CN115704064B - 一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置及其方法，所述系统装置包括稀土矿山相似模型、溶浸开采模拟单元和采动渗流监测单元；所述稀土矿山相似模型包括层叠设置的基座、半风化层岩样、半风化层顶板面、全风化层矿样、全风化层顶板面、腐殖层岩样和腐殖层顶板面；所述溶浸开采模拟单元包括注液管、滤水管和泄水孔；所述采动渗流监测单元包括依次连接的加热电源、解调仪和温度感测光缆。本发明提供的系统装置解决了现有原地浸矿法柱层淋洗试验方法的不足，填补了原地浸矿相似模型室内试验的空白。
Description
本申请要求申请号为202110943299.4专利申请的优先权(在先申请的申请日为2021年8月17日，发明名称为：一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置及其方法)。
技术领域
本发明属于溶浸采矿技术领域，涉及一种原地溶浸开采试验方法，尤其涉及一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置及其方法。
背景技术
离子吸附型稀土矿床作为一种非矿物型稀土资源，目前主要采用原地溶浸法开采。所谓原地溶浸开采就是在不开挖矿岩的情况下，将溶浸液经浅孔注入矿体，附着于黏土矿物表面的稀土离子被溶浸液中的阳离子交换解吸随溶浸液流出形成浸出母液，进而从中回收稀土的方法。
原地浸矿法已成为离子型稀土矿开采最为常用的方法。然而，传统原地溶浸开采采用“粗放式”设计，整个开采工艺参数依据经验法或类比法选取，往往造成矿块内存在大量的浸矿盲区，资源浪费严重，且在实际生产中常采用加大注液强度的方式来最大限度消除浸矿盲区，如此一方面导致浸矿剂消耗量大，另一方面加重了山体滑坡的风险。
目前，在整个离子吸附型稀土提取技术研究中，最多采用的浸取方式是柱层交换浸取，该试验系统仅考虑溶液与矿样之间的相互交换吸附，而试验过程往往忽略了采准工程布置对浸取效果的影响。现有原地浸矿方法试验系统的局限性导致无法模拟矿山实际开采情况，原地浸矿开采参数由传统经验法和类比法确定。现有试验方法大多采用柱层淋洗的方式来模拟开采过程，无法考察山体内部渗流场对溶采的影响，也无法考察各种注液参数(注液速率、注液量、注液次数、注液浓度)和官网布置参数对收液效果(收液速率和溶采效率)的影响。
CN 103205566A公开了一种原地浸矿渗流试验系统，所述发明采用压力容器装置来模拟原地浸矿开采，并通过调节装置内结构实现不同地质条件和工艺参数下离子型稀土开采，但该系统未考虑离子型稀土矿山地层规律和山体分布特点，无法准确描述矿山真实现状，也就无法准确描述原地浸矿开采过程。
由此可见，如何提供一种原地溶浸开采试验系统，解决现有原地浸矿法柱层淋洗试验方法的不足，填补原地浸矿相似模型室内试验的空白，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置及其方法，所述系统装置解决了现有原地浸矿法柱层淋洗试验方法的不足，填补了原地浸矿相似模型室内试验的空白。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置，所述系统装置包括稀土矿山相似模型、溶浸开采模拟单元和采动渗流监测单元。
所述稀土矿山相似模型包括层叠设置的基座、半风化层岩样、半风化层顶板面、全风化层矿样、全风化层顶板面、腐殖层岩样和腐殖层顶板面。
所述基座上设置有样品槽和集液槽，且所述半风化层岩样设置在样品槽内。
所述溶浸开采模拟单元包括注液管、滤水管和泄水孔。
所述注液管沿竖直方向依次贯穿于所述腐殖层顶板面、腐殖层岩样和全风化层顶板面，并插入所述全风化层矿样。
所述滤水管设置于所述样品槽的底面。
所述泄水孔设置于所述集液槽的侧壁。
所述采动渗流监测单元包括依次连接的加热电源、解调仪和温度感测光缆。
所述温度感测光缆设置于所述半风化层岩样和全风化层矿样中。
本发明提供的系统装置适用于任何稀土矿山原地溶浸采动室内相似模拟，通过任意调节注液参数和管网布置参数，开展不同溶采条件下渗流场变化规律研究，能够有效进行采动强化与边坡灾变耦合调控分析研究。
优选地，所述稀土矿山相似模型为离子吸附型稀土矿山相似模型。
优选地，所述离子吸附型稀土矿山相似模型采用以下方法制备得到：
(1)将离子吸附型稀土矿山划分为待采矿块，并将待采矿块按比例缩小；
