CN107858536A - 离子型稀土全覆式矿山原地浸矿孔网参数设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离子型稀土全覆式矿山原地浸矿孔网参数设计方法，包括以下步骤：第一步，矿山地质勘探与现场补充试验；第二步，通过室内柱浸试验确定浸取率与饱和度之间的关系；第三步，计算矿山注液稳定期的注液总流量；第四步，计算矿山注液稳定期单孔注液流量；第五步，计算并验算矿山注液稳定期注液区矿体最低饱和度；第六步，验算矿山边坡安全系数。本发明以稀土资源浸取率为目标，以矿山边坡安全为前提，能够同时兼顾矿山稀土开采效果及边坡稳定，对全覆式矿山原地浸矿注液工程布置与注液技术的改进具有很好的工程指导意义，可以避免滑坡安全事故的发生，确保人民生命财产的安全。
Description
技术领域
本发明涉及离子型稀土矿原地浸矿工艺中的注液工程布置与注液流量计算，针对全覆式稀土矿山，在给定稀土资源浸取率及矿山边坡安全系数目标值的前提下，提出孔网参数设计方法。
背景技术
离子吸附型稀土矿(简称离子型稀土矿)是在我国南方发现的一种新型外生稀土矿床，其独特之处在于稀土元素在风化壳内主要呈离子状态吸附于黏土和云母等矿物上，具有稀土配分齐全、放射性小、容易开采和富含中重稀土元素等特点。根据矿山基岩裸露情况，可将离子型稀土矿划分为裸脚式(基岩在山脚裸露)和全覆式(基岩被全风化层覆盖)等类型。其中，全覆式稀土矿占矿山总数量的80％以上。
原地浸矿工艺是目前推广使用的离子型稀土矿开采工艺，该工艺主要采用1％～4％低浓度的硫酸铵溶液作为浸取剂，通过注液孔网注入矿体中，通过收液工程回收稀土母液，并将稀土母液送至地面工厂进行除杂、沉淀、提取、加工，达到回收稀土资源的目的。原地浸矿工艺具有不破坏矿体表面植被、不开挖表土和矿石的优点，但同时也存在一些亟待解决的问题，如：注液工程布置与注液流量的确定主要依靠工程经验，缺乏行之有效的设计理论与方法，资源浸取率与矿山边坡安全性难以保证。许多矿山稀土资源开采损失偏大、浸取率偏低，经过多次复灌仍能开采出稀土；有些矿山注液流量控制不当，容易诱发山体滑坡等地质灾害。
发明内容
本发明的目的是为了克服全覆式稀土矿原地浸矿工艺在注液工程布置与注液流量确定上主要依靠工程经验之不足，提供一种行之有效的离子型稀土全覆式矿山原地浸矿孔网参数设计方法。
本发明的技术方案：一种离子型稀土全覆式矿山原地浸矿孔网参数设计方法，包括以下步骤：
第一步，矿山地质勘探与现场补充试验
进行矿山地质勘探，获得以下资料：矿山详细的地形地质资料，分别在经过矿山高峰、低谷及平均高度处选取3个横断面，绘制3个横断面的地质剖面图，确定地质剖面图中表土层与全风化层的分界线；原矿离子相稀土品位的大小与分布，在矿山3个地质剖面图上确定矿体范围；
测试表土层与全风化层土体的基本物理力学参数，获得表土层和全风化层土体的天然密度、天然含水率、孔隙比、液限与塑限的实测数据；利用现场直剪试验测试表土层和全风化层土体的抗剪强度指标；利用振动筛分机与激光粒度分析仪测试表土层和全风化层土体的颗粒级配，绘制土体粒径累计曲线，判断土质类型；利用单环法测试表土层和全风化层土体的饱和渗透系数；利用TEN型张力计测试表土层和全风化层土体含水率与基质吸力的对应关系，利用关系式(1)拟合得到矿体的土水特征曲线，利用关系式(2)拟合得到矿体的渗透系数曲线；
关系式(1)：
