原地浸取注液工艺 技术领域 本发明涉及一种原地浸取注液工艺， 特别是离子吸附型稀土原地浸取注液工艺， 属于原地浸取开采技术领域。
本说明书中的术语 “顶水” 是指在 “浸矿液” 注入含矿山体， 完成 “浸矿” 过程之后， 将按一定比例 “固液比” 控制的 “工业顶水” ， 不断地从 “注液井” 注入山体。在 “顶水” 作用 下， 汇合被 “交换” 出来的稀土， 和先期注入的已完成 “离子交换” 、 或尚未完成交换过程的部 分浸矿液， 形成含稀土母液。简单的说， 在用浸矿剂浸矿过程完成后， 使用 “上清液” 或清水 的注液过程， 其目的是把矿体中已交换或尚未交换的浸矿液 “挤” 出。 本说明书中的术语 “鸡 窝状” 、 “透镜状” 、 “层状” 等词是用来形象的说明矿体空间展布的特点。网络上可以查找到 有些论文中使用过 “鸡窝状” 矿体这个词。是指矿体的空间展布复杂， 在单个含矿山头中存 在多个小矿体。
背景技术
根据现有技术， 离子吸附型稀土原地浸取注液技术主要采用岩土工程静压注浆法 注液。静压注浆法注液技术是采用人工挖掘圆井作为注液井的注液方法， 首先使用铲子等 工具人工挖掘直径约 0.6 ～ 0.8 米 ( 一般需要人在注液井中施工 )、 直达含矿层以下 0.5 米 深的注液圆井， 井间距为 3×3 米， 为了减少注液盲区， 在圆井的中间部分， 用铲子开挖长宽 为 0.5×0.5 米 ( 或直径为 0.5 米 )， 直达矿层的注液井。在浸取注液过程中先注圆井， 后为 消除盲区再注直达矿层的注液井， 最后注顶水， 直至矿块生产完成。
现有注液技术在生产中存在以下技术问题 ： 第一， 由于注液顺序不合理， 先注主矿 体， 后为消除盲区对直达矿层的注液井注液， 往往因为母液浓度过低或因尾液时间长而无 实际利用价值， 且无形之中增加了生产成本及单矿块的生产周期 ； 第二， 由于后期构造等因 素的影响， 存在大量的小裂隙， 而这些小裂隙必然经过粘土矿物的充填， 使得浸矿剂无法到 达小裂隙以下与稀土离子发生交换， 影响了稀土浸矿的效果 ； 第三， 因为离子吸附型稀土特 殊的成矿机理， 往往在垂直方向上存在较大的渗透性能差异， 导致在注液过程中实际的水 平方向注液强度难以控制， 以及由于在注液过程中矿土结构和渗透性能发生的变化， 常导 致注液困难， 且极易发生塌方等边坡稳定性问题， 严重影响生产的正常进行 ； 第四， 现有注 液技术存在难以与收液系统协调的问题， 即难以人为控制注液量 ； 第五， 现有注液技术难以 适应 “鸡窝状” 复杂矿体、 渗透性差及深埋矿体的注液， 使得相应的资源无法使用原地浸取 技术开采。第六， 现有注液技术难以对浸矿剂的流向、 流速及注液强度作出有效控制， 且单 矿块开采完后， 仍有较多浸矿剂及部分稀土母液保留在山体中， 随着时间的推移缓慢渗入 地下水中， 造成了较大的环境污染问题。 发明内容
本发明的目的是提供一种离子吸附型稀土原地浸取注液工艺， 其稀土浸矿率高、 减少了母液在矿体中的残留、 减少了环境污染、 母液浓度高、 浸矿剂单耗小、 操作简单、 应用范围广、 环保效果显著， 解决了浸矿盲区、 注液过程边坡的稳定性差的问题， 实现了浸矿剂 流向、 流速、 注液强度的可控性及注液系统与收液系统的联系， 同时还解决了深埋矿体、 渗 透性差矿体以及 “鸡窝状” 矿体的原地浸取技术问题。
