一种离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法

1.本发明涉及一种离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，属于采矿技术领域。


背景技术：

2.我国离子型稀土的开采工艺主要有：地浸工艺、堆浸工艺和原地浸矿工艺。原地浸矿工艺一般是通过收液系统也就是集液沟来进行母液回收。虽然原地浸矿工艺和前两种工艺相比有不破坏矿区表面植被、不产生尾矿、不用挖取原矿石、减少矿区水土流失和地形地貌的改变等优点。但是在通过注液井对矿体注入配置好的硫酸铵溶液进行交换的过程中，残留的溶液以及经铵离子作用后的重金属元素会通过渗透作用却不可避免地对周边的地下水资源造成污染。
3.针对这种情况，现有技术大部分是在收液工程部分，尽量提高收液效率，但是因为离子型稀土矿特殊的成矿位置及其地质地貌，离子型稀土矿的含矿层上部和底部多是不透水的粘土岩(隔水顶板、隔水底板)，含矿层则是透水的砂岩，在注入溶浸液后，母液和废液必定会自含矿层砂岩中渗出，对周边环境造成污染。虽然后期可以利用化学手段来去除被污染后的土壤和地下水中的氨氮和重金属元素，但是去除效果欠佳，不能够完全去除氨氮和重金属元素。
4.现有技术中出现了一些防渗手段，例如通过注浆法为矿区制造防渗帷幕、防渗布等手段，但是其不可避免地对周遭环境造成不可逆的改变。并且并不能做到在低成本的情况下对整个开采区下部形成一个完整的屏障，多是在部分基岩断裂带布置，还有部分防渗措施也是主要集中在对收液沟和母液的集液池做防渗处理，而并没有考虑开采区。