(2)根据步骤(1)所得缩小后的待采矿块，利用三维建模技术依次构建腐殖层、全风化层和半风化层的三维数字模型；
(3)根据步骤(2)所得三维数字模型，利用3D打印技术依次生成腐殖层顶板面、全风化层顶板面和半风化层顶板面；
(4)将步骤(3)所得三种顶板面按照腐殖层顶板面、全风化层顶板面和半风化层顶板面的顺序相互固定，并将所述半风化层顶板面与基座相互固定；
(5)将腐殖层岩样、全风化层矿样和半风化层岩样依次填充于三种顶板面之间的对应位置，得到离子吸附型稀土矿山相似模型。
本发明中，步骤(5)所述“将腐殖层岩样、全风化层矿样和半风化层岩样依次填充于三种顶板面之间的对应位置”具体表述为：将腐殖层岩样填充于腐殖层顶板面与全风化层顶板面之间的位置；将全风化层矿样填充于全风化层顶板面和半风化层顶板面之间的位置；将半风化层岩样填充于半风化层顶板面与基座之间的位置。
优选地，步骤(1)所述待采矿块按比例缩小的体积比范围为1:(80-100)，例如可以是1:80、1:82、1:84、1:86、1:88、1:90、1:92、1:94、1:96、1:98或1:100，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述3D打印技术生成的三种顶板面分别为方形网状结构，且网格尺寸为(2-4)×(2-4)mm，例如可以是2×2mm、2.5×2.5mm、3×3mm、3.5×3.5mm或4×4mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述注液管为圆形注液管。
优选地，所述圆形注液管的内径为1-2mm，例如可以是1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述圆形注液管的外径为2.5-3.5mm，例如可以是2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm、3mm、3.1mm、3.2mm、3.3mm、3.4mm或3.5mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述注液管插入所述全风化层矿样的深度为0.8-1.2cm，例如可以是0.8cm、0.85cm、0.9cm、0.95cm、1cm、1.05cm、1.1cm、1.15cm或1.2cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述注液管超出所述腐殖层顶板面的长度为3-7cm，例如可以是3cm、3.5cm、4cm、4.5cm、5cm、5.5cm、6cm、6.5cm或7cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述滤水管为圆形滤水管。
优选地，所述圆形滤水管的内径为1-2mm，例如可以是1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述圆形滤水管的外径为2.5-3.5mm，例如可以是2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm、3mm、3.1mm、3.2mm、3.3mm、3.4mm或3.5mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述滤水管在所述样品槽的底面设置方式为：所述滤水管沿矿体分布的短轴方向每隔3-5cm铺设于所述样品槽的底面，且所述滤水管的一端与所述泄水孔连通，另一端固定于样品槽的底面。
优选地，所述泄水孔在所述集液槽的侧壁呈矩阵式排布，且矩阵行间距为3-5cm，例如可以是3cm、3.2cm、3.4cm、3.6cm、3.8cm、4cm、4.2cm、4.4cm、4.6cm、4.8cm或5cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述集液槽的长度与待采矿块的尺寸相适应。
本发明中，所述集液槽的长度与待采矿块的尺寸相适应，具体表述为：所述集液槽的长度视待采矿块在样品槽内的放置方向而定，以保证渗液经泄水孔顺利流入集液槽内。
