CN105506276A - 裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验方法及装置，装置包括固定台、矿池托架，矿池托架的左端铰接于固定台上，右端由液压油缸驱动；在矿池托架右侧的固定台上设有标尺；在矿池托架上安有矿池，矿池的左侧板为不锈钢板，右侧板和前后侧板为钢化玻璃，钢化玻璃上标有纵横向刻度；矿池的底板为双层结构，上层为混凝土层，下层为钢板；混凝土层和钢板上布有渗漏孔，在钢板的渗漏孔上配有橡胶塞或连接有渗漏孔导管，渗漏孔导管下布有量筒；矿池左侧不锈钢板的底部布有导流孔，导流孔上连接有导流孔导管，导流孔导管下布有量筒；在矿池的顶部布有注液装置。它可模拟研究裸脚式稀土矿具有不同底板倾角和底板具有不同渗漏裂隙带时的渗流规律。

Description

裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验方法及装置

技术领域

本发明涉及稀土矿原地浸开采技术，特别是一种裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验方法及装置。

背景技术

江西、广东等南方五省的稀土以“离子相”赋存，是“离子吸附型稀土矿床”，简称离子型稀土。离子型稀土的开采工艺先后有池浸、堆浸和原地浸，目前普遍采用原地浸开采工艺。原地浸工艺是综合了地质、采矿、矿物加工等多学科的集成技术，不需剥离表土和开挖矿体，直接在山体表面布置注液井网，注入硫酸铵浸取剂溶液(简称交换液)，其铵根离子与稀土离子发生交换反应，进而注入清水，稀土离子进入清水中形成浸出液，浸出液通过山脚处的积液沟或收液巷道汇集到母液池(浸出液简称母液)，最后用草酸沉淀母液中的稀土，实现资源回收的目的。

根据是否存在天然隔水底板，离子型稀土可以分为全覆式和裸脚式两种类型。全覆式稀土矿不具有天然隔水底板或隔水底板不出露地表，注液井中的交换液进入稀土矿体发生离子交换，母液通过收液巷道流出，只要收液巷道空间布置合理，能实现母液完好的收集。裸脚式稀土矿具有天然隔水底板岩层且在山脚处出露，收液措施是在矿山隔水底板出露处设置导流孔和积液沟，母液通过导流孔汇集到积液沟，最后自流到母液池，实现母液回收。裸脚式稀土矿隔水底板一般与水平面具有一定倾角，且由于裂隙存在，隔水底板或多或少存在渗漏裂隙带。与其他岩土体的渗流相比，裸脚式稀土矿山天然隔水底板对交换液的入渗和母液的渗流影响因素有两个，一是隔水底板的倾角大小，二是底板渗漏裂隙带的位置以及渗漏裂隙的大小。目前尚不具备探测底板小尺度渗漏裂隙带的物理方法。在实际开采裸脚式稀土矿时，由于假设隔水底板不存在渗漏裂隙带，母液通过底板渗漏裂隙带流入地下水中，既污染环境又影响母液的回收率。通过室内模拟试验研究岩土体渗流规律是一个重要的研究手段，而目前还没有针对裸脚式稀土矿中隔水底板倾角及其渗漏裂隙带对渗流规律影响的实验研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验方法及装置，模拟研究裸脚式稀土矿具有不同底板倾角和底板具有不同渗漏裂隙带时的渗流规律。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验装置，包括固定台、矿池托架，矿池托架的左端铰接于固定台上，右端由液压油缸驱动；在矿池托架右侧的固定台上设置有标尺；在矿池托架上安装有矿池，矿池的左侧板为不锈钢板，右侧板和前后侧板为钢化玻璃，钢化玻璃上标有纵横向刻度；矿池的底板为双层结构，上层为混凝土层，下层为钢板；混凝土层和钢板上布置有渗漏孔，在钢板的渗漏孔上配有橡胶塞或连接有渗漏孔导管，渗漏孔导管下布有量筒；矿池左侧不锈钢板的底部布置有导流孔，导流孔上连接有导流孔导管，导流孔导管下布有量筒；在矿池的顶部布有注液装置。

所述的矿池底板上分布有大中小三种孔径的渗漏孔，渗漏孔沿横向和纵向均按大中小孔依次连续排列。大中小三种孔的孔径分别为5mm、7mm和9mm三种，沿横向、纵向相邻两孔间的间距均为50mm—150mm。

所述的矿池左侧板有三种高度，分别是60mm、90mm和120mm，其上的导流孔直径分别对应为5mm、7mm和9mm，孔间距分别对应为50mm、75mm和100mm，孔中心都距其下边缘15mm。