为实现本发明的目的， 本发明提供了一种离子吸附型稀土原地浸取注液工艺， 其 特征在于 ： 根据矿体厚度变化情况、 水文工程环境地质情况以及收液系统的布置， 设置注液 浅井和注液深井间隔分布的注液网络， 其中注液浅井以静压注液为主， 注液深井以充填密 闭中深部注液为主， 如渗透能力很好， 可对注液深井不使用密闭加压措施 ； 在注液工序中， 采用先注注液浅井， 后注注液深井的注液方法， 当浸矿剂使用完后， 共同对注液浅井和注液 深井注顶水。
在本发明的技术方案中， 根据矿体空间展布情况、 矿体厚度变化情况、 矿土渗透性 能、 以及收液系统的工程布置等， 设置注液浅井和注液深井间隔分布的注液网络， 也可以根 据矿体厚度变化情况 ( 主要针对 “鸡窝状” 矿体类型 ) 及收液系统的布置设置注液浅井、 中 等程度深的注液井、 和注液深井周期变化的注液网络。
所述的技术方案中注液管路 ： 注液浅井和注液深井通过引流管与球阀开关、 分水 管路及注液主管路联通形成注液管路系统。 所述的技术方案中注液网络的注液井间距的确定 ： 一般情况下， 注液井间距为 2.5×2.5 米， 但如矿土为中粗砂结构， 可调整为 3×3 米， 以粘土和细砂为主可调整为 2×2 米。
所述的技术方案中的注液浅井 ： 注液浅井直径为 30 ～ 40cm， 深度为直达含矿层 1 ～ 2 米， 采用 1 ～ 1.5 寸 (3.3cm ～ 5cm) 的 PVC 管引流浸矿剂至注液浅井的底部并进行防 坍塌处理， 注液浅井采用静压注液方式。
所述的技术方案中的注液浅井施工 ： 采用特制的洛阳铲施工工具， 其为长 25 ～ 35cm、 直径 20 ～ 30cm、 厚 1.5 ～ 3mm 的不锈钢管或相应展开面积及厚度的不锈钢片制作的 圆筒， 圆筒底部用锯片类带刚性及韧性的材料焊接， 制成的洛阳铲， 避免人进入注液井中进 行施工。
所述的技术方案中的密闭加压注液深井 ： 密闭加压注液深井直径为 10 ～ 12cm 左 右， 采用该类资源勘探工具 ( 洛阳铲 ) 施工， 深度一般为直达距集液工程控制面 4.5 ～ 5.5 米， 也可根据下式确定 ：
注液深井处的见矿厚度 +( 注液深井处至工程控制面的厚度 - 注液深井处的见矿 厚度 )×55％≤注液深井深度≤注液深井处的见矿厚度 +( 注液深井处至工程控制面的厚 度 - 注液深井处的见矿厚度 )×75％。
根据矿土的渗透性能确定深井的深度， 矿土的渗透性差的取大值， 渗透好的取小 值。深井平面布置尽可能地靠近集液巷道位置。
所述的技术方案中的注液深井的注液、 填充、 及密闭方式 ： 注液采用 6 ～ 8 分 ( 即 管径 2 ～ 3cm) 的 PVC 管引流浸矿剂至注液深井的中下部， 注液深井的填充方式采用就地取 材的细或粗砂或其它易渗透物质， 填充厚度原则上为把注液深井填充至浅井深度处， 如实 施条件有限， 填充厚度至少为超过 PVC 孔洞部分 1 米， 上部至矿体部分可采用矿土压实填 充， 并用较稀释水泥砂浆充填 20 ～ 30cm 形成密封层， 如渗透性差， 其密封时机可进行适当 调整， 如渗透性好， 也可不用填充和密闭。
所述的技术方案中的密闭加压注液深井引流管结构 ： 引流管下部每隔 25 ～ 35cm 各设置数个孔洞， 分数排， 引流管下部含孔洞部分进行防堵塞处理， 其目的是引流管中下部 不堵塞， 如渗透性好， 则引流管下部可不设孔洞， 直接进行防堵塞处理。
