CN108520161A - 全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法 - Google Patents

全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法，适用于原地浸矿注液方案的设计。本发明包含6个步骤，分别为：(1)测定矿山坡度；(2)测试不同体积含水率下矿体的浸取率；(3)测试注液区域与未注液区域矿体的黏聚力和内摩擦角；(4)计算注液区域的下滑力；(5)计算未注液区域的抗滑力；(6)计算临界注液范围。本发明能提高原地浸矿稀土资源回收率，防止原地浸矿时山体滑坡现象发生。

Description

全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法
技术领域
本发明涉及全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法，适用于原地浸矿注液方案的设计。
背景技术
全覆式离子型稀土矿山采用原地浸矿工艺进行开采，通过注液孔向矿体注入浸矿液，使浸矿液与稀土离子发生交换反应，从而形成母液，并通过巷道或导流孔等收液工程对母液进行回收。
因此，对于整个原地浸矿工艺而言，合理确定注液范围是原地浸矿工艺的关键环节，因为这直接影响到稀土资源的回收率，主要表现在两个方面：(1)矿山的注液面积过小，会使得未注液区域过大，造成未注液区域矿体无法与浸矿液发生反应，形成浸矿盲区，降低稀土资源回收率；(2)矿山的注液面积过大，会使得矿山潜在滑移面的抗滑力小于下滑力，进而引发滑坡，造成滑坡区域稀土资源的浪费。
在推广原地浸矿工艺的十余年中，工程技术人员一般先根据经验确定注液范围，当以某一注液强度注液一段时间后，矿山某处出现较大裂缝，则关闭裂缝区域的注液孔。采用此种经验做法时常造成滑坡，故应事先考虑如何控制矿山的注液范围。
确定矿山的临界注液范围，需要考虑矿山的边坡坡度、矿体强度参数等多方面的因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法，它能提高原地浸矿稀土资源回收率，防止原地浸矿时山体滑坡现象发生。
本发明的技术方案：一种全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法，包括以下步骤：
第一步：测定矿山坡度，
采用现有技术测试矿山边坡坡度，确定不同坡度对应的坡面长度；
第二步：测试不同体积含水率下矿体的浸取率，
现场取样测试矿体天然状态下的密度、体积含水率和稀土离子品位，根据测试结果制作矿样，矿样直径5～10cm，高度30～50cm；之后，进行不同体积含水率下的柱浸试验，得到矿体不同体积含水率对应的浸取率，拟合测试数据，确定拟合方程；
第三步：测试注液区域与未注液区域矿体的黏聚力和内摩擦角，
根据原地浸矿的特点，将矿山分为注液区域和未注液区域，对于注液区域，在给定稀土离子浸取率的条件下，矿体的体积含水率可根据第二步中确定的拟合方程计算得到；对于未注液区域，矿体的体积含水率即为天然体积含水率；根据矿体这两种体积含水率分别制作矿样，矿样直径5～10cm，高度10～20cm，采用现有技术分别测试这两种矿样的黏聚力和内摩擦角，即获得注液区域和未注液区域矿体的黏聚力和内摩擦角；
第四步：计算注液区域的下滑力，
将矿山边坡简化为平面二维边坡，注液范围即指二维边坡中注液坡面长度，设定注液范围，将潜在滑坡体分为两个部分，一部分位于注液区域内，一部分位于未注液区域内，则位于注液区域的潜在滑坡体提供下滑力，采用关系式(1)进行计算；
关系式(1)：
关系式(1)中：Pa为下滑力；c1为注液区域矿体的黏聚力；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；为了避免关系式(1)过于冗长，关系式(1)中M、B、N、S分别采用关系式(2)、关系式(3)、关系式(4)、关系式(5)进行计算；
关系式(1)中M采用关系式(2)进行计算；
关系式(2)：
关系式(2)中：γ1为注液区域矿体容重；β1为注液区域的坡度；q为覆盖于矿层上部的表土转化的均布荷载；c1为注液区域矿体的黏聚力；H为见矿深度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；
关系式(1)中B采用关系式(3)进行计算；
关系式(3)：
关系式(3)中：M的计算方法如关系式(2)所示；c1为注液区域矿体的黏聚力；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；
