一种离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法

阅读：评论：0

1.本发明属于离子型稀土原位溶浸开采技术领域，具体涉及一种离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法。

背景技术：

2.离子型稀土矿又名风化壳淋积型稀土矿，是一种以中重稀土元素为主的稀土矿床，广泛分布于我国华南地区，其中稀土离子以离子形式吸附在高岭土、蒙脱石、伊利石等黏土矿物上。目前，离子型稀土矿主要采用原位溶浸工艺开采，是通过注液孔将电解质溶液注入稀土矿层，从黏土矿物中有选择地浸出稀土离子生成可溶性化合物，并收集可溶性化合物的采矿方法。该开采工艺不砍伐林木、不剥离表层覆土、不破坏矿体，劳动强度小，生产成本低，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。
3.由于含稀土母岩的成岩环境差异、成矿区地质构造运动及风化、剥蚀、搬运、沉积等地质作用，不同离子型稀土矿山的地质条件差异较大，有的地势平缓、有的山形陡峭、有的基岩深埋、有的基岩裸露（或浅埋）、有的矿体厚而富、有的矿体贫而薄。针对不同离子型稀土矿的地质条件和矿体特征，开采工艺也理应采用不同的开采方式。
4.但是，目前大部分离子型稀土矿的开采过程缺少详细的综合地质勘查工作，在开采分区、注液工程设施和注液管理方面以技术人员的经验为主。比如，开采分区依据地表的山脊线进行，因地下基岩脊线和地表山脊线不一致造成局部区域浸矿液流失；注液井网缺少深井引流和地层渗透性测试，容易造成局部注液过量或不足；注液操作方面更是缺少行之有效的方法，全靠人工进行反复的逐井调节；浸矿液渗流偏移时有发生，以致需反复注液来提高浸矿率。因注液井网结构布设和注液操作的不合理问题，容易造成显著的资源流失和环境污染问题，严重时还会发生山体崩塌、滑坡或泥石流等地质灾害。因此，有必要对现有开采分区和渗流控制工艺进行改进。

