一种南方离子型稀土原地浸矿的系统和方法

技术领域

本发明涉及原地浸矿开采技术，具体是一种南方离子型稀土原地浸矿的系统和方法。

背景技术

稀土是镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪共17种稀有元素的总称。我国的稀土矿分为重稀土和轻稀土两类，重稀土以南方离子型稀土为主，轻稀土以北方稀土为主。南方离子型稀土矿富含钇、镝、铽等中重稀土元素而成为现代高新技术和国防等尖端领域的重要基础材料，是我国的优势矿产资源和战略资源。

南方离子吸附型稀土矿床类型为“风化壳型”，矿体均赋存于风化壳内，风化壳的厚度从数厘米到数十米不等。风化壳淋积型稀土矿主要分布在我国南方的江西、福建、湖南、广东和广西等省区，其原岩多为含稀土的花岗岩和火山岩，山体的切割深度一般较小；潜水位一般较高，原岩风化形成高岭土、蒙脱石等粘土矿物，稀土矿物风化形成稀土离子吸附在粘土矿物而形成风化壳淋积型稀土矿。

离子吸附型稀土矿的开采技术从上世纪80年代至今，经历了池浸工艺、堆浸工艺和原地浸矿的发展过程，上世纪七十年代开始采用池浸工艺和堆浸工艺，池浸工艺和堆浸工艺原理类似，用水泥池作浸取槽或设置堆浸场，用浸矿剂把稀土置换出来，用草酸等将富集液中的稀土沉淀，池浸工艺、堆浸工艺需剥离稀土矿山表土层并开挖矿石，已造成严重的水土流失、生态破坏等问题，现这两种工艺在离子型稀土矿的开采中已被淘汰。目前采用原地浸矿工艺进行稀土开采，原地浸矿是将浸矿液通过网格状布置的注液井注入地下矿体并吸附稀土离子形成母液，通过收液系统收集后将母液中的稀土用草酸置换出来。

现有的原地浸矿技术需采用人工开挖注液井、人工开挖集液巷道或钻孔安装收液管等工艺，选用硫酸铵、氯化铵等作为浸矿液，存在以下不足：

(1)浸矿液顺着岩矿体裂隙漏失，造成地表水和地下水污染严重。

目前稀土矿山原地浸矿工艺需大量注入硫酸铵、氯化铵等，浸矿过程中浸矿液会顺着矿山岩矿体裂隙渗入地下，原地浸矿的矿山闭矿后，残留的浸矿液仍会被下渗的雨水带出并流入地表和地下水系，造成地表水和地下水污染严重，尤其是铵、氮超标严重，闭矿10年以上甚至20年以上的原地浸矿场地仍存在这样的问题。目前处理被稀土矿山污染的地表水使之达到排放要求的费用较高，而且原地浸矿场地的铵氮会长期缓慢释放，造成水环境污染。

这也是目前制约原地浸矿技术发展的瓶颈和最需解决的最重要最紧迫的问题。

(2)浸矿液漏失量大，存在浸矿盲点；使用场地受限，影响浸矿效率。

目前的原地浸矿技术仅适用于有完好的基岩底板、且基岩底板埋深较浅的情况下。如果稀土矿山没有完整的基岩底板或者基岩底板埋置深度过大，原地浸矿技术使用受到限制或无法使用，如采用池浸工艺或堆浸工艺则会造成环境破坏且目前不准使用池浸或堆浸工艺，因此这种类型的南方离子型稀土矿无法采出，使得宝贵的离子型资源不能被开发利用。

从几十年的原地浸矿矿山开采实践来看，无论稀土矿山是否有完整的基岩底板，都存在浸矿液漏失的问题，一方面浸矿液通过地表裂隙漏失，另一方面直接漏至地下或被采矿“顶水”或雨水淋滤带出，造成浸矿液浪费。

浸矿过程中为使稀土矿被充分浸出，一般需加大注液量并连续注液，但注液量过大易造成山体滑坡，注液量不足又不可避免存在大量浸矿液不能到达浸矿盲区，因此有的稀土矿不能被浸出，造成宝贵的稀土资源浪费。

