本文是一篇土木工程论文，本文以赣南地区龙南某离子型稀土矿山为研究对象，构建基于核磁图像下的孔隙尺度离子型稀土渗流-交换-运移模型。
第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
稀土（Rare Earth，RE）元素指的是元素周期表中15种镧系元素和具有与镧系元素相似电子结构的钪、钇元素[1]。与其名称暗示相反是稀土元素在地壳中的丰度并不稀少，只是通常很难在大型的集中矿床中被发现，并且提纯冶炼难度较大。起初发现稀土元素时，只能从实验室中制得少量不溶于水的稀土氧化物，“稀土”一名由此得来[2-3]。
稀土元素广泛分布于地壳中并与其他元素以矿物的形式共存，而其自身属性的原因使得难以形成可供大量开采的稀土矿种。现已发现的稀土矿物高达250种[4-5]，但以现今的工艺生产水平，仅有十余种拥有工业价值的稀土矿物能够被开发和利用，常见的主要为：磷钇矿Y[PO4]、独居石矿(Ce,La,Y,Th)[PO4]、氟碳铈矿(Ce,La)[CO3]F和风化壳淋积型矿等[6]。
稀土资源在全球分布不均，世界各国稀土资源储量差异较大，目前全球约有600处稀土矿正在开发利用，它们主要分布在亚洲、非洲和美洲[7]。其中稀土矿点数量和资源储量较多的国家主要是：美国、澳大利亚、加拿大、巴西、俄罗斯、中国等[8]。其余的稀土贫国总储量占比小于世界总储量的1%。美国是仅次于中国的世界第二大稀土矿产品出口国，其稀土资源主要以轻、重稀土为主，美国轻稀土矿的代表Mountain Pass（芒廷帕斯稀土矿）目前处于投产运营状态。新“地质填图倡议”鼓励了美国的稀土矿产勘探活动，未来将在其全国范围内探寻到更多稀土矿产的重点潜力[9]。澳大利亚主要的稀土资源为轻稀土。Northern Minerals（澳大利亚北方矿业公司）在2018年对Browns Range（棕岭稀土矿，该矿为重稀土磷钇矿，以高品位Dy、Tb元素为主）进行首次试生产[10]，之后北方矿业公司对该矿深部及周边的稀土资源不断进行勘探调查，预计未来澳大利亚轻、重稀土资源储量及产量将持续上升。加拿大具有丰富的稀土资源，但可供开采的独立大型稀土矿床较为稀少[11]。目前加拿大正在大力开展稀土资源勘探项目，但能够正式开发形成实际产能的稀土矿较少，重新提炼铀矿副产品中稀土元素是其稀土资源的主要来源。世界上最早开始生产稀土产品的巴西，主要稀土资源为轻、重稀土[12]。
1.2 研究现状
1.2.1 离子型稀土浸矿过程渗流规律研究现状
稀土离子的浸出主要涉及三个过程[38]：一是溶浸液进入矿体在孔隙内部渗流的过程；二是溶浸液中活泼阳离子与离子相稀土进行交换的过程；三是稀土离子进入溶浸液后随溶浸液运移离开矿体的过程。溶浸液的流动和交换稀土离子的能力是影响浸出效果的重要因素。交换过程所需要的时间明显小于离子随溶浸液运移流出矿体所消耗的时间。经过生物化学和风化作用形成的离子型稀土矿具有黏土矿物性质，矿物颗粒粒径小、孔隙率小是这种矿物的的特点。这个特点表现为矿床渗透性能较差，溶浸液在孔隙中的渗透效果不佳，影响离子交换速率和浸出效率。
溶浸液在矿体孔隙中运动时，微小的矿体颗粒受到水力拖拽运移至孔径较小的喉管处。孔隙受阻是导致溶浸液渗流不畅的原因之一。吴爱祥[39]从矿体颗粒结构的角度，分析松散颗粒启动的水力条件，并结合堵塞孔隙的几何条件探究溶浸液的渗流规律，认为松散颗粒运移的启动需满足一定的水力梯度，松散颗粒是否堵塞孔隙取决于颗粒粒径与孔径之间的几何关系。水力梯度超过颗粒启动临界值时，满足几何条件处的孔隙将会被堵塞，渗透性由此变差。许威[40]采用不同浓度溶浸液浸出柱浸实验，通过核磁共振仪测得矿柱上、中、下各部孔隙分布，发现大、中孔隙易形成有效孔隙，细小颗粒在矿土下层堆积造成孔隙堵塞影响渗透能力。刘德峰[41]通过电镜扫描试验定量分析浸矿后稀土矿样微观孔隙特征，认为小于0.075 mm的颗粒是发生运移的主要对象，微观孔隙结构变化是渗透能力下降的原因。
第二章 原矿取样及矿样测试
2.1 研究区矿山概况
本文研究区为赣州市龙南某离子型稀土矿区，如图2.1、2.2。龙南市地处赣南地区最南端，该地区雨热同期，是典型的亚热带季风性气候。该矿地形以丘陵为主，为风化剥蚀地貌。区内岩浆岩分布较广，主要为燕山早期第二阶段花岗岩（主要成矿母岩）。区内矿体分布与花岗岩全风化层一致，呈似层状，矿石类型以离子吸附型为主。矿山剖面由上至下分为表土层、含稀土元素的风化层（全风化层和半风化层）、基岩。表土层垂向厚度约0.4~1.2 m，由腐殖质、砂土、粘土等构成并夹杂石英碎石块。由于风化层之间界面模糊难以划分，一般将除表土和基岩以外的岩层一并视为矿体层，该矿体层垂向厚度6.0 m~10.0 m，最厚处可达13.0 m。基岩层主要由黑、白云母花岗岩等构成，该层岩层结构致密透水率低，是良好的天然隔水底板。区内地下水类型以松散岩类孔隙水和基岩裂隙水为主，前者水位埋深0.5 m~1.0 m，后者水位埋深2.6 m~4.5 m，主要为潜水。矿山地质资料表明，该采场稀土矿物主要为磷钇矿等，平均品位为0.0877%。目前该矿山采用原地浸矿工艺进行稀土矿的开采，浸出母液中所含杂质元素主要为铝、铁等。
