离子型稀土原地浸矿注液入渗与溶质运移规律及其应用
The Law and Applications of Infiltration and Solute Transport in Situ Leaching of Ionic Rare Earth Deposits
离子型稀土矿原地浸取是一个包含土体水分运动、离子交换反应及溶质运移的复杂过程.浸矿剂溶液通过注液孔网注入矿体,在矿体中入渗形成不同饱和度的分区,而饱和度是影响土体水分运动与分布状态、离子交换与溶质运移规律的重要因素,直接决定了原地浸矿稀土资源浸取率.由此可见,研究原地浸矿土体水分运动特性及溶质运移规律,对改进原地浸矿工艺、提高资源浸取率,具有重要的意义.本文通过室内试验、现场试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,就单孔-孔网注液入渗规律及不同饱和度下离子交换与溶质运移规律等方面展开研究,初步建立了离子型稀土原地浸矿中注液入渗、离子交换反应与溶质运移的理论体系,成功解释了 程实践中孔网间距经验值的合理性,提出了孔网参数设计与优化的方法.论文完成的主要工作如下:(1)原地浸矿单孔注液入渗规律开展5组单孔注液入渗现场试验,建立相应的单孔注液入渗数值模型,分析孔径、水深、地下水位及土体渗透性等因素对单孔注液入渗规律的影响.利用Philip入渗模型,建立单孔定水头入渗强度与累计入渗量计算公式,给出了吸渗率和稳渗率的拟合结果.利用达西定律推导单孔注液稳渗流量Qs与稳渗率的简化理论公式.假设孔底饱和度沿径向呈负指数分布,基于孔周侧渗流量与注液影响范围内孔底下渗流量相等,建立注液影响范围的计算模型.(2)原地浸矿孔网注液入渗规律将单孔注液视为孔网注液时孔网间距为无穷大的特例,通过数值计算分析孔网间距对Philip入渗模型适用性及孔网注液单孔稳渗流量Qm的影响,提出Qm的经验拟合公式:Qm=Qs(1-α·e-L),并给出系数α的理论解及拟合结果.将孔周土体分成三个区域:毛细区、饱和度变化区和均匀下渗区,给出饱和度变化区最低饱和度和均匀下渗区平均饱和度的计算方法.分析孔径与孔网间距组合及地下水位对孔网注液入渗规律的影响.(3)近饱和条件下稀土浸取与溶质运移规律开展室内一维定水头柱浸试验及杯浸平衡试验,得到稀土离子、铵根离子与硫酸根离子的穿透曲线,确定原地浸矿离子交换模型.采用有限差分法,求解非反应性溶质和反应性溶质的对流-弥散方程,研究稀土品位与浸矿剂浓度对饱和柱浸溶质运移的影响规律.(4)高饱和条件下稀土浸取与溶质运移规律开展室内一维高饱和柱浸试验,得到稀土离子、铵根离子与硫酸根离子的穿透曲线,分析稀土离子峰值浓度、浸矿周期与浸取率随饱和度的变化规律,拟合了浸取率与饱和度的经验公式.将不可动区分为结合区和死端孔隙区,建立原地浸矿非饱和柱浸改进的TRM模型(简称ATRM模型).采用有限差分法,求解非饱和柱浸的ATRM方程,研究稀土品位、质量交换系数与结合区体积占比对非饱和柱浸溶质运移的影响规律.(5)原地浸矿孔网参数设计及应用开展矿山生产现场试验,监测注液量、收液量、地下水位及裂缝的变化情况,分析矿块流场变化、裂缝发展与安全系数之间的关系.提出基于饱和度分区的矿块稀土资源浸取率的估算方法,利用试验矿块的实测数据验证了该方法的准确性.提出全覆式矿山与裸脚式矿山孔网参数设计与优化方法,针对试验矿块给出工程优化建议,优化后矿块浸取率由78.8%提高到84.4%,边坡安全系数由1.08提高到 1.21.
- 作者：
- 桂勇
- 学位授予单位：
- 江西理工大学
- 专业名称：
- 矿业工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 罗嗣海
- 中图分类号：
- TD865
- 关键词：
- 离子型稀土矿；原地浸矿；土体水分运动；离子交换；溶质运移；资源浸取率
- ion adsorption rare earth ore; in-situ leaching; soil water movement; ion exchange; solute transport; resources leaching rate;