(3)人工开挖的注液井易产生浸矿盲区，降低浸矿效率。

目前的浸矿井采用人工用洛阳铲开挖的浅竖井，尽管目前开采稀土矿时先在矿山上密布注液井，其间距一般1.5米—3米，但这种注液井为竖向布置，因此浸矿液很难渗透到矿山所有含稀土的矿体，降低浸矿效率，形成浸矿盲点，稀土矿不能被浸出，选成稀土资源浪费。

(4)人工挖掘集液巷道或钻孔安装收液管，收液不完全。

采用人工挖掘集液巷道的方式收集稀土矿，因稀土矿山岩矿体裂隙及底板的密封问题，存在矿液漏失至矿山外的问题。

采用钻孔安装收液管的方式收集稀土矿，有的在收液管内充填滤料，无论是在收液管内是否充填滤料，都存在浸矿中后期细粒土堵塞收液管的问题，使收液管收液速度下降甚至完全堵塞收液管，影响收液效率，造成稀土矿液通过渗流通道流出矿山，造成资源浪费和环境污染问题。

(5)人工开挖的注液井成为雨水通道，易引发稀土矿山山体滑坡。

原地浸矿时因需人工用洛阳铲开挖大量直径0.3米—0.5米的注液井，注液井不仅是注液的通道，也是雨水的通道，大量浸矿液及雨水通过注液井注入地下矿层以及浸矿液对矿体的长时间浸泡、侵蚀作用，而离子型稀土矿的原岩主要为含矿花岗岩，原矿外形似土，强度较低，雨水及注液对山体原有的岩土应力平衡状态造成破坏，对斜坡稳定性、土的物理力学性质影响很大，倘若矿体浸矿周期较长，从注液井下渗的雨水及浸矿液将使矿体加重，增加向下的下滑力而使得山坡上出现大小不等的裂缝，甚至引起注液井的坍塌或诱发滑坡，严重影响原地浸出工艺提取稀土的经济效益和环境效益。

(6)人工开挖注液井施工效率低，人工挖掘集液巷道费用高、存在安全隐患。

目前进行南方离子型稀土原地浸矿前，需人工用洛阳铲开挖注液井，注液井直径通常在0.3米—0.5米，间距1.5米—3.0米，一个稀土矿山需挖数百甚至上千个注液井，工人劳动强度大、施工效率低、工程施工周期长、施工费用高。

目前进行离子吸附型稀土原地浸矿母液回收技术中，通常采用挖掘巷道的人工假底板收液工艺，集液巷道根据矿体形状等因素设计，其高度一般在1—2米、宽度一般在0.8—1.8米，进入稀土矿山山体深度一般在3—15米，土石方工程量较大。集液巷道的施工由人工挖掘，根据巷道围岩等情况决定是否采取支护措施，然后在巷道中实施其它的收液工程。人工挖掘集液巷道的工期长、费用高、排放渣土多，同时存在巷道坍塌等安全隐患。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种南方离子型稀土原地浸矿的系统和方法，提高离子吸附型稀土原地浸矿的效率和安全性。

本发明的技术方案：

一种南方离子型稀土原地浸矿的系统，包括设置在稀土矿山浸矿区的浸矿池，所述浸矿池由连续的四周竖向止水帷幕和水平向封底止水帷幕围成，在紧贴封底止水帷幕上方设有收液管，在收液管出口下布设有集液沟，集液沟将各收液管出口连通起来，集液沟上方盖有水泥板，在集液沟两侧设置有集液池，集液池低于集液沟；

在浸矿池上方的稀土矿山上设置有分枝状注液管，分枝状注液管包括3个分枝管，分枝状注液管的3个分枝管与垂直方向的夹角均为60度并对称布置；在分枝状注液管顶端连接有漏斗分水盒，漏斗分水盒中垫有滤网，注液管外包一层过滤网；

在分枝状注液管上方的稀土矿山上布置有注液池，在注液池与分枝状注液管间连通输液管，注液池出口连接流量计和注液开关。

在收液管中安装有疏通器并填充滤料；所述疏通器由弯钩、弹力绳、拉杆、螺旋刀片和把手组成,拉杆布置于收液管的轴心线上,拉杆上固定有螺旋刀片,拉杆的里端连接弹力绳,弹力绳的另一端固定于弯钩上,弯钩固定于收液管里端,拉杆的另一端伸出收液管外并连接有把手。