一种裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验方法，包括以下步骤：

一、安装注液装置；

二、倾斜矿池托架；

根据拟研究稀土矿山底板倾斜角度，启动油缸将矿池托架倾斜，观察矿池托架右端在标尺上的标高及其到矿池托架左端的铰接处的水平距离，然后计算矿池托架倾斜角度的大小，当矿池托架的倾斜角度与矿山底板实际角度相同时，关闭油缸；

三、开启矿池中底板上的渗漏孔和左侧板上的导流孔；

根据拟研究底板渗漏密度大小以及导流孔的多少对渗流的影响情况，开启矿池中不同位置和不同数量的底板上渗漏孔和左侧板上导流孔，在开启的渗漏孔和导流孔上安装各自配套的渗漏孔导管和导流孔导管，并在导管的出水口放置量筒，以收集计量液体；

四、制备并填装稀土土样

根据需研究的稀土矿山拉取稀土土样，依据密度与矿山现场密度一致的原则，在矿池内分层装入稀土土样，形成与现场实际一致的坡体形状，并在稀土土样坡体内用有机玻璃管模拟注液井，注液井的数量及间距根据具体情况调整设置；

五、启动注液

在注液装置中注入交换溶液，计量交换溶液的体积；接着将注液装置中的注液管放置到注液井中，开启注液阀门开始注液，并根据拟研究的注液强度要求调节注液阀门的大小；

六、观测计量注液和收液情况

通过注液装置中交换液体积的变化计量每个注液井中的注液量；通过矿池的钢化玻璃上的刻度线，观测记录交换液入渗浸润面的变化规律；通过渗漏孔导管下的量筒，模拟计量底板渗漏流出的液体体积；通过导流孔导管下的量筒，计量导流孔流出的液体体积；

七、得出非饱和—饱和入渗规律及影响因素

根据注液装置中液体的变化计量注液量，通过矿池的钢化玻璃上观测记录交换液入渗浸润面的变化，得出非饱和阶段入渗规律及影响因素，通过不同时间得到的总注液量、渗漏孔导管渗漏的液体量和导流孔导管渗漏的液体量，得出饱和非稳定及饱和稳定时的入渗规律及影响因素。

本发明(1)可以调节矿池底板与水平的夹角，开展裸脚式离子型稀土矿天然隔水底板具有不同倾角时的渗流规律研究。(2)通过使用矿池底板不同位置不同直径的渗漏孔，可以开展裸脚式离子型稀土矿天然隔水底板不同位置具有不同渗漏裂隙时的渗流规律研究。(3)通过使用不同间距不同孔径的不锈钢板(左侧板)，可以开展裸脚式离子型稀土矿坡脚处设置不同导流孔时的渗流规律研究。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置中矿池底板的渗漏孔分布图。

图中：1—主轴；2—三角支架；3—底板；4—钢化玻璃；5—工字钢横梁；6—量筒；7—渗漏孔导管；8—标尺；9—液压装置(油缸)；10—注液装置；11—导流孔导管；12—型钢框架；13—固定台；14—不锈钢板(左侧板)；15大孔；16中孔；17小孔。

具体实施方式

如附图所示，本发明的装置包括固定台13、矿池托架(由工字钢横梁5和型钢框架12焊接成)，矿池托架的左端铰接于固定台13上，右端由液压装置(油缸)9驱动；在矿池托架右侧的固定台13上设置有标尺8；在矿池托架上安装有矿池，矿池的左侧板为不锈钢板14，右侧板和前后侧板为钢化玻璃4，钢化玻璃4上标有纵横向刻度；矿池的底板3为双层结构，上层为混凝土层，下层为钢板；混凝土层和钢板上布置有渗漏孔(通孔)，在钢板的渗漏孔上配有橡胶塞或连接有渗漏孔导管7，渗漏孔导管7下布有量筒6；矿池左侧的不锈钢板14的底部布置有导流孔，导流孔上连接有导流孔导管11，导流孔导管11下布有量筒6；在矿池的顶部布有注液装置10。

本发明中液压装置9、注液装置10、注液井均为现有技术。

本发明中矿池托架主要用来加固钢化玻璃4和承受矿池及稀土土样载荷，矿池的长×宽×高为3000mm×2000mm×1500mm，如图1所示，矿池的前、后和右侧面的带刻度的钢化玻璃4固定在型钢框架12上，并用玻璃胶封堵接缝处，防止交换液或母液外渗。

本发明中矿池左侧的不锈钢板14的作用有两个，一是堵挡矿池中稀土土样，防止土样边坡下滑；另一个作用是其底部的导流孔模拟裸脚式离子型稀土原地浸坡脚处的导流孔，通过改变导流孔直径和间距模拟不同导流孔时的工况。不锈钢板14厚度为10mm，宽度为2000mm，由于模拟不同坡脚高度的需要，其高度分别有60mm、90mm和120mm三种。根据目前工程实际工艺设置导流孔的情况，依据相似比确定不锈钢板14上对应导流孔直径分别为5mm、7mm和9mm，相应孔间距分别为50mm、75mm和100mm。由于工程实际中导流孔都尽量靠近底板，因此三种高度尺寸的不锈钢板14上的导流孔中心都距其下边缘15mm。

