火山巖風(fēng)化殼離子型稀土原地浸礦工藝研究

張小平 黃符楨 湯國平 王啟濱 王太偉

摘要:火山巖風(fēng)化殼離子型稀土礦床在贛南分布廣泛,賦礦地層為凝灰?guī)r、流紋巖等,其結(jié)構(gòu)構(gòu)造及稀土配分與花崗巖存在差異性。文章依照花崗巖風(fēng)化殼離子型稀土原地浸出基本原理,對火山巖型稀土礦原地浸礦工藝展開研究,取得了相應(yīng)的研究成果。鑒于該類型稀土大面積分布,保有儲(chǔ)量較大,此成果的推廣應(yīng)用,具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義。

關(guān)鍵詞:火山巖稀土礦床;稀土配分結(jié)構(gòu);除雜劑

中圖分類號(hào):TF845文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)20-0066-03

“原地浸出提取稀土工藝”是近幾年流行的選冶新技術(shù)、新工藝,是一種易于形成規(guī)?；a(chǎn)、集約化管理的選冶工藝,其生產(chǎn)成本低,回收率高,克服了“池浸工藝”和“堆浸工藝”搬山造成水土流失和占用農(nóng)田的弊端,保持了山體原生態(tài),保證了生態(tài)環(huán)境的平衡,是一種具有經(jīng)濟(jì)和生態(tài)雙重效益提取工藝。目前政府已明令禁止池浸、堆浸工藝,大力推行稀土原地浸出工藝。

花崗巖風(fēng)化殼離子型稀土礦床經(jīng)過多年的開采,特別是早期“地浸”和“堆浸”選礦只選擇高含量地段采掘,嚴(yán)重破壞了山體(礦塊)的完整性,目前該類型礦床可供原地浸礦的資源已漸成枯竭之勢。因此,研究開發(fā)新類型的離子型稀土礦則顯得尤為重要。

一、研究區(qū)及研究工作概況

此次研究工作選擇在江西省尋烏縣石排稀土礦的火山巖區(qū)進(jìn)行。區(qū)域上處于武夷山構(gòu)造帶與三南-尋烏東西向構(gòu)造帶交匯處,北東向構(gòu)造貫穿礦區(qū),出露巖性為侏羅紀(jì)花崗巖及侏羅系上統(tǒng)雞龍嶂組,后者巖性為流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r,巖石呈灰色、灰紫色,風(fēng)化、半風(fēng)化,主要礦物成分為長石及少量的石英,它呈粒狀,膠結(jié)物為火山灰,具塑變結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,局部見似流紋狀構(gòu)造。

火山巖富含離子型稀土,但含礦層結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其配分與當(dāng)?shù)鼗◢弾r離子型稀土礦有明顯差異(見表1)。在生產(chǎn)性試驗(yàn)開始前,對含礦層進(jìn)行了滲透試驗(yàn),結(jié)果表明:其滲透性能及滲透速率雖比花崗巖區(qū)稍差,但用原地浸出是可行的。隨后依照稀土生產(chǎn)流程(如圖1所示)就此類型礦床的礦塊選擇、注液井工程、導(dǎo)流孔工程及集液坑道等方面展開詳細(xì)研究,同時(shí)對稀土礦液處理問題展開專門研究,取得了相應(yīng)的研究成果。

二、火山巖離子型稀土的生產(chǎn)流程

試驗(yàn)流程參照花崗巖離子型稀土生產(chǎn)流程設(shè)計(jì),考慮到該類型配分不同,除雜技術(shù)要求高,除雜時(shí)間限制較嚴(yán)格,故增加除雜池的數(shù)量;同時(shí)因稀土沉淀后水分含量高、體積大,故在回收時(shí)增加了板框壓濾工序。其生產(chǎn)流程分為山上工程和車間處理兩個(gè)環(huán)節(jié),山上工程包括注液井、導(dǎo)流孔及集液坑道;車間主要包括母液池、除雜池、沉淀池、配液池(上清液池)。

地浸礦塊的選擇及工程施工質(zhì)量是礦山效益的關(guān)鍵,礦液除雜決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和價(jià)格。另外,注液配方及注液量的控制影響著稀土的回收率,因此上述環(huán)節(jié)是此次研究的重點(diǎn)。

