溶浸作用下稀土礦力學(xué)弱化規(guī)律研究

陳勛，齊炎,，尹升華，李希雯，謝芳芳，劉伽偉，陳威，嚴(yán)榮富

(1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌，330031；3.江西離子型稀土工程技術(shù)研究有限公司，江西 贛州，341000)

稀土礦中的成分經(jīng)傳統(tǒng)的物理和化學(xué)選礦方法無(wú)法提取，該類(lèi)礦床的開(kāi)采先后經(jīng)歷了池浸和堆浸的發(fā)展階段，現(xiàn)采取原地浸出新工藝，以實(shí)現(xiàn)稀土礦綠色高效回收[1–4]。然而，在稀土礦原地浸出過(guò)程中，溶浸液在礦體內(nèi)不斷滲流并與稀土離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，礦體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，易導(dǎo)致稀土礦的礦體及圍巖力學(xué)性質(zhì)的變化，同時(shí)浸礦后各礦層的礦物成分與浸礦前明顯不同，各礦層的顆粒級(jí)配也有差異，各礦層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響礦體強(qiáng)度誘發(fā)山體失穩(wěn)進(jìn)而采場(chǎng)發(fā)生滑坡災(zāi)害，造成溶浸液污染水土以及礦物資源損失[5–8]。因此，研究和掌握稀土礦浸出過(guò)程稀土礦力學(xué)弱化規(guī)律是提高稀土離子浸出效率和保障采區(qū)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。羅嗣海等[9–13]對(duì)飽和及非飽和稀土礦體的強(qiáng)度特性做了大量工作，也取得了豐富的研究成果。饒睿等[14]也針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)易發(fā)生滑坡的稀土礦區(qū)，開(kāi)展了系列工業(yè)調(diào)查和試驗(yàn)，得到了稀土礦采場(chǎng)滑坡的破壞類(lèi)型，并提出了可靠的預(yù)防措施。李永欣等[15]著眼于浸礦過(guò)程中礦石粒徑對(duì)稀土抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)合柱浸試驗(yàn)和土體三軸試驗(yàn)，得到浸礦能夠改變稀土礦顆粒級(jí)配的結(jié)論。國(guó)外對(duì)類(lèi)似稀土礦性質(zhì)的黏土礦物等也進(jìn)行了許多相關(guān)的研究，LIN等[16]考慮頁(yè)巖風(fēng)化后的膨脹黏性土在吸水狀態(tài)下的力學(xué)特性，探討了土體結(jié)構(gòu)、圍壓條件、吸力、毛細(xì)作用和應(yīng)變水平等因素對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。XIAO等[17]針對(duì)膨脹土路塹邊坡在反復(fù)干濕循環(huán)下的破壞問(wèn)題，對(duì)該類(lèi)土體的飽和排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，提出了有效黏結(jié)力的減弱是邊坡發(fā)生破壞的重要因素。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于稀土礦及類(lèi)似稀土礦的黏性土強(qiáng)度方面的研究大多都依托于剪切試驗(yàn)和土體三軸試驗(yàn)，亦或是路塹邊坡破壞等方面的分析，針對(duì)稀土礦在溶浸作用下強(qiáng)度弱化機(jī)制的研究較少?；谏鲜鰧?shí)際問(wèn)題，結(jié)合前人研究手段及思路，本文作者基于相似模擬手段自制一套手動(dòng)控制的浸礦裝置，以傳統(tǒng)柱浸試驗(yàn)為原型，按照不同試驗(yàn)需求，進(jìn)行模擬不同控制因素下的浸礦試驗(yàn)，浸礦后借助土工應(yīng)變控制式直剪儀 ZJ–2測(cè)定礦樣的抗剪強(qiáng)度，分析抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（黏聚力和內(nèi)摩擦角）隨浸礦時(shí)間變化特征，探索溶浸液對(duì)稀土礦力學(xué)弱化機(jī)理，為科學(xué)預(yù)測(cè)和控制礦體穩(wěn)定性提供新理論和思路。

1 試驗(yàn)