本发明中底板3包含上下两层，下层为钢板，上层为混凝土层。钢板起支撑上部非饱和或饱和土体的重量，混凝土层模拟隔水底板岩层。渗漏孔穿透混凝土层和钢板，孔径有5mm、7mm和9mm三种。根据已有的研究结果，岩体裂隙具有随机性和分形特性，为了两种特性的裂隙都能得到模拟研究，三种孔径的渗漏孔依次交替排列，如图2所示，横向、纵向相邻两孔间的间距均为50mm—150mm。模拟试验研究时，不使用的渗漏孔用橡胶塞封堵，开启不同位置处渗漏孔的橡胶塞，可以让底板3上的渗漏裂隙呈不规则或规则的片状、横向或纵向的直线形、不规则的曲线形以及随机的形状。在使用的渗漏孔中插入相应型号的软管将母液导流到量筒6中，以测定母液渗漏量。

本发明中矿池前、后和右侧面带刻度的钢化玻璃4的作用有两个，一是围挡稀土土样；二是利用钢化玻璃4的透明特性以及钢化玻璃上的刻度线，观测交换液或母液在稀土中入渗浸润运移的时空规律。

本发明的液压装置9是利用其油缸来抬举或放下矿池托架的右端，使矿池托架围绕左端的铰接主轴1上下摆动，进而使矿池的底板3具有不同倾角，倾角范围为0°至45°。测定底板3倾斜角度的标尺8竖直固定在矿池托架右侧的固定台13上，标尺8上粘贴有刻度尺，通过测定矿池托架右端距固定台13的高度，计算出底板3的倾斜角度。

本发明试验前首先用液压装置9将矿池托架倾斜，通过标尺8测算出底板3倾斜角度，实现模拟天然隔水底板的倾斜角度；开启底板3上不同位置不同孔径的橡胶塞，模拟研究底板渗漏裂隙带，并安装上相应的渗漏孔导管7和量筒6；安装对应的不锈钢板14，并安装上相应的导流孔导管11和量筒6，模拟研究不同导流孔的工况。进而在矿池内分层装入稀土土样，布置安装注液井；开启注液装置10，调整注液速度开始注液，使交换液与稀土离子发生交换形成母液。通过矿池的钢化玻璃4上的刻度线，观测记录交换液入渗浸润面的变化规律。通过渗漏孔导管7和导流孔导管11处的量筒6记录母液的渗出量。从而实现研究具有一定倾角和底板存在不同程度渗漏裂隙带时裸脚式稀土矿原地浸开采的渗流规律。

本发明渗流模拟实验方法如下：

一、安装注液装置10

注液通过若干个(5—30个)马氏瓶和注液管实现。注液管利用除去针头的医用输液管，可以调节注液速度，一个马氏瓶通过一个注液管给一个注液井注液。

二、倾斜试验装置(矿池托架)

根据拟研究稀土矿山底板倾斜角度，启动液压装置9将矿池托架倾斜，观察矿池托架右端在标尺8上的标高及其到矿池托架左端的铰接处(主轴1)的水平距离，然后计算矿池托架倾斜角度的大小，例若需要底板倾斜30°时，仅需将托架最右侧升高的净高度为1731mm即可，当矿池托架的倾斜角度与矿山底板实际角度相同时，关闭液压装置9。

三、开启矿池中底板上的渗漏孔和左侧板上的导流孔

根据拟研究底板渗漏密度大小以及导流孔的多少对渗流的影响情况，开启矿池中不同位置和不同数量的底板上渗漏孔和左侧板上导流孔，在开启的渗漏孔和导流孔上安装各自配套的渗漏孔导管7和导流孔导管11，并在导管的出水口放置量筒6，以收集计量液体。比如开启底板同一行或同一列的渗漏孔，可以模拟呈“一”字的渗漏裂隙带。

四、制备并填装稀土土样

根据需研究的稀土矿山拉取稀土土样，依据密度与矿山现场密度一致的原则，在矿池内分层装入稀土土样，形成与现场实际一致的坡体形状，并在稀土土样坡体内用有机玻璃管模拟注液井，注液井的数量及间距根据具体情况调整设置，例如注液井(5—20个)可以按300mm×300mm的间距布置。

五、启动注液

在注液装置10中的马氏瓶中注入交换溶液，计量每个马氏瓶中溶液的体积。接着将注液装置10中的注液管放置到注液井中，开启注液阀门开始注液，并根据拟研究的注液强度要求调节注液阀门的大小。