技术实现要素：

5.为解决离子型稀土原位溶浸开采过程中由开采分区不合理和注液渗流控制不力带来的资源环境问题，本发明提出一种离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，以矿区地下潜水位、基岩起伏面和砂土渗透性差异为依据，结合地下完整基岩脊线分区、边界渗流井隔离、深浅注液井搭配和分期脉冲注液等技术措施，有效提升了注液精度、浸矿效率和浸矿液渗流的可控性，减少了浸矿液损失，降低了因浸矿液注入过量和渗流偏移引发浸矿液溢流、局部滑坡和浸矿液渗漏等现象的发生率。
6.本发明提供的技术方案包括如下步骤：一种离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，其步骤如下：首先，整理离子型稀土矿区的综合地质勘查数据资料，绘制隐伏于地下的完整基岩起伏面，依据地下完整基岩的脊线走向进行原位开采分区；其次，原位开采分区后，以完整基岩的脊线走向为基准，在注液开采区一侧设置渗
流隔离井；然后，以地表的地形等高线为基准，在注液开采区布设深浅搭配的注液井网，注液井网包括若干注液深井和若干注液浅井；最后，在开采过程中，周期性调节各注液井的浸矿液注入强度，实现注液区的脉冲注液控制；向注液开采区外扩散的渗流隔离井进行引流和监测。
7.进一步的，所述完整基岩起伏面是提取综合地质勘查中的相关数据，在软件中进行预处理、插值、拟合和校验等系列操作后获得，可用于制作二维基岩面等高线或三维基岩面形式，以便于完整基岩脊线绘制和渗流隔离井布设。
8.进一步的，所述渗流隔离井是在注液区一侧偏移完整基岩脊线0.2-0.5m处布设，布设要求为：单排井间距＞2m，单井孔径＞50mm，单井深度以穿透砂土地层或见地下水为准；所述渗流隔离井井内为包覆防砂填料的塑料管，成井方式可采用简易机械钻机或人力洛阳铲。由于弱风化基岩裂隙发育、透水性好，渗流隔离井穿透了透水性差的砂土层，因而可引导侧向渗流的浸矿液快速垂向渗流至完整基岩面，并沿基岩面向下游低洼处迁移汇聚；另外，通过监测渗流隔离井中液位高低，可判定注液区地下水有无外溢风险。
9.进一步的，所述深浅搭配的注液井网在平面投影上显示为沿地表地形等高线的矩阵结构，两个注液深井之间间隔2-4个注液浅井。其中，注液深井间距＞5m，排距＞5m，单井孔径＞50mm，井底与收液设施顶部的垂向高差＞3m；注液深井具有较大的渗透面积和较高的水头，在饱和注液阶段可强化浸矿液向四周的扩散速度，在非饱和注液阶段可引导侧向渗流快速进行垂向迁移。其中，注液浅井间距1-2m，单井孔径＞50mm，井深3-5m；注液浅井的渗透面积小和水头低，主要用于维持矿层含水能达到饱和含水率60%以上，在饱和注液阶段有较好的环向扩散性能，有助于提高局部砂土的含水率，加快离子型稀土的溶浸迁移速度；注液深井和浅井的内部结构一致，均布置有包覆防砂填料的塑料管，塑料管上部为无孔全管、下部为多孔花管，多节塑料管之间由连接环卡接或粘接。
10.进一步的，所述开采过程中的脉冲注液控制方法包括饱和注液和非饱和注液两个阶段，其中饱和注液为维持注液井孔中液位在一定高度（液位高度随开采时间的延长逐渐降低）的注液操作（一般安排在无雨天，需人工不间断巡检），非饱和注液为注液井孔中无积液的注液操作。
11.开采过程中，不同开采期的脉冲注液控制具体表现为：（1）在开采初期饱和注液阶段各注液孔中的液位维持在矿层顶部（一般为距地表3m的位置）且不出现溢流，饱和注液时间为12-36小时，非饱和注液时间12-36小时；（2）在开采中期饱和注液阶段各深井注液孔中的液位维持在矿层中部，各浅井注液孔中的液位维持在矿层顶部且不出现溢流，饱和注液时间为12-36小时，非饱和注液时间48-72小时；（3）在开采末期饱和注液阶段各深井注液孔中的液位维持在矿层下部，各浅井注液孔中的液位维持在矿层顶部且不出现溢流，饱和注液时间为12-36小时，非饱和注液时间72小时。
12.本发明的有益效果如下：1、以离子型稀土矿区的地下完整基岩脊线为开采分区的依据，有效避免了采用地表地形山脊线分区造成的局部浸矿液渗流外溢现象，提高了浸矿液回收率。
13.2、在开采注液区边界布设的渗流隔离井，有效约束了浸矿液的侧向渗流和快速迁移，有助于判定注液区地下水的外溢风险。
14.3、通过深浅搭配的注液井网将开采注液区细分为一个一个的柱状渗流单元，利用深井的快速导流性能，有效减少了浸矿液局部积滞现象，降低滑坡风险。
15.4、注液井中防砂填料的使用，降低了砂土泥化淤塞现象。
16.5、在确保不发生崩塌或滑坡条件下，通过引入脉冲注液机制，实现矿层局部浸矿液饱和，有助于减少注液盲区，提高开采回采率；同时，与深井搭配进一步提高了浸矿效率，减少了拖尾现象，缩短了开采周期。
17.6、本发明所提供的离子型稀土矿原位开采分区与渗流控制方法，尤其适用于地下完整基岩面高于地下潜水位的离子型稀土矿山，有效解决了该类矿山开采过程的资源损失和环境污染问题；同时，该方法中的边界渗流井隔离、深浅注液井搭配和分期脉冲注液可在各种类型的矿山推广应用，为离子型稀土矿的开发提供全新的注液渗流控制技术方案。