一种南方离子型稀土原地浸矿的方法，包括以下步骤：

第一步，在南方离子型稀土矿山上施工止水帷幕；

根据稀土矿山的勘查报告，在稀土矿山上划出浸矿区(稀土矿体区域)范围，先沿浸矿区四周边界线用高压旋喷钻机进行连续竖向止水帷幕施工，再在山脚下进行水平向封底止水帷幕施工，连续的四周竖向止水帷幕和水平向封底止水帷幕形成浸矿池；

第二步，钻分枝(树枝)孔安装注液管；

在浸矿区上方的稀土矿山地表上选择成孔点，用手持钻机钻出若干组分枝孔(10—50组)，每组分枝孔包括3－6个钻孔，每组分枝孔中的3－6个钻孔与垂直方向的夹角为15—75度并对称布置；分枝孔进入稀土矿山的全风化层0.1米－1.5米，分枝孔的钻孔直径0.06米－0.1米、深度3－15米；

在分枝孔内插入分枝状注液管，注液管直径0.05—0.08米，注液管长度3－15米，注液管上开有出液孔，出液孔直径为5—15毫米、轴向间距0.03—0.15米，在注液管同一横截面上均布4个出液孔；

在分枝状注液管顶端连接有漏斗分水盒，漏斗分水盒中垫有滤网；注液管外包一层过滤网；

第三步，用水平定向钻机在紧贴封底止水帷幕上方的矿体中钻出水平收液孔，水平收液孔内装设收液管；

收液管上沿径向开有滤液孔,收液管外包有过滤网，收液管中安装疏通器并填充滤料；

所述疏通器由弯钩、弹力绳、拉杆、螺旋刀片和把手组成,拉杆布置于收液管的轴心线上,拉杆上固定有螺旋刀片,拉杆的里端连接弹力绳,弹力绳的另一端固定于弯钩上,弯钩固定于收液管里端,拉杆的另一端伸出收液管外并连接有把手；

当收液管出现堵塞出液不畅的情况，通过拉动或转动把手使收液管内滤料松动，从而起到疏通作用，当停止拉动把手时，由于弹力绳的作用使疏通器恢复原位；

第四步，挖设集液沟；

收液管布设完成后，在稀土矿山的山脚下挖设集液沟，集液沟将各收液管出口连通起来，集液沟上方用水泥板盖住以防止雨水及杂物流入集液沟；

第五步，挖设集液池；

在稀土矿山的山脚下挖设集液池，集液池设置在集液沟两侧，其位置低于集液沟，以使浸出液能通过集液沟自然流入到集液池；

第六步，布置注液池并注浸矿液；

在注液管上方的稀土矿山上布置注液池，注液池出口连接流量计和注液开关，打开注液开关，浸矿液从注液池流出经输液管到漏斗分水盒再经滤网从注液管的出液孔流出并渗透到浸矿区的矿体中，浸矿后的浸矿液下渗到收液管，再流到集液沟，经集液沟自流到集液池；浸矿液采用质量百分比为2.3％硫酸铵溶液或氯化铵溶液。

连续的四周竖向止水帷幕钻孔开孔直径0.05米－0.15米，旋喷直径0.5米—1.5米，相邻孔搭接宽度0.1米—0.3米；水平向封底止水帷幕钻孔开孔直径0.05米－0.15米，旋喷直径0.5米—1.2米，相邻孔搭接宽度0.1米—0.3米；水平向封底止水帷幕和竖向水止帷幕搭接宽度0.1米—0.3米。

高压旋喷材料采用水、膨润土和水泥混合而成，水、膨润土和水泥质量比为0.5：0.4：0.1。

本发明的有益效果：

(1)用高压旋喷施工工艺在矿体四周和底部形成连续的止水帷幕，该止水帷幕形成的区域作为浸矿区，可避免浸矿液流出矿体外，有效解决由于浸矿液顺着岩矿体裂隙漏失而造成地表水和地下水污染严重的问题，特别是由于原地浸矿造成地表水和地下水铵氮污染超标的问题。

(2)用止水帷幕形成的区域作为浸矿区进行稀土开采，可在无完好基岩底板隔水层或基岩底板存在大量裂隙的矿山进行稀土矿的开采，解决了原地浸矿技术开采条件受限制的问题，同时在止水帷幕中实现充分浸矿，消除浸矿盲区，提高浸矿率，减少浸矿液用量，杜绝浸矿液和稀土矿液的漏失，节省采矿成本、避免资源浪费。

