離子型稀土浸礦過程中滲透性變化規(guī)律的試驗(yàn)研究

羅嗣海， 黃群群， 王觀石， 胡世麗， 洪本根

（江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州341000）

0 引 言

南方離子型稀土以離子形式吸附在礦物表面，所以南方風(fēng)化殼淋積型稀土礦開采工藝特殊，隨著國家對環(huán)境保護(hù)的越來越重視，采礦工藝不斷改進(jìn)，經(jīng)歷了從第一代工藝池浸法到第二代采礦工藝堆浸法以及目前國家推廣的第三代開采工藝原地浸礦法[1-2]的過程.原地浸礦是將浸礦液通過注液孔注入礦體，在滲流過程中發(fā)生離子交換反應(yīng)，在地勢較低的地方布置收液工程收集母液，通過除渣、沉淀等一系列后續(xù)工藝，從而獲得碳酸稀土，顯然礦體的滲透性對開采工藝及其注液和收液工程的布置具有重要影響，另外，對礦體的滲透性和開采過程中的邊坡穩(wěn)定性也具有重要影響[3]，因而研究滲流過程中稀土礦體的滲透性變化規(guī)律具有重要意義.

微顆粒遷移是引起滲透性變化的重要原因，如：石油開采過程中由于注水導(dǎo)致儲層中微顆粒的遷移與堵塞，使?jié)B透系數(shù)減小[4-5]，土壤細(xì)粒流失造成近地表土層的粗化、結(jié)構(gòu)惡化[6]等.但是溶液在稀土礦體的滲流過程中，不僅存在微顆粒遷移，還存在離子的吸附和離子交換過程，離子的吸附和交換通過改變水膜厚度進(jìn)而引起礦體的變化，目前已有的研究是從礦物顆粒表面的水理性質(zhì)和松散顆粒的遷移規(guī)律入手，探討了離子型稀土礦原地溶浸溶浸液滲流規(guī)律的影響因素[7]，鮮有文獻(xiàn)考慮土體在硫酸銨溶液滲流過程中滲透性的變化.為此，采用室內(nèi)柱浸試驗(yàn)研究滲流過程稀土礦體的滲透性變化規(guī)律，先注入清水直至滲流穩(wěn)定，再注入硫酸銨溶液，分析離子型稀土礦浸礦過程中滲透系數(shù)隨時間變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)使用的稀土礦體取自江西贛州某離子型稀土礦區(qū)，選取的離子型稀土的粒徑分布為：0～0.075 mm占21.8%，0.075～0.25 mm占18.4%，0.25～1 mm占26.3%，1～5 mm占31.4%，根據(jù)篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)判定該礦區(qū)離子型稀土為粉砂，級配良好，粒徑大小相差懸殊.

試驗(yàn)裝置如圖1所示，該試驗(yàn)裝置主要是由圓柱形Ф110 mm的PVC管、底板及供水裝置等組成.根據(jù)水力梯度的不同，PVC管的長度分別為20，32，48 cm.底部用螺紋連接一圓形開口蓋子，用于放置底板，底板上鉆有孔徑為2 mm的小孔，底板上面放置濾紙，為了避免硫酸銨溶液腐蝕金屬，底板選用塑料材質(zhì).

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

為了使試樣接近原狀土，制作成孔隙比為0.8的土樣.土樣制作過程：配制含水量為10%的試驗(yàn)用土，在底板上墊一張濾紙，將試驗(yàn)用土分層裝入PVC管中并壓實(shí)，制作成高度16 cm土樣.為了避免試樣出現(xiàn)土層分界面，每次裝入土樣前需將夯實(shí)的土面抓毛.最后在試樣上放一張濾紙，再放一塊塑料滲水板.

