CN110055414B - 一种离子型稀土的渗流控制原位开采方法 - Google Patents

Abstract

为解决离子吸附型稀土矿山现有原位浸出工艺浸液渗漏、山体滑坡和生态破坏等问题，本发明公开了一种离子型稀土的渗流控制原位开采方法，该方法是在现有原位浸出工艺中引入综合物探法进行基岩底板的断层、裂隙和破碎发育情况检测；在现有原位浸出工艺中引入注浆技术在发育不良的基岩底板构建防渗层，防止浸液通过基岩底板进入地下水造成稀土资源损失；在现有原位浸出工艺中引入由浸润线自动监测、自动注液和真空抽提构成的注提自控***，实现浸液注入‑抽提的精准控制，助力数字化矿山的建设。本发明特别适合底板发育不良、渗透性较差的离子吸附型稀土矿山。

Description

一种离子型稀土的渗流控制原位开采方法

技术领域

本发明属于离子型稀土原位开采技术领域，具体涉及一种离子型稀土的渗流控制原位开采方法。

背景技术

离子吸附型稀土矿又名风化壳淋积型稀土矿，是富含稀土元素的花岗岩经长期外力地质作用下溶解、迁移，在合适环境条件下吸附沉积在前地表花岗岩风化壳中的高岭土、蒙脱石、伊利石等黏土矿物中形成矿体。虽然广泛分布于我国华南地区的离子吸附型稀土矿查明资源总量不大，但因稀缺的重稀土元素含量相对较高(个别矿区重稀土含量超过60%)，是全球稀土资源的重要组成部分。根据调查结果，2015年全球已探明重稀土储量约为54.42万吨，其中中国重稀土储量约为22万吨，占比达40.4%，其余资源主要分布于美国、澳大利亚和印度。

离子吸附型稀土矿的开采工艺先后经历了池浸、堆浸和原位浸出三代技术更迭。原位浸出工艺不剥离表层覆土、不开挖矿体、劳动强度较低，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；但现有的原位浸出工艺对基岩底板发育程度及条件的要求严格，仅适用于基岩底板结构紧实、无裂隙、极微透水并沿着矿体走向平整发育的小部分矿床。在原位浸出工艺的发展应用过程中，由于粗放的生产经营管理，大量生产企业为追求经济效益，忽视了对矿山基岩底板的发育程度和完整性勘探，仅通过构造简易积液管道/巷道（防渗系数极低的假底板）进行浸液回收，开采过程中造成大量浸出液渗漏。原国土资源部公布的数据显示，目前采用原位浸出方式开采的离子吸附型稀土矿山，其资源回收率多为60-70%，部分基岩底板破碎矿床的资源回收率在50%以下。更严重的是，在大量浪费宝贵离子型稀土资源的同时，还造成了矿区地表植被枯竭、地下水氨氮超标和地质灾害频发等环境问题。

针对现有离子吸附型稀土矿原位浸出开采工艺存在的基岩底板要求高、适应性差、资源回收率低以及环境污染严重等问题，从开采工艺的基础特性出发，以浸液的渗流过程控制为基础提出一种全新的原位开采方法，在保护矿区环境的前提下高效利用宝贵的稀土资源以支撑社会经济的发展。

发明内容

本发明是为解决离子吸附型稀土矿山现有原位浸出工艺浸液渗漏、山体滑坡和生态破坏等问题，提供一种离子型稀土的渗流控制原位开采方法。

本发明提供的技术方案包括如下步骤：

S1.以拟开展原位浸出区域的地质和水文勘探资料为基础，结合遥感数据构建矿区三维地图，进而采取代表性矿层样品，测试各矿层的物质组成与物性参数；

S2.在上述矿区三维地图基础上，运用综合物探方法对基岩底板的断层、裂隙和破碎的发育情况进行检测、验证与分析，圈定基岩底板中的浸液渗漏位置；

S3.在上述基岩底板中浸液渗漏位置对应的地表位置，设计并实施钻孔和注浆防渗操作，沿基岩底板的断层、裂隙和破碎带构建防渗层，测试防渗层的防渗性能；

S4.在防渗处理后基岩底板和各矿层的物性参数基础上，构建开采区三维渗流场，进而圈定矿体中的难渗透区、塑性区、渗流汇集区和积液区；

S5.在矿体的顶部按设计布置注液孔和自动注液装置，在难渗透区和塑性区放置浸润线监测传感器，在渗流汇集区和积液区安装真空抽提设备；

S6.所述自动注液装置、浸润线监测传感器和真空抽提设备构成了以矿体浸润线监测为基础的注提自控***，调试注提自控***，开展矿体“浸出-收液-浸出”循环操作，实现离子吸附型稀土资源的原位渗流控制开采。