技术实现要素：

5.针对现有技术中离子型稀土矿原位溶浸开采存在的矿区生态环境问题，本发明提供一种离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，在开采区边缘形成完整的冻结屏障，防止污染物的渗出。
6.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，包括以下步骤：
7.s1)勘察稀土采区的地质条件和矿床分布，确定冻结屏障的位置和形状；
8.s2)根据冻结屏障的位置和形状，在需要进行冻结的冻结屏障区域内遍布热虹吸管，相邻的两个热虹吸管之间间隔设置；
9.s3)向热虹吸管内注入工作流体介质；通过热虹吸管对矿床周围的基质冷冻并形成冻土型冻结屏障；
10.s4)监测热虹吸管及其周边基质的温度，保持冻土型冻结屏障的完整。
11.优化的，上述离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，冻结屏障呈环形围绕矿床设置，矿床的下方为粘土岩形成的隔水底板，矿床的上方为粘土岩形成的隔水顶板，冻结屏障的上端穿过隔水顶板，冻结屏障的下端伸入粘土岩形成的隔水底板内；矿床位于隔水
底板、隔水顶板和冻结屏障围成的区域内。
12.优化的，上述离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，热虹吸管为直线型热虹吸管；在步骤s2)中，在需要进行冻结的冻结屏障区域内选取若干钻孔位，在钻孔位钻取用于放置直线型热虹吸管的竖井，且竖井的穿过矿床上方的粘土岩形成的隔水顶板且竖井的下端插入矿床下方的粘土岩形成的隔水底板。
13.优化的，上述离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，竖井的钻取深度大于直线型热虹吸管需埋设的长度10-20厘米；所述竖井的成孔直径大于等于直线型热虹吸管直径的1.5倍；直线型热虹吸管上部的散热段高出竖井的端部开口，直线型热虹吸管与竖井之间的间隙通过细砂土填充。
14.优化的，上述离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，热虹吸管内部灌注有工作流体；所述热虹吸管连接有制冷机组和循环管道，热虹吸管通过循环管道与制冷机组连接，制冷机组通过循环管道对热虹吸管内的工作流体进行循环；工作流体包括氨、氟利昂、碳二氧化硅、丙烷等。
15.优化的，上述离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，制冷机组的控制端连接有控制系统，控制系统控制制冷机组进行主动循环和被动循环；
16.控制系统控制制冷机组进行主动循环时，控制系统打开制冷机组的主动制冷设备，主动制冷设备对热虹吸管内的工作流体进行循环；
17.控制系统控制制冷机组进行主动循环时，控制系统关闭制冷机组的主动制冷设备，利用外界冷空气和土壤中相对较高的温度对工作流体进行循环。
18.优化的，上述离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，在冻结屏障区域的外围设置数个水质监测井；在稀土开采过程中，监测水质监测井内水质的浸出剂浓度。
19.优化的，上述离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，在步骤s2)中，根据冻结屏障的形状和位置，在热虹吸管各个部位设置温度传感器，温度传感器连接控制系统；温度传感器监测热虹吸管各个部位的温度是否在冰点以下。
20.本技术的有益效果为：本技术的冻结屏障可应用于浅层土壤或数千米的深处，可以有效的针对不同深度的稀土矿床进行防渗处理，应用范围较广。
21.采用冻结屏障，可以将包含放射性核素或大多数其他化学、生物、液体或固体隔离，防止污染物质渗入周边环境，减少开采的环境危害。
22.对环境无害，在冻结屏障形成和维护的过程中几乎不产生有害废物。并且冻结屏障可持续维护使用，生命周期长，运行成本低等优点。
23.基于土体中存在的水分，在使用时基本不需要在土体中注水，在安装操作方面也较便捷，使用灵活。
附图说明
24.图1为本技术的离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法的原理示意图；
25.图2为本技术的离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法的俯视原理图；
26.图3为本技术的热虹吸管的原理示意图。
27.其中，直线型热虹吸管为1、制冷机组为2、循环管道为3、控制系统为4、矿床为5、冻结屏障为6、温度传感器为7、水质监测井为8、抽注孔为9、隔水顶板为10、隔水底板为11。
具体实施方式
28.下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
29.如图1和图2所示，本发明为一种离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，其技术方案中使用热虹吸管形成冻结屏障(6)，通过抽注孔(9)对离子型开采的稀土矿床(5)开采时，使用冻结屏障(6)对稀土矿床(5)进行隔离。本技术的离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法，需要依靠冻结屏障生成系统实现。
30.此时实例中，冻结屏障生成系统包括若干热虹吸管、制冷机组(2)、循环管道(3)和控制系统(4)组成；循环管道(3)包括供应管道和返回管道，热虹吸管通过供应管道与制冷机组(2)的供液端连接，制冷机组(2)通过供应管道向热虹吸管输送工作流体。热虹吸管通过返回管道连接制冷机组(2)的工作流体回收端，热虹吸管内的工业液体通过返回管道回到制冷机组(2)。
31.控制系统(4)控制制冷机组(2)的工作。通过控制系统(4)的控制，整个冻结屏障生成系统可以实现主动循环工作模式和被动循环工作模式。
32.主动循环工作模式是在外部温度较高时启用，也就是打开制冷机组(2)，令工作流体冷却后因重力下移，使热虹吸管下部温度降低。而热虹吸管下部所处土壤的温度相对较高，土壤的热量使得热虹吸管内下部的工作流体部分蒸发上移，然后再冷却下移，形成工作流体的循环。