关系式(1)中ψ为土体基质吸力，θ(ψ)为土体基质吸力为ψ时对应的含水率，θs为土体饱和含水率，θr为土体残余含水率，λ、m、n为拟合参数，m＝1-1/n；
关系式(2)：
关系式(2)中Kr(θ)为土体含水率为θ时对应的相对渗透系数，K(θ)为土体含水率为θ时对应的渗透系数，Ks为土体饱和渗透系数；S为土体相对饱和度；
第二步，通过室内柱浸试验确定浸取率与饱和度之间的关系
采用高30～100厘米、内径8～20厘米的透明有机玻璃管作为浸矿柱，浸矿柱底部垫一个透水石；将第一步中矿山勘探时钻取的矿体土样烘干、过2～5毫米筛去掉粗砂颗粒、拌匀，先取样测试原矿中离子相稀土品位，再按矿体实际孔隙率分次装入浸矿柱中，每次3～8厘米，分层击实，层间刮毛；矿样装好后，再垫一张滤纸，滤纸上铺设一块棉纱布(防止水滴击穿滤纸)；采用与矿山生产中相同浓度、相同液固比的浸矿剂溶液进行淋浸，浸矿剂溶液注完后，改用2倍矿样孔隙体积的清水进行洗矿，试验过程中按照每50～100毫升体积收集一次母液；利用蠕动泵控制浸矿剂溶液及清水的滴加；试验过程中，通过测试母液中稀土离子浓度绘制稀土离子穿透曲线，通过称量矿样试验前后质量变化计算矿体含水率，通过测试尾矿离子相稀土品位计算浸取率；试验共进行6～15个工况，各工况对应不同的蠕动泵流量，流量最大值为矿样饱和渗透系数乘以浸矿柱横截面面积，流量最小值为最大值的0.05倍，流量中间值在最大值与最小值之间等间距取值，最后利用各试验工况的试验结果，拟合出浸取率与饱和度之间的函数关系；
第三步，计算矿山注液稳定期的注液总流量
假定注液孔按照菱形均匀布置，根据XB/T 904-2016《离子型稀土矿原地浸出开采安全生产规范》及工程经验，确定注液孔半径R0，根据矿山地形及坡度，确定注液孔布置范围，计算注液区面积Aall；
根据原矿品位分布及同类型矿山生产经验与资料，确定矿山稀土资源浸取率η目标值，如η≥80.0％；根据注液区面积Aall及矿山3个横断面上矿体厚度及分布情况，确定各断面矿体的注液区占矿体总体积的百分比，并计算平均百分比；假设非注液区矿体稀土资源不能浸出，浸取率η全部由注液区矿体提供，利用第二步得出的浸取率与饱和度之间的函数关系即可计算注液区矿体的平均饱和度Sra；
根据矿体渗透系数曲线及平均饱和度Sra，利用关系式(2)计算矿山注液区矿体平均相对渗透系数Kra；根据矿山注液孔布置面积Aall和饱和渗透系数Ks，利用关系式(3)计算矿山流场稳定后的注液流量Qall；
关系式(3)：
Qall＝KraKsAall (3)；
第四步，计算矿山注液稳定期单孔注液流量
根据XB/T 904-2016《离子型稀土矿原地浸出开采安全生产规范》及工程经验，给定一个注液孔布置间距L值，利用关系式(4)计算注液区内注液孔的数量N(取整数)，利用关系式(5)计算孔网注液单孔稳渗流量Qm，利用关系式(6)经过试算确定矿山注液稳定期孔内平均稳定水深H0；
关系式(4)：
关系式(5)：
关系式(6)：
关系式(6)中Qs为单孔注液稳渗流量，为孔周饱和度Sr≥80.0％范围土体的平均水力梯度，对于粉砂类土质取5.62，H0为注液孔孔内平均稳定水深；
第五步，计算并验算矿山注液稳定期注液区矿体最低饱和度
根据注液孔内平均稳定水深H0及孔网间距L，将孔网注液中每一个注液孔的影响范围为边长等于0.577L的六棱柱体，进一步按体积相等原则等效成半径为0.525L的圆柱体，建立轴对称模型计算矿体最低饱和度Srmin(位于孔内液面水平线与圆柱体表面的交点处)；对于粉砂类土质可根据表1采用线性内插法确定注液区矿体最低饱和度Srmin；