所述的技术方案中的中等程度深的注液井， 其深度一般可依据下式确定 ： 中等程 度注液井的井深＝ ( 深井深度 - 相邻浅井深度 )/2+ 相邻浅井深度 )。
更一般的可按下式确定 ： 中等深度注液井处的见矿厚度 +( 中等深度注液井处至 工程控制面的厚度 - 中等深度注液井处的见矿厚度 )×40％≤中等深度注液井深度≤中等 深度注液井处的见矿厚度 +( 中等深度注液井处至工程控制面的厚度 - 中等深度注液井处 的见矿厚度 )×60％。
上式的具体实施需要根据矿土的渗透性能确定， 渗透性差的取大值， 渗透好的取 小值。中等程度深的注液井的作用主要为了解决 “鸡窝状” 矿体的原地浸取技术问题。在 “鸡窝状” 矿体中， 使用了中等深度的注液井， 解决了注液过程中浸矿剂及矿体中母液的流 速和流向的控制问题。
优选地， 所述注液深井采用中深部填充密闭加压注液方法， 形成密闭的注液管路 系统。
优选地， 当矿土渗透性很好的情况下， 对注液深井不填充密闭加压， 只需采用深浅 结合的注液井布置平面。
优选地， 所述注液深井的密闭加压， 采用细或粗砂充填注液深井， 且为中深部加 压。
优选地， 当注液浅井静压注液至矿体中母液高峰下移至注液深井处于矿体部分长 度的一半后停止对注液浅井的注液， 开始对密闭加压注液深井大量加压注液， 当浸矿剂使 用完后， 对注液浅井和密闭加压注液深井同时注顶水， 直至矿块生产完成。
优选地， 所述密闭加压注液深井通过管径 2 ～ 3cm 的 PVC 管作为引流管直插深井 底部， 引流管下部每隔 25 ～ 35cm 各设置数个孔洞， 分数排， 引流管下部含孔洞部分进行防 堵塞处理 ； 或在矿层渗透性允许时不设孔洞， 直接对引流管下部管口处进行防堵塞处理。
优选地， 所述注液浅井采用孔径 3.3cm ～ 5cm 的 PVC 管引流， 并对注液井进行防坍 塌处理。
优选地， 所述注液浅井的施工工具， 为长 25 ～ 35cm、 直径 20 ～ 30cm、 厚 1.5 ～ 3mm 的不锈钢管或相应展开面积及厚度的不锈钢片制作的圆筒， 圆筒底部用锯片类带刚性及韧 性的材料焊接， 制成特制洛阳铲， 所述注液深井使用直径为 10 ～ 12cm 的洛阳铲挖掘。
本发明的工艺采用深注液井和浅注液井交替分布的格局， 使浸矿剂有效地渗入矿 体， 改善了因矿体垂直方向渗透性能差异、 矿体小裂隙以及侧渗、 矿体本身毛细现象和浸矿 剂表面张力等因素对浸矿剂的影响， 有效地减少了被矿土交换浸矿剂离子而浪费浸矿剂， 提高了稀土浸矿率， 减少了稀土母液在矿土中的残留， 减少了环境污染。在生产过程中， 通 过提高浅井的注液井液面至无矿层以下 1 米的高度 ( 如果注液浅井为深入矿层 2 米， 则注 液浅井中注液的液面深度为 3 米 )， 结合先注盲区的注液方法， 可基本消除注液盲区。本发 明的工艺均衡了注液强度， 降低了通路形成的距离和时间， 增加了注液浅井至密闭加压注 液深井以及密闭注液深井至工程控制面的压力梯度， 加大了浸矿剂的流速， 解决了边坡稳 定性的问题。 本发明的工艺通过控制浸矿剂流向以及通过密闭加压注液深井改变浸矿剂的浸矿部位， 达到提高稀土母液浓度的目的。