(一)礦塊選擇

選擇山體較為飽滿,單位體積內(nèi)礦量較大的礦塊,特別是當(dāng)?shù)匦紊喜科露绕骄彙⑾掳氩枯^陡時(shí)最為有利(如圖2所示),風(fēng)化層的風(fēng)化程度基本均勻厚度達(dá)5米以上(見表2)、表面有粘土層覆蓋時(shí)最佳,礦層太薄易坍塌,且單位體積工程費(fèi)用高,同時(shí)礦液滯留時(shí)間短,離子交換不徹底。研究區(qū)礦層厚度多在5～8米,根據(jù)目前選冶技術(shù)水平及稀土價(jià)格,礦石品位(離子相)在0.05%以上的礦塊可入選原地浸礦。

在礦塊選擇時(shí),參照花崗巖區(qū)原地浸礦試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)?shù)V塊邊界與農(nóng)田及距溪流100～150米時(shí),其水質(zhì)可達(dá)到環(huán)保要求。地形條件及生產(chǎn)能力決定著礦塊大小的選擇,在較為平坦的地段,每口注液井調(diào)節(jié)水位的時(shí)間約為30秒,加上行走時(shí)間,每人管理500口井較為適宜。

(二)注液井工程的設(shè)計(jì)

注液井工程的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是確保浸礦液均勻滲透到整個(gè)礦塊,同時(shí)應(yīng)避開集液坑道上方,以防坑道坍塌。

1.注液井間距的選擇。實(shí)驗(yàn)表明,火山巖風(fēng)化層的飽水率比風(fēng)化花崗巖高出10%～15%,達(dá)到35%～40%。為了保證正常的浸礦周期和礦液體高峰期的出現(xiàn),并減少坍塌,注液井的間距比花崗巖要大些,以1.5～2.5米為宜。從表3可知,按花崗巖區(qū)的注液井間距注液,礦液高峰期短,稀土回收率低,礦液含量雜質(zhì)高。采用“梅花型”布置注液井,可使單井浸注液在運(yùn)移距離最短的情況下均勻覆蓋整個(gè)礦塊并在整個(gè)礦區(qū)內(nèi)貫通。

2.注液井深度的選擇。注液井的深度要與礦層厚度成正比,如按花崗巖區(qū)井深只超過殘坡積層20厘米為基準(zhǔn),出現(xiàn)坍塌及逕流情況較多,總體回收率較低。實(shí)驗(yàn)表明,注液井設(shè)計(jì)到礦層下部的某一基準(zhǔn)面上(圖3),有利于提高稀土的回收率。基準(zhǔn)面是指在一定深度內(nèi)風(fēng)化均一性較好且在整個(gè)礦塊具有代表性。該基準(zhǔn)面以下礦層風(fēng)化程度基本一致,其優(yōu)點(diǎn)是容易出現(xiàn)礦液高峰期,礦液的雜質(zhì)含量較低,同時(shí)不容易造成浸礦盲區(qū),提高回收率(表4)。因此注液井必須穿透殘坡積層至基準(zhǔn)面。

(三)導(dǎo)流孔工程施工

導(dǎo)流孔似布設(shè)于礦層底部的一張大網(wǎng),當(dāng)注液井中的浸注液滲過整個(gè)礦層與稀土置換后,含礦溶液通過導(dǎo)流孔形成的人造隔水底板匯聚到集液坑道中流出。

導(dǎo)流孔沿集液坑道兩壁布設(shè),為方便施工,一般在距集液坑道底板高0.6米左右布設(shè),孔間水平間距以0.30米左右為宜,施工仰角以5°～6°為宜,坡角大則浪費(fèi)礦層,太小則影響礦液流出,同時(shí)要杜絕俯角施工。導(dǎo)流孔工程在同一垂面上需采用上、下兩排布設(shè),其目的是為了增加負(fù)壓差,確保礦液的全部流出,上、下層垂直間距為0.20米左右 (見表5)。上下層之間呈“三角形”排列,上層導(dǎo)流孔間距可適當(dāng)放寬(見表6)。另外導(dǎo)流孔要盡量順節(jié)理裂隙組較為發(fā)育的方向施工,因此人造隔水底板施工前應(yīng)先進(jìn)行節(jié)理裂隙組統(tǒng)計(jì)。

導(dǎo)流孔長度為集液坑道間距的1/2,由于集液坑道很難選擇在同一個(gè)平面上,導(dǎo)流孔應(yīng)避免交叉,否則將大大影響礦液的回收。實(shí)驗(yàn)表明,導(dǎo)流孔覆蓋區(qū)域,處于底層的導(dǎo)流孔很少有礦液流出。對覆蓋區(qū)礦層取樣,稀土的浸出率只有20%～30%。稀土礦液的回收率也會(huì)打折扣(見表7)。在條件允許的情況下,可考慮適當(dāng)增加低集液坑道的導(dǎo)流孔長度。原則上導(dǎo)流孔的施工長度不要超過15米,從表8中可知,導(dǎo)流孔的施工長度在10米左右最為合適。