1.1 礦樣制備

試驗(yàn)稀土礦來(lái)自江西贛南某試驗(yàn)礦，礦樣呈米白色，夾雜部分腐殖層植物殘?jiān)?，利用碾磨棒將黏結(jié)的大顆粒碾碎后，去除雜質(zhì)并在105℃下烘干12 h。該類(lèi)稀土礦是由花崗巖和火山巖在濕熱氣候下經(jīng)生物和化學(xué)風(fēng)化作用形成，礦中75%～95%的稀土元素是以水合陽(yáng)離子或者羥基水合陽(yáng)離子的形式被黏土礦物吸附，其余的稀土元素則以游離態(tài)的水溶相、膠態(tài)沉積相以及礦物相的形態(tài)存在[18]。進(jìn)行模擬浸礦試驗(yàn)之前，對(duì)稀土礦樣進(jìn)行配礦。利用孔徑大于0.6 mm的土工標(biāo)準(zhǔn)篩和頂擊式振篩機(jī)對(duì)顆粒進(jìn)行篩分，0.5 mm以下的顆粒用LS–POP(9)型粒度分析儀器檢測(cè)。因稀土礦屬于黏土礦物，顆粒粒徑偏小，一般大于 5 mm的顆?？烧J(rèn)為是雜質(zhì)顆粒。重配比后的試樣各粒級(jí)組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1，級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

1.2 試驗(yàn)裝置

浸礦試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2，該裝置主要由注液、輸液和反應(yīng)系統(tǒng)組成。其中，注液系統(tǒng)由溶浸池(直徑為150 mm，高度為270 mm的圓錐型桶)和總控制閥門(mén)組成；輸液系統(tǒng)由6根醫(yī)用PVC輸液軟管和控制噴淋速率閥門(mén)組成；反應(yīng)系統(tǒng)由6個(gè)土工環(huán)刀(直徑為61.8 mm，高度為40 mm)和透水石組成。浸礦液采用工業(yè)常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的(NH4)2SO4溶液，控制噴淋速率為0.85 mL/min。

表1 礦樣粒級(jí)組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Particle sizes and mass fractions of mineral samples

圖1 礦樣級(jí)配曲線(xiàn)圖Fig.1 Gradation diagram of mineral samples

圖2 柱浸實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of structure of column leaching experiment device

1.3 試驗(yàn)步驟

1)前期工作。按照試驗(yàn)要求配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的(NH4)2SO4溶液，控制 6個(gè)注液閥門(mén)的噴淋速率為0.85 mL/min，將烘干后的稀土礦樣靜置于干燥皿內(nèi)，加入定量的去離子水均勻調(diào)配至天然含水率ω0=14.82%，每次試驗(yàn)所需的礦樣質(zhì)量為99.6 g，裝樣之后用保鮮膜封裝，并放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)恒溫保濕 12 h以上。

2)剪切試驗(yàn)。浸礦試驗(yàn)前對(duì) 4個(gè)礦樣分別施加100，200，300和400 kPa的垂直荷載進(jìn)行剪切，得到初始的抗剪切強(qiáng)度指標(biāo)。檢查浸礦反應(yīng)系統(tǒng)中的噴淋速率，用量筒盛裝溶浸液，在固定時(shí)間內(nèi)測(cè)定流出的體積，分別調(diào)節(jié)好注液閥門(mén)的噴淋速率。

3)浸礦試驗(yàn)。本次浸礦試驗(yàn)控制噴淋速率不變下，對(duì)4組浸礦時(shí)間分別為2，4，6和8 h的礦樣分別進(jìn)行浸礦。浸礦試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)每組浸礦時(shí)間下的4個(gè)礦樣分別施加與浸礦前剪切相同的垂直荷載進(jìn)行剪切。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同浸礦時(shí)間下稀土礦強(qiáng)度弱化規(guī)律

