離子型稀土資源開采負(fù)外部性的能控性與能觀測(cè)性分析

鄒國良， 劉娜娜， 吳一丁

（江西理工大學(xué)，a. 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院；b. 有色金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，江西 贛州341000）

離子型稀土（風(fēng)化殼淋積型稀土）因其廣泛的應(yīng)用價(jià)值而備受世界普遍關(guān)注。因原地浸礦工藝對(duì)采場(chǎng)地表植被破壞小、水土流失少以及開采的不完全成本相對(duì)較低等原因，我國有關(guān)部門出臺(tái)的政策明確規(guī)定“推廣原地浸礦工藝，禁止使用堆浸工藝”。然而，目前無論在學(xué)術(shù)界還是在生產(chǎn)實(shí)踐中，人們對(duì)該政策存在意見分歧，相當(dāng)一部分專家學(xué)者及生產(chǎn)實(shí)踐者認(rèn)為原地浸礦工藝、堆浸工藝各有利弊，堆浸工藝也有其優(yōu)勢(shì)。由于離子型稀土資源開采無論采用何種浸取工藝都會(huì)對(duì)資源、生態(tài)環(huán)境造成不同程度的影響，因此，在生態(tài)文明建設(shè)國家戰(zhàn)略背景下，如何選擇浸取工藝以避免因離子型稀土資源開采負(fù)外部性造成資源環(huán)境的持續(xù)負(fù)面影響顯得尤為重要。

目前，離子型稀土資源采用何種開采工藝一直未從系統(tǒng)角度進(jìn)行研究，尤其未從離子型稀土開采負(fù)外部性的能控性和能觀測(cè)性角度去評(píng)價(jià)。文中基于現(xiàn)代控制理論的視角， 從原地浸礦及堆浸工藝對(duì)資源、生態(tài)環(huán)境影響等負(fù)外部性的能控性和能觀測(cè)性角度進(jìn)行分析，以期為這兩種工藝的系統(tǒng)評(píng)價(jià)以及為國家相關(guān)政策的完善奠定基礎(chǔ)。

1 文獻(xiàn)綜述

文中引證的相關(guān)文獻(xiàn)主要集中在離子型稀土礦床賦存特征、資源儲(chǔ)量計(jì)算、工藝基本原理、負(fù)外部性的表現(xiàn)形式、 原地浸礦工藝及堆浸工藝的比較等方面。 由于離子型稀土主要產(chǎn)區(qū)在中國，以及此前其他國家的離子型稀土資源基本未開采，因此，國外相關(guān)研究文獻(xiàn)很少，國內(nèi)文獻(xiàn)相對(duì)較多。

1.1 離子型稀土礦床賦存特征及資源儲(chǔ)量估算

1）離子型稀土礦床賦存特征。 離子型稀土礦床為近地表或裸露地面的火山巖或風(fēng)化花崗巖風(fēng)化殼，大多處于海拔低于550 m 以及高差在60～250 m之間的丘陵地帶。 礦床厚度為5～30 m，礦體由上而下比較明顯地分為腐殖層（含殘坡積層）、全風(fēng)化層、半風(fēng)化層以及基巖， 稀土主要賦存在全風(fēng)化層及部分半風(fēng)化層。 另外，根據(jù)原礦稀土品位隨礦體深度變化表現(xiàn)出的規(guī)律，礦體分深潛式、淺伏式和表露式等三種分布形式[1]。 離子型稀土礦主要是黏土類礦物，該類稀土礦物中稀土元素的85%以離子相存在，原礦稀土品位（含REO）一般為0.05%～0.3%，同一礦區(qū)的不同山頭其稀土品位可能相差2～6 倍，品位變化規(guī)律不明顯[2]，采用常規(guī)的物理選礦法無法使稀土富集為相應(yīng)的稀土精礦，因此，只能采用化學(xué)選礦法。

2）離子型稀土資源儲(chǔ)量估算。稀土礦床勘查規(guī)范對(duì)稀土總量的一般工業(yè)指標(biāo)作了要求，稀土總量圈礦是離子型稀土礦床勘查規(guī)范要求的常用方法[3]。 賴兆添等[4]認(rèn)為浸礦“盲區(qū)” 損失的儲(chǔ)量估算還有待研究。丁嘉榆等[5]認(rèn)為以“全相”指標(biāo)計(jì)算的稀土儲(chǔ)量大，但是可利用的“離子相”稀土只占一部分，而且“離子相”稀土儲(chǔ)量估算不準(zhǔn)確，從而礦床評(píng)價(jià)結(jié)果有可能誤導(dǎo)宏觀決策。 鄧茂春等[6]認(rèn)為稀土單元素圈礦優(yōu)于稀土總量圈礦和稀土浸取量圈礦。 趙汀等[7-8]基于克里格法構(gòu)建了儲(chǔ)量估算的三維模型及評(píng)價(jià)方法計(jì)算離子型稀土儲(chǔ)量，結(jié)果表明較采用塊段法更接近實(shí)際勘探數(shù)據(jù)。 王瑞等[9]基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立變異函數(shù)模型，對(duì)稀土實(shí)驗(yàn)?zāi)K分別采用普通克里格法和距離冪次反比法進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用普通克里格法計(jì)算儲(chǔ)量更合適。伍昕宇等[10]提出離子型稀土礦儲(chǔ)量計(jì)算的剖面反距離加權(quán)插值算法，該方法與傳統(tǒng)塊段法相比其儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果更加精確。

