本發(fā)明涉及離子型稀土原地浸礦單孔注液影響半徑的計(jì)算方法，適用于原地浸礦注液孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
原地浸礦是提取離子型稀土資源的第三代工藝，該工藝通過注液孔向礦體注入浸礦劑溶液，使其與稀土離子發(fā)生交換反應(yīng)，再向注液孔注入上清液，稀土離子進(jìn)入上清液中形成浸出液，浸出液從收液工程流出，用沉淀劑沉淀浸出液中的稀土離子，實(shí)現(xiàn)資源回收的目的。
對(duì)于整個(gè)原地浸礦工藝而言，注液孔網(wǎng)布置是其核心之一，在推廣原地浸礦工藝的10余年中，工程技術(shù)人員總結(jié)了一套布置注液孔的經(jīng)驗(yàn)做法：注液孔布置成菱形狀；注液孔深度一般為見礦0.5～1m，注液孔直徑一般為0.15～0.3m；對(duì)于坡度＜15°，注液孔間距和排距為1.0～2.0m×1.0～2.0m；對(duì)于坡度在15°～30°，注液孔間距和排距為1.5～3.0m×1.5～3.0m；對(duì)于坡度＞30°，注液孔間距和排距為2.5～3m×2.5～3m或不布置。
網(wǎng)孔布置的合理與否將直接影響到稀土資源回收率，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：(1)注液孔間距布置過大，在注液強(qiáng)度一定的情況下，浸礦劑不能入滲到更遠(yuǎn)的區(qū)域，容易造成浸礦盲區(qū)，降低稀土資源回收率；(2)注液孔間距布置過小，就會(huì)加大投入成本，同時(shí)也容易造成竄孔現(xiàn)象，一旦發(fā)生竄孔，進(jìn)一步增加浸礦盲區(qū)范圍，降低資源回收率；(3)注液孔間距太小，容易造成注液強(qiáng)度偏大，進(jìn)而容易發(fā)生滑坡，滑坡區(qū)域的資源也難以回收。
實(shí)際上，合理確定孔間距，不僅要考慮坡度，更應(yīng)該考慮礦體的滲透性、注液強(qiáng)度和土水特性等方面的影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種離子型稀土原地浸礦單孔注液影響半徑的計(jì)算方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案：一種離子型稀土原地浸礦單孔注液影響半徑的計(jì)算方法，包括以下步驟：
第一步：測(cè)試礦體的飽和體積含水率，
現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試礦體試樣的密度和質(zhì)量含水量，采用關(guān)系式(1)計(jì)算礦體的飽和體積含水率；
關(guān)系式(1)：
關(guān)系式(1)中：θs為飽和體積含水率，ds為礦體試樣顆粒相對(duì)密度，w為礦體試樣的質(zhì)量含水量，ρ為礦體試樣的密度，ρw為水的密度；
第二步：測(cè)試礦體的土-水特征曲線，
采用現(xiàn)有技術(shù)測(cè)試礦體不同體積含水率對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力，通過關(guān)系式(2)擬合測(cè)試數(shù)據(jù)，確定擬合參數(shù)；
關(guān)系式(2)：
關(guān)系式(2)中：θ為體積含水率，θs為飽和體積含水率，θr為殘余體積含水率，λ、m、n為擬合參數(shù)，ψ為基質(zhì)吸力，單位為kpa；
第三步：設(shè)定單孔注液影響邊界的飽和度，計(jì)算影響邊界的負(fù)壓水頭值，
采用關(guān)系式(3)計(jì)算影響邊界的負(fù)壓水頭值；
關(guān)系式(3)：
關(guān)系式(3)中：hf為影響邊界的負(fù)壓水頭值，ρw為水的密度，g為重力加速度，ψ為基質(zhì)吸力，單位為kpa，ψb為影響邊界上的基質(zhì)吸力，單位為kpa，ks為飽和滲透系數(shù)，k為非飽和滲透系數(shù)；采用關(guān)系式(4)計(jì)算非飽和滲透系數(shù)k；
關(guān)系式(4)：
關(guān)系式(4)中：k為非飽和滲透系數(shù)，ks為飽和滲透系數(shù)，m為擬合參數(shù)，s為土體相對(duì)飽和度；采用關(guān)系式(5)計(jì)算土體相對(duì)飽和度s；
關(guān)系式(5)：
關(guān)系式(5)中：s為土體相對(duì)飽和度，θ為體積含水率，θs為飽和體積含水率，θr為殘余體積含水率，ψ為基質(zhì)吸力，單位為kpa，λ、m、n為擬合參數(shù)，且m＝1-1/n；
第四步：計(jì)算單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)，
由關(guān)系式(4)可得非飽和滲透系數(shù)，采用關(guān)系式(6)計(jì)算單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)；
關(guān)系式(6)：
關(guān)系式(6)中：kd為單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)，k為非飽和滲透系數(shù)，θ為體積含水率，θs為飽和體積含水率，θ1為影響邊界上的體積含水率；
第五步：計(jì)算注液孔底所在平面上影響邊界與注液孔周的距離，
采用關(guān)系式(7)計(jì)算注液孔底所在平面上影響邊界與注液孔周的距離；
關(guān)系式(7)：
