CN106932555A - 离子型稀土原地浸矿单孔注液影响半径的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离子型稀土原地浸矿单孔注液影响半径的计算方法，适用于原地浸矿注液孔网参数设计。本发明包含7个步骤，分别为：(1)测试矿体的饱和体积含水率；(2)测试矿体的土‑水特征曲线；(3)设定单孔注液影响边界的饱和度，计算影响边界的负压水头值；(4)计算单孔注液影响范围内的平均渗透系数；(5)计算注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离；(6)计算体积含水率随径向距离变化快慢的常数；(7)计算单孔注液的影响半径。本发明在测试土性参数的基础上，利用所建立的模型，可以计算出单孔注液的影响半径，为原地浸矿注液孔网参数设计提供依据。

Description

离子型稀土原地浸矿单孔注液影响半径的计算方法

技术领域

本发明涉及离子型稀土原地浸矿单孔注液影响半径的计算方法，适用于原地浸矿注液孔网参数设计。

背景技术

原地浸矿是提取离子型稀土资源的第三代工艺，该工艺通过注液孔向矿体注入浸矿剂溶液，使其与稀土离子发生交换反应，再向注液孔注入上清液，稀土离子进入上清液中形成浸出液，浸出液从收液工程流出，用沉淀剂沉淀浸出液中的稀土离子，实现资源回收的目的。

对于整个原地浸矿工艺而言，注液孔网布置是其核心之一，在推广原地浸矿工艺的10余年中，工程技术人员总结了一套布置注液孔的经验做法：注液孔布置成菱形状；注液孔深度一般为见矿0.5～1m，注液孔直径一般为0.15～0.3m；对于坡度＜15°，注液孔间距和排距为1.0～2.0m×1.0～2.0m；对于坡度在15°～30°，注液孔间距和排距为1.5～3.0m×1.5～3.0m；对于坡度＞30°，注液孔间距和排距为2.5～3m×2.5～3m或不布置。

网孔布置的合理与否将直接影响到稀土资源回收率，主要表现在三个方面：(1)注液孔间距布置过大，在注液强度一定的情况下，浸矿剂不能入渗到更远的区域，容易造成浸矿盲区，降低稀土资源回收率；(2)注液孔间距布置过小，就会加大投入成本，同时也容易造成窜孔现象，一旦发生窜孔，进一步增加浸矿盲区范围，降低资源回收率；(3)注液孔间距太小，容易造成注液强度偏大，进而容易发生滑坡，滑坡区域的资源也难以回收。

实际上，合理确定孔间距，不仅要考虑坡度，更应该考虑矿体的渗透性、注液强度和土水特性等方面的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种离子型稀土原地浸矿单孔注液影响半径的计算方法。

本发明的技术方案：一种离子型稀土原地浸矿单孔注液影响半径的计算方法，包括以下步骤：

第一步：测试矿体的饱和体积含水率，

现场取样测试矿体试样的密度和质量含水量，采用关系式(1)计算矿体的饱和体积含水率；

关系式(1)：

关系式(1)中：θ_s为饱和体积含水率，d_s为矿体试样颗粒相对密度，w为矿体试样的质量含水量，ρ为矿体试样的密度，ρ_w为水的密度；

第二步：测试矿体的土-水特征曲线，

采用现有技术测试矿体不同体积含水率对应的基质吸力，通过关系式(2)拟合测试数据，确定拟合参数；

关系式(2)：

关系式(2)中：θ为体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ_r为残余体积含水率，λ、m、n为拟合参数，ψ为基质吸力，单位为kPa；

第三步：设定单孔注液影响边界的饱和度，计算影响边界的负压水头值，

采用关系式(3)计算影响边界的负压水头值；

关系式(3)：

关系式(3)中：h_f为影响边界的负压水头值，ρ_w为水的密度，g为重力加速度，ψ为基质吸力，单位为kPa，ψ_b为影响边界上的基质吸力，单位为kPa，k_s为饱和渗透系数，k为非饱和渗透系数；采用关系式(4)计算非饱和渗透系数k；

关系式(4)：

关系式(4)中：k为非饱和渗透系数，k_s为饱和渗透系数，m为拟合参数，S为土体相对饱和度；采用关系式(5)计算土体相对饱和度S；

关系式(5)：

关系式(5)中：S为土体相对饱和度，θ为体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ_r为残余体积含水率，ψ为基质吸力，单位为kPa，λ、m、n为拟合参数，且m＝1-1/n；

