CN113933354B - 一种离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，针对当前离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测滞后和准确度较差现状，为避免因注液渗流引发原位溶浸开采的资源流失、山体滑坡和水土污染问题，以不同区域岩土物质组成、孔隙度、含水量、矿化度等在注液渗流过程产生的电阻率差异为基础，结合少量的地下水钻孔观测，实现注液区地下渗流迁移方向、汇流区域和影响范围的有效监测，为现场注液管理提供科学准确、可复制和可视化的注液渗流监测数据，有助于实现区域注液量及注液强度的科学管理，有助于实现注液渗流影响范围的提前防控，有助于提高矿山企业经济效益和生产技术水平。
Description
技术领域
本发明属于离子型稀土原位溶浸开采技术领域，具体涉及一种离子型稀土矿原位溶浸开采过程中的注液区地下渗流监测方法。
背景技术
离子型稀土矿在我国1969年首次发现并命名，是一种以中重稀土元素为主的稀土矿床，是全球稀土资源的重要组成部分。广泛分布于我国华南地区，其中稀土离子以离子形式吸附在高岭土、蒙脱石、伊利石等黏土矿物上，可用氯化钠、硫酸铵、硫酸镁等电解质淋洗出来。
目前，离子型稀土主要采用原位溶浸工艺开采，是通过注液孔将电解质溶液注入稀土矿层，浸液渗流通过矿层并从黏土矿物中有选择地浸出稀土离子生成可溶性化合物，并收集可溶性化合物的采矿方法。该工艺不砍伐林木、不剥离表层覆土、不破坏矿体，劳动强度小，生产成本低，且可充分利用低品位稀土资源，是较为高效环保经济的开采方式。
在实际的离子型稀土矿原位溶浸注液生产过程中，生产管理人员主要依靠渗透系数、矿层厚度和饱和含水量等水文试验参数进行饱和式灌注，对浸液进入矿层后的渗流迁移过程缺少高精度的监测措施，仅依靠现场的区域露头水位、山行地势和收液巷道出水情况对地下注液渗流情况进行推断和调整，对注液管理人员的经验性要求极高；因此，在注液生产过程中，由区域地层的水文参数差异和注液管理不当导致山体滑坡或局部渗漏流失的现象时有发生，给矿区及周边公众的生命健康和生态环境带来较大影响。
针对当前离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法滞后性和准确度较差现状，为避免因注液渗流引发原位溶浸开采的资源流失、山体滑坡和矿区水土污染问题，在多次现场试验总结基础上，本发明以不同渗流区域岩土物质组成、孔隙度、含水量、矿化度等在注液过程产生的电阻率差异为基础，结合少量的地下水观测孔，提出一种离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法。该方法可有效解决现有地下渗流迁移方向、汇流区域和影响范围严重依赖注液管理人员经验的生产难题，为现场的注液管理提供科学准确、可复制和可视化的注液渗流监测数据，有助于实现区域注液量及注液强度的科学管理和注液渗流影响的提前防控。
发明内容
本发明提供了一种离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，基于浸液电解质的低电阻特性，以不同渗流区域岩土物质组成、孔隙度、含水量、矿化度等在注液过程产生的电阻率差异，结合原位溶浸开采的技术特点，合理运用高密度电阻率法、数值处理和钻孔地下水观测技术手段形成优势互补；可解决离子型稀土原位溶浸开采过程中，严重依靠注液管理人员生产经验的技术难题，依据局部水文试验参数指导整体开采区域的注液管理问题，以及因地下渗流监测手段不足导致地下渗流情况判定和注液调控滞后等带来的生产安全隐患问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，其步骤在于：
A、实施注液前，依据矿区地质条件和开采区范围铺设电极和电缆，以高密度电阻率法采集区内各监测线的初始电阻率特征数据，并布设渗流监测钻孔；