表1：孔网注液最低饱和度Srmin计算表(％)
验算注液区矿体最低饱和度Srmin值，当Srmin≥80.0％时，认为注液区的饱和度分布比较均匀，浸取率满足要求；当Srmin＜80.0％时，认为注液区的饱和度不够均匀，容易产生浸矿盲区，此时应该减小孔网间距L值，重新进行第四步～第五步的设计计算，直到满足Srmin≥80.0％；
第六步，验算矿山边坡安全系数
选取第一步中矿山3个横断面，利用极限平衡法计算矿山注液稳定期边坡安全系数，当安全系数≥1.20时，认为矿山是安全的，设计结束；当安全系数＜1.20时，认为矿山的安全系数达不到要求，此时应扩大注液区面积Aall，降低注液区注液总流量Qall，重新进行第三步～第六步的设计计算，直到满足当安全系数≥1.20；
至此，全覆式稀土矿山原地浸矿孔网参数如注液区面积Aall、注液孔半径R0、孔网布置间距L、注液总流量Qall及单孔注液流量Qm已经全部确定。
本发明提出的离子型稀土全覆式矿山原地浸矿孔网参数设计方法，以稀土资源浸取率为目标，以矿山边坡安全为前提，能够同时兼顾矿山稀土开采效果及边坡稳定，对全覆式矿山原地浸矿注液工程布置与注液技术的改进具有很好的工程指导意义，可以避免滑坡安全事故的发生，确保人民生命财产的安全。
具体实施方式
采用本发明对信丰某全覆式离子型稀土矿山原地浸矿开采进行了不公开试验，实施过程如下：
第一步，矿山地质勘探与现场补充试验
进行矿山地质勘探，获得以下资料：(1)矿山高42m，南北宽度78m，东西走向长100m，山体坡度为25°～32°，矿山总面积为7850m2。矿山土层由表土层和全风化层组成，分别在经过矿山高峰、低谷及平均高度处选取3个横断面，绘制3个横断面的地质剖面图，确定剖面图中表土层与全风化层的分界线；(2)原矿平均品位为0.536‰，在矿山3个地质剖面图上确定矿体范围。
测试表土层与全风化层土体的基本物理力学参数，获得表土层和全风化层土体的天然密度、天然含水率、孔隙比、液限与塑限的实测数据；利用现场直剪试验测试表土层和全风化层土体的抗剪强度指标；利用振动筛分机与激光粒度分析仪测试表土层和全风化层土体的颗粒级配，绘制土体粒径累计曲线，其中，表土层土体为粉质粘土，全风化层土体为粉砂；利用单环法测试表土层和全风化层土体的饱和渗透系数，其中，表土层Ks＝0.1m/d，全风化层Ks＝0.5m/d；利用TEN型张力计测试表土层和全风化层土体含水率与基质吸力的对应关系，利用关系式(1)拟合得到矿体的土水特征曲线，利用关系式(2)拟合得到矿体的渗透系数曲线，其曲线拟合参数为：θs＝0.48、θr＝0.023、λ＝12.3、m＝0.49、n＝1.97。
关系式(1)：
关系式(1)中ψ为土体基质吸力，θ(ψ)为土体基质吸力为ψ时对应的含水率，θs为土体饱和含水率，θr为土体残余含水率，λ、m、n为拟合参数，m＝1-1/n。
关系式(2)：
关系式(2)中Kr(θ)为土体含水率为θ时对应的相对渗透系数，K(θ)为土体含水率为θ时对应的渗透系数，Ks为土体饱和渗透系数；S为土体相对饱和度。
第二步，通过室内柱浸试验确定浸取率与饱和度之间的关系