1.2 原地浸礦、堆浸工藝比較及工藝發(fā)展

1）原地浸礦、堆浸工藝?yán)住?李永繡[11]認(rèn)為于全復(fù)式的復(fù)雜類型離子礦地質(zhì)條件的礦體，即便采取人造底板及防滲漏、收液等處理措施，其效果也不理想；陳建國[12]認(rèn)為不是任何離子型稀土礦都能采用原地浸礦工藝，該工藝受到地形以及地質(zhì)條件的限制。 李春[13]認(rèn)為中釔富銪“雞窩狀”嚴(yán)重的離子型稀土礦使用原地浸礦工藝存在一定難度。池汝安等[14]認(rèn)為堆浸工藝和原地浸出工藝各有利弊，對(duì)于礦體有假底板和無裂隙的礦床優(yōu)先推廣原地浸出工藝. 而對(duì)于礦體沒有假底板或有裂隙的礦床，應(yīng)該結(jié)合土地平整和尾礦復(fù)墾，首推堆浸工藝。 蔡奇英[15]認(rèn)為要因地制宜選擇離子型稀土浸取工藝，不能搞“一刀切”地采用原地浸礦，以免浪費(fèi)有限的不可再生的資源。 劉勇[16]認(rèn)為原地浸礦過程中不易確定精確的滲漏量。鄒國良等[17-18]認(rèn)為離子型稀土原地浸礦、堆浸工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)及其適用條件，采用堆浸工藝浸出離子型稀土對(duì)資源損失及生態(tài)環(huán)境破壞具有可控性，而采用原地浸礦工藝浸出稀土對(duì)資源環(huán)境的影響具有不確定性及風(fēng)險(xiǎn)性。趙彬等[19]認(rèn)為當(dāng)前離子型稀土礦原地浸礦開采存在資源綜合回收利用率低以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，并基于離子型稀土礦床地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件以及水文地質(zhì)條件等方面制訂了原地浸礦技術(shù)適用性對(duì)照表。丁嘉榆[20]認(rèn)為“堆浸”工藝可獲得很好的稀土浸出率及稀土綜合收率指標(biāo)，“堆浸” 工藝不能作為離子型稀土礦的正規(guī)開采工藝并提出“堆浸”工藝的適用條件和范圍。 陳道貴[21]將原地浸礦技術(shù)適用性分成五個(gè)等級(jí)，認(rèn)為適用性為I～I(xiàn)II 級(jí)的采場(chǎng)可原地浸礦開采，而適用性為IV 和V 級(jí)的采場(chǎng)應(yīng)待未來技術(shù)進(jìn)步之后再開采。

2）離子型稀土浸取工藝發(fā)展。 羅仙平等[22]認(rèn)為開發(fā)可替代硫酸銨及碳酸氫銨的高效、低污染的浸取劑和沉淀劑，以實(shí)現(xiàn)稀土短流程、高效低污染提取是原地浸取離子型稀土礦開發(fā)技術(shù)的重要發(fā)展方向，此外，低品位難浸離子型稀土礦的回收工藝的研究也是實(shí)現(xiàn)離子型稀土資源可持續(xù)利用的未來研究方向。鐘志剛等[23]認(rèn)為研發(fā)出以鎂鹽為代表的浸出劑是未來研發(fā)重點(diǎn)，但需解決鎂鹽浸出劑對(duì)土壤、水體等的環(huán)境影響問題。 劉琦[24]認(rèn)為無銨浸取劑或研發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的土壤脫銨工藝也將是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。 陳道貴[25]通過柱浸流程實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了檸檬酸銨、檸檬酸鈉、氯化鋁、氯化鐵以及硫酸鎂等無銨浸取劑的稀土浸出性能，認(rèn)為氯化鐵和氯化鋁是相對(duì)較好的無銨浸取劑。

