提高福建某離子型稀土礦原地浸礦回收率的措施*

郭階慶

(三明市稀土開發(fā)有限公司)

?

提高福建某離子型稀土礦原地浸礦回收率的措施*

郭階慶

(三明市稀土開發(fā)有限公司)

為提高福建某非典型出露式稀土礦床原地浸礦回收率，并有效控制地質(zhì)災(zāi)害，從合理布置注液工程和收液工程這2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)著手研究、確定了主要工程措施。即根據(jù)單位面積資源賦存量的大小，將生產(chǎn)礦塊分成4個(gè)區(qū)域，按均衡注液的要求布置注液孔，綜合考慮礦體品位的空間分布、潛水位位置、收液工程與礦體下表面的距離等因素，采用主、副、支巷道組成的密閉網(wǎng)格狀集液系統(tǒng)，母液回收率達(dá)93.01%，稀土資源回收率達(dá)85.56%，相對(duì)前期提高了8.0個(gè)百分點(diǎn)。

離子型稀土原地浸礦資源回收率地質(zhì)災(zāi)害

1　資源概況

生產(chǎn)礦塊位于福建清流縣境內(nèi)，礦區(qū)呈低矮的丘陵地貌，山頭平緩饅頭狀，最高標(biāo)高426 m，地形切割深度50～100 m，山體坡度20°～50°，風(fēng)化殼呈疏松狀、松散狀，透水性較好，構(gòu)造簡(jiǎn)單，植被稀少。

礦區(qū)內(nèi)大面積分布燕山早期第三階段第三次侵入的中粗粒黑云母花崗巖，屬行洛坑巖體的南部巖體，分布面積約5 km2。巖石呈肉紅色—灰白色，風(fēng)化后呈土黃—褐紅—米黃等色，半風(fēng)化者呈黃褐—灰白色?；|(zhì)呈中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，粒徑3～6 mm，少量鉀長(zhǎng)石呈巨斑晶，粒徑>10 mm。主要礦物鉀長(zhǎng)石占22%～40%、斜長(zhǎng)石占25%～40%、石英占20%～25%、黑云母占5%～9%。巖石中副礦物主要為磁鐵礦、磁赤鐵礦、鋯石、榍石、磷灰石、褐簾石和電氣石。

生產(chǎn)礦塊內(nèi)花崗巖風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化層發(fā)育，全風(fēng)化花崗巖中的鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、黑云母等礦物已黏土化，生成高嶺石、水云母等黏土礦物，其礦物組分變?yōu)?0%～60%的黏土礦物，20%～30%的石英，及5%～30%的長(zhǎng)石等。全風(fēng)化層厚10～25 m，最厚處超過(guò)30 m，結(jié)構(gòu)疏松，手捏即呈粉末狀，含礦性好，是區(qū)內(nèi)稀土礦的主要賦存層位。風(fēng)化層之下為半風(fēng)化層，其與風(fēng)化層無(wú)明顯界線，只是各種礦物的風(fēng)化程度較淺，部分長(zhǎng)石被風(fēng)化成高嶺石，一般還保留了原來(lái)的結(jié)構(gòu)，手捏呈碎塊，半風(fēng)化層不含稀土礦。

生產(chǎn)礦塊內(nèi)礦石主要為全風(fēng)化礦石，少量為殘坡積礦石。殘坡積礦石賦存于風(fēng)化殼的殘坡積層中，礦石呈黃褐色，結(jié)構(gòu)較緊密，稀土離子相品位為0.030%～0.071%，最高達(dá)0.083 5%，這類礦石占全區(qū)的5%。全風(fēng)化礦石賦存于風(fēng)化層中，呈土黃—褐紅及米黃色，塊狀構(gòu)造，手捏至粉末狀，原巖結(jié)構(gòu)仍可辨認(rèn)，長(zhǎng)石已全部風(fēng)化成高嶺石。稀土離子相品位一般為0.030%～0.089%，最高為0.108%。稀土元素主要呈陽(yáng)離子狀態(tài)被黏土礦物吸附在礦物表面和間隙里或顆粒間，少數(shù)賦存于獨(dú)居石、磷釔礦、褐簾石、鋯石、磷灰石、榍石等花崗巖副礦物中，以礦物相形式存在。