第四步：计算单孔注液影响范围内的平均渗透系数，

由关系式(4)可得非饱和渗透系数，采用关系式(6)计算单孔注液影响范围内的平均渗透系数；

关系式(6)：

关系式(6)中：k_d为单孔注液影响范围内的平均渗透系数，k为非饱和渗透系数，θ为体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ₁为影响边界上的体积含水率；

第五步：计算注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离，

采用关系式(7)计算注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离；

关系式(7)：

关系式(7)中：a为注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离，θ₁为影响边界上的体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ_i为初始体积含水率，β为反映含水率随径向距离变化快慢的常数；

第六步：计算体积含水率随径向距离变化快慢的常数，

将关系式(3)、关系式(6)、关系式(7)代入关系式(8)中即可计算含水率随径向距离变化快慢的常数；

关系式(8)：

关系式(8)中：β为反映含水率随径向距离变化快慢的常数，k_d为单孔注液影响范围内的平均渗透系数，h_f为影响边界的负压水头值，a为注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离，r₀为注液孔半径，z为注液孔深度方向的坐标，向下为正方向，c为注液孔中积水深度，r为径向坐标，k为非饱和渗透系数；

第七步：计算单孔注液的影响半径，

根据关系式(8)可以解出对应孔中积水深度下的参数β，运用关系式(7)便可计算a，由此单孔注液的影响半径可由关系式(9)进行描述；

关系式(9)：

R＝a+r₀ (9)，

关系式(9)中：R为单孔注液的影响半径，a为注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离，r₀为注液孔半径。

本发明综合考虑了原地浸矿注液时影响单孔注液影响范围的各种因素，运用渗流理论，在系统研究浸矿液通过注液孔入渗的入渗规律的基础上，提出了离子型稀土原地浸矿单孔注液影响半径的计算方法，为合理确定注液孔间距提供了依据。原地浸矿技术规范中要求注液孔中积水深度为0.5～1.0m，该孔中积水深度范围内，以饱和度80％为影响边界确定单孔注液影响半径，误差均小于20％，满足工程要求。

具体实施方式

本发明在系统研究单孔水入渗过程的基础上，提出单孔注液影响半径的计算方法。

应用本发明，不公开测试江西龙南足洞某稀土矿区原地浸矿单孔注液的影响半径，具体描述如下：

第一步：测试矿体的饱和体积含水率，

用环刀现场取样8个，测得矿体试样的平均密度为1630kg/m³，平均质量含水量为15.32％，采用关系式(1)计算矿体的饱和体积含水率为47.92％；

关系式(1)：

关系式(1)中：θ_s为饱和体积含水率，d_s为矿体试样颗粒相对密度，w为矿体试样的质量含水量，ρ为矿体试样的密度，ρ_w为水的密度；

第二步：测试矿体的土-水特征曲线，

采用中科院南京土壤所研制的TEN型张力计测试矿体不同体积含水率对应的基质吸力，通过关系式(2)拟合测试数据，得到残余体积含水率为9.00％，λ＝12.30、n＝1.97、m＝0.49；

关系式(2)：

关系式(2)中：θ为体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ_r为残余体积含水率，λ、m、n为拟合参数，ψ为基质吸力，单位为kPa；

第三步：设定单孔注液影响边界的饱和度为80％，计算饱和度为80％的影响边界上的负压水头值，

采用单环法测得注液孔所在区域的饱和渗透系数为1.08m/d，采用关系式(3)可计算饱和度为80％影响边界上的负压水头值h_f＝0.44m；

关系式(3)：

关系式(3)中：h_f为饱和度为80％影响边界上的负压水头值，ρ_w为水的密度，g为重力加速度，ψ为基质吸力，单位为kPa，ψ_b为饱和度为80％影响边界上的基质吸力，单位为kPa，k_s为饱和渗透系数，k为非饱和渗透系数；采用关系式(4)计算非饱和渗透系数k；

关系式(4)：

关系式(4)中：k为非饱和渗透系数，k_s为饱和渗透系数，m为拟合参数，S为土体相对饱和度；采用关系式(5)可计算土体相对饱和度S；

关系式(5)：

关系式(5)中：S为土体相对饱和度，θ为体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ_r为残余体积含水率，ψ为基质吸力，单位为kPa，λ、m、n为拟合参数，且m＝1-1/n；

第四步：计算单孔注液影响范围内的平均渗透系数，

由关系式(1)计算的饱和体积含水率为47.92％，由此计算得饱和度为80％影响边界上的体积含水率为38.34％，由关系式(4)可得非饱和渗透系数，采用关系式(6)计算单孔注液影响范围内的平均渗透系数k_d＝0.33m/d；

关系式(6)：

关系式(6)中：k_d为单孔注液影响范围内的平均渗透系数，k为非饱和渗透系数，θ为体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ₁为饱和度为80％影响边界上的体积含水率；