六、观测计量注液和收液情况

通过注液装置10中马氏瓶中交换液体积的变化计量每个注液井中的注液量；通过矿池的钢化玻璃4上的刻度线，观测记录交换液入渗浸润面的变化规律；通过渗漏孔导管7下的量筒6，模拟计量底板渗漏流出的液体体积。通过导流孔导管11下的量筒，计量导流孔流出的液体体积。

七、得出非饱和—饱和入渗规律及影响因素

根据注液装置10中马氏瓶里液体的变化计量注液量，通过矿池的钢化玻璃4上观测记录交换液入渗浸润面的变化，得出非饱和阶段入渗规律及影响因素，通过不同时间得到的总注液量、渗漏孔导管7渗漏的液体量和导流孔导管11渗漏的液体量，得出饱和非稳定及饱和稳定时的入渗规律及影响因素。

Claims (5)

1.一种裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验装置，其特征是：包括固定台、矿池托架，矿池托架的左端铰接于固定台上，右端由液压油缸驱动；在矿池托架右侧的固定台上设置有标尺；在矿池托架上安装有矿池，矿池的左侧板为不锈钢板，右侧板和前后侧板为钢化玻璃，钢化玻璃上标有高度刻度；矿池的底板为双层结构，上层为混凝土层，下层为钢板；混凝土层和钢板上布置有渗漏孔，在钢板的渗漏孔上配有橡胶塞或连接有渗漏孔导管，渗漏孔导管下布有量筒；矿池左侧不锈钢板的底部布置有导流孔，导流孔上连接有导流孔导管，导流孔导管下布有量筒；在矿池的顶部布有注液装置。

2.根据权利要求1所述的一种裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验装置，其特征是：所述的矿池底板上分布有大中小三种孔径的渗漏孔，渗漏孔沿横向和纵向均按大中小孔依次连续排列。

3.根据权利要求2所述的一种裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验装置，其特征是：大中小三种孔的孔径分别为5mm、7mm和9mm三种，沿横向、纵向相邻两孔间的间距均为50mm—150mm。

4.根据权利要求1所述的一种裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验装置，其特征是：所述的矿池左侧板有三种高度，分别是60mm、90mm和120mm，其上的导流孔直径分别对应为5mm、7mm和9mm，孔间距分别对应为50mm、75mm和100mm，孔中心都距其下边缘15mm。

5.根据权利要求1所述的渗流模拟实验装置进行的裸脚式稀土矿原地浸开采渗流模拟实验方法，包括以下步骤：

一、安装注液装置；

二、倾斜矿池托架；

根据拟研究稀土矿山底板倾斜角度，启动油缸将矿池托架倾斜，观察矿池托架右端在标尺上的标高及其到矿池托架左端的铰接处的水平距离，然后计算矿池托架倾斜角度的大小，当矿池托架的倾斜角度与矿山底板实际角度相同时，关闭油缸；

三、开启矿池中底板上的渗漏孔和左侧板上的导流孔；

根据拟研究底板渗漏密度大小以及导流孔的多少对渗流的影响情况，开启矿池中不同位置和不同数量的底板上渗漏孔和左侧板上导流孔，在开启的渗漏孔和导流孔上安装各自配套的渗漏孔导管和导流孔导管，并在导管的出水口放置量筒，以收集计量液体；

四、制备并填装稀土土样

根据需研究的稀土矿山拉取稀土土样，依据密度与矿山现场密度一致的原则，在矿池内分层装入稀土土样，形成与现场实际一致的坡体形状，并在稀土土样坡体内用有机玻璃管模拟注液井，注液井的数量及间距根据具体情况调整设置；

五、启动注液

在注液装置中注入交换溶液，计量交换溶液的体积；接着将注液装置中的注液管放置到注液井中，开启注液阀门开始注液，并根据拟研究的注液强度要求调节注液阀门的大小；

六、观测计量注液和收液情况

通过注液装置中交换液体积的变化计量每个注液井中的注液量；通过矿池的钢化玻璃上的刻度线，观测记录交换液入渗浸润面的变化规律；通过渗漏孔导管下的量筒，模拟计量底板渗漏流出的液体体积；通过导流孔导管下的量筒，计量导流孔流出的液体体积；

七、得出非饱和—饱和入渗规律及影响因素

根据注液装置中液体的变化计量注液量，通过矿池的钢化玻璃上观测记录交换液入渗浸润面的变化，得出非饱和阶段入渗规律及影响因素，通过不同时间得到的总注液量、渗漏孔导管渗漏的液体量和导流孔导管渗漏的液体量，得出饱和非稳定及饱和稳定时的入渗规律及影响因素。