优选地，所述集液槽的宽度为5-10cm，例如可以是5cm、5.5cm、6cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm、9.5cm或10cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述集液槽的深度为10-15cm，例如可以是10cm、10.5cm、11cm、11.5cm、12cm、12.5cm、13cm、13.5cm、14cm、14.5cm或15cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述温度感测光缆在所述半风化层岩样中的设置方式为：在所述半风化层岩样中距离半风化层顶板面3-5cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆，且所述温度感测光缆的布线方向平行于半风化层顶板面。
优选地，所述温度感测光缆在所述全风化层矿样中的设置方式为：在所述全风化层矿样中，以半风化层顶板面为起点每隔3-5cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆，且所述温度感测光缆的布线方向平行于半风化层顶板面。
第二方面，本发明提供一种采用第一方面所述系统装置进行原地溶浸开采试验的方法，所述方法包括以下步骤：
(A)向注液管中进行注液，通过调控注液参数来模拟原地溶采采动过程；
(B)打开加热电源对温度感测光缆进行加热，采用解调仪观测记录光缆各处温度变化，通过数据处理将温差转化为流量；
(C)基于步骤(A)与(B)的采动活动，观察集液槽收液速率、矿体内部优势流通道和溶采盲区，当集液槽内稀土母液浓度低于矿山闭坑条件时，停止采动，统计单次溶采时间，更换矿、岩样品，改变采动参数重新试验，重新统计试验结果。
优选地，步骤(A)所述注液参数包括注液管网布置参数、注液速率、浸矿剂浓度、注液间隔时间、注液次数与淋洗次数。
优选地，所述浸矿剂包括硫酸铵水溶液和/或硫酸镁水溶液。
本发明提供的方法通过相似模拟试验对采动方式和采动参数进行定量分析，弥补了原地浸矿开采参数科学选取的空白。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的系统装置适用于任何稀土矿山原地溶浸采动室内相似模拟，通过任意调节注液参数和管网布置参数，开展不同溶采条件下渗流场变化规律研究，能够有效进行采动强化与边坡灾变耦合调控分析研究；
(2)本发明提供的方法通过相似模拟试验对采动方式和采动参数进行定量分析，弥补了原地浸矿开采参数科学选取的空白。
附图说明
图1是本发明提供的原地溶浸开采试验的系统装置结构示意图。
其中：1-腐殖层顶板面，2-全风化层顶板面，3-半风化层顶板面，4-注液管，5-布线方向，6-温度感测光缆，7-滤水管，8-腐殖层岩样，9-全风化层矿样，10-半风化层岩样，11-基座，12-样品槽，13-集液槽，14-泄水孔。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置，如图1所示，所述系统装置包括稀土矿山相似模型、溶浸开采模拟单元和采动渗流监测单元。
本实施例中，所述稀土矿山相似模型包括层叠设置的基座11、半风化层岩样10、半风化层顶板面3、全风化层矿样9、全风化层顶板面2、腐殖层岩样8和腐殖层顶板面1；所述基座11上设置有样品槽12和集液槽13，且所述半风化层岩样10设置在样品槽12内；所述溶浸开采模拟单元包括注液管4、滤水管7和泄水孔14；所述注液管4沿竖直方向依次贯穿于所述腐殖层顶板面1、腐殖层岩样8和全风化层顶板面2，并插入所述全风化层矿样9；所述滤水管7设置于所述样品槽12的底面；所述泄水孔14设置于所述集液槽13的侧壁；所述采动渗流监测单元包括依次连接的加热电源、解调仪和温度感测光缆6；所述温度感测光缆6设置于所述半风化层岩样10和全风化层矿样9中。
本实施例中，所述稀土矿山相似模型为离子吸附型稀土矿山相似模型，且所述离子吸附型稀土矿山相似模型采用以下方法制备得到：
(1)将离子吸附型稀土矿山划分为待采矿块，并将待采矿块按比例缩小；
(2)根据步骤(1)所得缩小后的待采矿块，利用三维建模技术依次构建腐殖层、全风化层和半风化层的三维数字模型；
(3)根据步骤(2)所得三维数字模型，利用3D打印技术依次生成腐殖层顶板面1、全风化层顶板面2和半风化层顶板面3；
(4)将步骤(3)所得三种顶板面按照腐殖层顶板面1、全风化层顶板面2和半风化层顶板面3的顺序相互固定，并将所述半风化层顶板面3与基座11相互固定；
