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:TF845文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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)性試驗開始前,對含礦層進(jìn)行了滲透試驗,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

試驗流程參照花崗巖離子型稀土生產(chǎn)流程設(shè)計,考慮到該類型配分不同,除雜技術(shù)要求高,除雜時間限制較嚴(yán)格,故增加除雜池的數(shù)量;同時因稀土沉淀后水分含量高、體積大,故在回收時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。

(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?、下半部較陡時最為有利(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最佳,礦層太薄易坍塌,且單位體積工程費用高,同時礦液滯留時間短,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,參照花崗巖區(qū)原地浸礦試驗結(jié)果,當(dāng)?shù)V塊邊界與農(nóng)田及距溪流100～150米時,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)水位的時間約為30秒,加上行走時間,每人管理500口井較為適宜。

(二)注液井工程的設(shè)計

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

1.注液井間距的選擇。實驗表明,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移距離最短的情況下均勻覆蓋整個礦塊并在整個礦區(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。實驗表明,注液井設(shè)計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?；鶞?zhǔn)面是指在一定深度內(nèi)風(fēng)化均一性較好且在整個礦塊具有代表性。該基準(zhǔn)面以下礦層風(fēng)化程度基本一致,其優(yōu)點是容易出現(xiàn)礦液高峰期,礦液的雜質(zhì)含量較低,同時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,坡角大則浪費礦層,太小則影響礦液流出,同時要杜絕俯角施工。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。

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。實驗表明,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,要及時進(jìn)行注液,避免時間過長水泥漿與導(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,即礦液流動方向是由薄礦層流向礦層厚的一端。按該方向設(shè)計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、浸礦過程中的幾個問題的探討

1.浸礦時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,再注下一批次注液井。試驗中我們發(fā)現(xiàn),注液井在注液后其影響范圍可達(dá)6～8米,由此,如果注液井同時注液,很有可能會在稀土未完全交換時,于礦層上部的某一個界面形成逕流,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,核算出稀土儲量后,按所需硫銨的80%～85%來配制浸礦液比較符合生產(chǎn)實際(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,且澄清時間要短些。一般情況下,除雜工作完成后的2.5～3小時內(nèi)處理稀土礦液比較可行(見表13)。排放上清液時,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)沉積不實時預(yù)留液面還要更高。礦液排放到一定量后,要及時調(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。并且要及時清理沉淀池內(nèi)稀土雜質(zhì)。由于該類型稀土配分的獨特性,沉淀不實,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。我們運用地質(zhì)、水文等相關(guān)知識,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。試驗所獲的經(jīng)驗與數(shù)據(jù),對火山巖離子型稀土原地浸出具有很好的參考價值。

因時間倉促,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)局二六四大隊地質(zhì)工程師,研究方向:鈾礦勘查、礦產(chǎn)開采。