关系式(1)中N采用关系式(4)进行计算；
关系式(4)：
关系式(4)中：B采用关系式(3)进行计算；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；
关系式(1)中S采用关系式(5)进行计算；
关系式(5)：
关系式(5)中：B采用关系式(3)进行计算；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；
第五步：计算未注液区域的抗滑力，
对于处于未注液区域的潜在滑坡体，其提供抗滑力，用于支撑处于注液区域的潜在滑坡体，则采用关系式(6)计算处于未注液区域潜在滑坡体的抗滑力；
关系式(6)：
关系式(6)中：Ts为抗滑力；c2为未注液区域矿体的黏聚力；L为未注液区域的坡面长度；β2为未注液区域的坡度；为未注液区域矿体的内摩擦角；α为潜在滑移面和坡面的夹角；Q1为作用在抗滑体上竖直方向的作用力合力；采用关系式(7)计算Q1；
关系式(7)：
Q1＝(q+γ2H)L cosβ2 (7)
关系式(7)中：γ2为未注液区域矿体容重；q为覆盖于矿层上部的表土转化的均布荷载；H为见矿深度；L为未注液区域的坡面长度；β2为未注液区域的坡度；
第六步：计算临界注液范围，
边坡安全系数是指抗滑力和下滑力的比值，设定注液范围，以矿层上表面为起始点，沿深度方向以0.1m为步长，根据关系式(1)和关系式(6)计算出边坡安全系数的变化规律，找出边坡安全系数的最小值，如果边坡安全系数最小值不等于1，则根据计算结果修正注液范围，重新以矿层上表面为起始点，沿深度方向以0.1m为步长，根据关系式(1)和关系式(6)计算边坡安全系数的变化规律，直至确定某一注液范围，使得沿深度方向的最小边坡安全系数等于1，则此时对应的注液范围即为临界注液范围。
本发明综合考虑了原地浸矿时影响矿山临界注液范围的各种因素，运用渗流理论，提出了全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法，为原地浸矿注液方案的确定提供了依据。本发明可提高原地浸矿稀土资源回收率，防止原地浸矿时山体滑坡现象发生。
具体实施方式
本发明在系统研究浸矿作用对矿体抗剪强度影响的基础上，提出全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法。
应用本发明，计算了福建屏南某全覆式稀土矿山原地浸矿时某一测线的临界注液范围，并不公开进行了原地浸矿时边坡变形现场监测试验，具体描述如下：
第一步：测定矿山坡度，
在屏南某全覆式稀土矿山选定一测线，确定参考点，采用RTK测试地形，该测线地形主要分为4段：第1段坡度为8.37°，坡面长度为10.43m；第2段坡度为13.91°，坡面长度为19.44m；第3段坡度为31.91°，坡面长度为5.39m；第4段坡度为33.91°，坡面长度为25.30m；
第二步：测试不同体积含水率下矿体的浸取率，
现场取样测试矿体天然状态下的密度为1.71g/cm3，体积含水率为0.28，稀土离子品位为0.065％，根据测试结果制作矿样，矿样直径10cm，高度35cm；自柱浸桶底部开始自下而上放置透水石、滤纸、粗砂、矿样、滤纸和粗砂；试验开始时，先用去离子水以恒定流速在矿土中形成稳定流场(流进、流出水量或流速相等)，再将去离子水换成浓度为20g/L的硫酸铵溶液，开始恒定流速下非饱和浸矿试验；从注硫酸铵溶液开始，每隔100g收集一次浸取液，并化验浸取液中的稀土离子；待浸取液中稀土离子浓度下降到0.01g/L以下时，试验结束，得到矿体不同体积含水率对应的浸取率，用关系式(8)进行描述；
关系式(8)中：η为稀土离子的浸取率；ηmax为稀土离子的最大浸取率，此处取值92.21％；θ为矿体的体积含水率；a、b为拟合参数，其中a＝106，b＝2.89；
第三步：测试注液区域与未注液区域矿体的黏聚力和内摩擦角，
假定原地浸矿时，注液区域不影响未注液区域，设定矿样的浸取率为90％时，根据第二步中的关系式(8)计算可得注液区域矿体的体积含水率为0.38，未注液区域矿体的体积含水率不受影响，等于天然体积含水率0.28，分别制作体积含水率为0.38和0.28的矿样各3个，矿样直径7cm，高度14cm，采用GDS非饱和三轴仪测试矿样在围压为50kPa、100kPa和150kPa的应力应变曲线，确定破坏应力值，绘制破坏应力圆和强度包线；由此得到注液区域矿体的黏聚力为7.27kPa，内摩擦角为30.03°；未注液区域矿体的黏聚力为12.30kPa，内摩擦角为30.03°；
第四步：计算注液区域的下滑力，