(5)将腐殖层岩样8、全风化层矿样9和半风化层岩样10依次填充于三种顶板面之间的对应位置，得到离子吸附型稀土矿山相似模型。
其中，步骤(1)所述待采矿块按比例缩小的体积比为1:90，步骤(2)所述3D打印技术生成的三种顶板面分别为方形网状结构，且网格尺寸为3×3mm。
本实施例中，所述注液管4为内径1.5mm，外径为3mm的圆形注液管；所述注液管4插入所述全风化层矿样2的深度为1cm，且超出所述腐殖层顶板面1的长度为5cm。
本实施例中，所述滤水管7为内径1.5mm，外径为3mm的圆形滤水管；所述滤水管7在所述样品槽12的底面设置方式为：所述滤水管7沿矿体分布的短轴方向每隔4cm铺设于所述样品槽7的底面，且所述滤水管7的一端与所述泄水孔14连通，另一端固定于样品槽7的底面。
本实施例中，所述泄水孔14在所述集液槽13的侧壁呈矩阵式排布，且矩阵行间距为4cm；所述集液槽13的长度与待采矿块的尺寸相适应，宽度为8cm，深度为12cm。
本实施例中，所述温度感测光缆6在所述半风化层岩样10中的设置方式为：在所述半风化层岩样10中距离半风化层顶板面3为4cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆6，且所述温度感测光缆6的布线方向平行于半风化层顶板面3。
本实施例中，所述温度感测光缆6在所述全风化层矿样9中的设置方式为：在所述全风化层矿样9中，以半风化层顶板面3为起点每隔4cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆6，且所述温度感测光缆6的布线方向平行于半风化层顶板面3。
实施例2
本实施例提供一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置，如图1所示，所述系统装置包括稀土矿山相似模型、溶浸开采模拟单元和采动渗流监测单元。
本实施例中，所述稀土矿山相似模型包括层叠设置的基座11、半风化层岩样10、半风化层顶板面3、全风化层矿样9、全风化层顶板面2、腐殖层岩样8和腐殖层顶板面1；所述基座11上设置有样品槽12和集液槽13，且所述半风化层岩样10设置在样品槽12内；所述溶浸开采模拟单元包括注液管4、滤水管7和泄水孔14；所述注液管4沿竖直方向依次贯穿于所述腐殖层顶板面1、腐殖层岩样8和全风化层顶板面2，并插入所述全风化层矿样9；所述滤水管7设置于所述样品槽12的底面；所述泄水孔14设置于所述集液槽13的侧壁；所述采动渗流监测单元包括依次连接的加热电源、解调仪和温度感测光缆6；所述温度感测光缆6设置于所述半风化层岩样10和全风化层矿样9中。
本实施例中，所述稀土矿山相似模型为离子吸附型稀土矿山相似模型，且所述离子吸附型稀土矿山相似模型采用以下方法制备得到：
(1)将离子吸附型稀土矿山划分为待采矿块，并将待采矿块按比例缩小；
(2)根据步骤(1)所得缩小后的待采矿块，利用三维建模技术依次构建腐殖层、全风化层和半风化层的三维数字模型；
(3)根据步骤(2)所得三维数字模型，利用3D打印技术依次生成腐殖层顶板面1、全风化层顶板面2和半风化层顶板面3；
(4)将步骤(3)所得三种顶板面按照腐殖层顶板面1、全风化层顶板面2和半风化层顶板面3的顺序相互固定，并将所述半风化层顶板面3与基座11相互固定；
(5)将腐殖层岩样8、全风化层矿样9和半风化层岩样10依次填充于三种顶板面之间的对应位置，得到离子吸附型稀土矿山相似模型。
其中，步骤(1)所述待采矿块按比例缩小的体积比为1:100，步骤(2)所述3D打印技术生成的三种顶板面分别为方形网状结构，且网格尺寸为2×2mm。
本实施例中，所述注液管4为内径1mm，外径为2.5mm的圆形注液管；所述注液管4插入所述全风化层矿样2的深度为0.8cm，且超出所述腐殖层顶板面1的长度为3cm。
本实施例中，所述滤水管7为内径1mm，外径为2.5mm的圆形滤水管；所述滤水管7在所述样品槽12的底面设置方式为：所述滤水管7沿矿体分布的短轴方向每隔3cm铺设于所述样品槽7的底面，且所述滤水管7的一端与所述泄水孔14连通，另一端固定于样品槽7的底面。
本实施例中，所述泄水孔14在所述集液槽13的侧壁呈矩阵式排布，且矩阵行间距为3cm；所述集液槽13的长度与待采矿块的尺寸相适应，宽度为5cm，深度为10cm。
