稀土礦原地浸取工藝配套防滲效果分析

李 娜 ，王麗娟 ，符 平 ，周建華 ，趙衛(wèi)全

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048； 2.北京中水科工程總公司，北京 100048）

1 研究背景

稀土金屬是指元素周期表ⅢB族中的鈧、釔和鑭系等17種元素的總稱(chēng)。稀土元素用途很廣，目前在冶金、石油、玻璃、電子、原子能工業(yè)和化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保及輕工業(yè)等方面都有廣泛應(yīng)用［1-2］。稀有元素在自然界相當(dāng)分散，形成獨(dú)立礦床較少。全風(fēng)化層的中上部稀土品位相對(duì)較高，常形成礦體上、下貧，中間富的分層富集的特點(diǎn)［3-4］。因礦區(qū)的礦體賦存在風(fēng)化殼中，早期開(kāi)采方式為露采，然后進(jìn)行池浸或者堆浸。池浸工藝需進(jìn)行“搬山”運(yùn)動(dòng)，破壞植被，水土流失嚴(yán)重，基本已被淘汰；堆浸工藝需砍伐植被，占用大量土地。第三代原地浸礦工藝與過(guò)去池浸或堆浸工藝相比具有產(chǎn)量大、速度快、不開(kāi)挖山體、基本上不產(chǎn)生尾砂、無(wú)廢水排放等顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛地應(yīng)用［5-7］。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，第三代原地浸出工藝也面臨一些難題［8］：

（1）復(fù)雜地質(zhì)條件礦山資源回收率偏低，尤其是底板裂隙發(fā)育、巖體破碎的稀土礦，采用原地浸取工藝效果不理想。

（2）部分礦山生態(tài)環(huán)境污染突出，浸出藥劑殘留在礦體中，經(jīng)過(guò)遷移等可能對(duì)生態(tài)及地下水資源造成二次污染。

（3）注液強(qiáng)度不當(dāng)容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

這些難題，主要原因是由于稀土礦埋藏的復(fù)雜地質(zhì)條件引起的，尤其是下臥底板的裂隙發(fā)育和破碎巖體導(dǎo)致的母液滲透，因此需要進(jìn)一步發(fā)展礦體區(qū)域流場(chǎng)控制技術(shù)。采用底板防滲體結(jié)構(gòu)（圖1）對(duì)開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行防滲處理可對(duì)滲流場(chǎng)進(jìn)行有效的控制。

采用底板防滲體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠?qū)ΦV區(qū)各個(gè)巖層（土層）分布情況進(jìn)一步掌握，為積液溝/積液井的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）防止含礦物的浸出藥劑向下滲漏至底部基巖中，造成回收困難及藥劑流失；提高浸出藥劑回采率，減小生態(tài)破壞。

（3）防滲體系采用的鉆孔可“一孔多用”：①防滲體的灌漿孔；②有抗滑要求時(shí)可作為微型樁、鋼管樁施工孔；③優(yōu)選結(jié)合進(jìn)行浸出藥劑注入孔；④優(yōu)選結(jié)合進(jìn)行浸出藥劑提取孔。

（4）防滲體施工機(jī)具簡(jiǎn)便，可大規(guī)模組織施工，確保質(zhì)量的同時(shí)可確保工程進(jìn)度。

圖1 稀土礦底板防滲體結(jié)構(gòu)示意圖

（5）可大量減少地下巷道開(kāi)挖及回填，以節(jié)約工程投資、加快工程進(jìn)度、減小安全風(fēng)險(xiǎn)、減小生態(tài)破壞。

文章通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和模擬計(jì)算，驗(yàn)證了采用底板防滲方案后與不采用防滲處理的第三代原地浸取工藝的典型稀土礦的稀土回收率提高幅度和其經(jīng)濟(jì)合理性，并對(duì)典型稀土礦的防滲方案進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，推薦了效果可靠、經(jīng)濟(jì)合理的防滲處理方案。