2.2 原状矿体取样
本文中试验所用的离子型稀土矿体原状试样（后称原状试样）均取自于研究区内某处尚未进行原地浸矿的边坡。根据矿体厚度，用洛阳铲和环刀对4.0 m~6.0 m处的矿体进行取样，取出后立即称重（各环刀已编号并提前测量质量）并用保鲜薄膜包裹放入保湿箱内防止水分蒸发影响试验结果。在取出散土中选取多个50 g~100 g团状土块分别装入恒质量盒后立即称重（各恒质量盒已编号并提前测量质量）。室内柱浸及核磁试验用样通过φ42 mm*60 mm的亚克力圆环取样并作保水处理。其他松散矿体则使用隔水土工袋运回实验室。本次取样包括试验所需数量的试验用样以及一定数量的备用试样。
如图2.3所示，土的物理性质由固体颗粒大小及矿物成分、土的结及三相比例等共同决定，并在一定程度上对其物理力学性质有所影响[79]。土的三项物质之间的（质量、体积）比例称为三相比例指标，分别包括：基本指标、换算指标。基本指标指的是土的密度、比重、含水率，通常由试验直接测得。通过土的三相关系可以换算得到其他指标（孔隙率、饱和度等），称为换算指标。为了初步了解离子型稀土矿体的物理状态，本节对其进行三相比例指标的测定与计算，以便了解其物理性质。
第三章 离子型稀土矿渗流-交换-运移理论与建模.................... 17
3.1 离子型稀土矿渗流-交换-运移相关理论 ........................ 17
3.1.1 矿体孔隙内的溶浸液渗流 ................................... 17
3.1.2 矿体颗粒表面的离子交换 ...................... 18
第四章 离子型稀土矿渗流-交换-运移耦合模拟研究 ......................... 34
4.1 不同注液强度下的渗流-交换-运移模拟研究 .............................. 34
4.1.1 不同注液强度下的溶浸剂渗流规律....................................... 34
4.1.2 不同注液强度下的稀土离子交换及运移规律 ...................... 36
第五章 结论与展望 ................................ 64
5.1 研究结论 .............................. 64
5.2 研究展望 .......................... 65
第四章 离子型稀土矿渗流-交换-运移耦合模拟研究
4.1 不同注液强度下的渗流-交换-运移模拟研究
在离子型稀土矿原地浸矿过程中，注液强度的设置是专业技术人员较为关注的问题。一方面，注液强度过小可能会导致山体内部非饱和区多，浸取效率随之降低，并且浸矿周期延长也增加了开采成本。另一方面，注液强度过大使得山体自重增大抗剪强度降低，容易引发山体滑坡导致母液流失造成稀土资源损失。本章采用离子型稀土矿孔隙渗流-交换-运移耦合模型，通过控制溶浸液浓度0.25 mol/L不变，计算时长1400 min，研究不同注液强度（0.25 mL/min、0.50 mL/min、1.00 mL/min、2.00 mL/min）条件下的饱和浸矿渗流-交换-运移过程。
4.1.1 不同注液强度下的溶浸剂渗流规律
图4.1为0.25 mL/min、0.50 mL/min、1.00 mL/min、2.00 mL/min下孔隙内部稳态流场流速分布云图，不同颜色表示不同的流速值。图中四种注液强度下，几何模型竖直方向都存在由一条干流分成两条支流的优势通道，仅存在整体流场中流速之间的差异。优势通道内孔隙直径相对较小，孔隙之间多为竖向联通。由上往下，靠近入口端狭隘的孔隙通道内流速最高，溶浸液分流（即支管多或流量增大）或孔隙直径变大处流速有所下降，狭长且直径均匀的孔隙内流速变化不明显。
第五章 结论与展望
5.1 研究结论
本文以赣南地区龙南某离子型稀土矿山为研究对象，构建基于核磁图像下的孔隙尺度离子型稀土渗流-交换-运移模型。通过数值模拟试验方法，研究注液强度和溶浸液浓度对稀土浸出过程的影响，溶浸液渗流情况、稀土及铝离子的交换过程和运移过程，总结得到溶浸液渗流规律、离子交换与运移规律。基于孔隙尺度离子型稀土矿渗流-交换-运移模型，对注液强度和溶浸液浓度的设置提出合理建议。本文结论如下：
（1）对试样进行核磁共振