附图说明
18.图1为本发明具体实施的深浅井脉冲注液控制剖面示意图。
19.图2为本发明具体实施的注液井脉冲的剖面示意图。
20.图3为本发明具体实施的深浅井网矩阵平面示意图。
21.图4为本发明具体实施的某矿块地表地形等高线图。
22.图5为本发明具体实施的某矿块地下基岩面等高线图。
23.图6为本发明具体实施的某矿块开采分区和注液工程平面示意图。
具体实施方式
24.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。
25.本实施例提供了一种离子型稀土矿原位开采分区与渗流控制方法，以“地下完整基岩脊线分区、边界渗流井隔离、深浅注液井搭配和分期脉冲注液”为主体技术方案，解决现有开采分区和注液方式可能造成的资源流失、环境污染及地质灾害等问题，同时实现注液盲区减少、开采周期缩短和经济效益增加之目的。
26.如图附图1-6所示，本发明的具体实施步骤如下：1、地下完整基岩脊线绘制与开采分区如图3、图4所示为某离子型稀土矿块的地面地形等高线和地下完整基岩面等高线，由上下两个地层所绘制的脊线在走向上有一定的重叠，但整体差异显著；如按地面地形脊线进行开采区划分，则在注液过程中局部区域的浸矿液流向会出现严重偏差，导致浸矿液渗流外溢损失现象。因此，采用地下完整基岩脊线进行分区更为科学合理，其具体操作为：（1）依据离子型稀土矿开采区详细综合地质勘查资料，整理提取出地形地貌、资源分布、地层产状、基岩起伏和地下潜水位等参数信息；（2）在cad等工程设计软件中绘制出地面地形等高线、矿体与矿区边界、地下完整基岩起伏面及基岩脊线；（3）以地下完整基岩起伏面及基岩脊线为基础进行开采分区，结合矿山企业生产处理能力和矿体边界及储量进行注液区细分。
27.如图6所示，依据完整基岩脊线将整个开采区分为了四个矿块，实际开采某矿块时，可自上而下将矿块分为多个开采注液区或同时开采多个矿块，以契合资源储量和生产
计划。
28.2、边界渗流隔离井构筑如图6所示，当单个四号矿块刚好满足生产需求时，应沿四号矿块的完整基岩脊线布设（在矿体边界更小时沿矿体边界布设）渗流隔离井以控制注液边界的浸矿液侧渗。隔离井在注液区一侧，偏移完整基岩脊线0.5m；采用简易机械钻机或人力洛阳铲成井，单排井间距4m，单井孔径150mm，单井深度以穿透砂土地层或见地下水为准，井内设置有包覆防砂填料的塑料管（防止塌孔堵孔）。塑料管直径100mm、管壁孔径5mm，防砂填料20mm、孔径0.5mm，塑料管上部为无孔全管、下部为多孔花管，多节塑料管之间由连接环卡接或粘接。注液期间定时巡视监测渗流隔离井中液位高低，绘制自然地下潜水位曲线以判定注液区有无浸矿液外溢风险。
29.3、深浅注液井网建设依据矿块注液边界（渗流隔离井）和资源分布圈定注液范围，在开采注液区沿等高线施工深浅交错搭配的注液井网，注液井间距取决于区域矿层渗透系数及砂土抗剪切强度。
30.如图1-2所示，注液井深井间距5m，两个注液深井之间间隔2个注液浅井，深井排距5m，单井孔径125mm，井底与收液设施顶部的垂向高差4m；浅井间距1.6m，排距5m，单井孔径125mm，井深5m；深浅井内均设置有包覆防砂填料的塑料管，塑料管直径76mm、管壁孔径5mm，防砂填料20mm、孔径0.5mm，塑料管上部为无孔全管、下部为多孔花管，多节塑料管之间由连接环卡接或粘接。
31.如图3所示，注液井网在平面投影上显示为矩阵结构，各排深井呈交错的梅花桩布局。
32.如图6所示，注液井网是沿地表地形等高线布设，图6中仅绘制的小部分区域，其他区域的井网采用类似方式布置。
33.4、脉冲注液与渗流控制在完成注液和收液工程建设与验收后进行注液作业，如图1所示，在开采初期通过人工或智控系统调节各井注液强度（可通过综合勘查资料中各地层渗透系数、深浅井网间距及成井参数计算），确保同一地表地形等高线的注液井液位维持在如图1所示的a位置（即矿层顶部，若表土层厚度＜3m，则a位置与地表垂直距离为3m），实现饱和注液24小时（若遇中高强度降雨，转为非饱和注液或停止注液）；然后通过人工或智控系统调节各井注液强度，确保同一地表地形等高线的注液井液位维持在井底位置（井底积水＜0.1m），实现非饱和注液24小时。开采过程中，持续重复上述脉冲注液操作，当回收的浸矿液稀土浓度不再升高时，逐渐将注液深井的脉冲调控液位从a位置调整下调到b位置，注液浅井的脉冲调控液位保持a位置，非饱和注液时间调整为48小时；当回收的浸矿液稀土浓度呈下降趋势时，逐渐将注液深井的脉冲调控液位从b位置调整下调到c位置，注液浅井的脉冲调控液位保持a位置，非饱和注液时间调整为72小时；当回收的浸矿液稀土浓度下降至经济浓度限值以下后，停止脉冲注液，转入洗矿与闭矿作业。
34.上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员可对实施例的技术方案进行修改，或者进行部分/全部技术特征的等同替换，这些修改或者替换仍应包含在本发明的技术方案范围内。