B、实施注液后，固定时间间隔对渗流监测钻孔进行观测，并以高密度电阻率法采集区内各监测线的电阻率特征数据变化；
C、基于离子型稀土矿开采区地形参数、岩土样品的电阻率物性参数和渗流监测钻孔水样的电阻率物性参数，对步骤A采集的各监测线的初始电阻率特征数据和对步骤B采集的各监测线的实时电阻率特征数据分别进行约束反演处理；
D、解译步骤C获得的反演结果，建立监测线的电阻率变化与注液渗流迁移的对应关系，形成以时间为主线的可视化注液渗流变化数据资料；
E、定期分析注液渗流变化数据资料，获取注液渗流在水平、垂直方向上的迁移趋势，预测渗流汇集区域和影响范围，指导开采区注液管理和防控方案设计。
进一步的，步骤A中，所述矿区地质条件至少包括：地质构造背景、地理环境特征、接地条件和开采历史；所述电极和电缆主要用于电阻率特征数据采集；所述渗流监测钻孔主要用于水位监测与水样采集。
进一步的，步骤A及步骤B中，在进行高密度电阻率法采集电阻率特征数据前至少需检测电缆通电情况、电极接地状况、确定测量装置和测量参数，以确保电阻率特征数据采集条件的一致性。
进一步的，步骤B中，实施注液后需确保各注液孔液位在较低位置，确保不形成地表径流，以避免电阻率测量过程中的短路和触电风险。
进一步的，步骤B中，渗流监测钻孔观测和高密度电阻率法为同步进行的，所述固定时间间隔一般为24小时。
进一步的，步骤C中，开采区地形参数需用高精度RTK（精度达到0.1m以上）进行测量，比例尺不小于1:2000，需测定未被注液浸泡和被注液浸泡后的岩土样品电阻率参数，需测定不同注液含量的水样电阻率参数。
进一步的，步骤C中，各监测线电阻率数据的约束反演处理是指：利用Res2Dinv等软件将各监测线上固定点位深度的岩土及水样电阻率实测数值带入反演计算过程，以获得更接近真实值的电阻率成像色谱图；需注意的是在各监测线的电阻率数据处理过程中，需保持阻尼系数、滤波比和计算网格等参数的一致性。
进一步的，步骤D中，监测线电阻率变化与注液渗流迁移的对应关系是基于注液渗流中电解质改变开采区岩土及地下水的电阻率物性参数，从而以电阻率变化趋势指示注液渗流迁移趋势。上述对应关系在电阻率成像色谱图中可反应出渗流迁移方向、汇集区域和渗流影响范围。
进一步的，步骤D中，以时间为主线的可视化注液渗流变化数据资料是指：将各时间点的电阻率成像色谱图用Voxler等三维可视化软件处理，形成整个开采区范围的注液渗流变化三维透视图。
进一步的，步骤E中，开采区注液强度管理和防控方案设计是指：依据所述注液渗流变化数据进行趋势预测，圈定渗流汇集区域，调节各注液孔的注液量，并在可能出现液体渗漏流失的区域增设防渗帷幕、导流孔或抽提井。
本发明的有益效果如下：
1、采用高密度电阻率法测量注液区岩土水的电阻率物性参数变化，获取注液区域地下渗流迁移扩散过程数据，可有效解决注液管理人员依据局部水文试验参数和表观现象指导生产注液管理的难题；
2、通过少量钻孔地下水观测数据，有效提升了高密度电阻率法测量数据的反演计算精度，获得更接近真实情况的电阻率成像色谱图；
3、以时间线切片方式，获得注液渗流在地下空间的迁移特征，并通过三维可视化软件进行直观展示，为现场的注液管理提供科学准确、可复制和可视化的注液渗流监测数据，降低对注液管理人员的生产经验要求；
4、本发明广泛适用于各类型的离子型稀土矿山，可清晰直观展示注液过程中的渗流迁移的方向、汇流的区域和渗流影响范围，支撑原位溶浸开采的注液强度管理和防控措施建设，有助于提前预警山体滑坡和矿区水土污染等生产安全隐患。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的工作流程步骤示意图。
图2为高密度电阻率法探深与测线关系示意图。
图3为注液渗流高密度电阻率法测量结果示意图。
其中，附图标记为：3-1测量电极,3-2测量电缆,3-3注液孔,3-4表土覆盖层,3-5风化矿层,3-6基岩层,3-7地下注液渗流区域。
具体实施方式
