离子型稀土绿色开采污染防治方法与流程

本发明涉及离子型稀土的开采和污染防治，尤其涉及一种离子型稀土绿色开采污染防治方法。

背景技术：

1、稀土元素是一组17种化学元素的总称，包括15个镧系元素加上钪和钇。它们在现代工业和技术领域中有着广泛的应用，包括高科技产品、军事装备、绿色能源技术等。由于稀土元素在地壳中的含量较低且分布不均，开采这些元素的技术要求较高。

2、稀土开采技术在70-80年代主要采用池浸，90年代主要采用堆浸，这两种开采方法一般采用nacl和硫酸铵作为浸矿剂，以石灰水/草酸作为沉淀剂，生产过程造成的植被破坏和污染问题十分严峻，生产1吨reo破坏地表植被200m2，挖矿2000m3以上。

3、近年来主要采用原地浸的方法开采稀土，通常以硫酸铵作为浸矿剂，碳酸氢铵作为沉淀剂。通过向地下矿床注入化学溶液来溶解稀土元素，然后提取含有稀土的溶液进行后续处理。

4、现有技术中，cn108677005a披露了一种风化壳淋积型稀土矿二次原地浸出回收稀土方法，能显著提升原地浸出采矿的稀土回收率。

5、cn116607928a则公开原地浸出开采的井网优化方法，提高了原地浸出开采矿区的溶浸流场覆盖率。

6、cn115125404a提供一种离子型稀土矿原地浸矿场渗漏液收集系统和方法，提高了渗漏液的截获效果。

7、然而原地浸的方法开采稀土虽不破坏植被，但存在浸矿剂泄漏与残留、矿区氨氮严重超标等环境问题。

8、这些问题的原因是多方面的，首先注入地下的化学浸矿剂可能由于地质构造的不均匀性而迁移到预计区域之外。而防渗措施不当或失效，导致浸矿剂进入非目标区域。

9、其次，地下水的自然流动可能将浸矿剂带出矿区，污染周边地下水资源。而且稀土矿床与周围岩石的矿化度差异可能导致浸矿剂的不均匀分布和迁移。

10、另外，原地浸矿后，部分浸矿剂和稀土元素可能残留在地下，难以完全回收。而常用的浸矿剂之一是硫酸铵，它在浸矿过程中会释放氨氮。如果浸出液处理不彻底或不当，氨氮可能会进入地下水或地表水，导致水体富营养化。

11、最后，在很多矿山中缺乏有效的环境监测和预警系统，可能导致问题发现不及时。地质条件的复杂性也可能导致浸矿剂在地下的迁移和分布难以预测和控制。从而使得在开采过程中环境保护措施不足，如缺乏有效的防渗层或收集系统。

技术实现思路

1、基于本发明的第一个主要方面，提供一种离子型稀土绿色开采污染防治方法，包括如下步骤：

2、s1，明确矿区边界，利用地形测量和地质勘探获取矿区总体积数据，以及已开发土地的比例；收集不同时间点的矿区的遥感图像数据，使用gis软件进行所述遥感图像数据的辐射校正、大气校正和几何校正，利用校正过的所述遥感图像数据进行地表覆盖分类，区分不同类型的生态系统。

3、在步骤s1中，所述地形测量包括使用无人机搭载的激光雷达lidar进行高精度地形测量，生成高精度的数字高程模型dem；所述地质勘探包括采用地质雷达和电磁方法勘探地下结构；所述收集不同时间点的矿区的遥感图像数据包括利用卫星和航空平台，在不同季节和不同天气条件下收集矿区的多光谱和高分辨率遥感图像；所述利用校正过的所述遥感图像数据进行地表覆盖分类包括采用卷积神经网络cnn，对地表覆盖类型进行自动识别和分类。

4、s2，利用ndvi数据进行时序分析，监测植被覆盖度变化，基于ndvi变化和生态系统类型，计算基础生态恢复率；构建基于生态恢复率、矿区体积和开发比例的环境容纳量计算模型；根据所述环境容纳量和地质储量三维可视化结果，确定矿区最大开采量。