采用高60厘米、内径10厘米的透明有机玻璃管作为浸矿柱，浸矿柱底部垫一个透水石；将第一步中矿山勘探时钻取的矿体土样烘干、过2毫米筛去掉粗砂颗粒、拌匀，先取样测试原矿中离子相稀土品位，再按矿体实际孔隙率(0.975)分次装入浸矿柱中，每次5厘米，分层击实，层间刮毛；矿样装好后，再垫一张滤纸，滤纸上铺设一块棉纱布(防止水滴击穿滤纸)；采用与矿山生产中相同浓度(2％)、相同液固比(1：5)的浸矿剂溶液进行淋浸，浸矿剂溶液注完后，改用2倍矿样孔隙体积的清水进行洗矿，试验过程中按照每50毫升体积收集一次母液；利用蠕动泵控制浸矿剂溶液及清水的滴加；试验过程中，通过测试母液中稀土离子浓度绘制稀土离子穿透曲线，通过称量矿样试验前后质量变化计算矿体含水率，通过测试尾矿离子相稀土品位计算浸取率；试验共进行8个工况，各工况对应不同的蠕动泵流量(流量最大值为矿样饱和渗透系数乘以浸矿柱横截面面积，流量最小值为最大值的0.05倍，流量中间值在最大值与最小值之间等间距取值)，最后利用各试验工况的试验结果，拟合出浸取率与饱和度之间的函数关系，即关系式(3)。
关系式(3)：
第三步，计算矿山注液稳定期的注液总流量
假定注液孔按照菱形均匀布置，根据《离子型稀土矿原地浸出开采安全生产规范》(XB/T904-2016)及工程经验，确定注液孔半径R0＝0.09米，根据矿山地形及坡度，确定注液孔布置范围，计算注液区面积Aall＝4420平方米。
根据原矿品位分布及同类型矿山生产经验与资料，确定矿山稀土资源浸取率η目标值，如η≥80.0％；根据注液区面积Aall及矿山3个横断面上矿体厚度及分布情况，确定各断面矿体的注液区占矿体总体积的百分比，并计算得到平均百分比为85.2％。假设非注液区矿体稀土资源不能浸出，浸取率η全部由注液区矿体提供，利用第二步得出的关系式(3)计算得到注液区矿体的平均饱和度Sra＝92.9％。
根据矿体渗透系数曲线及平均饱和度Sra，利用关系式(2)计算矿山注液区矿体平均相对渗透系数Kra＝0.354。根据矿山注液孔布置面积Aall和饱和渗透系数Ks，利用关系式(4)计算矿山流场稳定后的注液流量Qall＝782.3立方米。
关系式(4)：
Qall＝KraKsAall (4)
第四步，计算矿山注液稳定期单孔注液流量
根据《离子型稀土矿原地浸出开采安全生产规范》(XB/T 904-2016)及工程经验，经过试算后给定注液孔布置间距L＝1.8米，利用关系式(5)计算得到注液区内注液孔的数量N＝1575个，利用关系式(6)计算得到孔网注液单孔稳渗流量Qm＝0.497立方米。利用关系式(7)经过试算确定矿山注液稳定期孔内平均稳定水深H0＝0.35米。
关系式(5)：
关系式(6)：
关系式(7)：
关系式(7)中Qs为单孔注液稳渗流量，为孔周饱和度Sr≥80.0％范围土体的平均水力梯度，对于粉砂类土质取5.62，H0为注液孔孔内平均稳定水深。
第五步，计算并验算矿山注液稳定期注液区矿体最低饱和度
本试验矿山矿体土质类型为粉砂，根据表1采用线性内插法得到注液区矿体最低饱和度Srmin＝86.3％。
表1：孔网注液最低饱和度Srmin计算表(％)
经验算，注液区矿体最低饱和度Srmin≥80.0％时，认为注液区的饱和度分布比较均匀，浸取率满足要求。
第六步，验算矿山边坡安全系数
选取步骤一中矿山3个横断面，利用极限平衡法计算矿山注液稳定期边坡安全系数，其中，边坡安全系数最小值位于第2个断面的左坡，为1.21。经验算，安全系数≥1.20，认为矿山是安全的，设计结束。