風(fēng)化殼淋積型稀土礦開(kāi)采過(guò)程中，礦體穩(wěn)定性與諸多因素有關(guān)，對(duì)其影響因素可進(jìn)行總結(jié)劃分為內(nèi)在因素及外在因素[19]。內(nèi)在因素主要包括礦體自身的物理力學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)特性以及地質(zhì)構(gòu)造特征等；外在因素主要取決于礦體賦存的條件、自然氣候變化、降雨沖刷及人類(lèi)活動(dòng)等外力因素。原地開(kāi)采稀土的過(guò)程實(shí)際就是人工外力作用下，對(duì)稀土礦體進(jìn)行了外力活動(dòng)(鉆孔，注液等)。稀土礦體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括黏聚力和內(nèi)摩擦角，分析同一注液參數(shù)下浸礦時(shí)間對(duì)稀土礦樣的強(qiáng)度影響，得到不同浸礦時(shí)間下稀土礦樣于不同正應(yīng)力條件下的剪應(yīng)力及位移。圖3所示為不同浸礦時(shí)間的稀土礦在100，200，300和400 kPa正應(yīng)力下的剪應(yīng)力–位移關(guān)系曲線(xiàn)。

由圖3可知：剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大呈“類(lèi)拋物線(xiàn)”變化，當(dāng)增長(zhǎng)到抗剪強(qiáng)度附近時(shí)，剪應(yīng)力隨剪位移的增大而逐漸減小。剪應(yīng)力的峰值則為破壞瞬間的剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力經(jīng)過(guò)峰值開(kāi)始下降，試樣已經(jīng)發(fā)生破壞。取各剪應(yīng)力曲線(xiàn)的峰值點(diǎn)作為礦樣的剪切強(qiáng)度。4種正應(yīng)力條件下浸礦時(shí)間與礦體抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

從圖4可知：礦體剪應(yīng)力峰值隨著浸礦時(shí)間的增加而不斷減小，這主要由于稀土礦浸出過(guò)程中，受到溶浸液的侵蝕、溶解和離子交換等作用，使得細(xì)小顆粒在礦體中發(fā)生遷移，改變了初始的顆粒級(jí)配和孔隙結(jié)構(gòu)，從而稀土礦顆粒間的黏結(jié)作用力下降，隨著浸礦作用逐漸加強(qiáng)，礦體整體結(jié)構(gòu)變得松軟，最終體現(xiàn)為剪應(yīng)力不斷降低。

2.2 不同浸礦時(shí)間下稀土礦樣黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ

對(duì)不同正應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度變化進(jìn)行線(xiàn)性回歸可得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與浸礦時(shí)間的關(guān)系，如圖5所示。線(xiàn)性回歸直線(xiàn)與縱軸交點(diǎn)即試樣黏聚力c，與橫軸夾角即試樣內(nèi)摩擦角φ，具體結(jié)果如表2所示。

圖3 不同浸礦時(shí)間下礦樣剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系Fig.3 Relationship between shear stress and shear displacement for different leaching time

由表2可知：稀土礦樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c和φ)均隨浸礦時(shí)間的增大而變小。

2.3 浸礦時(shí)間與黏聚力的關(guān)系

為建立稀土礦浸礦時(shí)間與黏聚力的關(guān)系，試驗(yàn)稀土礦樣孔隙比與黏聚力的變化關(guān)系如圖6所示。對(duì)圖6中試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布，分別采取線(xiàn)性、多項(xiàng)式和單指數(shù)衰減函數(shù)的形式進(jìn)行擬合分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知：?jiǎn)沃笖?shù)衰減函數(shù)形式擬合程度最高，因此，采用下式建立稀土礦浸礦時(shí)間t與黏聚力c的數(shù)學(xué)模型。

式中：c為黏聚力，kPa；t為浸礦時(shí)間，h。

圖4 剪應(yīng)力與浸礦時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between shear stress and leaching time

圖5 正應(yīng)力與剪應(yīng)力的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between normal stress and shear stress

由圖6可知：隨著浸礦時(shí)間增長(zhǎng)，礦體顆粒內(nèi)部原有的微裂隙不斷擴(kuò)展，溶浸液與稀土發(fā)生交換，礦體顆粒表面形成新的孔裂隙，從而整體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，礦體整體的黏結(jié)效果也急劇減弱，微觀層次上表現(xiàn)為分子間的范德華力減弱，因此，宏觀表現(xiàn)為黏聚力下降。

2.4 浸礦時(shí)間與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

測(cè)定不同浸礦時(shí)間下試驗(yàn)礦樣內(nèi)摩擦角的變化，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見(jiàn)：試樣內(nèi)摩擦角φ隨浸礦時(shí)間t的變大而不斷減小。結(jié)合圖7的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用線(xiàn)性擬合，根據(jù)擬合結(jié)果，建立內(nèi)摩擦角φ與浸礦時(shí)間t的數(shù)學(xué)模型，如下式所示：