33.冬季或者外部气温较低的情况下，可以采用被动循环工作模式，可以关闭制冷机组(2)，利用外界冷空气和土壤中相对较高的温度形成循环。在某些情况，例如昼夜温差较大的情况下也可以采用主动循环和被动同时作用。
34.如图1所示，热虹吸管为直线型热虹吸管(1)。直线型热虹吸管(1)竖直插接于矿床(5)周围的地面上，全部热虹吸管围绕矿床(5)呈环形排布。在工作过程中，热虹吸管冻结矿床(5)周围的土层，形成冻结屏障(6)。冻结屏障(6)的上端穿过隔水顶板(10)，冻结屏障(6)的下端伸入粘土岩形成的隔水底板(11)内；矿床(5)位于隔水底板(11)、隔水顶板(10)和冻结屏障(6)围成的区域内。
35.此实施例中，一种离子型稀土开采工艺地下水污染防控方法的具体过程包括以下步骤：
36.s1)采用多种地质勘探手段查明开采区的地质特点，并查明开采区的地层构造和地下水分布。而后根据矿床(5)和采区范围，确定所需冻结屏障的位置和形状。一般情况下，冻结屏障(6)的上端应该穿过隔水顶板(10)，冻结屏障(6)的下端应该伸入隔水底板(11)内，以使得矿床(5)位于隔水底板(11)、隔水顶板(10)和冻结屏障(6)围成的区域内。
37.s2)根据冻结屏障的位置和形状，在需要进行冻结的冻结屏障区域内遍布热虹吸管，相邻的两个热虹吸管之间间隔设置。热虹吸管设计特别是其间距设计，直接影响到热虹吸管的工程应用效果。热虹吸管分布设计参数确定主要有三种途径：其一，通过实际工程的现场观测后推测；其二，通过气温、风速、土质参数等采用热虹吸管有效半径经验公式计算；其三，采用数值模拟计算，一般热虹吸管有效传热半径为1.5米，最大影响半径为2米。
38.热虹吸管直径和规格可先行根据规范灵活选择，在不同的地质条件下，热虹吸管下部蒸发区长度的弯曲角度、长度、布置方式均可根据规范灵活选择。如果矿床(5)周围的基岩断裂带、地下水分布多，根据热虹吸管可以灵活布置的特点，使用定向钻孔等手段，灵
活设置竖井、定向孔道的角度，从而确保冻结屏障的连续完整性，使冻结屏障的防渗性能够有效可靠。
39.s3)向热虹吸管内注入工作流体介质；通过热虹吸管对矿床周围的基质冷冻并形成冻土型冻结屏障。
40.热虹吸管，又叫无芯重力式热管或者热棒，是一种高效热导装置，具有独特的传热性能。热虹吸管包括管壳和管壳内部的工作流体，管壳是由一根封闭的金属管制成，且内部抽成真空状态，工作流体是经过特殊处理的低温液体。
41.如图3所示，其中a处为热虹吸管的散热段，b处为热虹吸管埋入土体的蒸发段。热虹吸管埋入地下后，当热虹吸管上段的散热段的温度低于热虹吸管埋入土体的下段蒸发段的温度时，热虹吸管启动。热量经过热虹吸管管壁传递给热侧工作流体后，工作流体吸收汽化潜热并蒸发成汽体。在压差的作用下，工作流体蒸发的汽体在管壳的空腔内沿箭头c所示的方向上升至放热侧并与放热侧相对较冷的管壁接触，通过管壁放出汽化潜热，同时气态工质冷凝成液体。在重力作用下工作液体在管壳的空腔内以箭头d所示的方向沿管壁回到受热侧，再吸收热蒸发。如此循环将地下热量源源不断地传给环境空气，从而形成冻结屏障。
42.当热虹吸管的散热段的温度高于蒸发段的温度时，热虹吸管中的工作流体蒸发后形成的蒸汽到达冷凝侧后不能被冷凝，液体停止蒸发，热虹吸管自身停止工作。因此大气中的热量不能通过热虹吸管传至冻土中，此过程为主动循环过程。如果热虹吸管上部散热段连接主动制冷设备，则能让工作流体在散热段温度过高的情况下继续冷凝，从而确保下部冻结屏障的完整性。
43.s4)监测热虹吸管及其周边基质的温度，保持冻土型冻结屏障的完整。
44.在步骤s2)中，在需要进行冻结的冻结屏障区域内选取若干钻孔位，在钻孔位钻取用于放置直线型热虹吸管(1)的竖井。
45.竖井的钻取深度大于直线型热虹吸管(1)需埋设的长度10-20厘米；竖井的成孔直径大于等于直线型热虹吸管(1)直径的1.5倍。直线型热虹吸管(1)的散热段高出竖井的端部开口，直线型热虹吸管(1)与竖井之间的间隙通过细砂土填充。
46.在使用细砂土填充时，需要将细砂土分层逐段填实，并且分层用水浇透，防止出现空隙或不密实等现象，安装中注意不当冲击振荡热虹吸管。
47.直线型热虹吸管(1)连接有制冷机组(2)和循环管道(3)，直线型热虹吸管(1)通过循环管道(3)与制冷机组(2)连接，制冷机组(2)通过循环管道(3)对直线型热虹吸管(1)内的工作流体进行循环。
48.制冷机组(2)可以采用多组制冷组，每组制冷组可以采用两个30匹马力的制冷机，制冷机使用的工作流体包括氨、氟利昂、碳二氧化硅、丙烷等。制冷组可以保证25个热虹吸管的在外部温度较高需要启动主动循环的情况下能正常工作。
49.制冷机组(2)的控制端连接有控制系统(4)，控制系统(4)控制制冷机组(2)进行主动循环和被动循环。
50.在冻结屏障区域的外围设置数个水质监测井(8)，全部的水质监测井(8)围绕冻结屏障(6)布置。在稀土开采过程中，监测水质监测井(8)内水质的浸出剂浓度。
51.为了监测冻结屏障的情况，此实施例中，可以根据冻结屏障的形状和位置，在热虹
吸管各个部位设置温度传感器(7)，温度传感器(7)连接控制系统(4)。温度传感器(7)检测温度，确保各处冻结屏障范围内的温度低于冰点，能形成冻结屏障。
52.本技术中使用的方法，不会对周边环境造成不可逆的改变，只利用温度使矿床(5)周边土壤及水分冻结来形成冻结屏障，使用结束后直接拆除热虹吸管和主动制冷设备就可使冻结屏障融化，对矿床周边的环境的永久性影响较小。
53.能耗方面，根据现有的工程实例，在当地气温低到足以推动热虹吸管进行被动循环时，成本很低，除了监测冻结屏障的完整性外无其他运营成本，气温高时需要开启主动制冷设备，所需电费要根据当地情况而定，并且停电7-8天内其冻结屏障厚度损失大致在2％，使用寿命较长，有20至50年的寿命。
54.冻结屏障的位置可以灵活布置，不仅可以覆盖整个开采区，也可以定点安置，并且屏障是可修复的，即使出现损坏，修复也较为简单，可操作性强。
55.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。