至此，全覆式稀土矿山原地浸矿孔网参数如注液区面积Aall、注液孔半径R0、孔网布置间距L、注液总流量Qall及单孔注液流量Qm已经全部确定。
应用效果：为验证采用本发明进行全覆式稀土矿山孔网参数设计的有效性，对信丰某全覆式离子型稀土矿山原地浸矿开采过程进行实时监控，发现生产过程中未发生山体滑坡等地质灾害；生产结束后，钻取矿体尾矿矿样，测试得到尾矿平均稀土品位为0.088‰，稀土浸取率η为83.6％，满足η≥80.0％的要求。
Claims (1)
1.一种离子型稀土全覆式矿山原地浸矿孔网参数设计方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步，矿山地质勘探与现场补充试验
进行矿山地质勘探，获得以下资料：矿山详细的地形地质资料，分别在经过矿山高峰、低谷及平均高度处选取3个横断面，绘制3个横断面的地质剖面图，确定地质剖面图中表土层与全风化层的分界线；原矿离子相稀土品位的大小与分布，在矿山3个地质剖面图上确定矿体范围；
测试表土层与全风化层土体的基本物理力学参数，获得表土层和全风化层土体的天然密度、天然含水率、孔隙比、液限与塑限的实测数据；利用现场直剪试验测试表土层和全风化层土体的抗剪强度指标；利用振动筛分机与激光粒度分析仪测试表土层和全风化层土体的颗粒级配，绘制土体粒径累计曲线，判断土质类型；利用单环法测试表土层和全风化层土体的饱和渗透系数；利用TEN型张力计测试表土层和全风化层土体含水率与基质吸力的对应关系，利用关系式(1)拟合得到矿体的土水特征曲线，利用关系式(2)拟合得到矿体的渗透系数曲线；
关系式(1)：
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关系式(1)中ψ为土体基质吸力，θ(ψ)为土体基质吸力为ψ时对应的含水率，θs为土体饱和含水率，θr为土体残余含水率，λ、m、n为拟合参数，m＝1-1/n；
关系式(2)：
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</mrow>
关系式(2)中Kr(θ)为土体含水率为θ时对应的相对渗透系数，K(θ)为土体含水率为θ时对应的渗透系数，Ks为土体饱和渗透系数；S为土体相对饱和度；
第二步，通过室内柱浸试验确定浸取率与饱和度之间的关系
采用高30～100厘米、内径8～20厘米的透明有机玻璃管作为浸矿柱，浸矿柱底部垫一个透水石；将第一步中矿山勘探时钻取的矿体土样烘干、过2～5毫米筛去掉粗砂颗粒、拌匀，先取样测试原矿中离子相稀土品位，再按矿体实际孔隙率分次装入浸矿柱中，每次3～8厘米，分层击实，层间刮毛；矿样装好后，再垫一张滤纸，滤纸上铺设一块棉纱布；采用与矿山生产中相同浓度、相同液固比的浸矿剂溶液进行淋浸，浸矿剂溶液注完后，改用2倍矿样孔隙体积的清水进行洗矿，试验过程中按照每50～100毫升体积收集一次母液；利用蠕动泵控制浸矿剂溶液及清水的滴加；试验过程中，通过测试母液中稀土离子浓度绘制稀土离子穿透曲线，通过称量矿样试验前后质量变化计算矿体含水率，通过测试尾矿离子相稀土品位计算浸取率；试验共进行6～15个工况，各工况对应不同的蠕动泵流量，流量最大值为矿样饱和渗透系数乘以浸矿柱横截面面积，流量最小值为最大值的0.05倍，流量中间值在最大值与最小值之间等间距取值，最后利用各试验工况的试验结果，拟合出浸取率与饱和度之间的函数关系；
第三步，计算矿山注液稳定期的注液总流量