導(dǎo)流孔施工好后,要對導(dǎo)流孔澆灌水泥漿,水泥漿固液比1∶3～1∶4較為合適。在灌漿過程中,要掌握好塑料管在孔內(nèi)的滯留時(shí)間,既要保證孔內(nèi)底部水泥面的平滑,又要求孔的上部無水泥漿。灌漿完成后,要及時(shí)進(jìn)行注液,避免時(shí)間過長水泥漿與導(dǎo)流孔界面脫落,而導(dǎo)致礦液流失。

(四)集液坑道的構(gòu)建

建造集液坑道目的是將導(dǎo)流孔內(nèi)的稀土礦液匯聚后流出地表。通常的做法是沿礦層底部以下施工小型坑道,規(guī)格一般為1.2×1.8m2。集液坑道建造前,應(yīng)對礦塊進(jìn)行系統(tǒng)取樣,確定含礦層深度,從資源利用率最大化考慮,結(jié)合導(dǎo)流孔施工的需要,其底板選擇在礦層下方約0.6米左右較為理想。

1.集液坑道間距的確定。集液坑道的間距以稀土礦液的最大回收為前提,同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)成本。筆者選擇不同間距集液坑道對礦液回收情況進(jìn)行研究,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,人造隔水底板的工程間距為20米左右,稀土的回收率較為理想(見表9)。間距過大,施工導(dǎo)流孔所用鐵管由于自身重力影響而自然下墜,容易造成導(dǎo)流孔成俯角, 而且難于控制導(dǎo)流孔方向,甚至造成鐵管的脫落而難以取出,影響母液的回收,加之巖層內(nèi)部節(jié)理較為發(fā)育, 線路太長本身也會(huì)增加沿途損失。相反線路太短,匯聚的水量偏小,導(dǎo)致礦液滯留,同樣也會(huì)造成礦液流失。

2.集液坑道流向及方位的選擇。以保證礦層厚度大、品位高的地段浸出的礦液流逕最短,避免回收路徑上的損失為前提,即礦液流動(dòng)方向是由薄礦層流向礦層厚的一端。按該方向設(shè)計(jì)流向的礦液回收率為95%,反向流向的回收卻只有93.5%。其方位要盡量垂直節(jié)理和裂隙發(fā)育的方向。

3.集液坑道坡度的選擇。集液坑道坡度的選擇以保證礦液的正常流出為原則。為了施工過程中的安全、方便操作及保證稀土的最大化利用,一般以坡角3°～5°為宜。

集液坑道的底板還要做成兩側(cè)高中間低的槽形,使礦液從槽內(nèi)呈線型流出。由于流出的稀土母液是偏酸性(pH值3.5～4.5),易與底板的水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng),造成底板的滲漏,甚至造成稀土SiO2含量偏高,所以修建水槽與不建槽體的回收率存在明顯差異,見表10:

集液坑道修好后,要做好對底板的保護(hù)工作?？拥酪ёo(hù),水槽用木板封蓋,然后用松軟物堆至坑道頂板。

三、浸礦過程中的幾個(gè)問題的探討

1.浸礦時(shí)注液井要依地形由上而下分批次灌注,當(dāng)發(fā)現(xiàn)與本批次毗鄰的注液井有濕潤感時(shí),再注下一批次注液井。試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),注液井在注液后其影響范圍可達(dá)6～8米,由此,如果注液井同時(shí)注液,很有可能會(huì)在稀土未完全交換時(shí),于礦層上部的某一個(gè)界面形成逕流,影響稀土的回收,見表11:

2.注液井注液量與礦體厚度成正比關(guān)系,另外,注液井液面要逐日加高以增加靜壓力,以保證浸礦液的持續(xù)滲透。浸礦液全部注完后,對所有注液井補(bǔ)滿清水,增加整個(gè)礦區(qū)的水壓,保證稀土的如期回收。礦塊中間的注液井可以外溢一部分,促使礦塊表層的稀土充分置換,但礦區(qū)邊緣注液井不能因外溢流到本礦塊外。由于稀土離子的交換在一定的酸度內(nèi)較為有效,所以在后期補(bǔ)注清水及上清液時(shí)都要添加適量硫酸,保證其pH值。