(3)止水帷幕采用水、膨润土和水泥作为原材料，用高压旋喷工艺施工，原材料和施工成本低，同时止水帷幕本身有较高的强度，可有效防止原地浸矿诱发山体滑坡灾害。

(4)树枝状钻孔可减少注液孔数量，注液孔到达全风化层，浸矿液快速到达含稀土矿层，使浸矿液充分渗入矿体、减少浸矿液用量，减少浸矿盲区，提高浸矿效率，节省采矿成本、避免资源浪费。

(5)用手持钻机进行机械定向钻孔形成树枝状钻孔代替人工开挖注液孔，使注液孔数量减少的同时也减少了雨水入渗通道，避免原地浸矿诱发山体滑坡。

(6)用钻机钻水平孔插入收液管代替人工挖掘集液巷道，可提高稀土开采安全性、减少废土的排放，收液管内安装疏通器，防止收液管堵塞，提高收液效率。

附图说明

图1是本发明原地浸矿系统的示意图。

图2是图1中浸矿池及相邻结构的示意图。

图3是图2中由止水帷幕组成的浸矿池示意图。

图4是图1中分枝状注液管及相邻件结构示意图。

图5是图1中收液管结构示意图。

图6是图5中收液管内疏通器结构示意图。

图中：1.稀土矿山，

2.注液池，21.流量计，22.注液开关，

3.输液管，

4.注液管，41.漏斗分水盒，42滤网，43出液孔，

5.止水帷幕，

6.收液管，61滤液孔，62过滤网，63滤料，64疏通器，641.收液管里端(插入矿体端)，642.弯钩，643.弹力绳，644.拉杆，645.螺旋刀片，646.把手，

7.集液沟，

8.集液池，

9.浸矿区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的浸矿系统包括设置在稀土矿山1浸矿区9的浸矿池，所述浸矿池由连续的四周竖向止水帷幕5和水平向封底止水帷幕5围成，在紧贴封底止水帷幕5上方设有收液管6，在收液管6出口下布设有集液沟7，集液沟7将各收液管6出口连通起来，集液沟7上方盖有水泥板，在集液沟7两侧设置有集液池8，集液池8低于集液沟7；

在浸矿池上方的稀土矿山1上设置有30组分枝状注液管4，每组分枝状注液管4包括3个分枝管，每组分枝状注液管4的3个分枝管与垂直方向的夹角为60度并对称布置；在分枝状注液管4顶端连接有漏斗分水盒41，漏斗分水盒41中垫有滤网42，注液管4外包一层过滤网；

在分枝状注液管4上方的稀土矿山1上布置有注液池2，在注液池2与分枝状注液管4间连通输液管3，注液池2出口连接流量计21和注液开关22。

在收液管6中安装有疏通器64并填充滤料63；所述疏通器64由弯钩642、弹力绳643、拉杆644、螺旋刀片645和把手646组成,拉杆644布置于收液管的轴心线上,拉杆644上固定有螺旋刀片645,拉杆644的里端连接弹力绳643,弹力绳643的另一端固定于弯钩642上,弯钩642固定于收液管里端641,拉杆644的另一端伸出收液管6外并连接有把手646。

本发明的浸矿方法包括以下步骤：

第一步，在南方离子型稀土矿山上施工止水帷幕；

如图1、图2、图3所示，根据稀土矿山1的勘查报告，在稀土矿山1上划出浸矿区9(稀土矿体区域)范围，先沿浸矿区9四周边界线用高压旋喷钻机进行连续竖向止水帷幕5施工，再在山脚下进行水平向封底止水帷幕5施工，连续的四周竖向止水帷幕5和水平向封底止水帷幕5形成浸矿池；

连续的四周竖向止水帷幕钻孔、水平向封底止水帷幕钻孔开孔直径0.1米，旋喷桩直径0.8米，相邻孔搭接宽度0.1米；水平向封底止水帷幕5和竖向水止帷幕5搭接宽度0.3米；