采用本发明的工艺可人为控制注液强度， 不受制于特定的水文地质条件影响， 注 液强度在水平方向分布均衡， 适应能力强， 操作简单， 能解决渗透性差的矿体类型的注液问 题， 特别是， 目前公认的难以解决的火山凝灰岩类型、 渗透性差类型、 “鸡窝状” 矿体类型以 及深埋矿体类型的离子吸附型稀土原地浸取技术问题。
根据本发明， 离子吸附型稀土原地浸取注液工艺的有益效果是 ： 1) 减少了被矿土 交换浸矿剂离子而浪费浸矿剂， 提高了稀土浸矿率， 减少了稀土母液在矿土中的残留， 减少 了环境污染， 提高了稀土的回收率 ； 2) 先注盲区的注液工序， 消除了浸矿盲区 ； 3) 均衡了注 液强度， 解决了原地浸取边坡稳定性问题 ； 4) 人为改变了矿土渗透性能， 操作简单， 实现了 离子吸附型稀土原地浸取工艺技术的可控性， 扩大了原地浸取工艺技术的应用范围 ； 5) 实 现了浸矿过程母液浓度的提高。
所述的原材料单耗小， 主要体现在三个方面， 第一， 均衡了注液强度， 使得浸矿效 果更均匀， 浸矿剂使用效率更高。 第二， 因深浅注液井的实施， 减少了矿土中母液的残留， 此 处说的残留包括两个方面的意思， 一是此部分母液中的原材料得到回收， 二是回收了稀土 即降低了单耗。第三， 由于浸矿剂流速加快， 减少浸矿剂被其它杂质离子交换程度， 另一方 面， 由于实现了注液强度的可控性及与收液系统的联系， 增加了母液回收率。 附图说明 图 1 为根据现有技术的注液井矿山使用剖面图 ；
图 2 为根据本发明的注液井矿山使用剖面图 ；
图 3 为图 2 中注液浅井示意图 ；
图 4 为图 2 中注液深井示意图 ；
图 5 为图 2 中注液深井引流管结构示意图 ； 以及
图 6 为配套注液浅井施工工具剖面示意图。
图中 ： 表土层 1， 矿体 2， 注液井 3， 工程控制面 4， 注液浅井 5， 注液深井 6， 防堵塞物 料 7， 1 ～ 1.5 寸 (3.3cm ～ 5cm) 的引流管 8， 6 ～ 8 分 ( 管径 2 ～ 3cm) 的引流管 9， 细粗砂 堵实部分 10， 密封层 11， 6 ～ 8 分 ( 管径 2 ～ 3cm) 的引流管防堵塞孔 12， 防堵塞包扎部分 13， 带刚性及韧性的不锈钢管或相应展开面积及厚度的不锈钢片或锯片 14， 不锈钢筒 15， 连接部螺帽 16， 螺帽与不锈钢筒连接的钢筋 17。
具体实施方式
参见附图， 本发明技术方案的具体实施方法如下 ：
如图 2 所示， 根据矿体空间展布情况、 矿体厚度变化情况、 矿土渗透性能、 以及收 液系统的工程布置等， 用特制洛阳铲设置静压注液浅井 5 和用一般洛阳铲设置密闭加压深 井 6， 形成间隔分布的注液网络 ； 注液井间距一般为 2.5×2.5 米， 但如矿土为中粗砂结构则 可调整为 3×3 米， 以粘土及粉砂为主调整为 2×2 米。浅井 5 的井深直达矿层 2 以下 1 ～ 2 米， 深井 6 的井深与集液工程控制面 4 的位置有关， 其计算方法如发明内容部分所述 ； 注 液深井 6 中插入引流管 9 至底部， 用细或粗砂等易渗透物质充填注液深井并用较稀释水泥 浆密封， 形成密闭加压注液方法。静压注液浅井 5 通过 PVC 管和密闭加压注液深井 6 的引流管、 控制开关、 分水管路及注液主管路系统联通。