5、在一些实施例中，步骤s2中所述利用ndvi数据进行时序分析包括采用mann-kendall趋势检验，确定ndvi值随时间的变化趋势；基于ndvi变化和生态系统类型，计算基础生态恢复率包括建立不同生态系统类型与ndvi值的定量关系模型。

6、作为进一步的优选方案，包括如下步骤：收集矿区及其周边区域在不同时间点的ndvi数据，清洗数据，剔除缺失值或异常值；将ndvi数据按时间序列排列；对每个时间序列的ndvi值进行mann-kendall趋势检验，确定ndvi值随时间的显著性变化趋势；收集不同生态系统类型的ndvi特征值；使用统计方法或机器学习技术，建立生态系统类型与ndvi值之间的关系模型。

7、在一些实施例中，作为进一步的优选方案，步骤s2中所述基础生态恢复率的计算方法如下：

8、从遥感数据源获取矿区覆盖范围内的ndvi数据，这些数据应跨越多个时间段以进行趋势分析；清洗数据，包括去除云层遮挡或传感器误差造成的异常值；

9、对ndvi数据进行时间序列分析，使用mann-kendall趋势检验来确定ndvi值随时间的变化趋势；确定不同生态系统类型的ndvi阈值；根据所述不同生态系统类型的比例，按下式计算计算基础生态恢复率rr：

10、

11、其中，ndvtti是第i个时间点的ndvi值，ndvtt0是初始时间点的ndvi值，pi是第i个生态系统类型的比例。

12、作为进一步的优选方案，所述矿区最大开采量按照如下步骤确定：

13、构建如下基于基础生态恢复率、矿区体积和开发比例的环境容纳量计算模型：

14、ec＝v×(1-d)×rr

15、式中，ec为环境容纳量，v为矿区体积，d为开发比例，rr为基础生态恢复率；

16、地质储量三维可视化结果，确定考虑环境容纳量ec的最大开采量mmv：

17、mmv＝ec×f

18、式中，f是开采效率因子，根据实际开采过程中的损失和不可开采部分，取值范围为0-1。

19、s3，采用地下水模型和地表水文模型，分析水文地质条件，利用gis和遥感技术确定地表水和地下水流向；确定关键监测点，在关键位置布置监测站，收集水文地质数据；按照优化的网度进行勘探，探明生产矿块的资源分布，以及生产矿块的底板和地下水位。

20、在一些实施例中，步骤s3中所述地下水模型使用darcy定律计算地下水流速和方向：

21、

22、式中，υ是流速，k是渗透系数，μ是水的动力粘度，▽p是水头梯度；

23、所述地表水文模型使用降雨-径流模型计算地表水的流动：

24、q＝∫ar-e-i

25、式中，q是径流量，∫a是流域面积，r是降雨量，e是蒸发量，i是地表水的入渗量。

26、s4，构建一个包含地下水流和地表水流的水文响应模型，通过调整所述水文响应模型参数并求解水文响应，使用数值方法求解模型，根据模型结果确定注液和收液的最佳强度；建立浸出剂消耗估算方法，优化注液和收液系统设计，并进行注液和收液系统的布置。

27、在一些实施例中，步骤s4中所述包含地下水流和地表水流的水文响应模型按如下方法构建：

28、假设：地下水流和地表水流是线性的，并且可以用darcy定律和宽槽流方程近似；地下水和地表水之间的交换通过一个线性函数来近似；降雨和蒸发对水文循环的影响在模型中被考虑；分别构建如下地下水流动方程和地表水流动方程：

29、地下水流动方程：

30、

31、地表水流程方程：

32、

33、式中，vg为单位面积的地下水体积(单位：米3/米2)；vs为单位面积的地表水体积(单位：米3/米2)；k为渗透系数(单位：米/秒)；s为储水系数(单位：1)；qinj为注液强度(单位：米3/秒/米2)；qrec为收液强度(单位：米3/秒/米2)；i为降雨强度(单位：米/秒)；e为蒸发率(单位：米/秒)；θ为底板倾斜角度(单位：度)。

34、地表水和地下水之间的交换通过以下线性函数来近似：

35、egs＝α(vs-vg)

