径，l_j为潜水非完整孔在潜水面以下的长度；η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：

$R=2s\sqrt{\mathrm{Kh}}$

关系式11中：s为潜水非完整孔注液过程中液面升高高度，h为含水层厚度，K为矿体的平均渗透系数；

计算得到当s＝0.3m和0.5m时，单孔的注液强度分别为0.91m³/d和1.26m³/d。

第5步，计算孔距和排拒：

根据单孔影响范围确定孔距2.4m(沿山体走向)。根据第3步计算得到的注液强度分布确定排距l_pj(垂直散体走向)，采用关系式12计算排距。

关系式12：

$l_{\mathrm{pj}}=\frac{W_{\mathrm{dj}}}{{\mathrm{Wl}}_{\mathrm{jj}}}$

关系式12中：l_pj为排距，l_jj为孔距，W为第3步计算得到的注液强度，W_dj为潜水非完整孔单孔的注液强度；

计算得到典型山坡共布置9排注液孔，从坡顶开始排距分别为：2.0m、2.0m、2.0m、2.5m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.0m。计算得到典型山脊的排距，其中山脊分水线上的排距最小，为1.2m，因山脊处注液孔数量较多，且变化大，不详述。计算得到典型山谷的排距，山谷两侧分水线上的排距最小，为1.0m，因山谷处注液孔数量较多，且变化大，不详述。该矿块共布置了788个注液孔。

第6步，计算收液工程的布置位置：

第3步计算典型山坡和典型山脊的注液强度，计算结果显示，只在典型山脊处非常小的范围内出现注液强度为负数，且数值也非常小，为此在靠近山脚下稍微减小注液强度，并将部分测试矿体形状的孔作为观测孔，依据观测结果对注液强度进行适当调整。对于典型山谷，难以调整注液强度满足达到既充分浸矿和洗矿、又能控制溶液不穿过粘土层向地表外渗的要求，为此根据相关规范，沿山谷线下方在矿体内开挖一条收液巷道。

实施效果：

勘探报告得出结论：SR₂O₃品位达到0.01％以上保有资源量为25.31吨。通过优化注液和收液工程，充分浸矿和洗矿，实际生产中回收SR₂O₃为50吨，实施结果表明：合理布置注液和收液工程能充分回收资源，包括部分表外矿。

Claims (1)

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—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K_p、典型山脊处矿体的渗透系数K_j和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—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—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＝H₁-b(x-l)²

关系式1中：H为矿体上表面高程，H₁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，l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，l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＝H_j0(1-a_j1x²)(1-b_j1y²)

关系式3中：H为矿体上表面高程，H_j0为矿体上表面最大高程；a_j1和b_j1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＝z_j0(1-a_j2x²)(1-b_j2y²)

关系式4中：z为隔水底板上表面高程，z_j0为隔水底板上表面最大高程；a_j2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＝H_g0{1+ξ_g1[1-cos(a_g1x)]}(1-b_g1y²)

关系式5中：H为矿体上表面高程，H_g0为矿体上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g1为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；a_g1和b_g1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＝z_g0{1+ξ_g2[1-cos(a_g2x)]}(1-b_g2y²)

关系式6中：z为隔水底板上表面高程，z_g0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；a_g2和b_g2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H₁、b、a、l，结合第1步测试结果确定典型山坡处矿体的渗透系数K_p，采用关系式7计算注液强度；

关系式7：

W＝2bK_p[H₁+al²-3(a+b)(x-l)²]

关系式7中：W为注液强度，b为矿体上表面形状参数，K_p为典型山坡处矿体的渗透系数，H₁为矿体上表面的最大标高，a为隔水底板上表面形状参数，l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H_j0、a_j1、b_j1、z_j0、a_j2、b_j2，结合第1步测试结果确定典型山脊处矿体的渗透系数K_j，采用关系式8计算注液强度；

