CN111855902B - 模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置及方法，属于深地资源流态化开采技术领域。该装置包括回流液口、储液罐、出液口、泵送电机、液体流量计、电控气密阀门、密封圈、安全阀、压力计、泄压阀、反应槽顶盖、电加热控温层、固定螺栓、密封垫圈、反应槽体、注液管路、注液孔、多孔隔板、汇液曲面、汇液仓、pH传感器、氧化还原电位传感器、离子浓度传感器、集液罐、数据集控可视化终端、温度传感器、氧气浓度传感器、气压传感器、电控变温器、气体流量计、O₂储罐、CO₂储罐。本发明实现实验装置温度、气压可视可调，pH值、氧化还原电位、离子浓度等参数可测可控，为深部金属矿原位流态化开采提供研究装置与方法借鉴。

Description

模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及深地资源流态化开采技术领域，特别是指一种模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置及方法。

背景技术

当前浅表矿产资源的日渐枯竭，为缓解资源供需矛盾，金属矿产资源开发已逐渐进入深部。然而，深部开采过程面临着高地温、高地压、高渗透压的严峻条件，采用传统地下开采方法存在开采效率低、人员安全性差、作业成本高的难题，亟待探索一种适应于深部矿产资源开发研究的装置与方法。原位流态化开采，是指将溶浸液经注液管道注入深部破碎矿层，矿物浸出反应后将浸出富液回收提取至地表的绿色开采方法，具有流态化、管道化、智能化的突出优势，目前，已有超过25％的铀矿依赖原位流态化开采，可为深部金属矿产资源高效、绿色、经济开采提供重要参考。

通常采用室内原位流态化开采的实验装置，开展前期研究并为矿山开采提供数据借鉴，现有主流流态化开装置与方法主要用于以下五类：1)煤炭流态化开采，主要适应于急倾斜、倾斜煤层开采，可开展煤与瓦斯流态化同采作业；2)铀矿原位浸出，主要适应于高渗透率、砂岩型或多层砂岩型铀矿床开采；3)金属矿原位破碎浸出，包括地下砂岩型铜矿原位开采等；4)金属矿尾砂、粉矿浆等细粒矿物流态化浸出；5)盐类矿床流态化浸出，实现钙芒硝矿床、巨厚钾盐矿床等水压致裂、水溶开采作业等。

然而，现有实验装置与研究方法存在以下瓶颈：1)已有创新方法多、但适用的模拟深地浸出环境的实验装置少，现有繁杂的原位流态化开采方法多为概念性的，适于浅表常温常压环境，缺乏对深地环境的水力压裂、浸出实验环境模拟；2)煤炭流态化开采居多而金属矿鲜有，这主要是由于金属矿岩强度高，传统开采多依赖***作业进行采掘，随着水力机械化破岩等技术不断创新完善，金属矿流态化开采成为可能；3)现有金属矿流态化开采实验装置通常适用于金属矿尾砂或粉矿浆，因此矿石颗粒尺度小，难以开展较大尺度矿石浸出实验研究；4)已有装置可视化程度低，监测参数较单一，难以对原位浸出过程中温度场、压力场、渗流场多物理场，固、气、液等多相介质进行有效监测与协同调控。因此，现有研究与方法难以有效满足深部金属矿原位流态化开采研究，仍存在实验装置与方法缺陷，亟待提出相关创新装置或方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置及方法，探索出一种可实现压力、温度环境有效调控的金属矿原位浸出装置，为模拟深地金属矿原位流态化开采研究提供参考。

该装置包括溶液喷淋循环***、矿石浸出反应***、温度调控***、气压调控***及数据集成控制***，其中，溶液喷淋循环***包括回流液口、储液罐、出液口、泵送电机、液体流量计、注液管路、注液孔及集液罐，矿石浸出反应***包括反应槽顶盖、固定螺栓、密封垫圈、反应槽体、多孔隔板、汇液曲面及汇液仓，温度调控***包括电加热控温层及电控变温器，气压调控***包括电控气密阀门、密封圈、安全阀、压力计、泄压阀、气体流量计、O₂储罐及CO₂储罐，数据集成控制***包括pH传感器、氧化还原电位传感器、离子浓度传感器、数据集控可视化终端、温度传感器、氧气浓度传感器、气压传感器，该装置反应槽顶盖、反应槽体由固定螺栓连接固定，内部安设电加热控温层，电加热控温层由电控变温器连接控制，反应槽顶盖底部与反应槽体上部安设密封垫圈，反应槽顶盖下部、反应槽体上部均安设密封圈，密封圈与电控气密阀门配合实现反应槽体密闭，电控气密阀门设置三组，分别连接储液罐、O₂储罐和CO₂储罐，安全阀、压力计、泄压阀依次连接，安装于反应槽顶盖上部，配合实现反应槽体内部泄压，反应槽体内部设置注液管路、多孔隔板、汇液曲面和汇液仓，注液管路下方依次安设多孔隔板、汇液曲面和汇液仓，反应槽体内部侧壁安装温度传感器、氧气浓度传感器、气压传感器，汇液仓内底部安设有pH传感器、氧化还原电位传感器、离子浓度传感器，数据集控可视化终端对整个装置进行数据采集和控制。

