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算方法，適用于原地浸礦注液孔網(wǎng)參數(shù)設計。
背景技術：
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，再向注液孔注入上清液，稀土離子進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，實現(xiàn)資源回收的目的。
對于整個原地浸礦工藝而言，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，工程技術人員總結了一套布置注液孔的經(jīng)驗做法：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；對于坡度＜15°，注液孔間距和排距為1.0～2.0m×1.0～2.0m；對于坡度在15°～30°，注液孔間距和排距為1.5～3.0m×1.5～3.0m；對于坡度＞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)在三個方面：(1)注液孔間距布置過大，在注液強度一定的情況下，浸礦劑不能入滲到更遠的區(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，就會加大投入成本，同時也容易造成竄孔現(xiàn)象，一旦發(fā)生竄孔，進一步增加浸礦盲區(qū)范圍，降低資源回收率；(3)注液孔間距太小，容易造成注液強度偏大，進而容易發(fā)生滑坡，滑坡區(qū)域的資源也難以回收。
實際上，合理確定孔間距，不僅要考慮坡度，更應該考慮礦體的滲透性、注液強度和土水特性等方面的影響。
技術實現(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算方法。
本發(fā)明的技術方案：一種離子型稀土原地浸礦單孔注液影響半徑的計算方法，包括以下步驟：
第一步：測試礦體的飽和體積含水率，
現(xiàn)場取樣測試礦體試樣的密度和質量含水量，采用關系式(1)計算礦體的飽和體積含水率；
關系式(1)：
關系式(1)中：θs為飽和體積含水率，ds為礦體試樣顆粒相對密度，w為礦體試樣的質量含水量，ρ為礦體試樣的密度，ρw為水的密度；
第二步：測試礦體的土-水特征曲線，
采用現(xiàn)有技術測試礦體不同體積含水率對應的基質吸力，通過關系式(2)擬合測試數(shù)據(jù)，確定擬合參數(shù)；
關系式(2)：
關系式(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為基質吸力，單位為kpa；
第三步：設定單孔注液影響邊界的飽和度，計算影響邊界的負壓水頭值，
采用關系式(3)計算影響邊界的負壓水頭值；
關系式(3)：
關系式(3)中：hf為影響邊界的負壓水頭值，ρw為水的密度，g為重力加速度，ψ為基質吸力，單位為kpa，ψb為影響邊界上的基質吸力，單位為kpa，ks為飽和滲透系數(shù)，k為非飽和滲透系數(shù)；采用關系式(4)計算非飽和滲透系數(shù)k；
關系式(4)：
關系式(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為土體相對飽和度；采用關系式(5)計算土體相對飽和度s；
關系式(5)：
關系式(5)中：s為土體相對飽和度，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為基質吸力，單位為kpa，λ、m、n為擬合參數(shù)，且m＝1-1/n；
第四步：計算單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)，
由關系式(4)可得非飽和滲透系數(shù)，采用關系式(6)計算單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)；
關系式(6)：
關系式(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，
采用關系式(7)計算注液孔底所在平面上影響邊界與注液孔周的距離；
關系式(7)：
關系式(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：計算體積含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)，
將關系式(3)、關系式(6)、關系式(7)代入關系式(8)中即可計算含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)；
關系式(8)：
關系式(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，向下為正方向，c為注液孔中積水深度，r為徑向坐標，k為非飽和滲透系數(shù)；
第七步：計算單孔注液的影響半徑，
根據(jù)關系式(8)可以解出對應孔中積水深度下的參數(shù)β，運用關系式(7)便可計算a，由此單孔注液的影響半徑可由關系式(9)進行描述；
關系式(9)：
r＝a+r0(9)，
關系式(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影響單孔注液影響范圍的各種因素，運用滲流理論，在系統(tǒng)研究浸礦液通過注液孔入滲的入滲規(guī)律的基礎上，提出了離子型稀土原地浸礦單孔注液影響半徑的計算方法，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。
具體實施方式
本發(fā)明在系統(tǒng)研究單孔水入滲過程的基礎上，提出單孔注液影響半徑的計算方法。