关系式8：

$\begin{array}{c}\frac{W}{K_j}={2H}_{j0}{a}_{j1}(1-b_{j1}{y}^2)[H_{j0}(1-3a_{j1}{x}^2)(1-b_{j1}{y}^2)-z_{j0}(1-{3a}_{j2}{x}^2)\left({1-b}_{j2}{y}^2\right)]\\ +{2H}_{j0}{b}_{j1}\left({1-a}_{j1}{x}^2\right)\left[H_{j0}(1-a_{j1}{x}^2)\left({1-3b}_{j1}{y}^2\right){-z}_{j0}\left({1-3b}_{j2}{y}^2\right)(1-a_{j2}{x}^2)\right]\end{array}$

关系式8中：W为注液强度，K_j为典型山脊的渗透系数，H_j0为矿体上表面最大高程；a_j1和b_j1为矿体上表面形状参数，z_j0为隔水底板上表面最大高程，a_j2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，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数H_g0、ξ_g1、a_g1、b_g1、ξ_g2、z_g0、a_g2、b_g2，结合第1步测试结果确定典型山谷处矿体的渗透系数K_g，采用关系式9计算注液强度；

关系式9：

$\begin{array}{c}\frac{W}{K_g}=-H_{g0}^2{\mathrm{\ξ}}_{g1}{a}_{g1}{(1-b_{g1}{y}^2)}^2[a_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)\left({1+\mathrm{\ξ}}_{g1}\right)-a_{g1}{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left({2a}_{g1}x\right)]\\ +H_{g0}{\mathrm{\ξ}}_{g1}{a}_{g1}{z}_{g0}\left({1-b}_{g1}{y}^2\right)\left({1-b}_{g2}{y}^2\right)[a_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)(1+{\mathrm{\ξ}}_{g2}-{\mathrm{\ξ}}_{g2}\cos \left(a_{g2}x\right))+{\mathrm{\ξ}}_{g2}{a}_{g2}\sin \left(a_{g1}x\right)\sin \left(a_{g2}x\right)]\\ +2b_{g1}{H}_{g0}^2{[1+{\mathrm{\ξ}}_{g1}-{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)]}^2\left({1-3b}_{g1}{y}^2\right)\\ -2b_{g1}{H}_{g0}{z}_{g0}[{1+\mathrm{\ξ}}_{g1}-{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)][1+{\mathrm{\ξ}}_{g2}-{\mathrm{\ξ}}_{g2}\cos \left(a_{g2}x\right)]\left({1-3b}_{g2}{y}^2\right)\end{array}$

关系式9中：W为注液强度，K_g为典型山谷处矿体的渗透系数，H_g0为矿体上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g1为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；a_g1和b_g1为矿体上表面形状参数，z_g0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；a_g2和b_g2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：

$\begin{array}{c}\frac{W_{\mathrm{dj}}}{2\mathrm{\πK}}={(1-m)}^{\frac{1}{m}}{\left[\frac{{(1-\mathrm{\η})}^{1+m}{s}^{1+m}-{(1-\mathrm{\λ})}^{1+m}{l}_j^{1+m}}{(1+m)(R^{1-m}-r^{1+m})}\right]}^{\frac{1}{m}}+{\left(r^{2m-1}s\right)}^{\frac{1}{m}}\\ +2\×{\left(\frac{6\mathrm{\ηs}}{m}\right)}^{\frac{1}{m}}[(1+4\×{0.5}^{m-1}){(\frac{{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{4}+r^2)}^{1/2-m}+4\×{0.5}^{m-1}{(\frac{25{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{16}+r^2)}^{1/2-m}+{(\frac{49{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{16}+r^2)}^{1/2-m}]\end{array}$

关系式10中：W_dj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，l_j为潜水非完整孔在潜水面以下的长度，η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：

$R=2s\sqrt{\mathrm{Kh}}$

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，K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l_jj(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l_pj(垂直山坡走向)，采用关系式12计算排距；

关系式12：

$l_{\mathrm{pj}}=\frac{W_{\mathrm{dj}}}{{\mathrm{Wl}}_{\mathrm{jj}}}$

关系式12中：l_pj为排距，l_jj为孔距，W为第3步计算得到的注液强度，W_dj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。