技术特征：

1.一种离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，整理离子型稀土矿区的综合地质勘查数据资料，绘制隐伏于地下的完整基岩起伏面，依据地下完整基岩的脊线走向进行原位开采分区；其次，原位开采分区后，以地下完整基岩的脊线走向为基准，在注液开采区的一侧设置渗流隔离井；然后，以地表的地形等高线为基准，在注液开采区布设深浅搭配的注液井网，注液井网包括若干注液深井和若干注液浅井；最后，在开采过程中，周期性调节各注液井的浸矿液注入强度，实现注液区的脉冲注液控制；向注液开采区外扩散的渗流隔离井进行引流和监测。2.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，其特征在于：提取综合地质勘查数据资料中的相关数据后，至少进行预处理、插值、拟合、校验和叠加操作后，再进行绘制获得隐伏于地下的完整基岩起伏面。3.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，其特征在于：所述渗流隔离井布设于注液开采区一侧偏移地下完整基岩脊线的0.2-0.5m处；布设的渗流隔离井，单排井间距＞2m，单井孔径＞50mm，单井深度以穿透砂土地层或见地下水为准。4.根据权利要求1或3所述的离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，其特征在于：所述渗流隔离井用于引导浸矿液通过基岩面快速向下游迁移，同时监测注液区地下水有无外溢风险。5.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，其特征在于：所述深浅搭配的注液井网在平面投影上显示为沿地表地形等高线方向的矩阵结构；其中，注液井网中，注液深井的井间距＞5m，注液深井的单井孔径＞50mm，注液深井的井底与收液设施顶部的垂向高差＞3m，用于区域强化注液和浸矿液快速导流；其中，注液井网中，注液浅井的井间距1-2m，注液浅井的单井孔径＞50mm，注液浅井的井深3-5m，矿层的饱和含水率达60%以上；注液井网中，所有注液井的内部结构均为包覆有防砂填料的塑料管，塑料管由上部的无孔全管和下部的多孔花管连接构成。6.根据权利要求1所述的离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，其特征在于：所述开采过程中实现的脉冲注液控制，包括饱和注液和非饱和注液；其中，饱和注液是维持注液井孔中具有一定高度液位的注液操作，非饱和注液是注液井孔中无积液的注液操作。7.根据权利要求1或6所述的离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，其特征在于，开采过程中不同开采期的脉冲注液控制具体为：（1）在开采初期，饱和注液时，各注液井中的液位维持在矿层顶部且不出现溢流；（2）在开采中期，饱和注液时，各注液深井中的液位维持在矿层中部，各注液浅井中的液位维持在矿层顶部且不出现溢流；（3）在开采末期，饱和注液时，各注液深井中的液位维持在矿层下部，各注液浅井中的液位维持在矿层顶部且不出现溢流。

技术总结

本发明公开了一种离子型稀土矿原位开采分区与注液渗流控制方法，该方法以地下潜水位、基岩起伏面和砂土渗透性差异为基础，采取脊线分区、渗流隔离、深浅搭配的注液井网和脉冲注液等措施，可解决注液分区不合理、局部注液过量、地下渗流偏移损失以及浸矿效率低等问题，可有效提升浸矿效率和浸矿液渗流的可控性，减少了浸矿液损失，降低了因浸矿液注入过量和渗流偏移引发浸矿液溢流、局部滑坡和浸矿液渗漏等现象的发生率，为离子型稀土矿山原位溶浸开采工艺的提质增效和创新发展提供了技术支撑，有助于构建矿山可持续发展的生态绿开采新模式。开采新模式。开采新模式。