为更好地理解本发明的目的和技术实施方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。此处提供的实施案例将把本发明彻底和完整的构思传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。需要说明的是，本发明可以有多种不同的实施形式，在此阐述的具体实施案例不应作为对本发明的限定。
本实施例提供了一种离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，包括监测设计、数据采集、数据处理、对比解译和注液管理等步骤，通过“以测量开采区注液渗流造成岩土及地下水的电阻率变化，表征地下渗流迁移方向、汇集区域和渗流影响范围”技术思路，有效解决注液管理人员依据局部水文试验参数和表观现象指导生产注液管理的难题，为现场注液管理提供科学准确、可复制和可视化的注液渗流监测数据，提前预警和防控潜在的山体滑坡和矿区水土污染等风险，实现开采区域注液量及注液强度的科学管理。
如图1所示，具体实施步骤如下：
（1）监测方案设计
在开展开采区注液渗流监测前，尽可能多的收集与开采区相关的资料，通过整理分析获取地质构造背景、地理环境特征、接地条件、开采历史和水文地质条件等参数，如有早期地球物理勘探资料则应详细分析其数据成果和疑难问题。
基于开采区资料整理成果，结合开采区的高精度地形参数、基岩埋深、风化层厚度和破碎裂隙分布等完成监测方案设计，确定高密度电阻率法的设备型号、监测线走向、布设长度、探测深度、电极间距和测线间距及其他内容。一般而言，探测深度D设置为探测对象深度d（风化层平均厚度）的1.5倍到2倍，监测线长度按照以下原则进行：L=设计探测深度D+探测对象区间长I+设计探测深度，如图2所示。观测孔一般设置在监测线中部，即探测对象区间内，每条监测线设置1-2个观测孔。
（2）初始电阻率数据采集
注液实施前，组织人工用RTK等定位设备按监测设计方案布设电极电缆和观测孔点位，依据分辨率、数据偏差等条件对仪器设备进行测试校验和多方法比对后，确定测量装置和测量参数，采集区内各测线的初始电阻率特征数据，每条测线开展不少于两次的数据采集和检验工作，以确保数据的真实可靠。每个测线野外作业结束后，及时把草图、测检点高程剖面图、测线合格通知书及测量成果提供给解释人员。组织人工使用钻探设备在观测孔点位施工，采集不同深度的岩土水样品；利用仪器测定各样品的初始电阻率及受注液渗流中电解质影响后的电阻率。
（3）过程电阻率数据采集
注液实施后，需确保各注液孔液位在较低位置，且开采区内无地表径流。组织人工按24h的时间间隔对每条监测线进行高密度电阻率法测量，测量前需检测电缆通电情况、电极接地状况、确定测量装置和测量参数，以确保与初始电阻率数据采集条件的一致性。每个测线野外作业结束后，及时把草图、测检点高程剖面图、测线合格通知书及测量成果提供给解释人员。渗流监测钻孔观测和高密度电阻率法为同步进行的，主要是观测水位与采集水样，对采集水样进行电阻率测量。
（4）电阻率数据处理
解译人员运用Res2Dinv等软件将各测线的测量数据转化为电阻率成像色谱图，并将测线的地形数据和固定点位深度的岩土及水样电阻率实测数值带入反演计算过程；需注意的是在各测线的电阻率数据处理过程中，需保持阻尼系数、滤波比和计算网格等参数的一致性。基于早期测定的岩土水样品受注液渗流中电解质影响的电阻率变化数据，建立监测线电阻率变化与注液渗流迁移的对应关系，条件许可时可通过钻孔采集监测线上的不同深度岩土样品进行校验。从而在各测线的电阻率成像色谱图中标示出渗流迁移方向，如图3所示。
（5）可视化处理与对比解译
解译人员运用Voxler等三维可视化软件将同一时间段的各测线数据制作为开采区电阻率三维透视图，以时间为主线将不同时间段的开采区电阻率三维透视图制作为动图或同屏显示，获取整个开采区范围的注液渗流迁移趋势、汇集区域和渗流影响范围。
（6）开采区注液管理
注液管理人员依据注液渗流变化数据，在不同时间段通过对整个开采区范围的注液渗流迁移趋势、汇集区域和渗流影响范围分析，圈定渗流汇集区域，编制注液调控方案，调节各注液孔的注液量，在可能出现液体渗漏流失的区域增设防渗帷幕、导流孔或抽提井。