應用本發(fā)明，不公開測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：測試礦體的飽和體積含水率，
用環(huán)刀現(xiàn)場取樣8個，測得礦體試樣的平均密度為1630kg/m3，平均質量含水量為15.32％，采用關系式(1)計算礦體的飽和體積含水率為47.92％；
關系式(1)：
關系式(1)中：θs為飽和體積含水率，ds為礦體試樣顆粒相對密度，w為礦體試樣的質量含水量，ρ為礦體試樣的密度，ρw為水的密度；
第二步：測試礦體的土-水特征曲線，
采用中科院南京土壤所研制的ten型張力計測試礦體不同體積含水率對應的基質吸力，通過關系式(2)擬合測試數(shù)據(jù)，得到殘余體積含水率為9.00％，λ＝12.30、n＝1.97、m＝0.49；
關系式(2)：
關系式(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為基質吸力，單位為kpa；
第三步：設定單孔注液影響邊界的飽和度為80％，計算飽和度為80％的影響邊界上的負壓水頭值，
采用單環(huán)法測得注液孔所在區(qū)域的飽和滲透系數(shù)為1.08m/d，采用關系式(3)可計算飽和度為80％影響邊界上的負壓水頭值hf＝0.44m；
關系式(3)：
關系式(3)中：hf為飽和度為80％影響邊界上的負壓水頭值，ρw為水的密度，g為重力加速度，ψ為基質吸力，單位為kpa，ψb為飽和度為80％影響邊界上的基質吸力，單位為kpa，ks為飽和滲透系數(shù)，k為非飽和滲透系數(shù)；采用關系式(4)計算非飽和滲透系數(shù)k；
關系式(4)：
關系式(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為土體相對飽和度；采用關系式(5)可計算土體相對飽和度s；
關系式(5)：
關系式(5)中：s為土體相對飽和度，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為基質吸力，單位為kpa，λ、m、n為擬合參數(shù)，且m＝1-1/n；
第四步：計算單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)，
由關系式(1)計算的飽和體積含水率為47.92％，由此計算得飽和度為80％影響邊界上的體積含水率為38.34％，由關系式(4)可得非飽和滲透系數(shù)，采用關系式(6)計算單孔注液影響范圍內(nèi)的平均滲透系數(shù)kd＝0.33m/d；
關系式(6)：
關系式(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)方法測得土壤初始體積含水率為24.20％，由關系式(1)得到飽和體積含水率為47.92％，由此計算得飽和度為80％影響邊界上的體積含水率為38.34％，采用關系式(7)可計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；
關系式(7)：
關系式(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：計算體積含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)，
將關系式(3)、關系式(6)、關系式(7)代入關系式(8)中即可計算含水率隨徑向距離變化快慢的常數(shù)；
關系式(8)：
關系式(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，向下為正方向，c為注液孔中積水深度，r為徑向坐標，k為非飽和滲透系數(shù)；
現(xiàn)場單孔注液試驗測試注液孔中積水深度c；
在稀土礦區(qū)選擇一平整場地，采用洛陽鏟鉆5個注液孔，孔深為2.5m，孔徑為0.18m，每個注液孔內(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個注液孔的分支pvc管上分別安裝一個水龍頭和一個水表，通過水龍頭和水表控制5個注液孔的注液強度分別為3m3/d、2.4m3/d、1.8m3/d、1.2m3/d、0.6m3/d，達到穩(wěn)滲時，采用數(shù)顯型液位變送器測試注液孔中對應的積水深度c分別為1.47m、1.13m、0.95m、0.69m、0.32m；
第七步：計算單孔注液的影響半徑，
根據(jù)關系式(8)可以解出對應孔中積水深度下的參數(shù)β，運用關系式(7)便可計算a，由此單孔注液的影響半徑可由關系式(9)進行描述；
關系式(9)：
r＝a+r0(9)，
關系式(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。
實驗效果：
在龍南足洞某稀土礦區(qū)選擇一平整場地進行不公開單孔注液試驗，采用洛陽鏟鉆半徑為0.09m、深度為2.5m的注液孔5個，距離每個注液孔0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m處各鉆1個孔，6個孔共埋置型號為fds-100水分傳感器50個，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)顯型液位變送器測試單孔注液時5種注液強度下注液孔內(nèi)積水深度，單孔注液達到穩(wěn)滲時，5種注液強度下的試驗測試值與本發(fā)明模型的計算值如表1所示。由表1可看出，除液面高度為0.32m時模型計算出的孔周入滲強度偏大外，其余液面高度下模型計算結果與現(xiàn)場試驗結果的誤差均在25％以內(nèi)，同時考慮到原地浸礦技術規(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％，因此可以認為滿足工程要求，說明本發(fā)明可以合理計算出單孔注液的影響半徑。
表1