[发明专利]离子型稀土裸脚式矿山原地浸矿孔网参数设计方法

摘要

本发明涉及一种离子型稀土裸脚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，复核饱和区与浸取率；第七步，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，对裸脚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。

主权项

1.一种离子型稀土裸脚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以及全风化层与基岩的分界线；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，θ_s为土体饱和含水率，θ_r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K_r(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，K_s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，其中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/T904‑2016《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A_all；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，η≥85.0％，给定一个浸取率初始值η₀，η₀小于目标值；根据注液区面积A_all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；由于非注液区矿体稀土资源不能浸出，浸取率全部由注液区提供，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S_ra；根据矿体渗透系数曲线及平均饱和度S_ra，利用关系式(2)计算矿山注液区矿体平均相对渗透系数K_ra；根据矿山注液孔布置面积A_all和饱和渗透系数K_s，利用关系式(3)计算矿山流场稳定后的注液流量Q_all；关系式(3)：Q_all＝K_raK_sA_all   (3)；第四步，计算矿山注液稳定期单孔注液流量根据XB/T904‑2016《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孔网间距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Q_m，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Q_s为单孔注液稳渗流量，为孔周饱和度S_r≥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S_rmin，其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S_rmin；表1：孔网注液最低饱和度S_rmin计算表(％)验算注液区矿体最低饱和度S_rmin值，当S_rmin≥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S_rmin＜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S_rmin≥80.0％；第六步，复核饱和区与浸取率选取第一步中矿山3个横断面，计算矿山注液稳定后浸润线的上升情况，精确计算注液稳定后矿体饱和区、注液区和非注液区分别占矿体总体积的百分比；考虑饱和区对浸取率的影响，利用第二步得出的浸取率与饱和度之间的函数关系及关系式(7)精确计算浸取率η；关系式(7)中η为矿块资源浸取率；V_all为矿块中矿体总体积；V_i、r_vi分别为矿体第i个饱和度分区的体积及占矿体总体积V_all的百分比；η_i为第i个饱和度分区对应的稀土资源浸取率；n为矿块中饱和度分区数目，本设计中考虑饱和区及注液区两个区域；验算浸取率η是否满足要求，若η≥85.0％，满足要求；若η＜85.0％，则应该调整浸取率初始值，重新进行第四步～第六步的计算，直到满足η≥85.0％；第七步，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A_all，降低注液区注液总流量Q_all，重新进行第三步～第七步的设计计算，直到满足当安全系数≥1.20；至此，裸脚式稀土矿山原地浸矿孔网参数：注液区面积A_all、注液孔半径R₀、孔网间距L、注液总流量Q_all及单孔注液流量Q_m已经全部确定。