[发明专利]裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法

摘要

本发明涉及稀土矿体的注液和收液工程布置技术，针对丘陵地形，重点研究了溶液在典型山坡、山脊和山谷的渗流规律，提出裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法。本发明包含6个步骤：①测试矿体的渗透系数，②测试矿体和隔水底板形状，③计算注液强度分布，④计算单孔注液强度，⑤计算孔网参数，⑥计算收液工程的布置位置。采用本发明提出的优化注液和收液工程布置方案，充分浸矿和洗矿，达到充分回收资源和减少浸矿剂残留量的目的，合理布置收液工程，有效控制溶液穿过黏土层流向地表，从而到达减少环境污染。

主权项

一种裸脚式离子型稀土矿体的注液和收液工程布置优化方法，包括以下步骤：第1步，测试矿体的渗透系数：分析生产勘探资料和现场矿层出露情况，分别选择1—2个典型山坡、山脊和山谷，采用现场选点测试和取样室内测试两种方法，确定典型山坡处矿体的渗透系数K_p、典型山脊处矿体的渗透系数K_j和典型山谷处矿体的渗透系数K_g，对现场选点和取样室内测试所得到的矿体渗透系数求平均值，得到矿体的平均渗透系数K；第2步，测试矿体和隔水底板形状：原地浸矿的渗流规律是由矿体上表面和隔水底板上表面控制，因此本步骤就是测试矿体上表面和隔水底板上表面的高程，为实现流场计算，需进一步拟合出两者的形状函数；在典型山坡布置1—2条测线，测线应与等高线垂直，从山顶延伸至山脚下；在典型山脊和山谷分别布置3—7条测线，测线应与山脊线(山谷线)平行，从山顶延伸至山脚下；每条测线布置4—10个测点，测点的具体数量由现场地形条件确定，测点在空间的分布应能够反映典型山坡、山脊和山谷的大小和形状，一般要求地形复杂和山坡长度大时就应相应增加测点数；在现场选择参考点为基准，测量所有测点的位置坐标和高程；在每一个测点钻孔至隔水底板上表面，记录矿体和隔水底板上表面的出露高程；对于典型山坡，选定隔水底板上表面最低点为坐标原点，采用关系式1拟合矿体上表面形状函数，采用关系式2拟合隔水底板上表面形状函数；关系式1：H＝H₁‑b(x‑l)²关系式1中：H为矿体上表面高程，H₁为矿体上表面的最大高程，b为矿体上表面形状参数，x为山坡的水平坐标，l为矿体在x方向的长度；关系式2：z＝a(x‑l)²‑al²关系式2中：z为隔水底板上表面高程，a为隔水底板上表面形状参数，x为山坡的水平坐标，l为矿体在x方向的长度；对于典型山脊，采用关系式3拟合矿体上表面形状函数，采用关系4拟合隔水底板上表面形状函数；关系式3：H＝H_j0(1‑a_j1x²)(1‑b_j1y²)关系式3中：H为矿体上表面高程，H_j0为矿体上表面最大高程；a_j1和b_j1为矿体上表面形状参数，x和y分别为垂直山脊方向和沿山脊方向的坐标；关系式4：z＝z_j0(1‑a_j2x²)(1‑b_j2y²)关系式4中：z为隔水底板上表面高程，z_j0为隔水底板上表面最大高程；a_j2和b_j2为隔水底板上表面形状参数，x和y分别为垂直山脊方向和沿山脊方向的坐标；对于典型山谷，采用关系式5拟合矿体上表面形状函数，采用关系式6拟合隔水底板上表面形状函数；关系式5：H＝H_g0{1+ξ_g1[1‑cos(a_g1x)]}(1‑b_g1y²)关系式5中：H为矿体上表面高程，H_g0为矿体上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g1为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；a_g1和b_g1为矿体上表面形状参数，x和y分别为垂直山谷方向和沿山谷方向的坐标；关系式6：z＝z_g0{1+ξ_g2[1‑cos(a_g2x)]}(1‑b_g2y²)关系式6中：z为隔水底板上表面高程，z_g0为隔水底板上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g2为由实测数据确定的隔水底板上表面高程系数；a_g2和b_g2为隔水底板上表面形状参数，x和y分别为垂直山谷方向和沿山谷方向的坐标；第3步，计算注液强度分布：对于典型山坡，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数H₁、b、a、l，结合第1步测试结果确定典型山坡处矿体的渗透系数K_p，采用关系式7计算注液强度；关系式7：W＝2bK_p[H₁+al²‑3(a+b)(x‑l)²]关系式7中：W为注液强度，b为矿体上表面形状参数，K_p为典型山坡处矿体的渗透系数，H₁为矿体上表面的最大标高，a为隔水底板上表面形状参数，l为矿体在x方向的长度，x为山坡的水平坐标；对于典型山脊，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数H_j0、a_j1、b_j1、z_j0、a_j2、b_j2，结合第1步测试结果确定典型山脊处矿体的渗透系数K_j，采用关系式8计算注液强度；关系式8：$\begin{array}{c}\frac{W}{K_j}={2H}_{j0}{a}_{j1}(1-b_{j1}{y}^2)[H_{j0}(1-3a_{j1}{x}^2)(1-b_{j1}{y}^2)-z_{j0}(1-{3a}_{j2}{x}^2)\left({1-b}_{j2}{y}^2\right)]\\ +{2H}_{j0}{b}_{j1}\left({1-a}_{j1}{x}^2\right)\left[H_{j0}(1-a_{j1}{x}^2)\left({1-3b}_{j1}{y}^2\right){-z}_{j0}\left({1-3b}_{j2}{y}^2\right)(1-a_{j2}{x}^2)\right]\end{array}$关系式8中：W为注液强度，K_j为典型山脊的渗透系数，H_j0为矿体上表面最大高程；a_j1和b_j1为矿体上表面形状参数，z_j0为隔水底板上表面最大高程，a_j2和b_j2为隔水底板上表面形状参数，x和y分别为垂直山脊方向和沿山脊方向的坐标；对于典型山谷，通过第2步得到矿体和隔水底板上表面的形状参数H_g0、ξ_g1、a_g1、b_g1、ξ_g2、z_g0、a_g2、b_g2，结合第1步测试结果确定典型山谷处矿体的渗透系数K_g，采用关系式9计算注液强度；关系式9：$\begin{array}{c}\frac{W}{K_g}=-H_{g0}^2{\mathrm{\ξ}}_{g1}{a}_{g1}{(1-b_{g1}{y}^2)}^2[a_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)\left({1+\mathrm{\ξ}}_{g1}\right)-a_{g1}{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left({2a}_{g1}x\right)]\\ +H_{g0}{\mathrm{\ξ}}_{g1}{a}_{g1}{z}_{g0}\left({1-b}_{g1}{y}^2\right)\left({1-b}_{g2}{y}^2\right)[a_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)(1+{\mathrm{\ξ}}_{g2}-{\mathrm{\ξ}}_{g2}\cos \left(a_{g2}x\right))+{\mathrm{\ξ}}_{g2}{a}_{g2}\sin \left(a_{g1}x\right)\sin \left(a_{g2}x\right)]\\ +2b_{g1}{H}_{g0}^2{[1+{\mathrm{\ξ}}_{g1}-{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)]}^2\left({1-3b}_{g1}{y}^2\right)\\ -2b_{g1}{H}_{g0}{z}_{g0}[{1+\mathrm{\ξ}}_{g1}-{\mathrm{\ξ}}_{g1}\cos \left(a_{g1}x\right)][1+{\mathrm{\ξ}}_{g2}-{\mathrm{\ξ}}_{g2}\cos \left(a_{g2}x\right)]\left({1-3b}_{g2}{y}^2\right)\end{array}$关系式9中：W为注液强度，K_g为典型山谷处矿体的渗透系数，H_g0为矿体上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g1为由实测数据确定的矿体上表面高程系数；a_g1和b_g1为矿体上表面形状参数，z_g0为隔水底板上表面与xoz平面交线上的最小高程；ξ_g2为由实测数据确定的隔水底板上表面高程系数；a_g2和b_g2为隔水底板上表面形状参数，x和y分别为垂直山谷方向和沿山谷方向的坐标；第4步，计算单孔注液强度：离子型稀土的原地浸矿工艺采用潜水非完整孔注液，根据规范选择孔径和孔深，采用关系式10计算单孔的注液强度；关系式10：$\begin{array}{c}\frac{W_{\mathrm{dj}}}{2\mathrm{\πK}}={(1-m)}^{\frac{1}{m}}{\left[\frac{{(1-\mathrm{\η})}^{1+m}{s}^{1+m}-{(1-\mathrm{\λ})}^{1+m}{l}_j^{1+m}}{(1+m)(R^{1-m}-r^{1+m})}\right]}^{\frac{1}{m}}+{\left(r^{2m-1}s\right)}^{\frac{1}{m}}\\ +2\×{\left(\frac{6\mathrm{\ηs}}{m}\right)}^{\frac{1}{m}}[(1+4\×{0.5}^{m-1}){(\frac{{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{4}+r^2)}^{1/2-m}+4\×{0.5}^{m-1}{(\frac{25{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{16}+r^2)}^{1/2-m}+{(\frac{49{\mathrm{\λ}}^2{l}_j^2}{16}+r^2)}^{1/2-m}]\end{array}$关系式10中：W_dj为潜水非完整孔单孔的注液强度，K为矿体的平均渗透系数，m为反映渗流状态的参数，通过室内渗透试验确定，R为影响半径，其计算见关系式11，s为注液过程潜水非完整孔中液面升高高度，r为潜水非完整孔半径，l_j为潜水非完整孔在潜水面以下的长度，η和λ为反映潜水非完整孔渗流状态的参数，通过现场单孔注水试验确定，通常取η＝0.1—0.2，λ＝0.1—0.3；关系式11：$R=2s\sqrt{\mathrm{Kh}}$关系式11中：s为注液过程潜水非完整孔中液面升高高度，h为含水层厚度，K为矿体的平均渗透系数；第5步，计算孔网参数：根据单孔影响半径确定孔距l_jj(沿山坡走向)，根据第3步计算得到的注液强度分布确定排距l_pj(垂直山坡走向)，采用关系式12计算排距；关系式12：$l_{\mathrm{pj}}=\frac{W_{\mathrm{dj}}}{{\mathrm{Wl}}_{\mathrm{jj}}}$关系式12中：l_pj为排距，l_jj为孔距，W为第3步计算得到的注液强度，W_dj为潜水非完整孔单孔的注液强度；第6步，计算收液工程的布置位置：在第3步的计算中，可能出现在山脚下靠近出渗层一定范围内注液强度为负数，表明该范围内不仅不能注液，还需布置合适的收液工程，可以采用导流孔或收液巷道的形式增强矿体出渗能力，收液工程布置在开始出现注液强度为负数的位置至山脚下范围内。