36、式中，α是交换系数(单位：秒-1)，egs是地表水到地下水的交换流量(单位：米3/秒/米2)；

37、模型求解步骤如下：设定初始的地下水体积vg0和地表水体积vs0。根据地质勘探和水文地质调查确定渗透系数k、储水系数s、底板倾斜角度θ和交换系数α；对每个时间步长，更新降雨强度i和蒸发率e；根据注液和收液的位置和面积，确定注液强度qinj和收液强度qrec；求解地下水和地表水的体积变化；确保模型满足实际的边界条件，并使用实测数据对模型进行校准和验证。

38、在一些实施例中，步骤s4中所述浸出剂消耗估算方法包括：

39、通过实验室测试，得到矿石在不同浸出剂浓度下的溶解度b；

40、建立动力学方程：

41、

42、式中，c是浸出剂浓度，k是反应速率常数，t是时间；

43、根据目标浸出率r，估算所需浸出剂总量m：

44、

45、式中，v是矿体体积，c0是初始浸出剂浓度，b是溶解度；

46、最后使用数值方法求解浸出剂在矿体中的扩散方程，模拟浸出剂消耗过程；应用优化算法确定注液和收液的最佳时间和位置，最小化浸出剂消耗。

47、其中，所述数值方法包括有限差分法或有限元法之一或其结合，所述优化算法包括线性规划或多目标优化之一或其结合。

48、s5，使用数值模拟技术计算矿山临界饱和度和易滑坡区，结合边坡预警监测系统，设定易滑坡区的预警阈值。

49、在该步骤中，首先，利用地理信息系统(gis)进行地形分析，建立矿山的三维数字地形模型。应用数值模拟软件(如slope/w、flac3d等)计算矿山的临界饱和度，确定在不同降雨条件下土壤和岩石的稳定性。通过数值模拟，识别可能发生滑坡的区域，分析滑坡的潜在规模和影响范围。采用有限元分析(fea)或离散元方法(dem)评估边坡的稳定性。

50、在以上基础上，根据模拟结果，结合历史滑坡事件和地质条件，设定易滑坡区的预警阈值。在易滑坡区布置监测设备，如位移计、倾斜计、雨量计等。

51、作为进一步的优选方案，将监测数据集成到边坡预警监测系统中，实现实时数据收集和分析。开发边坡预警系统，设置预警逻辑和警报机制。

52、具体的，在实现以上方法中，先确定土壤和岩石的物理和力学属性，如密度、内摩擦角、凝聚力等。再利用数值模拟软件建立边坡稳定性分析模型。通过模拟降雨条件下水分入渗对土壤和岩石稳定性的影响。并计算边坡在不同条件下的安全系数。分析安全系数随饱和度的变化，确定临界饱和度。根据安全系数和降雨强度，设定预警阈值。

53、s6，集成的开采控制系统，实现参数的实时监控和分析，构建通信网络，使所有关键参数能够实时上传至开采控制系统；在开采控制系统中设置预警机制，对异常数据进行及时响应；集成防渗阻隔、井阵控制和过程监测模块，实现原位渗流的全过程控制。

54、以下是一种可行的系统构成，包括：

55、数据采集单元：包括传感器阵列和边坡监测设备，其中传感器阵列用于监测注液量、收液量、母液浓度、地下水水位等参数。边坡监测设备包括位移计、倾斜计、应变计等，用于监测易滑坡区的稳定性。

56、通信网络：采用有线/无线数据传输系统，将监测数据实时传输至控制中心。

57、控制中心：包括数据服务器和处理服务器，数据服务器用于存储实时和历史数据。处理服务器用于运行数据分析和预警算法。

58、预警系统：用于分析数据，判断是否达到预警阈值。并在检测到异常时发出警报。

59、用户界面：用于展示实时数据和系统状态。系统配置和手动控制。

60、控制执行单元：包括阀门控制器和泵站控制器，阀门控制器用于调节注液和收液系统的阀门开关。泵站控制器用于控制注液和收液泵的运行。

61、防渗阻隔与井阵控制模块：包括防渗控制系统和井阵调节系统，其中防渗控制系统用于监控和调节防渗设施的状态。井阵调节系统用于优化井阵的注液和收液策略。

62、过程监测模块：实时监测开采过程中的水质、压力等参数。

63、其中，传感器阵列收集的数据通过通信网络传输至控制中心。控制中心的数据服务器存储这些数据，处理服务器运行模型和预警算法。预警系统在检测到数据超出预设阈值时，通过报警模块发出警报。用户界面允许操作人员监控系统状态，进行必要的配置和手动控制。控制执行单元根据控制中心的指令调节注液和收液过程。防渗阻隔与井阵控制模块确保开采过程的安全性和效率。过程监测模块提供实时的开采过程数据，用于系统优化和控制。