1.3 離子型稀土資源開采負(fù)外部性相關(guān)問題

1）離子型稀土礦開采邊坡穩(wěn)定性研究方面。鄔長(zhǎng)福等[26]基于室內(nèi)模擬浸泡試驗(yàn)運(yùn)用采用數(shù)值模擬得出第23 天時(shí)邊坡失穩(wěn)概率增大需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和防護(hù)。王觀石等[27]認(rèn)為采用原地浸礦工藝如果前期注液強(qiáng)度過大容易引發(fā)推移式滑坡，若后期注液強(qiáng)度過大則容易引發(fā)牽引式滑坡。

2）離子型稀土廢棄礦生態(tài)修復(fù)研究方面。 陳敏等[28]對(duì)離子型稀土礦廢棄地生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)比了植物修復(fù)、微生物修復(fù)以及多種方法聯(lián)合修復(fù)等修復(fù)方法。 位振亞等[29]探討了恢復(fù)植被、改良土壤及微生物修復(fù)等生態(tài)修復(fù)技術(shù)。史曉燕等[30]對(duì)廢棄堆浸稀土礦修復(fù)影響因素進(jìn)行了研究，提出了廢棄稀土礦治理修復(fù)的方法。謝東等[31]研究了重金屬污染修復(fù)植物對(duì)根際土壤微生態(tài)的影響。

3）離子型稀土開采對(duì)水土污染方面。 涂婷[32]認(rèn)為植物-微生物修復(fù)方法治理離子型稀土元素污染的效果較好。 張賢平等[33]認(rèn)為如果礦區(qū)存在裂隙或者收液系統(tǒng)不完備將造成地下水污染， 開采前應(yīng)探明礦體底板裂隙、做好井巷布置及防滲工作。 鄧振鄉(xiāng)等[34]建議優(yōu)化浸取工藝、收液工藝以及開發(fā)新一代無銨浸取劑等。

此外，楊耀杰[35]構(gòu)建了浸出過程的線性可逆動(dòng)態(tài)吸附模型，黃德晟等[36]構(gòu)建了自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)原地浸礦生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、管理，從而達(dá)到降本增效、保護(hù)環(huán)境的目的。 從以上文獻(xiàn)可以看出，關(guān)于離子型稀土資源開采工藝及其對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的文獻(xiàn)較多，但是關(guān)于離子型稀土資源浸出造成的地表植被破壞、地表地下水污染、土壤污染、滑坡等負(fù)外部性的能控性和能觀測(cè)性的文獻(xiàn)幾乎沒有。

2 離子型稀土資源開發(fā)的負(fù)外部性

2.1 采用原地浸礦工藝開發(fā)稀土礦的負(fù)外部性

離子型稀土礦采用原地浸礦開采，一般來說，其負(fù)外部性主要表現(xiàn)形式為地表植被破壞、土壤污染、地下地表水污染、資源滲漏及采場(chǎng)滑坡等，具體如表1 所示。

表1 原地浸礦開采的負(fù)外部性及其一般原因Table 1 Negative externalities of in-situ leaching and its general reasons

2.2 采用堆浸工藝開發(fā)稀土礦的負(fù)外部性

離子型稀土礦若采用傳統(tǒng)堆浸工藝開采，其負(fù)外部性主要表現(xiàn)形式為地表植被破壞、水土流失、采場(chǎng)荒漠化、土壤污染、地下水污染、地表水污染及采場(chǎng)滑坡等，具體如表2 所示。

表2 堆浸工藝開采的負(fù)外部性及其一般原因Table 2 Negative externalities of heap leaching and its general reasons

3 離子型稀土資源開發(fā)負(fù)外部性的能控性分析

離子型稀土開發(fā)無論采用何種資源浸取工藝都會(huì)對(duì)資源、生態(tài)環(huán)境造成不同程度的影響，但是其外部性表現(xiàn)形式及其能控性會(huì)有一定差異。

3.1 能控制性定義

線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

對(duì)于給定系統(tǒng)一個(gè)初始狀態(tài)x（t0），如果在t1＞t0有限時(shí)間區(qū)間[t0，t1]內(nèi)，存在容許控制u（t），使得x（t1）=0，則稱系統(tǒng)狀態(tài)在t0時(shí)刻是能控的； 如果系統(tǒng)對(duì)任意一個(gè)初始狀態(tài)都能控， 則稱系統(tǒng)是狀態(tài)完全能控的（簡(jiǎn)稱為“能控的”）[38]。

3.2 能控矩陣判據(jù)（秩判據(jù)）

定理1系統(tǒng)（1）為完全能控的充分必要條件是能控判別矩陣S=[B AB...An-1B]的秩為n， 即rank（S）=rank[B AB ... An-1B]=n。