本实施例中，所述温度感测光缆6在所述半风化层岩样10中的设置方式为：在所述半风化层岩样10中距离半风化层顶板面3为3cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆6，且所述温度感测光缆6的布线方向平行于半风化层顶板面3。
本实施例中，所述温度感测光缆6在所述全风化层矿样9中的设置方式为：在所述全风化层矿样9中，以半风化层顶板面3为起点每隔3cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆6，且所述温度感测光缆6的布线方向平行于半风化层顶板面3。
实施例3
本实施例提供一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置，如图1所示，所述系统装置包括稀土矿山相似模型、溶浸开采模拟单元和采动渗流监测单元。
本实施例中，所述稀土矿山相似模型包括层叠设置的基座11、半风化层岩样10、半风化层顶板面3、全风化层矿样9、全风化层顶板面2、腐殖层岩样8和腐殖层顶板面1；所述基座11上设置有样品槽12和集液槽13，且所述半风化层岩样10设置在样品槽12内；所述溶浸开采模拟单元包括注液管4、滤水管7和泄水孔14；所述注液管4沿竖直方向依次贯穿于所述腐殖层顶板面1、腐殖层岩样8和全风化层顶板面2，并插入所述全风化层矿样9；所述滤水管7设置于所述样品槽12的底面；所述泄水孔14设置于所述集液槽13的侧壁；所述采动渗流监测单元包括依次连接的加热电源、解调仪和温度感测光缆6；所述温度感测光缆6设置于所述半风化层岩样10和全风化层矿样9中。
本实施例中，所述稀土矿山相似模型为离子吸附型稀土矿山相似模型，且所述离子吸附型稀土矿山相似模型采用以下方法制备得到：
(1)将离子吸附型稀土矿山划分为待采矿块，并将待采矿块按比例缩小；
(2)根据步骤(1)所得缩小后的待采矿块，利用三维建模技术依次构建腐殖层、全风化层和半风化层的三维数字模型；
(3)根据步骤(2)所得三维数字模型，利用3D打印技术依次生成腐殖层顶板面1、全风化层顶板面2和半风化层顶板面3；
(4)将步骤(3)所得三种顶板面按照腐殖层顶板面1、全风化层顶板面2和半风化层顶板面3的顺序相互固定，并将所述半风化层顶板面3与基座11相互固定；
(5)将腐殖层岩样8、全风化层矿样9和半风化层岩样10依次填充于三种顶板面之间的对应位置，得到离子吸附型稀土矿山相似模型。
其中，步骤(1)所述待采矿块按比例缩小的体积比为1:80，步骤(2)所述3D打印技术生成的三种顶板面分别为方形网状结构，且网格尺寸为4×4mm。
本实施例中，所述注液管4为内径2mm，外径为3.5mm的圆形注液管；所述注液管4插入所述全风化层矿样2的深度为1.2cm，且超出所述腐殖层顶板面1的长度为7cm。
本实施例中，所述滤水管7为内径2mm，外径为3.5mm的圆形滤水管；所述滤水管7在所述样品槽12的底面设置方式为：所述滤水管7沿矿体分布的短轴方向每隔5cm铺设于所述样品槽7的底面，且所述滤水管7的一端与所述泄水孔14连通，另一端固定于样品槽7的底面。
本实施例中，所述泄水孔14在所述集液槽13的侧壁呈矩阵式排布，且矩阵行间距为5cm；所述集液槽13的长度与待采矿块的尺寸相适应，宽度为10cm，深度为15cm。
本实施例中，所述温度感测光缆6在所述半风化层岩样10中的设置方式为：在所述半风化层岩样10中距离半风化层顶板面3为5cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆6，且所述温度感测光缆6的布线方向平行于半风化层顶板面3。
本实施例中，所述温度感测光缆6在所述全风化层矿样9中的设置方式为：在所述全风化层矿样9中，以半风化层顶板面3为起点每隔5cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆6，且所述温度感测光缆6的布线方向平行于半风化层顶板面3。
应用例1
本应用例应用实施例1提供的系统装置进行原地溶浸开采试验，具体方法包括以下步骤：
(A)首先设置注液管网间距为2cm，3cm，4cm，5cm，6cm五个梯度，采用蠕动泵以4mL/min的注液速率将浓度为2wt％的硫酸铵水溶液匀速地向注液管中注液，注液持续时间t＝(1.25×全风化层矿土体积V(L))h，注液一次，注液结束后待泄水孔无溶液滴出时收集集液槽中的全部溶液，采用ICP测量溶液中稀土离子含量。集液槽清空后采用清水进行淋洗，同样地通过蠕动泵以相同速率注入清水，淋洗时间t＝(3.75×全风化层矿土体积V(L))h，淋洗一次，淋洗完成后采用相同方法测量溶液中稀土浓度。