64、s7，采用分区注液优化实现矿山精准注液；开采完成后进行闭矿工作，包括注液井的回填、植被的修复和尾水的处理；所述尾水的处理包括微生物除氨氮和电解法除氨氮之一或者二者的结合。

65、具体的，分区注液优化是根据矿体的地质特征和稀土元素分布，将矿区分为若干个注液区域。每个区域根据其特定的地质和矿物学特征，设计不同的注液方案，包括注液速率、压力和浸出剂浓度。

66、精准注液的实施过程利用先进的监测和控制系统，实时调整注液参数，确保浸出剂在矿体中的均匀分布。采用gis和地质模型辅助注液井的精确定位。

67、开采完成后，对注液井进行回填，使用土壤或专用材料恢复井口，确保安全和稳定。对开采区域进行植被修复，种植本地植物，恢复地表生态。

68、收集开采过程中产生的尾水，并进行初步分离和净化。采用微生物除氨氮方法，通过培养特定的微生物降解尾水中的氨氮。或/和采用电解法除氨氮，通过电解过程将氨氮转化为氮气释放。

69、处理后的尾水达到排放标准后，可用于矿山其他用途或安全排放。

70、与现有技术相比，本发明的离子型稀土绿色开采污染防治方法具有如下显著的进步：

71、本发明通过开采量计算，分析和展示稀土矿资源的空间变异规律，指导布置注液工程和收液工程，在提高稀土资源浸出率和回收率的同时，减少浸出母液的渗漏，减小对地下水环境的影响，保证矿区生产时的水平衡，并实现污染可控。

72、具体的，首先，本发明通过监测植被覆盖度变化，基于ndvi变化和生态系统类型，在考虑矿区环境容纳量的情况下，明确一个矿区最大开采量，进而控制对矿区环境的影响；并利用gis和遥感技术确定地表水和地下水流，制定针对性环境监测方案。

73、其次，本发明集成了开采控制系统，具备数据的导入和分析、储量计算、注液工程设计、收液工程设计、浸矿剂消耗量计算等功能。从而由系统根据资源分布布置注液工程和收液工程，在提高稀土资源浸出率和回收率的同时，减少浸出母液的渗漏，减小对地下水环境的影响。并采用地质储量三维可视化软件，确立了储量计算的基本流程，分析和展示稀土矿资源的空间变异规律。从而提高资源储量计算结果的可靠度，便于准确计算浸矿剂用量及实现精准注液，减少浸矿剂用量。

74、第三，本发明实现稀土原位溶浸的精准防控，本发明采用离子型稀土原位渗流控制技术，通过解析靶区水体渗流特征、岩土性质和稀土溶浸规律，构建靶区水体渗流控制数字模型并进行预测分析，集成防渗阻隔、井阵控制和过程监测模块。

75、第四，本发明采用了精准注液技术，即通过三维地质储量计算软件确定资源分布，利用建立的浸出剂消耗估算方法计算浸矿剂消耗，最后通过分区注液优化实现矿山精准注液技术。从而可以提高资源回收率，减小矿山浸矿剂残留。

76、最后，本发明采用滑坡控制成套技术，即通过矿山的数值模拟计算出矿山可达到的临界饱和度以及易滑坡区，并结合边坡预警监测系统，提前设定好矿山易滑坡区的预警值(矿山内部水位和边坡变形)，保证开采过程中矿山安全。并通过开采控制系统，实现各个矿块注液、收液数据统计和分析，及时发现是否存在渗漏问题，进而采取针对性措施，保证矿区生产时的水平衡。矿山注液时，开采控制系统及时记录矿山的注液量、收液量、母液浓度和矿山内部水位等数据，出现异常时及时预警，进而立即进行分析和处理。