關(guān)系式(7)中：a為注液孔底所在平面上影響邊界與注液孔周的距離，θ1為影響邊界上的體積含水率，θs為飽和體積含水率，θi為初始體積含水率，β為反映含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)；
第六步：計(jì)算體積含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)，
將關(guān)系式(3)、關(guān)系式(6)、關(guān)系式(7)代入關(guān)系式(8)中即可計(jì)算含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)；
關(guān)系式(8)：
關(guān)系式(8)中：β為反映含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)，kd為單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)，hf為影響邊界的負(fù)壓水頭值，a為注液孔底所在平面上影響邊界與注液孔周的距離，r0為注液孔半徑，z為注液孔深度方向的坐標(biāo)，向下為正方向，c為注液孔中積水深度，r為徑向坐標(biāo)，k為非飽和滲透系數(shù)；
第七步：計(jì)算單孔注液的影響半徑，
根據(jù)關(guān)系式(8)可以解出對(duì)應(yīng)孔中積水深度下的參數(shù)β，運(yùn)用關(guān)系式(7)便可計(jì)算a，由此單孔注液的影響半徑可由關(guān)系式(9)進(jìn)行描述；
關(guān)系式(9)：
r＝a+r0(9)，
關(guān)系式(9)中：r為單孔注液的影響半徑，a為注液孔底所在平面上影響邊界與注液孔周的距離，r0為注液孔半徑。
本發(fā)明綜合考慮了原地浸礦注液時(shí)影響單孔注液影響范圍的各種因素，運(yùn)用滲流理論，在系統(tǒng)研究浸礦液通過注液孔入滲的入滲規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了離子型稀土原地浸礦單孔注液影響半徑的計(jì)算方法，為合理確定注液孔間距提供了依據(jù)。原地浸礦技術(shù)規(guī)范中要求注液孔中積水深度為0.5～1.0m，該孔中積水深度范圍內(nèi)，以飽和度80％為影響邊界確定單孔注液影響半徑，誤差均小于20％，滿足工程要求。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明在系統(tǒng)研究單孔水入滲過程的基礎(chǔ)上，提出單孔注液影響半徑的計(jì)算方法。
應(yīng)用本發(fā)明，不公開測(cè)試江西龍南足洞某稀土礦區(qū)原地浸礦單孔注液的影響半徑，具體描述如下：
第一步：測(cè)試礦體的飽和體積含水率，
用環(huán)刀現(xiàn)場(chǎng)取樣8個(gè)，測(cè)得礦體試樣的平均密度為1630kg/m3，平均質(zhì)量含水量為15.32％，采用關(guān)系式(1)計(jì)算礦體的飽和體積含水率為47.92％；
關(guān)系式(1)：
關(guān)系式(1)中：θs為飽和體積含水率，ds為礦體試樣顆粒相對(duì)密度，w為礦體試樣的質(zhì)量含水量，ρ為礦體試樣的密度，ρw為水的密度；
第二步：測(cè)試礦體的土-水特征曲線，
采用中科院南京土壤所研制的ten型張力計(jì)測(cè)試礦體不同體積含水率對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力，通過關(guān)系式(2)擬合測(cè)試數(shù)據(jù)，得到殘余體積含水率為9.00％，λ＝12.30、n＝1.97、m＝0.49；
關(guān)系式(2)：
關(guān)系式(2)中：θ為體積含水率，θs為飽和體積含水率，θr為殘余體積含水率，λ、m、n為擬合參數(shù)，ψ為基質(zhì)吸力，單位為kpa；
第三步：設(shè)定單孔注液影響邊界的飽和度為80％，計(jì)算飽和度為80％的影響邊界上的負(fù)壓水頭值，
采用單環(huán)法測(cè)得注液孔所在區(qū)域的飽和滲透系數(shù)為1.08m/d，采用關(guān)系式(3)可計(jì)算飽和度為80％影響邊界上的負(fù)壓水頭值hf＝0.44m；
關(guān)系式(3)：
關(guān)系式(3)中：hf為飽和度為80％影響邊界上的負(fù)壓水頭值，ρw為水的密度，g為重力加速度，ψ為基質(zhì)吸力，單位為kpa，ψb為飽和度為80％影響邊界上的基質(zhì)吸力，單位為kpa，ks為飽和滲透系數(shù)，k為非飽和滲透系數(shù)；采用關(guān)系式(4)計(jì)算非飽和滲透系數(shù)k；
關(guān)系式(4)：
關(guān)系式(4)中：k為非飽和滲透系數(shù)，ks為飽和滲透系數(shù)，m為擬合參數(shù)，s為土體相對(duì)飽和度；采用關(guān)系式(5)可計(jì)算土體相對(duì)飽和度s；
關(guān)系式(5)：
關(guān)系式(5)中：s為土體相對(duì)飽和度，θ為體積含水率，θs為飽和體積含水率，θr為殘余體積含水率，ψ為基質(zhì)吸力，單位為kpa，λ、m、n為擬合參數(shù)，且m＝1-1/n；
第四步：計(jì)算單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)，