高压旋喷材料采用水、膨润土和水泥混合而成，水、膨润土和水泥质量比为0.5：0.4：0.1；

第二步，钻分枝孔安装注液管；

如图1所示，在浸矿区9上方的稀土矿山1地表上选择成孔点，用手持钻机钻出若干组分枝孔(30组)，每组分枝孔包括3个钻孔，每组分枝孔中的3个钻孔与垂直方向的夹角为60度并对称布置；分枝孔进入稀土矿山1的全风化层0.3米，分枝孔的钻孔直径0.08米、深度9米；

在分枝孔内插入分枝状注液管4，如图4所示，注液管4直径0.06米，注液管4上开有出液孔43，出液孔43直径为5毫米、轴向间隔5厘米，在注液管4同一横截面上均匀布置4个出液孔43，注液管4长度和对应的分枝孔长度一致；

如图4所示，在分枝状注液管4顶端连接有漏斗分水盒41，漏斗分水盒41中垫有滤网42(直径0.2米)；注液管4外包一层过滤网，以防止注液管4上的出液孔43被细颗粒沙土堵塞；

第三步，用水平定向钻机在紧贴封底止水帷幕上方的矿体中钻出水平收液孔，水平收液孔内装设收液管；

如图1、图2所示，水平收液孔直径0.25米，收液管6外径0.2米，收液管6为聚氯乙稀管；如图5所示，收液管6上沿径向开有滤液孔61，滤液孔61直径5毫米；收液管6中安装疏通器64并充填滤料63，收液管6外包一层过滤网62，收液管6进入矿体深度15米，收液管6间水平间距3米；

如图6所示，收液管6中疏通器64由弯钩642、弹力绳643、拉杆644、螺旋刀片645和把手646组成,收液管里端641接有一弯钩642,弹力绳643一端连接弯钩642，另一端连接拉杆644，拉杆644直径6毫米，拉杆644上焊接有螺旋刀片645，螺旋刀片645直径0.1米、在拉杆644上按轴向间距0.5米布置，把手646和拉杆644另一端连接在一起，把手646位于收液管6外端；当收液管6出现堵塞出液不顺畅的情况下，可以通过拉动或转动把手646使收液管6内滤料63松动，从而起到疏通作用，当停止拉动把手646时，由于弹力绳643的作用使疏通器64恢复原位。

第四步，挖设集液沟；

如图1、图2所示，收液管6布设完成后，在稀土矿山1的山脚下挖设集液沟7，集液沟7宽度0.9米、深度0.8米，集液沟7用砖砌筑、用水泥砂浆抹平；集液沟7将各收液管6出口连通起来，集液沟7上方用水泥板盖住以防止雨水及杂物流入集液沟7；

第五步，挖设集液池；

如图1、图2所示，在稀土矿山1的山脚下挖设集液池8，集液池8深度1.7米、长度7.2米、宽度8.6米，集液池8的池底和池壁用砖砌筑、用水泥砂浆抹平；集液池8设置在集液沟7两侧，其位置低于集液沟7，以使浸出液能通过集液沟7自然流入到集液池8；

第六步，布置注液池并注浸矿液；

如图1、图4所示，在注液管4上方的稀土矿山1上布置注液池2，注液池2出口连接流量计21和注液开关22，打开注液开关22，浸矿液从注液池2流出经输液管3到漏斗分水盒41再经滤网42从注液管4的出液孔43流出并渗透到浸矿区9矿体中，浸矿后的浸矿液下渗到收液管6，再流到集液沟7，经集液沟7自流到集液池8；浸矿液采用质量百分比为2.3％硫酸铵溶液。

本发明用钻机在稀土矿山的浸矿区四面和底面进行高压旋喷施工，形成连续的止水帷幕，避免浸矿液流出矿体外。用手持钻机进行定向钻孔形成树枝状钻孔代替人工开挖注液孔，使注液孔数量减少，减少了雨水入渗通道，避免原地浸矿诱发山体滑坡，用钻机钻水平孔插入收液管代替人工挖掘集液巷道，提高收液效率，施工简单、施工周期短、成本较低，提高安全性、减少废土的排放、避免浸矿液流入矿山外造成地表水和地下水污染，保护生态环境。

如果离子型稀土矿山存在致密完整不透水的基岩底板时，可以不进行水平止水帷幕的施工，仅进行竖向止水帷幕的施工，此种情况竖向止水帷幕进入完整的基岩即可。