随着全球稀土需求的增长,稀土矿开采技术已发展至第三代原地浸矿工艺。其中,收液工程作为关键环节,直接关系到母液回收效果和环境安全。然而,当前回收效果仍然较低,不仅导致母液损失,还可能加剧地下水污染,亟需优化提升。为此,在课题组前期研究基础上,本文进一步开展了水射流技术在导流孔侧向构建射流孔以扩大收液面积的试验与优化研究,其中射流孔深度决定收液覆盖范围,宽度影响孔道形态稳定性。因此,准确预测射流孔深度和宽度对于优化收液工程具有重要意义。而射流孔深度与宽度的形成受到多因素协同作用:喷嘴结构参数控制射流能量集中度,射流动力参数主导破土冲击强度,而土体力学参数则与孔壁稳定性密切相关。基于此,本文通过理论分析、数值模拟与室内试验相结合的方法重点探讨三类参数对射流破土过程的影响,建立射流孔深度与宽度的预测模型,为优化收液工程设计与施工提供科学依据。本文主要工作如下: (1)基于任意拉格朗日-欧拉流固耦合算法建立了淹没水射流破土的有限元数值模型,并通过室内试验验证了该有限元模型计算结果的准确性。基于响应面模型建立了锥形喷嘴优化模型,分析了喷嘴直径、锥角及长度3个因素及其交互作用对射流孔深度与宽度的影响规律,优化之后的锥形喷嘴结构参数为:喷嘴锥角12.21°、喷嘴直径1.16mm及喷嘴长度2mm,在此参数下破土效果适用于离子型稀土矿收液工程。 (2)开展室内淹没水射流破土试验,研究了射流压力、射流靶距及土体含水率对射流孔深度与宽度的影响规律。发现射流孔的形态发展与射流能量的分布特征及衰减速率密切相关,在不同的射流条件下,射流冲蚀形成的孔洞形态各异,主要表现为圆台形、上圆台下倒圆锥形组合、圆柱形及倒圆锥形等多种形式。然而,这些射流孔形态的发展过程遵循一定的规律:在射流的中后期,当水射流的纵向速度衰减后,侵蚀过程趋于稳定,孔洞的形态普遍向倒圆锥形转变。 (3)基于量纲分析法建立了射流压力、射流时间、射流靶距、喷嘴直径、土体含水率影响下射流孔深度及宽度的预测模型,并结合满意度函数对破土施工中的射流参数进行优化设计,获得不同破土深度下的最佳施工参数。据此提出了“参数分级匹配-动态监测反馈”的收液工艺实施方案。