在注液工序中， 先注注液盲区， 即本发明工艺中的注液浅井 5， 当浅井 5 注液至一 定程度 ( 单个注液井注液总量计算方法原则为 ： 浅井控制范围面积 × 相邻密闭加压注液深 井矿体部分厚度 ÷2× 矿土饱和含水率 )， 停止对注液浅井 5 的注液， 转入对注液深井 6 的 注液， 采用全部打开球阀开关大量注液 ( 需根据注液工程质量等适当调整 ) ； 当浸矿剂使用 完后， 共同对注液浅井 5 及密闭加压注液深井 6 注顶水。
如图 2 所示， 浅井 5 采用特制的直径为 20 ～ 30 厘米的洛阳铲 ( 图 6)， 以探矿形 式开挖直径 30 ～ 40 厘米的浅井 5， 井深为直达含矿层 1 ～ 2 米 ； 深井 6 采用一般洛阳铲挖 掘， 直径为 10 ～ 12 厘米左右， 井深为直达距集液工程控制面 5 米左右的深度， 深井 6 布置 在尽可能地靠近集液巷道位置。注液井间距为 2.5×2.5 米。
如图 3 所示， 先在浅井 5 的下部放入压实的厚 20 厘米左右的防堵塞物料 7， 防堵塞 物料 7 可采用常用的材料， 例如柴草等。为了防止浸矿液对井壁的冲刷， 在浅井 5 的居中位 置放入 1 寸～ 1.5 寸 ( 即直径 3.3cm ～ 5cm)PVC 引流管 8， 再把防堵塞物料 7 塞入引流管 8 周围并压实。把水龙头放置 PVC 引流管 8 上， 水龙头、 注液分水管路及主管路联通， PVC 引 流管 8 可回收。防堵塞物料 7 的作用为防止浅井 5 坍塌及提供浸矿剂渗透通路 ； PVC 引流 管 8 的作用除防止浸矿剂对井壁冲刷外， 也预防了当浅井 5 的防堵塞物料 7 的顶部因雨水 天气等因素带入泥浆而无法注液至矿土的困境 ； 如 PVC 引流管 8 堵塞， 只需摇动引流管 8 并 稍微往上拔一点即可。 如图 4、 5 所示， 深井 6 一般采用 6 ～ 8 分的 PVC 引流管 9， 其下部每隔 30cm 左右 用直径 4 ～ 5 毫米铁钉各设置孔洞 12， 孔洞 12 分四排， 共 8 个， 每排两个， 均匀分布在长度 约 1.2 ～ 1.5 米 PVC 引流管 9 上， PVC 引流管 9 较难回收。PVC 引流管 9 用硫酸铵蛇皮袋 13 包扎引流管孔洞部分插入深井 6 中， 用细砂或粗砂等易渗透物质 10 充填深井 6 至浅井 5 的深度处， 细砂或粗砂可就地取材使用。再用较稀水泥砂浆充填 20 ～ 30 厘米形成密封层 11， 密封层 11 可根据矿土渗透性能等实际情况决定密封层实施时机， 如渗透性差可在停止 对浅注液井 5 注液前一个星期左右实施密封层施工。最后接球阀开关、 注液分水管路及主 管路联通。
当浅井 5 注液至一定程度 ( 单个注液井注液总量计算方法的原则为 ： 浅井控制范 围面积 × 相邻密闭加压注液深井矿体部分厚度 ÷2× 矿土饱和含水率 )， 停止对注液浅井 5 的注液， 转入对注液深井 6 的注液， 采用全部打开球阀开关大量注液 ； 当浸矿剂使用完后， 共同对注液浅井 5 及密闭加压注液深井 6 注顶水， 直至停止注液。
浸矿剂流速是通过改变矿体本身的渗透性及改变压力梯度来实现的， 改变压力梯 度的方法就是深注液井， 如没有深注液井， 在渗透过程中， 其周围全部是矿土， 压力梯度很 小， 而实施了深注液井， 在深注液井处的压力为大气压， ( 针对浅井注液过程而言 )， 在注深 井的过程中， 由于工程控制面的压力为大气压， 且距离大大缩短， 压力梯度得到该变。浸矿 剂流向控制的前提是压力梯度的改变， 因此， 在此技术中就包含了浸矿剂流向的控制。