pH传感器、氧化还原电位传感器、离子浓度传感器均位于汇液仓液面以下，所述压力计、pH传感器、氧化还原电位传感器、离子浓度传感器、温度传感器、氧气浓度传感器、气压传感器均为耐压、耐高温型精密传感器。

反应槽顶盖为圆柱形盖体，上面设置注液、注气、泄压装置；反应槽体为圆柱形中空槽体，材质为耐压型不锈钢，反应槽体内设置注液管路，注液管路上开有注液孔。

注液管路为耐压型钢管材质，包括1组竖直注液管路和6组水平注液管路，注液管路上均匀设置注液孔。

反应槽顶盖有3组电控气密阀门，一组用于封闭注液管路，另外两组用于封闭来自O₂储罐、CO₂储罐的气体，其中，用于封闭注液管路的电控气密阀门连接储液罐，用于封闭来自O₂储罐、CO₂储罐的气体的两组电控气密阀门前端管路上设置气体流量计。

储液罐上部设置回流液口，下部设置出液口，回流液口与集液罐连通，出液口通过泵送电机连接电控气密阀门，泵送电机和电控气密阀门之间设置液体流量计。

汇液曲面为圆弧形曲面，曲面倾角为2～3°，曲面底部中心为圆形孔，用于溶液渗透。

应用该发明的方法，包括步骤如下：

S1：标况下用标准液校对反应槽体的pH传感器、氧化还原电位传感器、离子浓度传感器，并进行清洁、烘干备用；

S2：连接注液管路与反应槽顶盖，置于反应槽体内，将破碎矿石自然倾倒入反应槽体进行筑堆，随后关闭反应槽顶盖与反应槽体的电控气密阀门，密封圈、固定螺栓、密封垫圈配合密闭反应槽体；

S3：开启安全阀、压力计和泄压阀，经温度传感器监测，由电控变温器与电加热控温层配合调至目标温度，经气压传感器监测反应槽体内压力至标准大气压，关闭安全阀和泄压阀；

S4：将O₂储罐和CO₂储罐内的O₂和CO₂依次经泄压阀、泵送电机、气体流量计、电控气密阀门注入反应槽体，压力计与气压传感器配合监测达到目标气压；

S5：开启电控气密阀门，泵送电机与液体流量计配合将储液罐内溶浸液泵入注液管路，经注液孔进入矿堆；

S6：溶浸液穿过多孔隔板，流经汇液曲面、电控气密阀门，最终积聚在汇液仓，利用pH传感器、氧化还原电位传感器、离子浓度传感器，分别获取pH值、氧化还原电位和离子浓度参数；

S7：利用数据集控可视化终端，关闭反应槽顶盖上部、汇液仓底部、反应槽体底部电控气密阀门，保持汇液曲面下部电控气密阀门开启；

S8：依次开启与汇液仓连接的安全阀、泄压阀，负压压迫溶浸液进入汇液仓，开启反应槽体底部电控气密阀门，溶液流入集液罐，最后由泵送电机泵至储液罐，实现闭路循环；

S9：实验结束后，关闭电控变温器，开启与反应槽体连接的安全阀和泄压阀进行泄压，待达到环境气压后，将固定螺栓取下，对反应槽顶盖和反应槽体进行清洁待下次使用。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，可以实现金属矿原位浸出装置压力、温度环境有效调控，依托耐压、耐温的高精传感器，获取溶液离子浓度、pH值、氧化还原电位等关键参数，为深入揭示深部流态化浸出机制提供了有效装置与方法，相关装置与方法可为工业深部金属矿原位流态化浸出提供一定借鉴。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图；