对于注液区域，矿层体积含水率为0.38，则注液区矿体容重为18.09kN/m3；注液区域矿体的黏聚力c1＝7.27kPa；注液区域矿体的内摩擦角注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角试验矿区表土平均厚度在3m左右，转化为均布压力q＝61.80kPa；由于所选测线存在陡坡区域和缓坡区域，故注液区域的坡度β1的取值与注液范围有关，随着注液范围的增大，取值范围为8.37°～35.91°。
位于注液区域的潜在滑坡体提供下滑力，采用关系式(1)进行计算；
关系式(1)：
关系式(1)中：Pa为下滑力；c1为注液区域矿体的黏聚力；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；为了避免关系式(1)过于冗长，关系式(1)中M、B、N、S分别采用关系式(2)、关系式(3)、关系式(4)、关系式(5)进行计算；关系式(1)中M采用关系式(2)进行计算；
关系式(2)：
关系式(2)中：γ1为注液区域矿体容重；β1为注液区域的坡度；q为覆盖于矿层上部的表土转化的均布荷载；c1为注液区域矿体的黏聚力；H为见矿深度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；
关系式(1)中B采用关系式(3)进行计算；
关系式(3)：
关系式(3)中：M的计算方法如关系式(2)所示；c1为注液区域矿体的黏聚力；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；
关系式(1)中N采用关系式(4)进行计算；
关系式(4)：
关系式(4)中：B采用关系式(3)进行计算；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；
关系式(1)中S采用关系式(5)进行计算；
关系式(5)：
关系式(5)中：B采用关系式(3)进行计算；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；
第五步：计算未注液区域的抗滑力，
对于未注液区域，矿层体积含水率为0.28，则注液区矿体容重为17.10kN/m3；未注液区域矿体的黏聚力c2＝12.30kPa；未注液区域矿体的内摩擦角对于未注液区域，未注液区域的坡面长度L与所选注液范围有关；试验矿区表土平均厚度在3m左右，转化为均布压力q＝61.80kPa；未注液区域的坡度β2与注液范围有关，随着注液范围的增大，取值范围为22.78°～35.91°；潜在滑移面和坡面的夹角α与未注液区域的坡面长度L和见矿深度H的取值有关；
采用关系式(6)计算处于未注液区域潜在滑坡体的抗滑力Ts；
关系式(6)：
关系式(6)中：Ts为抗滑力；c2为未注液区域矿体的黏聚力；L为未注液区域的坡面长度；β2为未注液区域的坡度；为未注液区域矿体的内摩擦角；α为潜在滑移面和坡面的夹角；Q1为作用在抗滑体上竖直方向的作用力合力；采用关系式(7)计算Q1；
关系式(7)：
Q1＝(q+γ2H)L cosβ2 (7)
关系式(7)中：γ2为未注液区域矿体容重；q为覆盖于矿层上部的表土转化的均布荷载；H为见矿深度；L为未注液区域的坡面长度；β2为未注液区域的坡度；
第六步：计算临界注液范围，
边坡安全系数是指抗滑力和下滑力的比值，设定注液范围为29.87m，以矿层上表面为起始点，沿深度方向以0.1m为步长，根据关系式(1)和关系式(6)计算出边坡安全系数的变化规律，找出边坡安全系数的最小值，如果边坡安全系数最小值不等于1，则将注液范围在现有基础上增大1％，重新以矿层上表面为起始点，沿深度方向以0.1m为步长，根据关系式(1)和关系式(6)计算边坡安全系数的变化规律，直至确定某一注液范围，使得沿深度方向的最小边坡安全系数等于1，则此时对应的注液范围即为临界注液范围。
实施效果：
应用本发明，计算了福建屏南某全覆式稀土矿山某一测线的临界注液范围，该测线的坡面长度约为60.56m。此次现场矿山原地浸矿时，根据室内非饱和柱浸试验结果，当矿体体积含水率为0.38时，对应的渗透系数为0.2275m/d，即单孔注液强度约为0.91m3/d，故控制该测线现场注液时的单孔平均注液强度为0.91m3/d左右，并不公开进行了原地浸矿时该测线地表裂缝现场监测试验。经过模型计算，当注液范围(指注液坡面长度)为42.98m时，在见矿深度4.9m处，边坡安全系数为1，边坡处于临界状态，说明该注液范围即为临界注液范围。同时，根据现场监测结果，当注液范围(指注液坡面长度)达到39.36m时，边坡出现大量的裂缝，最大裂缝宽度超过3.0cm，且边坡的裂缝发展对注液范围的变化非常敏感，即增大注液范围，裂缝出现加速发展的趋势，表明边坡接近滑坡临界状态，则该注液范围即为临界注液范围。此时，模型计算的临界注液范围与实际监测的临界注液范围的相对误差为9.2％，可以认为满足工程要求，说明本发明可以合理计算出全覆式离子型稀土矿山原地浸矿时的临界注液范围。