在进行注液的同时，打开加热电源对温度感测光缆进行加热，采用解调仪观测记录光缆各处温度变化，采用数据处理将温差转化为流量，进而通过流量大小判断优势流通道和是否存在渗流盲区。
在上述管网参数六个梯度中，选取无渗流盲区存在且集液槽母液中稀土离子含量最高的管网参数为最佳管网参数。
(B)按最佳管网参数排布注液管，设置注液速率V为4mL/min、5mL/min、6mL/min、7mL/min、8mL/min、9mL/min、10mL/min七个梯度，通过蠕动泵按梯度注液，注液时间同样地，按照上述步骤确定最佳注液速率。
(C)将浸矿剂浓度划分为1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％五个梯度，按最佳管网参数排布注液管，以最佳注液速率注液，同样地，按照上述步骤确定最佳注液速率。
(D)重新按照上述最佳管网参数、注液速率、浸矿剂浓度进行试验，控制总注液量Q＝0.3×全风化层矿土体积(L)，将注液次数设置为1次、2次、3次、4次…等梯度，各次注液间隔时间同注液时间，每次收液结束单独收集集液槽中母液样品且测定稀土离子含量，当集液槽内稀土母液浓度低于矿山闭坑条件时(母液中离子相稀土浓度小于0.1g/L)，停止采动试验，统计总注液次数。
(E)确定最佳注液次数后，前后注液间隔时间设置为1/2倍注液时间、注液时间、2倍注液时间、3倍注液时间四个梯度，每次收液结束单独收集集液槽中母液样品且测定稀土离子浓度，以稀土离子浓度最低且注液间隔时间最短为最佳参数。
(F)以上述最佳参数重新进行试验，淋洗次数设置为1次、2次、3次、4次…等梯度，控制总淋洗量Q＝0.9×全风化层矿土体积(L)，淋洗速率同注液速率，各次淋洗间隔时间同淋洗时间，每次收液结束单独收集集液槽中母液样品且测定硫酸根离子浓度，当浓度低于0.8g/L，停止淋洗，统计总淋洗次数。
(G)基于步骤(A)与(E)的采动活动确定最佳溶采参数，按照最佳溶采参数重新进行试验，当集液槽内稀土母液浓度低于矿山闭坑条件时，停止采动，统计测量溶采时间、集液槽中母液浸出量、母液中平均稀土浓度，计算开采回采率。
由此可见，本发明提供的系统装置适用于任何稀土矿山原地溶浸采动室内相似模拟，通过任意调节注液参数和管网布置参数，开展不同溶采条件下渗流场变化规律研究，能够有效进行采动强化与边坡灾变耦合调控分析研究；此外，本发明提供的方法通过相似模拟试验对采动方式和采动参数进行定量分析，弥补了原地浸矿开采参数科学选取的空白。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (22)
1.一种基于相似模型构建的原地溶浸开采试验的系统装置，其特征在于，所述系统装置包括离子吸附型稀土矿山相似模型、溶浸开采模拟单元和采动渗流监测单元；
所述离子吸附型稀土矿山相似模型包括层叠设置的基座、半风化层岩样、半风化层顶板面、全风化层矿样、全风化层顶板面、腐殖层岩样和腐殖层顶板面；
所述基座上设置有样品槽和集液槽，且所述半风化层岩样设置在样品槽内；
所述溶浸开采模拟单元包括注液管、滤水管和泄水孔；
所述注液管沿竖直方向依次贯穿于所述腐殖层顶板面、腐殖层岩样和全风化层顶板面，并插入所述全风化层矿样；
所述滤水管设置于所述样品槽的底面；
所述泄水孔设置于所述集液槽的侧壁；
所述采动渗流监测单元包括依次连接的加热电源、解调仪和温度感测光缆；
所述温度感测光缆设置于所述半风化层岩样和全风化层矿样中。
2.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述离子吸附型稀土矿山相似模型采用以下方法制备得到：
(1)将离子吸附型稀土矿山划分为待采矿块，并将待采矿块按比例缩小；
(2)根据步骤(1)所得缩小后的待采矿块，利用三维建模技术依次构建腐殖层、全风化层和半风化层的三维数字模型；
(3)根据步骤(2)所得三维数字模型，利用3D打印技术依次生成腐殖层顶板面、全风化层顶板面和半风化层顶板面；
(4)将步骤(3)所得三种顶板面按照腐殖层顶板面、全风化层顶板面和半风化层顶板面的顺序相互固定，并将所述半风化层顶板面与基座相互固定；
(5)将腐殖层岩样、全风化层矿样和半风化层岩样依次填充于三种顶板面之间的对应位置，得到离子吸附型稀土矿山相似模型。
3.根据权利要求2所述的系统装置，其特征在于，步骤(1)所述待采矿块按比例缩小的体积比范围为1:(80-100)。