2 稀土提取工藝簡(jiǎn)介

對(duì)江西贛州分布的典型稀土礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)研。離子型稀土礦在江西贛州主要分布在龍南、定南和全南3個(gè)縣。龍南地區(qū)重稀土儲(chǔ)量高、礦體埋深淺（表層覆土厚度約為1～3 m），龍南地區(qū)稀土礦開(kāi)采主要采用“原地注入母液→山腳積液溝積液→母液處理”的工藝流程。山體上按照1.5 m×（0.5～2 m）的間距布置注液孔，管道輸送母液從注液孔滴入（每天的注液速率為1.0～2.0 m3/d），在山腳開(kāi)挖積液溝和積液井。定南地區(qū)重稀土儲(chǔ)量一般、礦體埋深相對(duì)較深（3～5 m）、礦體厚度大（10 m左右）、礦體以下還有微風(fēng)化層（貧礦）、天然底板埋深一般在20m左右，因此定南縣稀土礦開(kāi)采主要采用“原地注入母液→人工底板積液（人工底板采用巷道結(jié)合鉆孔，巷道下部和鉆孔下部均進(jìn)行水泥防滲）→母液處理”的工藝流程，巷道采用人工開(kāi)挖，在巷道間施工滲透孔，一般滲透孔梅花型水平布置兩排。巷道和滲透孔底板采用水泥進(jìn)行防滲，巷道施工高程為礦體底部與微風(fēng)化層交界部位，用PVC管將表層覆土（3～5 m）隔離，母液直接到達(dá)礦體頂端。

原地浸取技術(shù)采用的母液為濃度2%～5%的硫酸銨溶液，注液孔全部采用160～180 mm鉆孔，母液注入礦體后與稀土產(chǎn)生離子交換，銨根離子被交換進(jìn)土壤，稀土離子和硫酸根結(jié)合。用泵將含有稀土離子的母液泵至處理廠，在處理廠中，用碳酸氫銨將含稀土離子的母液中金屬離子沉淀下來(lái)，完成稀土的現(xiàn)場(chǎng)收集。

3 計(jì)算參數(shù)試驗(yàn)

（1）土樣密度和含水率測(cè)定。選取龍南和定南兩個(gè)稀土礦土樣采集點(diǎn)，每種稀土礦分別取環(huán)刀土樣5個(gè)，共計(jì)取環(huán)刀土樣10個(gè)，并取部分裸露礦層原狀土樣，對(duì)稀土礦土樣進(jìn)行了天然密度、天然含水率參數(shù)測(cè)定［9］。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 典型稀土礦土樣參數(shù)

（2）母液參數(shù)測(cè)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)浸取稀土母液配比，配制典型的母液，測(cè)定母液液體的比重、穩(wěn)定性、流變參數(shù)（黏度）等參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

（3）滲透系數(shù)測(cè)定。結(jié)合礦樣和浸取母液，測(cè)定不同配比母液在不同稀土礦樣中的滲透性。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 典型稀土礦母液參數(shù)

4 稀土礦區(qū)防滲三維數(shù)值分析

選取現(xiàn)場(chǎng)典型的稀土礦埋藏和分布形式，選擇不同的現(xiàn)場(chǎng)浸取系數(shù)、母液參數(shù)效果進(jìn)行了三維滲流計(jì)算，研究稀土浸取過(guò)程和采取率。防滲底板采用不同的尺寸（2 m厚和5 m厚）和不同的滲透系數(shù)（5×10-5cm/s～5×10-7cm/s），對(duì)比不同的防滲效果。