按間距20 m×20 m布置了120個(gè)勘探孔進(jìn)行生產(chǎn)勘探，共采集測(cè)試樣品1 758個(gè)。結(jié)果表明，礦體一般呈單層產(chǎn)出，厚度5.0～25.0 m，平均厚度14.93 m，離子相稀土品位為0.01%～0.161%，平均品位為0.055%，按品位大于0.03%圈定礦體。礦體配分測(cè)試成果為：Y2O3的配分值10.73%，Sm2O3的配分值3.97%，Eu2O3的配分值0.24%；輕稀土(La+ Ce + Pr + Nd )總量占77.93%，中稀土(Tb+ Dy)總量占2.44%，因此本區(qū)稀土礦為典型的低釔中銪型輕稀土礦。

2　注液工程布置

2.1基本要求

注液工程是一個(gè)可以人為控制的工程，通過(guò)優(yōu)化布置注液工程，能有效提高資源的浸取率[1]，在布置該礦塊的注液工程時(shí)，筆者結(jié)合前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出了3個(gè)基本要求：①注液要均衡。原地浸礦的資源浸取率一方面有賴于硫酸銨溶液的滲流路徑和滲流過(guò)程[2]，另一方面有賴于銨離子和稀土離子的內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程[3-4]，而礦體滲透性和品位賦存的空間變異性是影響這2個(gè)過(guò)程的主要因素，因而，需要結(jié)合礦塊的具體地質(zhì)條件均衡注液，使礦體充分浸礦;②控制地質(zhì)災(zāi)害。注液強(qiáng)度控制不合理，容易引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，造成資源損失等，合理布置注液工程是主動(dòng)控制注液強(qiáng)度的有效措施[5-6];③動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)浸潤(rùn)面和濃度變化。通過(guò)有限的勘探工作難以全面掌握礦塊的地質(zhì)條件，特別是礦體非均質(zhì)性突出和底板發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)條件下，難以估算合理的注液強(qiáng)度。因而，采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)浸潤(rùn)面的發(fā)展過(guò)程，主動(dòng)調(diào)節(jié)注液強(qiáng)度，盡量控制浸潤(rùn)面與礦體上表面重合。

2.2注液工程的設(shè)計(jì)過(guò)程

(1)深入分析礦體地質(zhì)資料。采用MAPGIS軟件整理勘探資料，通過(guò)若干個(gè)地質(zhì)剖面掌握地形坡度、礦體上表面位置、礦體厚度、礦體品位分布等影響注液工程的關(guān)鍵要素，特別是對(duì)于礦塊內(nèi)含有多個(gè)礦層的情況，在生產(chǎn)勘探時(shí)，應(yīng)詳細(xì)記錄各礦層的賦存位置。圖1和圖2為礦層的2個(gè)剖面。

圖1　礦塊A-A剖面

圖2　礦塊B-B剖面

從圖1、圖2可以看出：表層土厚度不一，因而需要分區(qū)確定注液孔深度；礦層厚度不一，而不同層位稀土品位也不同(上層礦體離子相稀土品位高達(dá)0.066%～0.085%，往下品位逐漸變低，到18～25 m以后，則降至0.02%以下)，反映了風(fēng)化殼上部被剝蝕的不完備的礦化類型，在礦層厚度和礦體品位的空間變異作用下，進(jìn)一步引起資源量的空間分布不均勻，因而也需要采用分區(qū)設(shè)計(jì)注液孔網(wǎng)參數(shù)。

(2)分區(qū)確定孔網(wǎng)參數(shù)。影響原地浸礦孔網(wǎng)參數(shù)的因素是地形坡度、底板坡度、礦體滲透系數(shù)及其變異性，礦體品位及其變異性等。在原地浸礦過(guò)程中，地形坡度是引發(fā)滑坡的主要因素，當(dāng)坡度超過(guò)25°時(shí)，應(yīng)特別重視原地浸礦引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。對(duì)于出露式稀土礦山，底板形狀和坡度直接影響浸潤(rùn)面，進(jìn)而影響浸礦范圍，一般來(lái)說(shuō)，底板坡度越大，注液范圍越小，山脊和山頂?shù)目拙W(wǎng)參數(shù)應(yīng)適當(dāng)減小，山腰的孔網(wǎng)參數(shù)應(yīng)適當(dāng)加大。為實(shí)施均衡注液，即保證浸礦充分，在滲透系數(shù)小的區(qū)域和稀土資源富集區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)減小注液孔網(wǎng)參數(shù)或適當(dāng)增加注液孔深度。