进一步，步骤S1中遥感数据可选用高精度遥感数据，以保证构件的矿区三维地图更真实，更接近实际矿区情况。

进一步，步骤S1中矿区三维地图的构建采用的是GIS（地理信息***）软件。

进一步，步骤S1中矿层物性参数包括密度、孔隙度、渗透系数和内摩擦角等。

进一步，步骤S2中综合物探方法包括抗干扰高密度电阻率法、电阻率测井法、声波测井法、电磁CT法，根据基岩底板的断层、裂隙和破碎的发育情况选择其中的一种或多种组合进行检测、验证与分析。

进一步，步骤S3中的注浆防渗采用黏土为主的混合凝固材料。

进一步，步骤S4中开采区三维渗流场的构建采用的是ANSYS有限元分析软件。

进一步，步骤S5中，所述自动注液装置包括滴灌头、管道、注液自控阀和电缆；所述浸润线传感器包括电子渗压计、能源装置和无线传输模块；所述真空抽提设备包括真空抽提井、抽提自控阀、抽提管道、水气分离器、真空泵、水泵和控制电缆。

本发明的有益效果如下：

1、通过矿区三维可视化地图的构建和各矿层物性参数的测定，深化了对开采区域的认识，为提高矿区生产管理效率和水平提供了数据支撑；

2、在现有原位浸出工艺中引入综合物探法进行基岩底板的断层、裂隙和破碎发育情况检测，引入注浆技术在发育不良的基岩底板构建防渗层，显著加强了矿体内浸液的渗流控制，防止浸液通过基岩底板进入地下水造成稀土资源损失；

3、基于矿体三维渗流场模拟，在现有原位浸出工艺中引入浸润线自动监测、自动注液和真空抽提构成的注提自控***，进一步降低了劳动强度、提高了矿石自动化水平，实现了浸液注入-抽提的精准控制，助力数字化矿山的建设；

4、通过上述新技术的引入，离子吸附型稀土原位浸出工艺得到显著改进，辅以高效的生产管理制度，稀土浸液回收率可提高至90%以上，从而***性的解决了现有原位浸出工艺浸液渗漏、山体滑坡和生态破坏等问题；

5、本开采方法推广应用所需的设备、管理等投入可由资源开采效率和回收率提高增加的经济效益完全覆盖，不对企业造成额外的经济负担；特别适合底板发育不良、渗透性较差的离子吸附型稀土矿山。

附图说明

图1为本发明的实施步骤流程图。

图2为本发明实施的开采过程设备联系示意图。

图3为本发明的基岩底板原位防渗示意图。

其中，附图2-3中的标记分别为：1注液孔，2注液自控阀，3真空抽提井，4抽提自控阀，5浸润线传感器，6注提自控***，7水气分离器，8真空泵，9积液池，10调节池，11萃取分离机，12表层覆土，13注浆钻孔，14稀土矿体，15基岩底板，16基岩防渗层。

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。

如图1-2所示，本实施例提供了一种离子吸附型稀土的渗流控制原位开采方法，该方法包括基岩底板断层/裂隙/破碎带定位、基岩底板防渗层构建、浸润线监测与注入-抽提自控***构建三个部分，具体实施步骤如下：

（1）收集整理拟开展原位浸出区域的地质和水文勘探资料，运用卫星、无人机或其他方式获取该区域的高精度遥感数据，利用获取的高精度遥感数据在GIS地理信息***软件中构建可视化的矿区三维地图；进而在合适位置钻孔采取代表性矿层样品，测定各矿层物质组成与物性参数，其中，物性参数包括厚度、密度、孔隙度、渗透系数和内摩擦角等；

（2）依据矿区三维地图设计布置抗干扰高密度电阻率测定装置和水文测井装置，测定基岩底板以上的矿层结构特征、渗流特性以及基岩底板的断层/裂隙/破碎带位置、分布、倾角和延伸等；

（3）应用步骤（2）中的基础数据设计基岩底板防渗材料配方和注浆防渗方案，沿基岩底板的断层、裂隙和破碎带在对应地表位置按设计方案实施钻孔和注入防渗材料，构建基岩底板防渗层并测试其防渗性能，使得基岩底板完整且不漏液；

（4）以步骤（1）和（2）的测试数据为基础，结合试验室不同工况渗透性测试数据，运用ANSYS软件构建开采区三维渗流场模型，进而模拟分析并圈定矿体中的难渗透区、塑性区、渗流汇集区和积液区；