假定注液孔按照菱形均匀布置，根据XB/T 904-2016《离子型稀土矿原地浸出开采安全生产规范》及工程经验，确定注液孔半径R0，根据矿山地形及坡度，确定注液孔布置范围，计算注液区面积Aall；
根据原矿品位分布及同类型矿山生产经验与资料，确定矿山稀土资源浸取率η目标值，如η≥80.0％；根据注液区面积Aall及矿山3个横断面上矿体厚度及分布情况，确定各断面矿体的注液区占矿体总体积的百分比，并计算平均百分比；假设非注液区矿体稀土资源不能浸出，浸取率η全部由注液区矿体提供，利用第二步得出的浸取率与饱和度之间的函数关系即可计算注液区矿体的平均饱和度Sra；
根据矿体渗透系数曲线及平均饱和度Sra，利用关系式(2)计算矿山注液区矿体平均相对渗透系数Kra；根据矿山注液孔布置面积Aall和饱和渗透系数Ks，利用关系式(3)计算矿山流场稳定后的注液流量Qall；
关系式(3)：
Qall＝KraKsAall (3)；
第四步，计算矿山注液稳定期单孔注液流量
根据XB/T 904-2016《离子型稀土矿原地浸出开采安全生产规范》及工程经验，给定一个注液孔布置间距L值，利用关系式(4)计算注液区内注液孔的数量N，利用关系式(5)计算孔网注液单孔稳渗流量Qm，利用关系式(6)经过试算确定矿山注液稳定期孔内平均稳定水深H0；
关系式(4)：
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关系式(5)：
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关系式(6)：
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关系式(6)中Qs为单孔注液稳渗流量，为孔周饱和度Sr≥80.0％范围土体的平均水力梯度，对于粉砂类土质取5.62，H0为注液孔孔内平均稳定水深；
第五步，计算并验算矿山注液稳定期注液区矿体最低饱和度
根据注液孔内平均稳定水深H0及孔网间距L，将孔网注液中每一个注液孔的影响范围为边长等于0.577L的六棱柱体，进一步按体积相等原则等效成半径为0.525L的圆柱体，建立轴对称模型计算矿体最低饱和度Srmin；对于粉砂类土质可根据表1采用线性内插法确定注液区矿体最低饱和度Srmin；
表1：孔网注液最低饱和度Srmin计算表(％)
验算注液区矿体最低饱和度Srmin值，当Srmin≥80.0％时，认为注液区的饱和度分布比较均匀，浸取率满足要求；当Srmin＜80.0％时，认为注液区的饱和度不够均匀，容易产生浸矿盲区，此时应该减小孔网间距L值，重新进行第四步～第五步的设计计算，直到满足Srmin≥80.0％；
第六步，验算矿山边坡安全系数
选取第一步中矿山3个横断面，利用极限平衡法计算矿山注液稳定期边坡安全系数，当安全系数≥1.20时，认为矿山是安全的，设计结束；当安全系数＜1.20时，认为矿山的安全系数达不到要求，此时应扩大注液区面积Aall，降低注液区注液总流量Qall，重新进行第三步～第六步的设计计算，直到满足当安全系数≥1.20；
至此，全覆式稀土矿山原地浸矿孔网参数如注液区面积Aall、注液孔半径R0、孔网布置间距L、注液总流量Qall及单孔注液流量Qm已经全部确定。
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