土樣裝柱后開始滲流試驗(yàn)，土樣的滲流試驗(yàn)分為2個階段，第1階段向土樣注入清水，清水在土樣形成穩(wěn)定滲流后開始第2階段，向土樣注入3%的硫酸銨溶液.注入清水階段，水自上而下流經(jīng)試樣，當(dāng)試樣出水的瞬間，開始記錄流量Q.在達(dá)到滲流穩(wěn)定后，將PVC管中的清水換成硫酸銨溶液，記錄流量，用達(dá)西定律計(jì)算滲透系數(shù)，研究土樣滲透系數(shù)隨時間的變化規(guī)律.為了避免換液時突降的水頭對滲透系數(shù)造成的影響，采用如下方法：先取適量PVC管中的清水配置高濃度硫酸銨溶液（取清水的量根據(jù)水頭高度的不同來定），再將高濃度硫酸銨溶液通過移液管緩慢注入PVC管內(nèi).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

微顆粒遷移是指在動水壓力作用下，微顆粒從土體中的孔隙喉道中流出.由文獻(xiàn)[8]可知堵劑粒徑為地層孔徑的1/3～1/10時可產(chǎn)生較有效的封堵作用，即證明粒徑范圍0.075～0.09 mm的篩分樣，由于粒徑相差很小，不具備微顆粒遷移的條件.而對于級配良好的原礦，文獻(xiàn)[9]表明浸礦會使級配有所變化，原礦具備微顆粒遷移條件.微顆粒遷移將引起礦體滲透系數(shù)發(fā)生變化，也將影響形成穩(wěn)定滲流的時間，本文根據(jù)滲透系數(shù)變化幅度和形成穩(wěn)定滲流場所需時間（以下簡稱穩(wěn)定時間）來反映滲流過程的微顆粒遷移.

2.1 注清水階段的流量變化

圖2為注清水階段原礦和篩分樣的流量隨時間

圖2 注清水階段原礦和篩分樣的流量隨時間變化曲線

變化曲線.可以看出：原礦和篩分樣的滲流流量在注清水時的變化趨勢基本相同，分3個階段：快速上升階段、緩慢上升階段和穩(wěn)定階段.雖然趨勢相同，但是穩(wěn)定時間與流量變化幅度有所不同.由于該試驗(yàn)研究的是清水和溶液在土樣形成穩(wěn)定滲流過程，因此在注清水階段采用流量與時間的關(guān)系反映流場的變化，并假定24 h內(nèi)，若任意兩點(diǎn)j，j+1滿足（qj+1-qj）/qj<1%的情況，則判斷土樣已形成穩(wěn)定滲流.定義流量變化幅度為流場穩(wěn)定時的流量與初始時刻的流量之差Δq：

式（1）中qs和qi分別為流場穩(wěn)定時的流量和初始時刻的流量，單位為g/min.

將試驗(yàn)測得的不同時間每分鐘流量用極點(diǎn)平均法繪得流量隨時間變化曲線，采用上述方法得到表1.分別從流場的穩(wěn)定時間和流量變化幅度2個方面分析表1的數(shù)據(jù).有關(guān)穩(wěn)定時間，表1可以看出：水力梯度為1.25時，原礦達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為332 h，篩分樣達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為311 h，原礦達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間較篩分樣長20 h左右；水力梯度為2時，原礦達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為197.5 h，篩分樣達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為121.5 h，原礦達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間較篩分樣長50 h左右；水力梯度為3時，原礦達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為164 h，篩分樣達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為92 h，原礦達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間較篩分樣長70 h左右.有關(guān)流量變化幅度，從表1可以看出，原礦的流量變化幅度比篩分樣的流量大2～4倍.試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：土樣級配對其滲透系數(shù)具有重要影響；水力梯度越大，形成穩(wěn)定流場的時間越短；原礦較篩分樣達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間長，水力梯度越大，兩者時間差越大.這是因?yàn)樵V在滲流過程中，微顆粒受到動水壓力的作用不斷移動位置，在流速較小的情況下，可能在土體內(nèi)部形成堵塞，在流速較大的情況下，可能使部分微顆粒從土樣中沖出，使土體呈現(xiàn)不均勻性，影響土體的滲透系數(shù)，因而達(dá)到穩(wěn)定滲流時間越長，表明原礦在注清水滲流過程存在微顆粒遷移[10].