第五步：计算注液孔底所在平面上饱和度为80％的影响边界与注液孔周的距离，

采用常规方法测得土壤初始体积含水率为24.20％，由关系式(1)得到饱和体积含水率为47.92％，由此计算得饱和度为80％影响边界上的体积含水率为38.34％，采用关系式(7)可计算注液孔底所在平面上饱和度为80％的影响边界与注液孔周的距离；

关系式(7)：

关系式(7)中：a为注液孔底所在平面上饱和度为80％的影响边界与注液孔周的距离，θ₁为饱和度为80％影响边界上的体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ_i为初始体积含水率，β为反映含水率随径向距离变化快慢的常数；

第六步：计算体积含水率随径向距离变化快慢的常数，

将关系式(3)、关系式(6)、关系式(7)代入关系式(8)中即可计算含水率随径向距离变化快慢的常数；

关系式(8)：

关系式(8)中：β为反映含水率随径向距离变化快慢的常数，k_d为单孔注液影响范围内的平均渗透系数，h_f为饱和度为80％影响边界上的负压水头值，a为注液孔底所在平面上饱和度为80％的影响边界与注液孔周的距离，r₀为注液孔半径，z为注液孔深度方向的坐标，向下为正方向，c为注液孔中积水深度，r为径向坐标，k为非饱和渗透系数；

现场单孔注液试验测试注液孔中积水深度c；

在稀土矿区选择一平整场地，采用洛阳铲钻5个注液孔，孔深为2.5m，孔径为0.18m，每个注液孔内放置Ф50mm的PVC管插至孔底，PVC管与注液孔壁之间用柴草填充，防止孔壁塌陷，PVC管下半段均匀开一些小孔，以便水从PVC管中流出。将高位池中的上清液经1根Ф20mm的PVC主管向注液孔内连续注液，在连接5个注液孔的分支PVC管上分别安装一个水龙头和一个水表，通过水龙头和水表控制5个注液孔的注液强度分别为3m³/d、2.4m³/d、1.8m³/d、1.2m³/d、0.6m³/d，达到稳渗时，采用数显型液位变送器测试注液孔中对应的积水深度c分别为1.47m、1.13m、0.95m、0.69m、0.32m；

第七步：计算单孔注液的影响半径，

根据关系式(8)可以解出对应孔中积水深度下的参数β，运用关系式(7)便可计算a，由此单孔注液的影响半径可由关系式(9)进行描述；

关系式(9)：

R＝a+r₀ (9)，

关系式(9)中：R为单孔注液的影响半径，a为注液孔底所在平面饱和度为80％的影响边界与注液孔周的距离，r₀为注液孔半径。

实验效果：

在龙南足洞某稀土矿区选择一平整场地进行不公开单孔注液试验，采用洛阳铲钻半径为0.09m、深度为2.5m的注液孔5个，距离每个注液孔0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m处各钻1个孔，6个孔共埋置型号为FDS-100水分传感器50个，用于记录注液过程矿体内不同位置处体积含水率的变化，采用数显型液位变送器测试单孔注液时5种注液强度下注液孔内积水深度，单孔注液达到稳渗时，5种注液强度下的试验测试值与本发明模型的计算值如表1所示。由表1可看出，除液面高度为0.32m时模型计算出的孔周入渗强度偏大外，其余液面高度下模型计算结果与现场试验结果的误差均在25％以内，同时考虑到原地浸矿技术规范中提出的注液孔深为见矿0.5～1.0m，即要求注液孔中积水深度为0.5～1.0m，该孔中积水深度范围内，误差均小于20％，因此可以认为满足工程要求，说明本发明可以合理计算出单孔注液的影响半径。

表1

Claims (2)

1.一种离子型稀土原地浸矿单孔注液影响半径的计算方法，包括以下步骤：

第一步：测试矿体的饱和体积含水率，

现场取样测试矿体试样的密度和质量含水量，采用关系式(1)计算矿体的饱和体积含水率；

关系式(1)：

${\mathrm{\θ}}_s=\frac{d_s(1+w){\mathrm{\ρ}}_w-\mathrm{\ρ}}{d_s(1+w){\mathrm{\ρ}}_w}---\left(1\right),$

关系式(1)中：θ_s为饱和体积含水率，d_s为矿体试样颗粒相对密度，w为矿体试样的质量含水量，ρ为矿体试样的密度，ρ_w为水的密度；

第二步：测试矿体的土-水特征曲线，

采用现有技术测试矿体不同体积含水率对应的基质吸力，通过关系式(2)拟合测试数据，确定拟合参数；

关系式(2)：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_r+\frac{{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_r}{{\[1+{\left(\frac{\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^n\]}^m}---\left(2\right),$

