离子型稀土矿地质条件复杂,采用原地浸矿工艺开采时,仅依赖于工程经验确定浸矿剂用量和注液孔间距,容易出现浸矿剂过量、浸矿剂不足和注液盲区等问题。离子型稀土浸矿包含了离子交换和离子迁移两个过程,基于溶质运移理论,构建稀土浸出过程的离子交换模型和数值模拟方法,是因地制宜设计注液方案,高效提取稀土资源的有效手段。然而,目前缺乏适用于离子型稀土浸矿的离子交换模型和高精度、高效率的模拟方法。为了解决该问题,本文主要的研究内容和研究结论如下: (1)研究了铝离子、钙离子和钾离子杂质与稀土离子的竞争交换特性,并建立了多离子竞争交换模型。结果表明,浸矿剂溶液的氢离子浓度会影响交换前固相稀土离子和铝离子的浓度;当浸矿剂溶液中硫酸根离子浓度小于0.20 mol/L时,浸出的钙离子与硫酸根离子基本不会形成硫酸钙沉淀,即在本文的实验条件下,硫酸镁交换钙离子的过程与钾离子类似,均为可逆的离子交换反应。采用建立的多离子竞争交换模型分析实验数据,模型计算值与试验值的决定系数基本在0.800以上,验证了模型的合理性。 (2)以建立的多离子竞争交换模型为源汇项,结合对流-弥散方程,构建了一维浸矿过程的基本方程。针对解对流占优溶质运移方程容易出现振荡和弥散的问题,引入加权基本无振荡格式,提出一维离子型稀土浸矿过程的高精度模拟方法。对比分析数值模拟结果与室内柱浸试验数据,穿透曲线的决定系数均在0.930以上,浸矿后稀土离子残留分布的决定系数均大于0.900,验证了模拟方法的合理性。与上游加权法进行对比,提出的方法能完全解决对流占优溶质运移方程解的振荡问题。对于稳定流,误差小于2.00%。同时,该方法容易推广至非饱和流,兼顾了精度高与易推广的优点。 (3)采用时间算子分裂思想将离子型稀土三维浸矿过程的基本方程解耦为多个一维方程,构建三维浸矿过程的解耦模拟方法。通过该方法分析矿体土壤类型和初始含水率对水流和离子运移的影响规律,结果发现,水流运动的湿润体呈现椭球状,其水平和垂直入渗距离随时间的变化规律可以采用Kostiakov模型量化,湿润体的中心坐标随时间的变化可采用多项式描述。在此基础上,构建了湿润体前锋面的数学模型,其决定系数大于0.980,具有较高的精度。浸矿区域同样呈椭球状,但滞后于水流运动区域。随着矿体渗透性的增加,水平方向上浸矿区域越小,适当增加矿体的含水率可以增加水平浸矿距离,浸矿区域水平方向的最大距离可以为注液孔间距的设计提供依据。