通过上述步骤，我们可在注液前期获得地下渗流的整体迁移扩散情况，直至注液渗流稳定后可停止监测，拆除电极电缆。
Claims (8)
1.一种离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，其特征在于包括以下步骤：
A、实施注液前，依据离子型稀土矿的矿区地质条件和开采区范围铺设电极和电缆，然后以高密度电阻率法采集矿区内各监测线的初始电阻率特征数据，并布设渗流监测钻孔；
B、实施注液后，固定时间间隔对渗流监测钻孔进行观测，并同时以高密度电阻率法采集矿区内各监测线的电阻率特征数据变化；
C、基于离子型稀土矿开采区地形参数、岩土样品的电阻率物性参数和渗流监测钻孔水样的电阻率物性参数，对步骤A采集的各监测线的初始电阻率特征数据和对步骤B采集的各监测线的实时电阻率特征数据分别进行约束反演处理；所述约束反演处理是将各监测线上固定点位深度的岩土及水样电阻率实测数值带入反演计算过程，以获得接近真实值的电阻率成像色谱图；对各监测线电阻率特征数据进行约束反演处理的过程中，需保持阻尼系数、滤波比和计算网格等参数的一致性；
D、解译步骤C约束反演处理获得的反演结果，建立各监测线的电阻率变化与注液渗流迁移的对应关系，形成以时间为主线的可视化注液渗流变化数据资料；所述监测线的电阻率变化与注液渗流迁移的对应关系是基于注液渗流中电解质改变开采区岩土及地下水的电阻率物性参数，从而以电阻率变化趋势指示注液渗流迁移趋势；
E、定期分析注液渗流变化数据资料，获取注液渗流在水平、垂直方向上的迁移趋势，预测渗流汇集区域和影响范围，指导开采区注液管理和防控方案设计。
2.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，其特征在于：步骤A中，所述矿区地质条件至少包括地质构造背景、地理环境特征、接地条件和开采历史，所述电极和电缆用于电阻率特征数据采集，所述渗流监测钻孔主要用于水位监测与水样采集。
3.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，其特征在于：步骤A及步骤B中，在以高密度电阻率法采集电阻率特征数据前至少需检测电缆通电情况、电极接地状况、确定测量装置和测量参数，以确保电阻率特征数据采集条件的一致性。
4.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，其特征在于：步骤B中，实施注液后需确保各注液孔液位低于地表3m以上，确保不形成地表径流。
5.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，其特征在于：步骤B中，所述固定时间间隔为24小时。
6.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，其特征在于：步骤C中，利用精度达到0.1m以上的RTK测量开采区地形参数，比例尺大于或等于1:2000，需测定未被注液浸泡和被浸出剂浸泡后的岩土样品电阻率参数，需测定不同浸出剂含量的水样电阻率参数。
7.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，其特征在于：步骤D中，以时间为主线的可视化注液渗流变化数据资料是将各时间点的电阻率成像色谱图用三维可视化软件处理，形成整个开采区范围的注液渗流变化三维透视图。
8.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位溶浸的注液渗流监测方法，其特征在于：步骤E中，所述开采区注液强度管理和防控方案设计是依据所述注液渗流变化数据进行趋势预测，圈定渗流汇集区域，调节各注液孔的注液量，并在可能出现液体渗漏流失的区域增设防渗帷幕、导流孔或抽提井。
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