此外，能控性判據(jù)還包括PBH 判據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)型能控性判據(jù)以及格拉姆矩陣判據(jù)等[38]。

3.3 不同浸取工藝下的負(fù)外部性能控性

將離子型稀土資源開發(fā)簡(jiǎn)化為線性系統(tǒng)，基于能控性定義，對(duì)原地浸礦、堆浸工藝條件下的離子型稀土礦開采負(fù)外部性的能控性作初步分析，并將負(fù)外部性可控程度劃分為容易、一般、較難、很難等4 個(gè)等級(jí)。 其中，離子型稀土礦原地浸礦開采的負(fù)外部性及其能控性分析如表3 所示。

表3 原地浸礦開采的負(fù)外部性及其能控性分析Table 3 Analysis of negative externalities and controllability of in-situ leaching

離子型稀土礦堆浸工藝開采的負(fù)外部性及其能控性分析如表4 所示。

表4 離子型稀土礦堆浸工藝開采的負(fù)外部性及其能控性分析Table 4 Analysis of negative externalities and controllability of heap leaching

通過以上分析，可初步看出離子型稀土礦原地浸礦開采負(fù)外部性的能控性會(huì)難于采用堆浸工藝。

4 離子型稀土資源開發(fā)負(fù)外部性的能觀測(cè)性分析

4.1 能觀測(cè)性定義

線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

如果在有限時(shí)間區(qū)間[t0，t1]（t1＞t0）內(nèi)，通過觀測(cè)y（t），能夠惟一地確定系統(tǒng)的初始狀態(tài)x（t0），稱系統(tǒng)狀態(tài)在t0是能觀測(cè)的；如果對(duì)任意的初始狀態(tài)都能觀測(cè)，則稱系統(tǒng)是狀態(tài)完全能觀測(cè)的（簡(jiǎn)稱“能觀測(cè)的”）[38]。

4.2 能觀測(cè)性矩陣判據(jù)（秩判據(jù)）

定理2系統(tǒng)（2）為狀態(tài)完全可觀測(cè)的充分必要條件是其能觀測(cè)性判別矩陣：

同理，能觀測(cè)性判據(jù)還包括PBH 判據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)型能觀測(cè)性判據(jù)以及格拉姆矩陣判據(jù)等[38]。

4.3 不同浸取工藝下的負(fù)外部性的能觀測(cè)性

基于可觀測(cè)性定義，對(duì)原地浸礦、堆浸工藝條件下的離子型稀土礦開采負(fù)外部性的可觀測(cè)性作初步分析，并將能觀測(cè)性程度劃分為容易、一般、較難、很難等4 個(gè)等級(jí)。 其中，離子型稀土礦原地浸礦開采的負(fù)外部性及其能觀測(cè)性分析如表5 所示。

表5 原地浸礦開采的負(fù)外部性及其能觀測(cè)性分析Table 5 Analysis of negative externalities and observability of in-situ leaching

離子型稀土礦堆浸工藝開采的負(fù)外部性及其能觀測(cè)性分析如表6 所示。

顯而易見，可初步看出離子型稀土礦堆浸工藝開采負(fù)外部性的能觀測(cè)性會(huì)比采用原地浸礦工藝容易。

5 結(jié)論及建議

由于離子型稀土礦床賦存特征特殊、離子型稀土資源的使用價(jià)值及其戰(zhàn)略價(jià)值，離子型稀土資源儲(chǔ)量估算顯得非常重要，而這也會(huì)影響到離子型稀土資源開發(fā)工藝的選擇。 通過對(duì)離子型稀土礦原地浸礦、堆浸工藝條件下負(fù)外部性表現(xiàn)形式的分析，以及基于現(xiàn)代控制理論對(duì)其能控性和能觀測(cè)性的簡(jiǎn)要分析，得出以下初步結(jié)論：①離子型稀土資源采用原地浸礦工藝開發(fā)的負(fù)外部性的能控性會(huì)難于采用堆浸工藝；②離子型稀土資源采用堆浸工藝開發(fā)的負(fù)外部性的能觀測(cè)性會(huì)比采用原地浸礦工藝容易。 此外，建議在離子型稀土資源開采浸取工藝選擇時(shí)，一方面要優(yōu)化現(xiàn)有原地浸礦、堆浸工藝，另一方面，不僅要考慮浸礦工藝的適用條件及不同工藝條件下離子型稀土資源開發(fā)全過程負(fù)外部性的能觀測(cè)性，而且要考慮負(fù)外部性的能控性。

表6 堆浸工藝開采的負(fù)外部性及其能觀測(cè)性分析Table 6 Analysis of negative externalities and observability of heap leaching