关系式(2)中：θ为体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ_r为残余体积含水率，λ、m、n为拟合参数，ψ为基质吸力，单位为kPa；

第三步：设定单孔注液影响边界的饱和度，计算影响边界的负压水头值，

采用关系式(3)计算影响边界的负压水头值；

关系式(3)：

$h_f=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{gk}}_s}{\∫}_0^{{\mathrm{\ψ}}_b}kd\mathrm{\ψ}---\left(3\right),$

关系式(3)中：h_f为影响边界的负压水头值，ρ_w为水的密度，g为重力加速度，ψ为基质吸力，单位为kPa，ψ_b为影响边界上的基质吸力，单位为kPa，k_s为饱和渗透系数，k为非饱和渗透系数；采用关系式(4)计算非饱和渗透系数k；

关系式(4)：

$k=k_s{S}^{0.5}{\{1-{\[1-S^{\frac{1}{m}}\]}^m\}}^2---\left(4\right),$

关系式(4)中：k为非饱和渗透系数，k_s为饱和渗透系数，m为拟合参数，S为土体相对饱和度；采用关系式(5)计算土体相对饱和度S；

关系式(5)：

$S=\frac{\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_r}{{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_r}=\frac{1}{{\[1+{\left(\frac{\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^n\]}^m}---\left(5\right),$

关系式(5)中：S为土体相对饱和度，θ为体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ_r为残余体积含水率，ψ为基质吸力，单位为kPa，λ、m、n为拟合参数，且m＝1-1/n；

第四步：计算单孔注液影响范围内的平均渗透系数，

由关系式(4)可得非饱和渗透系数，采用关系式(6)计算单孔注液影响范围内的平均渗透系数；

关系式(6)：

$k_d=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_s}kd\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_1}---\left(6\right),$

关系式(6)中：k_d为单孔注液影响范围内的平均渗透系数，k为非饱和渗透系数，θ为体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ₁为影响边界上的体积含水率；

第五步：计算注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离，

采用关系式(7)计算注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离；

关系式(7)：

$a=-\frac{1}{\mathrm{\β}}ln\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_i}{{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_i}---\left(7\right),$

关系式(7)中：a为注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离，θ₁为影响边界上的体积含水率，θ_s为饱和体积含水率，θ_i为初始体积含水率，β为反映含水率随径向距离变化快慢的常数；

第六步：计算体积含水率随径向距离变化快慢的常数，

将关系式(3)、关系式(6)、关系式(7)代入关系式(8)中即可计算含水率随径向距离变化快慢的常数；

关系式(8)：

${\∫}_{-c}^0\[k_d\frac{c(c+z)r_0+h_f(a\sqrt{c^2-z^2}+{\mathrm{cr}}_0)}{a\sqrt{c^2-z^2}}\]dz={\∫}_{r_0}^{\left(r_0-\frac{\ln 0.1}{\mathrm{\β}}\right)}krdr---\left(8\right),$

关系式(8)中：β为反映含水率随径向距离变化快慢的常数，k_d为单孔注液影响范围内的平均渗透系数，h_f为影响边界的负压水头值，a为注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离，r₀为注液孔半径，z为注液孔深度方向的坐标，向下为正方向，c为注液孔中积水深度，r为径向坐标，k为非饱和渗透系数；

第七步：计算单孔注液的影响半径，

根据关系式(8)可以解出对应孔中积水深度下的参数β，运用关系式(7)便可计算a，由此单孔注液的影响半径可由关系式(9)进行描述；

关系式(9)：

R＝a+r₀ (9)，

关系式(9)中：R为单孔注液的影响半径，a为注液孔底所在平面上影响边界与注液孔周的距离，r₀为注液孔半径。

2.根据权利要求1所述的一种离子型稀土原地浸矿单孔注液影响半径的计算方法，其特征是：注液孔中积水深度c由以下方法确定：在稀土矿区选择一平整场地，采用洛阳铲钻5个注液孔，孔深为2.5m，孔径为0.18m，每个注液孔内放置Ф50mm的PVC管插至孔底，PVC管与注液孔壁之间用柴草填充，防止孔壁塌陷，PVC管下半段均匀开有小孔，以便水从PVC管中流出；将高位池中的上清液经1根Ф20mm的PVC主管向注液孔内连续注液，在连接5个注液孔的分支PVC管上分别安装一个水龙头和一个水表，通过水龙头和水表控制5个注液孔的注液强度，达到稳渗时，采用数显型液位变送器测试注液孔中对应的积水深度c。