確定分區(qū)孔網(wǎng)參數(shù)的步驟包括：①選擇影響孔網(wǎng)參數(shù)的關(guān)鍵因素，確定分區(qū)數(shù)和各分區(qū)范圍，計(jì)算各分區(qū)面積；②參照《離子型稀土礦原地浸礦開采技術(shù)規(guī)范》，選擇各分區(qū)的孔網(wǎng)參數(shù)，根據(jù)各分區(qū)面積計(jì)算分區(qū)注液孔的個(gè)數(shù)；③為便于注液孔的施工，根據(jù)各分區(qū)地形坡度計(jì)算該分區(qū)注液孔的坡面距離。

選擇單位面積稀土資源量及其空間變異性作為分區(qū)的主要因素，將礦塊分為4個(gè)分區(qū)，如圖3所示。

圖3　注液孔網(wǎng)參數(shù)分區(qū)

從圖3可見，4#分區(qū)、1#分區(qū)、2#分區(qū)和3#分區(qū)，在水平平面上，單位面積的資源量依次減少。參照前期在該礦區(qū)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇注液孔的排距和孔距均為1.5～2.0 m，在資源量富集區(qū)，孔距和排距取小值；在礦體較薄的區(qū)域，孔距和排距取大值。選擇注液孔徑為18 cm，根據(jù)山體坡度，計(jì)算得注液孔的坡面排距和間距為(2～4)m×(2～4)m。實(shí)際依據(jù)山形與礦山安全因素，在整個(gè)礦塊內(nèi)，共布置注液孔2 813個(gè)，總長(zhǎng)9 028.65 m，平均深度3.21 m。注液孔施工結(jié)束后，注液孔底部與周邊采用谷殼填充至孔口。

(3)合理確定注液孔深度。除了可以通過(guò)注液孔的孔距和排距調(diào)節(jié)硫酸銨的注液量，還可以通過(guò)注液孔的深度調(diào)節(jié)硫酸銨的注液量，對(duì)于存在滲透系數(shù)分層現(xiàn)象的稀土礦山，如果下部礦體的滲透系數(shù)比上部礦體的滲透系數(shù)小得多，合理設(shè)計(jì)注液孔深度顯得尤為重要。按照《離子型稀土礦原地浸礦開采技術(shù)規(guī)范》的要求，注液孔深度要求見礦0.5～1.0 m，受滲流阻力的影響，很難保證下部充分浸礦，需要實(shí)施深孔和淺孔注液，深孔要求見下部礦體0.5～1.0 m，淺孔要求見上部礦體0.5～1.0 m。當(dāng)下部礦體的資源量超過(guò)總資源量的30%時(shí)，深孔與淺孔個(gè)數(shù)之比宜為1∶(4～5)。

本次設(shè)計(jì)的礦塊表土厚度為3～10 m，礦體平均厚度為13 m，礦體的滲透系數(shù)相對(duì)均一，為使浸礦劑充分浸透礦層，同時(shí)也考慮便于注液孔施工，將礦體厚度分為2類：礦體厚度小于8 m，注液孔深度為見礦1.0 m；礦體厚度大于8 m，注液孔深度為見礦2.0 m。

(4)在前期形成的勘探孔中，布置水位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)浸潤(rùn)面上升過(guò)程。為了觀測(cè)注液過(guò)程中礦體內(nèi)部母液濃度變化，利用前期形成的勘探孔，注液期間每天取樣檢測(cè)分析。每天觀察礦體周圍、礦體山腳有無(wú)滲水、涌水等突發(fā)情況，根據(jù)前述監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)注液強(qiáng)度。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)注液強(qiáng)度的要求是：一方面控制硫酸銨溶液形成的浸潤(rùn)面超過(guò)礦體上表面，減少表層土對(duì)硫酸銨的損耗量；另一方面是對(duì)于坡度較大或者滲透性較好的區(qū)域，采用局部短時(shí)間提高注液強(qiáng)度，適當(dāng)提高浸潤(rùn)面高度，提高上部礦體的浸取率。