Claims (1)

1.一种全覆式离子型稀土矿山原地浸矿临界注液范围的计算方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步：测定矿山坡度，
采用现有技术测试矿山边坡坡度，确定不同坡度对应的坡面长度；
第二步：测试不同体积含水率下矿体的浸取率，
现场取样测试矿体天然状态下的密度、体积含水率和稀土离子品位，根据测试结果制作矿样，矿样直径5～10cm，高度30～50cm；之后，进行不同体积含水率下的柱浸试验，得到矿体不同体积含水率对应的浸取率，拟合测试数据，确定拟合方程；
第三步：测试注液区域与未注液区域矿体的黏聚力和内摩擦角，
根据原地浸矿的特点，将矿山分为注液区域和未注液区域，对于注液区域，在给定稀土离子浸取率的条件下，矿体的体积含水率可根据第二步中确定的拟合方程计算得到；对于未注液区域，矿体的体积含水率即为天然体积含水率；根据矿体这两种体积含水率分别制作矿样，矿样直径5～10cm，高度10～20cm，采用现有技术分别测试这两种矿样的黏聚力和内摩擦角，即获得注液区域和未注液区域矿体的黏聚力和内摩擦角；
第四步：计算注液区域的下滑力，
将矿山边坡简化为平面二维边坡，注液范围即指二维边坡中注液坡面长度，设定注液范围，将潜在滑坡体分为两个部分，一部分位于注液区域内，一部分位于未注液区域内，则位于注液区域的潜在滑坡体提供下滑力，采用关系式(1)进行计算；
关系式(1)：
关系式(1)中：Pa为下滑力；c1为注液区域矿体的黏聚力；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；为了避免关系式(1)过于冗长，关系式(1)中M、B、N、S分别采用关系式(2)、关系式(3)、关系式(4)、关系式(5)进行计算；
关系式(1)中M采用关系式(2)进行计算；
关系式(2)：
关系式(2)中：γ1为注液区域矿体容重；β1为注液区域的坡度；q为覆盖于矿层上部的表土转化的均布荷载；c1为注液区域矿体的黏聚力；H为见矿深度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；
关系式(1)中B采用关系式(3)进行计算；
关系式(3)：
关系式(3)中：M的计算方法如关系式(2)所示；c1为注液区域矿体的黏聚力；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；
关系式(1)中N采用关系式(4)进行计算；
关系式(4)：
关系式(4)中：B采用关系式(3)进行计算；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；
关系式(1)中S采用关系式(5)进行计算；
关系式(5)：
关系式(5)中：B采用关系式(3)进行计算；β1为注液区域的坡度；为注液区域矿体的内摩擦角；δ为注液区域滑体与未注液区域滑体的外摩擦角；H为见矿深度；
第五步：计算未注液区域的抗滑力，
对于处于未注液区域的潜在滑坡体，其提供抗滑力，用于支撑处于注液区域的潜在滑坡体，则采用关系式(6)计算处于未注液区域潜在滑坡体的抗滑力；
关系式(6)：
关系式(6)中：Ts为抗滑力；c2为未注液区域矿体的黏聚力；L为未注液区域的坡面长度；β2为未注液区域的坡度；为未注液区域矿体的内摩擦角；α为潜在滑移面和坡面的夹角；Q1为作用在抗滑体上竖直方向的作用力合力；采用关系式(7)计算Q1；
关系式(7)：
Q1＝(q+γ2H)Lcosβ2 (7)
关系式(7)中：γ2为未注液区域矿体容重；q为覆盖于矿层上部的表土转化的均布荷载；H为见矿深度；L为未注液区域的坡面长度；β2为未注液区域的坡度；
第六步：计算临界注液范围，
边坡安全系数是指抗滑力和下滑力的比值，设定注液范围，以矿层上表面为起始点，沿深度方向以0.1m为步长，根据关系式(1)和关系式(6)计算出边坡安全系数的变化规律，找出边坡安全系数的最小值，如果边坡安全系数最小值不等于1，则根据计算结果修正注液范围，重新以矿层上表面为起始点，沿深度方向以0.1m为步长，根据关系式(1)和关系式(6)计算边坡安全系数的变化规律，直至确定某一注液范围，使得沿深度方向的最小边坡安全系数等于1，则此时对应的注液范围即为临界注液范围。
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