图2为本发明实验装置关键组成部分的三维结构示意图；其中，(a)为三维结构图，(b)为注液管路三维结构图，(c)为反应槽三维结构图。

其中：1-回流液口，2-储液罐，3-出液口，4-泵送电机，5-液体流量计，6-电控气密阀门，7-密封圈，8-安全阀，9-压力计，10-泄压阀，11-反应槽顶盖，12-电加热控温层，13-固定螺栓，14-密封垫圈，15-反应槽体，16-注液管路，17-注液孔，18-多孔隔板，19-汇液曲面，20-汇液仓，21-pH传感器，22-氧化还原电位传感器，23-离子浓度传感器，24-集液罐，25-数据集控可视化终端，26-温度传感器，27-氧气浓度传感器，28-气压传感器，29-电控变温器，30-气体流量计，31-O₂储罐，32-CO₂储罐。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置及方法。

如图1所示，该装置包括溶液喷淋循环***、矿石浸出反应***、温度调控***、气压调控***及数据集成控制***，其中，溶液喷淋循环***包括回流液口1、储液罐2、出液口3、泵送电机4、液体流量计5、注液管路16、注液孔17及集液罐24，矿石浸出反应***包括反应槽顶盖11、固定螺栓13、密封垫圈14、反应槽体15、多孔隔板18、汇液曲面19及汇液仓20，温度调控***包括电加热控温层12及电控变温器29，气压调控***包括电控气密阀门6、密封圈7、安全阀8、压力计9、泄压阀10、气体流量计30、O₂储罐31及CO₂储罐32，数据集成控制***包括pH传感器21、氧化还原电位传感器22、离子浓度传感器23、数据集控可视化终端25、温度传感器26、氧气浓度传感器27、气压传感器28，该装置反应槽顶盖11、反应槽体15由固定螺栓13连接固定，内部安设电加热控温层12，电加热控温层12由电控变温器29连接控制，反应槽顶盖11底部与反应槽体15上部安设密封垫圈14，反应槽顶盖11下部、反应槽体15上部均安设密封圈7，密封圈7与电控气密阀门6配合实现反应槽体15密闭，电控气密阀门6设置三组，分别连接储液罐2、O₂储罐31和CO₂储罐32，安全阀8、压力计9、泄压阀10依次连接，安装于反应槽顶盖11上部，配合实现反应槽体15内部泄压，反应槽体15内部设置注液管路16、多孔隔板18、汇液曲面19和汇液仓20，注液管路16下方依次安设多孔隔板18、汇液曲面19和汇液仓20，反应槽体15内部侧壁安装温度传感器26、氧气浓度传感器27、气压传感器28，汇液仓20内底部安设有pH传感器21、氧化还原电位传感器22、离子浓度传感器23，数据集控可视化终端25对整个装置进行数据采集和控制。

pH传感器21、氧化还原电位传感器22、离子浓度传感器23均位于汇液仓20液面以下，所述压力计9、pH传感器21、氧化还原电位传感器22、离子浓度传感器23、温度传感器26、氧气浓度传感器27、气压传感器28均为耐压、耐高温型精密传感器。

如图2(a)所示，反应槽顶盖11上部安设有密封圈7，内部安设有电加热控温层12，底部安设密封垫圈14，边缘安设有固定螺栓13，利用管路与电控气密阀门6、安全阀8、压力计9、泄压阀10连接，用于向反应槽体15注入溶液、注入O₂、CO₂和排气泄压。

如图2(b)所示，注液管路16包括1组竖直注液管路16、6组水平注液管路16，其上均匀布设有注液孔17。

如图2(c)所示，反应槽体15内多孔隔板18下方为汇液曲面19，汇液曲面19中心为圆形孔道，用于溶液渗漏，下方经电控气密阀门6与汇液仓20连通。

该装置实际应用过程如下：

S1：调节温度压力至标准状况(273.15K、101kPa)，利用标准液对反应槽体15内pH传感器21、氧化还原电位传感器22、离子浓度传感器23进行校对，清洁并烘干反应槽顶盖11、反应槽体15备用；

S2：将注液管路16与反应槽顶盖11连接并置于反应槽体15内部，依据研究需求，利用一定颗粒尺寸分布的破碎矿石自然倾倒入反应槽体15，进行矿石筑堆；

S3：筑堆完成后，关闭反应槽顶盖11与反应槽体15上的电控气密阀门6，利用密封圈7、固定螺栓13、密封垫圈14配合完成反应槽体15密闭；

S4：开启安全阀8、压力计9和泄压阀10，利用电控变温器29调节电加热控温层12，经温度传感器26监测至目标温度，依据气压传感器28监测反应槽体15内压力至标准大气压，关闭安全阀8和泄压阀10；