3　收液工程布置

3.1基本要求

合理布置收液工程，不僅能提高稀土資源回收率，還能有效控制地質(zhì)災(zāi)害，其基本要求包括：①提高稀土資源回收率。原地浸礦的資源回收率，一方面有賴于浸礦過(guò)程的溶液回收率，另一方面還有賴于母液濃度。溶液回收率主要受人造底板工程質(zhì)量、天然底板裂隙發(fā)育程度和潛水面位置等因素影響；母液濃度主要受到礦體品位、浸礦劑溶液濃度和收液工程與礦體下表面的距離等因素影響[7]；②控制地質(zhì)災(zāi)害。合理的收液系統(tǒng)，不僅可提高溶液回收率和母液濃度，還能有效“泄壓”，提高邊坡穩(wěn)定性，減少滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。如對(duì)具有臨空面的邊坡，易發(fā)生牽引式滑坡，需要適當(dāng)加大收液工程與邊坡坡腳的距離，保證坡腳的穩(wěn)定性，達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的目的；③動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)原地浸礦影響范圍?？梢酝ㄟ^(guò)收液系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算母液回收率，但是難以確定流失母液的影響范圍，原地浸礦生產(chǎn)過(guò)程中，浸出液不可避免地向礦塊外滲透，而且不可避免地有部分浸出液殘留于礦體中，破壞周圍水體和土壤環(huán)境，造成環(huán)境污染。如有的原地浸礦采場(chǎng)溪流水中稀土含量可達(dá)0.02 g/L，流域溪流水中氨氮濃度高達(dá)100 mg/L。因此，在稀土開采過(guò)程中需建立環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開采過(guò)程對(duì)周圍環(huán)境的影響，并及時(shí)實(shí)施保護(hù)措施。

3.2收液工程的設(shè)計(jì)過(guò)程

(1)熟悉礦塊的地質(zhì)資料。離子型稀土礦體主要賦存類型有2類[8]，如圖4所示，一類為出露式稀土礦床，也稱裸腳式稀土礦床；另一類為深潛式稀土礦床，也稱全覆式稀土礦床。根據(jù)稀土礦床底板出露程度，可以采用集液溝或集液溝與導(dǎo)流孔的組合收液系統(tǒng)回收母液；對(duì)于深潛式稀土礦床，可以采用巷道與導(dǎo)流孔組合收液系統(tǒng)或巷道與巷道組合收液系統(tǒng)回收母液。采用MAPGIS軟件整理勘探資料，通過(guò)若干個(gè)地質(zhì)剖面掌握礦體下表面、底板和潛水位等關(guān)鍵要素的空間位置，如圖1和圖2所示。通過(guò)地質(zhì)剖面圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，可知該礦塊屬于非典型出露式稀土礦床，即少部分區(qū)域山腳下有基巖出露，大部分區(qū)域基巖具有一定的埋深，影響母液從礦體直接流出地表，需要人工開挖收液工程提高收液率。

圖4　離子型稀土賦存類型1—腐殖層；2—表土層；3—全風(fēng)化層；4—礦體;5—半風(fēng)化層；6—基巖

(2)選擇收液系統(tǒng)。為便于施工，在基巖未直接出露的區(qū)域選擇巷道和巷道組合收液，主巷道的間距為25～35 m，在主巷道間按8～10 m的間距向兩側(cè)布置垂直收液副巷道，副巷道走向及長(zhǎng)度隨有效礦層而定。在副巷道中按4 m間距布置垂直收液支巷道，支巷道成錐形，長(zhǎng)度一般為3～5 m，在空間上主、副、支巷道形成密閉的網(wǎng)格狀集液系統(tǒng)，如圖5所示。主、副巷道底部設(shè)置15 cm×20 cm的集液溝，并鋪設(shè)塑料薄膜進(jìn)行防滲漏處理，巷道底板向巷道口傾斜，坡度為2.5%～3.0%。在各巷道口下方附近區(qū)域設(shè)置母液收集池，再用管道將母液送至水冶車間母液集中池。

圖5　巷道的集液系統(tǒng)