式中：φ為內(nèi)摩擦角。

由圖7可知：浸礦時(shí)間變大說(shuō)明礦物顆粒與溶解液的反應(yīng)程度越大，強(qiáng)化了溶浸液對(duì)顆粒面的潤(rùn)滑效應(yīng)，大多數(shù)礦物顆粒表面變光滑，此外黏土稀土礦物受到(NH4)2SO4溶液的浸泡之后，結(jié)合水膜會(huì)發(fā)生膨脹和擴(kuò)充現(xiàn)象，同時(shí)NH4+與稀土陽(yáng)離子發(fā)生交換，影響了礦物顆粒表面雙電層的分布，使得礦體的內(nèi)摩擦角減小，強(qiáng)度弱化，甚至發(fā)生局部破壞和失穩(wěn)。

表2 不同浸礦時(shí)間下稀土抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 2 Shear strength parameters of rare earth for different leaching time

圖6 浸礦時(shí)間與黏聚力關(guān)系Fig.6 Relationship between leaching time and cohesive force

表3 3種形式擬合結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of three forms of fitting results

圖7 浸礦時(shí)間與內(nèi)摩擦角關(guān)系Fig.7 Relationship between leaching time and internal friction angle

2.5 礦石顆粒遷移分析

對(duì)礦石顆粒單獨(dú)受力分析，假定從礦樣中任取一個(gè)半徑為r的稀土礦顆粒，密度為ρ，分析該顆粒在礦體中的受力情況，受力示意如圖8所示。單個(gè)顆粒在礦體中受到的力主要有：顆粒自身的重力G，周邊顆粒對(duì)其的外力作用P0，顆粒間的膠結(jié)力Pg，顆粒表面的電子斥力Pr，顆粒表面的電子吸力Pa，溶浸液作用下的滲流力Pj。

根據(jù)靜力平衡原理可得如下平衡方程：

圖8 單個(gè)礦石顆粒受力分析示意圖Fig.8 A schematic diagram of force analysis of a single ore particle

設(shè)定顆粒頂部到底部的水力坡降為Jr時(shí)，方程可變形為

根據(jù)式(4)可得到水力坡降為Jr的表達(dá)式：

式(5)所示為溶浸液滲流、應(yīng)力和化學(xué)等因素的計(jì)算公式，稀土礦原地浸礦過(guò)程中，(NH4)2SO4溶液與稀土顆粒發(fā)生置換反應(yīng)后，使得顆粒單位間的膠結(jié)力Pg降低，假定浸礦過(guò)程顆粒粒徑不受溶解作用而改變，則顆粒的坡降項(xiàng)將減小，因此實(shí)際浸礦過(guò)程單個(gè)小顆粒更容易在溶浸作用下發(fā)生遷移。從而整體的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，礦體整體強(qiáng)度減弱。

3 結(jié)論

1)稀土原礦及浸出后礦樣的剪應(yīng)力均隨剪位移的增大呈類(lèi)拋物線(xiàn)變化，經(jīng)歷剪應(yīng)力峰值后剪應(yīng)力隨剪位移的變大而逐漸減??；在相同正應(yīng)力條件下，礦塊剪應(yīng)力峰值與浸礦時(shí)間呈負(fù)相關(guān)變化關(guān)系。

2)分別得到了稀土礦浸礦時(shí)間與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系。浸礦過(guò)程細(xì)小礦物顆粒發(fā)生遷移，微裂隙擴(kuò)展致使礦體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，顆粒間的黏結(jié)力減弱，最終表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度變?nèi)?，其?qiáng)度弱化的原因可歸結(jié)為稀土礦在溶浸液的滲流和應(yīng)力因素的耦合作用。

3)稀土礦的剪切強(qiáng)度特性與溶浸液的濃度、噴淋速度、顆粒級(jí)配及含水率等因素相關(guān)，其本質(zhì)上取決于礦樣在浸礦過(guò)程中的顆粒結(jié)構(gòu)變化及微小礦物的遷移程度，今后的研究還需借助相關(guān)微觀儀器從微細(xì)觀層次上分析試驗(yàn)現(xiàn)象。