S5：按研究所需配比，将O₂储罐31和CO₂储罐32内氧气和二氧化碳，依次经泄压阀10、泵送电机4、气体流量计30和电控气密阀门6，最后注入反应槽体15，期间利用压力计9、气压传感器28监测气压，直至达到目标气压；

S6：利用液体流量计5设置初始泵送压力与液体流量，开启电控气密阀门6，经泵送电机4将储液罐2内溶浸液泵入注液管路16，经注液孔17进入矿堆内部，参与浸出反应；

S7：矿石浸出反应结束后，浸出富液向下流动穿过多孔隔板18，经汇液曲面19及其下部电控气密阀门6，最终浸出富液汇聚于汇液仓20，利用pH传感器21、氧化还原电位传感器22、离子浓度传感器23，分别获取pH值、氧化还原电位和离子浓度参数；

S8：利用数据集控可视化终端25，关闭反应槽顶盖11上部、汇液仓20底部、反应槽体15底部的电控气密阀门6，保持汇液曲面19下部电控气密阀门6开启；

S9：依次开启与汇液仓20连接的安全阀8、泄压阀10，在负压作用下，压迫浸出富液流入汇液仓20，然后开启反应槽体15底部的电控气密阀门6，使溶液流入集液罐24，最后由泵送电机4泵送至储液罐2，实现溶液闭路循环；

S10：实验结束后，关闭电控变温器29，开启与反应槽体15连接的安全阀8、泄压阀10进行泄压，待达到环境气压后，将固定螺栓13取下，对反应槽顶盖11、反应槽体15进行清洁待下次使用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置，其特征在于：包括溶液喷淋循环***、矿石浸出反应***、温度调控***、气压调控***及数据集成控制***，其中，溶液喷淋循环***包括回流液口（1）、储液罐（2）、出液口（3）、泵送电机（4）、液体流量计（5）、注液管路（16）、注液孔（17）及集液罐（24），矿石浸出反应***包括反应槽顶盖（11）、固定螺栓（13）、密封垫圈（14）、反应槽体（15）、多孔隔板（18）、汇液曲面（19）及汇液仓（20），温度调控***包括电加热控温层（12）及电控变温器（29），气压调控***包括电控气密阀门（6）、密封圈（7）、安全阀（8）、压力计（9）、泄压阀（10）、气体流量计（30）、O₂储罐（31）及CO₂储罐（32），数据集成控制***包括pH传感器（21）、氧化还原电位传感器（22）、离子浓度传感器（23）、数据集控可视化终端（25）、温度传感器（26）、氧气浓度传感器（27）、气压传感器（28），该装置反应槽顶盖（11）、反应槽体（15）由固定螺栓（13）连接固定，内部安设电加热控温层（12），电加热控温层（12）由电控变温器（29）连接控制，反应槽顶盖（11）底部与反应槽体（15）上部安设密封垫圈（14），反应槽顶盖（11）下部、反应槽体（15）上部均安设密封圈（7），密封圈（7）与电控气密阀门（6）配合实现反应槽体（15）密闭，反应槽顶盖（11）上的电控气密阀门（6）设置三组，分别连接储液罐（2）、O₂储罐（31）和CO₂储罐（32），反应槽体（15）底部和汇液仓（20）底部各设置一个电控气密阀门，安全阀（8）、压力计（9）、泄压阀（10）依次连接，安装于反应槽顶盖（11）上部，配合实现反应槽体（15）内部泄压，反应槽体（15）内部设置注液管路（16）、多孔隔板（18）、汇液曲面（19）和汇液仓（20），汇液仓（20）侧面连接安全阀和泄压阀，注液管路（16）下方依次安设多孔隔板（18）、汇液曲面（19）和汇液仓（20），反应槽体（15）内部侧壁安装温度传感器（26）、氧气浓度传感器（27）、气压传感器（28），汇液仓（20）内底部安设有pH传感器（21）、氧化还原电位传感器（22）、离子浓度传感器（23），数据集控可视化终端（25）对整个装置进行数据采集和控制。