表1 注清水階段原礦和篩分樣的穩(wěn)定時間和流量變化

2.2 注硫酸銨溶液階段的滲透系數(shù)變化

圖3為注硫酸銨溶液階段原礦的滲透系數(shù)隨時間變化曲線，圖4為注硫酸銨溶液階段篩分樣的滲透系數(shù)隨時間變化曲線.由圖3和圖4可以看出：浸礦過程中，原礦和篩分樣的滲透系數(shù)變化規(guī)律有顯著的區(qū)別，篩分樣分2個階段：緩慢減小階段和穩(wěn)定階段；水力梯度為1.25和2時，原礦滲透系數(shù)變化可以分為快速減小、緩慢上升和滲流穩(wěn)定3個階段，水力梯度為3時，試驗(yàn)進(jìn)行了252 h，原礦滲透系數(shù)變化只有快速減小和不斷上升2個階段.定義滲透系數(shù)幅度為流場穩(wěn)定時的滲透系數(shù)與初始時刻的滲透系數(shù)之差ΔK：

式（2）中Ks和Ki分別為流場穩(wěn)定時的滲透系數(shù)和初始時刻的滲透系數(shù)，單位為cm/s.按照前述方法確定流場穩(wěn)定時間，依據(jù)達(dá)西定律計(jì)算得到土樣的滲透系數(shù)，流場的穩(wěn)定時間和滲透系數(shù)變化見表2所示.

圖3 注硫酸銨溶液階段篩分樣滲透系數(shù)隨時間變化曲線

圖4 注硫酸銨溶液階段原礦滲透系數(shù)隨時間變化曲線

表2 注硫酸銨溶液階段原礦和篩分樣的穩(wěn)定時間與滲透系數(shù)

在注入硫酸銨溶液后的一段時間原礦和篩分樣的滲透系數(shù)都存在一個減小的過程，其原因主要有2個方面.一方面是離子吸附引起滲透系數(shù)變化，在注硫酸銨溶液階段，由于稀土顆粒表面帶負(fù)電荷[11]，產(chǎn)生電場，吸附硫酸銨溶液中的銨根離子，使水膜厚度增大[12]，滲流孔徑減小，滲流路徑增長，引起滲透系數(shù)減小.另一方面是離子交換引起的，由于銨根離子較稀土離子活潑，當(dāng)銨根離子的吸附量達(dá)到一定時發(fā)生離子交換反應(yīng)，三價的稀土離子被交換解析下來，離子價位越低，水膜厚度越大，隨著低價位銨根離子不斷置換高價位稀土離子[13]，水膜厚度不斷增大，使?jié)B透系數(shù)繼續(xù)減小.由于篩分樣顆粒大小相對均勻且大小相近，可以忽略微顆粒遷移引起的滲透系數(shù)變化，所以篩分樣的滲透系數(shù)是逐漸減小的.然而原礦在注清水階段微顆粒遷移使微顆粒在某些區(qū)域富集，微顆粒富集區(qū)域的單位體積土樣的比表面積較其他區(qū)域大，且稀土離子主要吸附在微小黏土顆粒上，在注入硫酸銨溶液后微顆粒富集區(qū)域能吸附更多的銨根離子并與之發(fā)生離子交換反應(yīng)，使水膜厚度增大，滲透系數(shù)快速減小，總的滲透系數(shù)受這一區(qū)域滲透系數(shù)的影響也快速的減小.