3.由于火山巖巖性不均一,容易造成局部坍塌。對坍塌地段及邊角地帶用常規(guī)浸注,其回收率不到10%,而采用噴淋手段進(jìn)行補(bǔ)救,可使坍塌地段的回收率增加到60%以上。

四、浸礦液配方的研究

一般稀土生產(chǎn)的原材料成本約占生產(chǎn)總成本的20%～25%。在生產(chǎn)實(shí)踐中,一噸稀土一般需要消耗硫銨5~6噸,池浸工藝生產(chǎn)一噸稀土所消耗硫銨是2.8～3.5噸,顯然原地浸礦的原材料成本有潛力可挖。因此,準(zhǔn)確計(jì)算礦塊品位及土方量顯得特別重要。由于生產(chǎn)中難于避免出現(xiàn)內(nèi)部逕流,導(dǎo)致部分稀土無法與浸礦液接觸,核算出稀土儲(chǔ)量后,按所需硫銨的80%～85%來配制浸礦液比較符合生產(chǎn)實(shí)際(見表12)。據(jù)此每噸稀土可節(jié)約總成本的5%～10%。其次是計(jì)算礦層飽和狀態(tài)下所總需水量,硫銨總量除以總需水量計(jì)算出礦液的配方比。但首批次注液井的硫銨濃度要達(dá)到2%左右,然后再逐漸降低。需要提出的是,不同季節(jié)礦層的含水率有所差異,而飽水率基本不變,所以隨著季節(jié)的變化,浸礦液配方應(yīng)有所不同。

五、稀土礦液處理

稀土礦液的后處理與花崗巖風(fēng)化殼離子型稀土類同,但由于配分的變化,除雜工作略有不同。在后期稀土濃度較低的情況下,除雜分量要稍重些,使pH值達(dá)5.5～5.6,且澄清時(shí)間要短些。一般情況下,除雜工作完成后的2.5～3小時(shí)內(nèi)處理稀土礦液比較可行(見表13)。排放上清液時(shí),液面要離雜質(zhì)層高一些,一般情況下要保持0.5米以上的液面。當(dāng)雜質(zhì)沉積不實(shí)時(shí)預(yù)留液面還要更高。礦液排放到一定量后,要及時(shí)調(diào)小開關(guān)流量,防止因吸力過大而帶出雜質(zhì)影響稀土質(zhì)量。并且要及時(shí)清理沉淀池內(nèi)稀土雜質(zhì)。由于該類型稀土配分的獨(dú)特性,沉淀不實(shí),采用常規(guī)濾布過濾方法有諸多不便,甚至因難于銷售而影響效益,因此需采用板框壓濾以達(dá)到良好的效果。

六、結(jié)論

相對于花崗巖風(fēng)化殼離子型稀土礦山,火山巖風(fēng)化殼離子型稀土礦床的工程布置需要求更高、更嚴(yán)謹(jǐn),由于其滲透性能相對較差,注液過程中更要考慮其科學(xué)性和合理性。我們運(yùn)用地質(zhì)、水文等相關(guān)知識(shí),想方設(shè)法防止逕流和坍塌,加強(qiáng)含水率、飽水率、浸礦液配方的研究,創(chuàng)新對邊角地帶及局部坍塌地段的噴淋手段,提高了礦山的總回收率,對稀土沉淀體積膨大的困擾,應(yīng)用板框壓濾得以圓滿解決。試驗(yàn)所獲的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù),對火山巖離子型稀土原地浸出具有很好的參考價(jià)值。

因時(shí)間倉促,本課題的研究所獲數(shù)據(jù)少,有待今后加以補(bǔ)充完善。本課題的研究得到局科技外事處付曉仁處長等的大力支持,在此深表謝意。

作者簡介:張小平(1963-),男,江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六四大隊(duì)地質(zhì)工程師,研究方向:野外地質(zhì)勘查、礦產(chǎn)開采、地質(zhì)科研、地質(zhì)經(jīng)濟(jì)管理;黃符楨(1963-),男,江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六四大隊(duì)地質(zhì)工程師,研究方向:鈾礦勘查及礦產(chǎn)開采;湯國平(1969-),男,江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六四大隊(duì)物探工程師,研究方向:野外物探及地質(zhì)經(jīng)濟(jì)管理;王啟濱(1962-),男,江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六四大隊(duì)地質(zhì)工程師,研究方向:野外地質(zhì)勘查、礦產(chǎn)開采、地質(zhì)科研、地質(zhì)經(jīng)濟(jì)管理;王太偉(1966-),男,江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六四大隊(duì)地質(zhì)工程師,研究方向:鈾礦勘查、礦產(chǎn)開采。