2.根据权利要求1所述的模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置，其特征在于：所述pH传感器（21）、氧化还原电位传感器（22）、离子浓度传感器（23）均位于汇液仓（20）液面以下，所述压力计（9）、pH传感器（21）、氧化还原电位传感器（22）、离子浓度传感器（23）、温度传感器（26）、氧气浓度传感器（27）、气压传感器（28）均为耐压、耐高温型精密传感器。

3.根据权利要求1所述的模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置，其特征在于：所述反应槽顶盖（11）为圆柱形盖体，上面设置注液、注气、泄压装置；反应槽体（15）为圆柱形中空槽体，材质为耐压型不锈钢，反应槽体（15）内设置注液管路（16），注液管路（16）上开有注液孔（17）。

4.根据权利要求3所述的模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置，其特征在于：所述注液管路（16）为耐压型钢管材质，包括1组竖直注液管路（16）和6组水平注液管路（16），注液管路（16）上均匀设置注液孔（17）。

5.根据权利要求1所述的模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置，其特征在于：所述反应槽顶盖（11）有3组电控气密阀门（6），一组用于封闭注液管路（16），另外两组用于封闭来自O₂储罐（31）、CO₂储罐（32）的气体，其中，用于封闭注液管路（16）的电控气密阀门（6）连接储液罐（2），用于封闭来自O₂储罐（31）、CO₂储罐（32）的气体的两组电控气密阀门（6）前端管路上设置气体流量计（30）。

6.根据权利要求5所述的模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置，其特征在于：所述储液罐（2）上部设置回流液口（1），下部设置出液口（3），回流液口（1）与集液罐（24）连通，出液口（3）通过泵送电机（4）连接电控气密阀门（6），泵送电机（4）和电控气密阀门（6）之间设置液体流量计（5）。

7.根据权利要求1所述的模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置，其特征在于：所述汇液曲面（19）为圆弧形曲面，曲面倾角为2~3°，曲面底部中心为圆形孔，用于溶液渗漏。

8.应用权利要求1所述的模拟深地金属矿原位流态化开采的实验装置的方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：标况下用标准液校对反应槽体（15）的pH传感器（21）、氧化还原电位传感器（22）、离子浓度传感器（23），并进行清洁、烘干备用；

S2：连接注液管路（16）与反应槽顶盖（11），置于反应槽体（15）内，将破碎矿石自然倾倒入反应槽体（15）进行筑堆，随后关闭反应槽顶盖（11）与反应槽体（15）底部所有的电控气密阀门（6），密封圈（7）、固定螺栓（13）、密封垫圈（14）配合密闭反应槽体（15）；

S3：开启与反应槽体（15）连接的安全阀（8）、压力计（9）和泄压阀（10），经温度传感器（26）监测，由电控变温器（29）与电加热控温层（12）配合调至目标温度，经气压传感器（28）监测反应槽体（15）内压力至标准大气压，关闭与反应槽体（15）连接的安全阀（8）和泄压阀（10）；

S4：将O₂储罐（31）和CO₂储罐（32）内的O₂和CO₂依次经泄压阀（10）、泵送电机（4）、气体流量计（30）、电控气密阀门（6）注入反应槽体（15），压力计（9）与气压传感器（28）配合监测达到目标气压；

S5：开启反应槽顶盖（11）上方与储液罐（2）连接的电控气密阀门（6），泵送电机（4）与液体流量计（5）配合将储液罐（2）内溶浸液泵入注液管路（16），经注液孔（17）进入矿堆；

S6：溶浸液穿过多孔隔板（18），流经汇液曲面（19）、电控气密阀门（6），最终积聚在汇液仓（20），利用pH传感器（21）、氧化还原电位传感器（22）、离子浓度传感器（23），分别获取pH值、氧化还原电位和离子浓度参数；

S7：利用数据集控可视化终端（25），关闭反应槽顶盖（11）上部、汇液仓（20）底部、反应槽体（15）底部所有的电控气密阀门（6），保持汇液曲面（19）下部电控气密阀门（6）开启；

S8：依次开启与汇液仓（20）连接的安全阀、泄压阀，负压压迫溶浸液进入汇液仓（20），开启反应槽体（15）底部电控气密阀门（6），溶液流入集液罐（24），最后由泵送电机（4）泵至储液罐（2），实现闭路循环；

S9：实验结束后，关闭电控变温器（29），开启与反应槽体（15）连接的安全阀（8）和泄压阀（10）进行泄压，待达到环境气压后，将固定螺栓（13）取下，对反应槽顶盖（11）和反应槽体（15）进行清洁待下次使用。

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