對于原礦，滲透系數(shù)減小之后存在一個滲透系數(shù)緩慢增加的過程，其原因可以解釋為，硫酸銨溶液滲流過程存在對滲透系數(shù)相反作用的影響，一方面是離子吸附和離子交換使?jié)B透系數(shù)減小，另外微顆粒遷移并使部分微顆粒從土樣底部流出，引起滲透系數(shù)增加，兩個過程同時存在，由于離子吸附和離子交換比微顆粒遷移對滲透系數(shù)的影響快，所以滲透系數(shù)先增加后減小.當(dāng)水力梯度為1.25時，原礦的滲透系數(shù)變化幅度為2.22，篩分樣的變化幅度為0.73，不考慮微顆粒遷移引起篩分樣滲透系數(shù)的變化，對比原礦和篩分樣滲透系數(shù)的變化幅度，可以認(rèn)為，水力梯度為1.25時，離子吸附和離子交換對滲透系數(shù)有明顯影響.當(dāng)水力梯度為2時，原礦的滲透系數(shù)變化幅度為0.77，篩分樣的變化幅度為0.83，對比原礦和篩分樣滲透系數(shù)的變化幅度，可以認(rèn)為，水力梯度為2時，微顆粒遷移與離子吸附和離子交換對滲透系數(shù)的影響相當(dāng)，水力梯度為3時，在252 h內(nèi)流場沒有穩(wěn)定，微顆粒遷移對滲透系數(shù)影響起主導(dǎo)作用，可以進(jìn)一步說明，水力梯度增大，微顆粒遷移對滲透系數(shù)的變化影響增大.

由表2可以看出：水力梯度為1.25時原礦達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為268 h，篩分樣達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為200 h，原礦達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間較篩分樣長70 h左右；水力梯度為2時原礦達(dá)到流場穩(wěn)定的時間為340.5 h，篩分樣達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為321.5 h，原礦達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間較篩分樣長20 h左右；水力梯度為3時原礦在252 h內(nèi)沒有穩(wěn)定，篩分樣達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間為149 h.在不同水力梯度條件下，原礦較篩分樣達(dá)到滲流穩(wěn)定時間長.這是因?yàn)樵V土體不均勻，存在微顆粒富集區(qū)域和微顆粒流失區(qū)域，在注入硫酸銨溶液后，不同區(qū)域吸附銨根離子的量不同，離子交換反應(yīng)速度不同，不同區(qū)域的滲透系數(shù)的變化快慢不同，因而更不容易達(dá)到穩(wěn)定，即流場穩(wěn)定時間更長.

3 結(jié) 論

對離子型稀土礦原礦和稀土礦粒徑范圍0.075～0.09 mm的篩分樣進(jìn)行了室內(nèi)常水頭柱浸試驗(yàn)，通過先注清水直至達(dá)到穩(wěn)定再注硫酸銨溶液，研究了滲流過程中滲透系數(shù)隨時間的變化規(guī)律，結(jié)果表明：

（1）清水滲流過程中，原礦和篩分樣的滲流流量隨時間變化趨勢基本相同，包含快速上升、緩慢上升和流量穩(wěn)定3個階段，土樣級配對其滲透系數(shù)具有重要影響，原礦較篩分樣達(dá)到滲流穩(wěn)定的時間長，水力梯度越大，兩者時間差越大，滲透系數(shù)變化幅度越大，表明清水在稀土原礦滲流過程中存在微顆粒遷移.

（2）浸礦過程中，影響滲透系數(shù)變化的原因主要有離子吸附、離子交換和微顆粒遷移3個方面的原因，離子吸附和離子交換使?jié)B透系數(shù)減小，微顆粒遷移引起滲透系數(shù)增加，兩種相反的作用同時存在，當(dāng)水力梯度小于1.25時，離子吸附和離子交換對滲透系數(shù)有明顯影響；當(dāng)水力梯度為2時，微顆粒遷移與離子吸附和離子交換對滲透系數(shù)的影響相當(dāng)；水力梯度為3時，微顆粒遷移對滲透系數(shù)影響起主導(dǎo)作用；水力梯度增大，微顆粒遷移對滲透系數(shù)的變化影響增大.

（3）由于原礦級配良好，粒徑大小相差懸殊，滲流過程可能會引起微顆粒富集區(qū)域和微顆粒流失區(qū)域，在注入硫酸銨溶液后，不同區(qū)域吸附銨根離子的量不同，離子交換反應(yīng)速度不同，不同區(qū)域的滲透系數(shù)的變化快慢不同，因而原礦比篩分樣流場穩(wěn)定時間更長.

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