由關(guān)系式(1)計(jì)算的飽和體積含水率為47.92％，由此計(jì)算得飽和度為80％影響邊界上的體積含水率為38.34％，由關(guān)系式(4)可得非飽和滲透系數(shù)，采用關(guān)系式(6)計(jì)算單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)kd＝0.33m/d；
關(guān)系式(6)：
關(guān)系式(6)中：kd為單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)，k為非飽和滲透系數(shù)，θ為體積含水率，θs為飽和體積含水率，θ1為飽和度為80％影響邊界上的體積含水率；
第五步：計(jì)算注液孔底所在平面上飽和度為80％的影響邊界與注液孔周的距離，
采用常規(guī)方法測(cè)得土壤初始體積含水率為24.20％，由關(guān)系式(1)得到飽和體積含水率為47.92％，由此計(jì)算得飽和度為80％影響邊界上的體積含水率為38.34％，采用關(guān)系式(7)可計(jì)算注液孔底所在平面上飽和度為80％的影響邊界與注液孔周的距離；
關(guān)系式(7)：
關(guān)系式(7)中：a為注液孔底所在平面上飽和度為80％的影響邊界與注液孔周的距離，θ1為飽和度為80％影響邊界上的體積含水率，θs為飽和體積含水率，θi為初始體積含水率，β為反映含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)；
第六步：計(jì)算體積含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)，
將關(guān)系式(3)、關(guān)系式(6)、關(guān)系式(7)代入關(guān)系式(8)中即可計(jì)算含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)；
關(guān)系式(8)：
關(guān)系式(8)中：β為反映含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)，kd為單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)，hf為飽和度為80％影響邊界上的負(fù)壓水頭值，a為注液孔底所在平面上飽和度為80％的影響邊界與注液孔周的距離，r0為注液孔半徑，z為注液孔深度方向的坐標(biāo)，向下為正方向，c為注液孔中積水深度，r為徑向坐標(biāo)，k為非飽和滲透系數(shù)；
現(xiàn)場(chǎng)單孔注液試驗(yàn)測(cè)試注液孔中積水深度c；
在稀土礦區(qū)選擇一平整場(chǎng)地，采用洛陽鏟鉆5個(gè)注液孔，孔深為2.5m，孔徑為0.18m，每個(gè)注液孔內(nèi)放置ф50mm的pvc管插至孔底，pvc管與注液孔壁之間用柴草填充，防止孔壁塌陷，pvc管下半段均勻開一些小孔，以便水從pvc管中流出。將高位池中的上清液經(jīng)1根ф20mm的pvc主管向注液孔內(nèi)連續(xù)注液，在連接5個(gè)注液孔的分支pvc管上分別安裝一個(gè)水龍頭和一個(gè)水表，通過水龍頭和水表控制5個(gè)注液孔的注液強(qiáng)度分別為3m3/d、2.4m3/d、1.8m3/d、1.2m3/d、0.6m3/d，達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)，采用數(shù)顯型液位變送器測(cè)試注液孔中對(duì)應(yīng)的積水深度c分別為1.47m、1.13m、0.95m、0.69m、0.32m；
第七步：計(jì)算單孔注液的影響半徑，
根據(jù)關(guān)系式(8)可以解出對(duì)應(yīng)孔中積水深度下的參數(shù)β，運(yùn)用關(guān)系式(7)便可計(jì)算a，由此單孔注液的影響半徑可由關(guān)系式(9)進(jìn)行描述；
關(guān)系式(9)：
r＝a+r0(9)，
關(guān)系式(9)中：r為單孔注液的影響半徑，a為注液孔底所在平面飽和度為80％的影響邊界與注液孔周的距離，r0為注液孔半徑。
實(shí)驗(yàn)效果：
在龍南足洞某稀土礦區(qū)選擇一平整場(chǎng)地進(jìn)行不公開單孔注液試驗(yàn)，采用洛陽鏟鉆半徑為0.09m、深度為2.5m的注液孔5個(gè)，距離每個(gè)注液孔0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m處各鉆1個(gè)孔，6個(gè)孔共埋置型號(hào)為fds-100水分傳感器50個(gè)，用于記錄注液過程礦體內(nèi)不同位置處體積含水率的變化，采用數(shù)顯型液位變送器測(cè)試單孔注液時(shí)5種注液強(qiáng)度下注液孔內(nèi)積水深度，單孔注液達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)，5種注液強(qiáng)度下的試驗(yàn)測(cè)試值與本發(fā)明模型的計(jì)算值如表1所示。由表1可看出，除液面高度為0.32m時(shí)模型計(jì)算出的孔周入滲強(qiáng)度偏大外，其余液面高度下模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的誤差均在25％以內(nèi)，同時(shí)考慮到原地浸礦技術(shù)規(guī)范中提出的注液孔深為見礦0.5～1.0m，即要求注液孔中積水深度為0.5～1.0m，該孔中積水深度范圍內(nèi)，誤差均小于20％，因此可以認(rèn)為滿足工程要求，說明本發(fā)明可以合理計(jì)算出單孔注液的影響半徑。
表1