4.根据权利要求2所述的系统装置，其特征在于，步骤(2)所述3D打印技术生成的三种顶板面分别为方形网状结构，且网格尺寸为(2-4)×(2-4)mm。
5.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述注液管为圆形注液管。
6.根据权利要求5所述的系统装置，其特征在于，所述圆形注液管的内径为1-2mm。
7.根据权利要求6所述的系统装置，其特征在于，所述圆形注液管的外径为2.5-3.5mm。
8.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述注液管插入所述全风化层矿样的深度为0.8-1.2cm。
9.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述注液管超出所述腐殖层顶板面的长度为3-7cm。
10.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述滤水管为圆形滤水管。
11.根据权利要求10所述的系统装置，其特征在于，所述圆形滤水管的内径为1-2mm。
12.根据权利要求11所述的系统装置，其特征在于，所述圆形滤水管的外径为2.5-3.5mm。
13.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述滤水管在所述样品槽的底面设置方式为：所述滤水管沿矿体分布的短轴方向每隔3-5cm铺设于所述样品槽的底面，且所述滤水管的一端与所述泄水孔连通，另一端固定于样品槽的底面。
14.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述泄水孔在所述集液槽的侧壁呈矩阵式排布，且矩阵行间距为3-5cm。
15.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述集液槽的长度与待采矿块的尺寸相适应。
16.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述集液槽的宽度为5-10cm。
17.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述集液槽的深度为10-15cm。
18.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述温度感测光缆在所述半风化层岩样中的设置方式为：在所述半风化层岩样中距离半风化层顶板面3-5cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆，且所述温度感测光缆的布线方向平行于半风化层顶板面。
19.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于，所述温度感测光缆在所述全风化层矿样中的设置方式为：在所述全风化层矿样中，以半风化层顶板面为起点每隔3-5cm处，沿矿体分布的长轴方向铺设温度感测光缆，且所述温度感测光缆的布线方向平行于半风化层顶板面。
20.一种采用如权利要求1-19任一项所述系统装置进行原地溶浸开采试验的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(A)向注液管中进行注液，通过调控注液参数来模拟原地溶采采动过程；
(B)打开加热电源对温度感测光缆进行加热，采用解调仪观测记录光缆各处温度变化，通过数据处理将温差转化为流量；
(C)基于步骤(A)与(B)的采动活动，观察集液槽收液速率、矿体内部优势流通道和溶采盲区，当集液槽内稀土母液浓度低于矿山闭坑条件时，停止采动，统计单次溶采时间，更换矿、岩样品，改变采动参数重新试验，重新统计试验结果。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，步骤(A)所述注液参数包括注液管网布置参数、注液速率、浸矿剂浓度、注液间隔时间、注液次数与淋洗次数。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述浸矿剂包括硫酸铵水溶液和/或硫酸镁水溶液。
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