表3 不同母液土樣的滲透性

（1）計(jì)算模型。計(jì)算模型最大斷面示意圖見(jiàn)圖2—圖3。其中覆蓋層最厚為2 m，礦體最厚為10 m，防滲底板分別厚2 m、5 m。三維模型見(jiàn)圖4，基于對(duì)稱(chēng)性，取山體的一半進(jìn)行研究，模型1（防滲底板厚2 m）包含239 857個(gè)節(jié)點(diǎn)，385 869個(gè)單元；模型2（防滲底板厚5 m）包含250 577個(gè)節(jié)點(diǎn)，395 957個(gè)單元。覆蓋層面施加5 m的壓力水頭邊界，積液溝為滲流面，地基邊墻設(shè)為不透水邊界，計(jì)算周期為稀土礦1次浸取過(guò)程。

使用加重殘差（weighed residual）的伽遼金（Galerkin）法的有限元方程式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算［10-11］：

圖2 模型1最大斷面示意圖（防滲底板厚2m）（單位：m）

圖3 模型2最大斷面示意圖（防滲底板厚5m）（單位：m）

其中[B]為動(dòng)水坡度矩陣；為單元滲透系數(shù)矩陣；為節(jié)點(diǎn)水頭向量；為形函數(shù)向量；q為單元邊的單位重量，λ=mWγW為非穩(wěn)定流的阻流項(xiàng)為隨時(shí)間變化的水頭。

圖4 三維計(jì)算模型（防滲底板厚2m及5m）

表4 計(jì)算參數(shù)

（2）計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

（3）典型計(jì)算結(jié)果及分析。將防滲底板滲透系數(shù)分別設(shè)為1×10-3cm/s及5×10-7cm/s，對(duì)比無(wú)底板和有底板的孔隙水壓力分布見(jiàn)圖5，水力梯度分布見(jiàn)圖6。

可見(jiàn)，無(wú)防滲底板的計(jì)算模型，總水頭和孔隙水壓力分布均勻，水力梯度最大值為4.64，位于積液溝邊緣。有防滲底板的計(jì)算模型，總水頭分布均勻，在防滲底板以下變化較??；孔隙水壓力和水力梯度在防滲底板處變化較大，水力梯度最大值為15.51。

三維模型不同方案的典型成果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表5。

圖5 孔隙水壓力分布對(duì)比圖（無(wú)底板和有底板）

圖6 水力梯度分布對(duì)比圖（無(wú)底板和有底板）

計(jì)算結(jié)果表明，防滲底板的防滲效果十分明顯。改變防滲底板（2 m厚）的滲透系數(shù)從5×10-5cm/s降至1×10-5cm/s，采取率提高至60%左右；從1×10-5cm/s降至5×10-6cm/s，采取率提高至70%左右；從5×10-6cm/s降至5×10-7cm/s，采取率提高至80%左右。改變防滲底板的厚度，5 m厚比2 m厚的采取率可再增加10%左右。隨著底板滲透系數(shù)的減小，水力梯度最大值逐漸增加，同樣條件下，2 m厚的底板方案比5 m厚的底板方案的水力梯度最大值略大，但均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

表5 三維模型不同方案典型成果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、室內(nèi)測(cè)試稀土礦樣參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)條件和稀土礦萃取情況，利用三維滲流計(jì)算，獲取了不同底板防滲效果后的稀土礦萃取情況。

（1）有防滲底板比無(wú)防滲底板的采取率可提高30%左右；通過(guò)改變防滲底板的滲透系數(shù)從5×10-5cm/s至5×10-6cm/s，采取率可提高30%～80%左右；通過(guò)改變防滲底板的厚度從2 m至5 m，采取率可再提高10%左右。

（2）根據(jù)灌漿可能達(dá)到的效果和經(jīng)濟(jì)成本考慮，防滲方案推薦采用防滲系數(shù)為5×10-5cm/s，厚度為2 m的防滲底板。防滲系數(shù)為1×10-5cm/s，防滲底板厚度為2 m的方案和防滲系數(shù)為5×10-5cm/s，防滲底板厚度為5 m的方案防滲效果更好，但施工難度和經(jīng)濟(jì)成本更高。