收液系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有2個(gè)重要問(wèn)題：一是收液系統(tǒng)的平面布置，先按間距25～35 m相對(duì)均勻布置主巷道，然后布置副巷道和支巷道。二是巷道出口的標(biāo)高，潛水位位置、礦體品位和勘探孔孔底標(biāo)高等3個(gè)主要因素。一般來(lái)說(shuō)，巷道離天然潛水面越近，溶液回收率越高；離礦體下表面越遠(yuǎn)，母液濃度越低；離勘探孔孔底越近，越容易發(fā)生通孔現(xiàn)象(硫酸銨溶液未經(jīng)礦層滲透直接流入巷道)。礦塊的主巷道布置如圖6所示。

圖6　礦塊的主巷道布置方案

(3)監(jiān)測(cè)工程的布置。結(jié)合前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇距離礦塊100 m范圍內(nèi)布置監(jiān)測(cè)孔，每周人工取水樣2次，測(cè)試水樣的pH值和銨氮指標(biāo)變化。

4　試驗(yàn)結(jié)果

注液過(guò)程共分4個(gè)階段，第一階段的硫酸銨溶液濃度為2.5%；第二階段的硫酸銨溶液濃度為2.0%；第三階段的硫酸銨溶液濃度為1.5%；第四階段注上清液，控制上清液的pH=4.8。4個(gè)階段共注液315 482 m3，共收液293 430 m3，母液回收率達(dá)93.01%，稀土資源回收率達(dá)85.56%。部分巷道的母液集液池濃度隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。

圖7　各巷道與集液池濃度變化■—1#巷道；●—3#巷道；▲—4#巷道；▼—6#巷道

從圖7可以看出，從15～23 d巷道開始流出母液，母液具有濃度高峰出現(xiàn)快和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，

表明注液工程布置合理，且4個(gè)階段硫酸銨濃度及其用量安排合理。

5　結(jié)　論

(1)根據(jù)單位面積資源賦存量的大小，將生產(chǎn)礦塊分成4個(gè)區(qū)域，按均衡注液的要求布置注液孔，同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)浸潤(rùn)面和濃度變化，主動(dòng)調(diào)節(jié)注液強(qiáng)度，達(dá)到充分浸礦的目的，母液具有濃度高峰出現(xiàn)快和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，稀土資源回收率達(dá)85.56%，相對(duì)前期在該礦區(qū)的資源回收率提高了8.0個(gè)百分點(diǎn)。

(2)針對(duì)非典型出露式稀土礦床，按照提高資源回收率和控制地質(zhì)災(zāi)害為基本要求，綜合考慮礦體品位的空間分布、潛水位位置、收液工程與礦體下表面的距離等因素對(duì)資源回收率的影響，采用了主、副、支巷道組成的密閉網(wǎng)格狀集液系統(tǒng)，母液回收率達(dá)93.01%。

[1]羅仙平,翁存建,徐晶，等.離子型稀土礦開發(fā)技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展方向[J].金屬礦山,2014(6):83-90.

[2]王觀石,鄧旭,胡世麗，等.非達(dá)西滲流條件下的單孔注液強(qiáng)度計(jì)算模型[J].礦冶工程,2015(3):4-9.

[3]池汝安,田君.風(fēng)化殼淋積型稀土礦化工冶金[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[4]李瑩婷,涂安斌,張?jiān)椒?等.混合銨鹽用于風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸取稀土的動(dòng)力學(xué)研究[J].化工礦物與加工,2009(2):19-24.

[5]張樹標(biāo),李明才,饒運(yùn)章，等.離子型稀土原地浸礦采場(chǎng)山體滑坡防控試驗(yàn)研究[J].有色金屬科學(xué)與工程,2015(4):116-120.

[6]湯洵忠,李茂楠,楊殿.離子型稀土礦原地浸析采場(chǎng)滑坡及其對(duì)策[J].金屬礦山,2000(7):6-9.

[7]湯洵忠,李茂楠,楊殿.離子型稀土原地浸析采礦的再吸附問(wèn)題及對(duì)策[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998(6):523-526.

[8]袁長(zhǎng)林.中國(guó)南嶺淋積型稀土溶浸采礦正壓系統(tǒng)的地質(zhì)分類與開采技術(shù)[J].稀土,2010(2):75-79.

2016-06-26)

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51264008)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：20151BAB206023；20133ACB20003)。

郭階慶(1983—)，男，總經(jīng)理助理，工程師，365000 福建省龍巖市。