（5）以步骤（4）的模拟数据为基础结合现场条件，设计注提自控***6，所述注提自控***6包括自动注液装置、浸润线监测传感器和真空抽提设备；所述自动注液装置包括滴灌头、管道、注液自控阀2和电缆；所述浸润线传感器5包括电子渗压计、能源装置和无线传输模块；所述真空抽提设备包括真空抽提井3、抽提自控阀4、抽提管道、水气分离器7、真空泵8、水泵和控制电缆。

具体是：在地表合适位置设计布置注液孔1、连接滴灌头、管道、注液自控阀2和电缆；在难渗透区和塑性区的钻孔内分层放置渗压计和数据电缆，进而在地表安装电池/太阳能电池板和无线传输模块；在矿体渗流汇集区和基岩积液区钻孔安装真空抽提井3，连接管道、水气分离器7、真空泵8、水泵和控制电缆；

（6）通过高压水泵将浸液输送至滴灌管道，浸液经由注液孔1注入矿体；浸液与矿体中的稀土离子发生反应后在重力、毛细作用和真空负压等复合作用下渗流进入真空抽提井3，进而在水气分离器7中完成水气分离，富含稀土离子的浸液分离至积液池9；积液池9中的澄清液直接进入调节池10，沉淀物被输送至稀土分离提取车间，通过萃取分离机11进行萃取分离处理，分离得到稀土产品和浸液，浸液进入调节池10；调节池10中的液体，经加药调整后返回滴灌管道；从而实现“浸出-收液-浸出”的循环操作。

上述实施步骤的基本原理是在原位构建一个类似堆浸的基岩防渗底板，在矿体侧向或积液区实施主动抽提以避免液体侧向扩散，提高原位浸出效率。具体的基岩底板原位防渗结构如图3所示，表层覆土12下面为稀土矿体14，稀土矿体14下层为基岩底板15。稀土矿体14和基岩底板15之间有基岩防渗层16，在基岩防渗层16上端，从表层覆土12钻孔，形成深入稀土矿体14底部的注浆钻孔13。

步骤（2）、（3）中为构建基岩底板防渗层所需的钻孔需封堵，步骤（6）完成稀土浸提后需对矿体残留药剂进行清洗回收，在矿区生态修复时拆除与稀土浸出相关的全部设备并将基岩防渗底板破坏，以恢复开采区地下水系。

Claims (4)

1.一种离子型稀土的渗流控制原位开采方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，以拟开展原位浸出区域的地质和水文勘探资料为基础，结合遥感数据构建矿区三维地图，然后采取代表性的矿层样品，测试各矿层的物质组成与物性参数；所述矿区三维地图的构建采用的是GIS软件，所述物性参数包括密度、孔隙度、渗透系数和内摩擦角；

S2，在所述矿区三维地图的基础上，运用综合物探方法对基岩底板的断层、裂隙和破碎的发育情况进行检测、验证与分析，圈定基岩底板中的浸液渗漏位置；

S3，在圈定的浸液渗漏位置对应的地表位置，设计实施钻孔和注浆防渗操作，沿基岩底板的断层、裂隙和破碎带构建防渗层，并测试防渗层的防渗性能；

S4，在防渗处理后的基岩底板和步骤S1中得到的物性参数的基础上，构建开采区三维渗流场，进而圈定矿体中的难渗透区、塑性区、渗流汇集区和积液区；所述开采区三维渗流场的构建采用的是ANSYS有限元分析软件；

S5，在拟开展原位浸出区域的矿体顶部按设计布置注液孔和自动注液装置，在难渗透区和塑性区放置浸润线监测传感器，在渗流汇集区和积液区安装真空抽提设备；

S6，所述自动注液装置、浸润线监测传感器和真空抽提设备构成了注提自控***，调试注提自控***，开展原位“浸出-收液-浸出”循环操作，实现离子吸附型稀土资源的原位渗流控制开采。

2.根据权利要求1所述的离子型稀土的渗流控制原位开采方法，其特征在于：步骤S2中，所述综合物探方法包括抗干扰高密度电阻率法、电阻率测井法、声波测井法、电磁CT法，根据基岩底板的断层、裂隙和破碎的发育情况选择其中的一种或多种组合进行检测、验证与分析。

3.根据权利要求1所述的离子型稀土的渗流控制原位开采方法，其特征在于：步骤S3中，所述注浆防渗采用黏土和水泥组成的混合凝固材料。

4.根据权利要求1所述的离子型稀土的渗流控制原位开采方法，其特征在于：所述自动注液装置包括滴灌头、管道、注液自控阀和电缆；所述浸润线传感器包括电子渗压计、能源装置和无线传输模块；所述真空抽提设备包括真空抽提井、抽提自控阀、抽提管道、水气分离器、真空泵、水泵和控制电缆。

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