提高福建某离子型稀土矿原地浸矿回收率的措施*

2016-09-20郭阶庆

现代矿业 2016年8期

关键词：矿块稀土矿母液

郭阶庆

(三明市稀土开发有限公司)

提高福建某离子型稀土矿原地浸矿回收率的措施*

郭阶庆

(三明市稀土开发有限公司)

为提高福建某非典型出露式稀土矿床原地浸矿回收率，并有效控制地质灾害，从合理布置注液工程和收液工程这2个关键环节着手研究、确定了主要工程措施。即根据单位面积资源赋存量的大小，将生产矿块分成4个区域，按均衡注液的要求布置注液孔，综合考虑矿体品位的空间分布、潜水位位置、收液工程与矿体下表面的距离等因素，采用主、副、支巷道组成的密闭网格状集液系统，母液回收率达93.01%，稀土资源回收率达85.56%，相对前期提高了8.0个百分点。

离子型稀土原地浸矿资源回收率地质灾害

1　资源概况

生产矿块位于福建清流县境内，矿区呈低矮的丘陵地貌，山头平缓馒头状，最高标高426 m，地形切割深度50～100 m，山体坡度20°～50°，风化壳呈疏松状、松散状，透水性较好，构造简单，植被稀少。

矿区内大面积分布燕山早期第三阶段第三次侵入的中粗粒黑云母花岗岩，属行洛坑岩体的南部岩体，分布面积约5 km2。岩石呈肉红色—灰白色，风化后呈土黄—褐红—米黄等色，半风化者呈黄褐—灰白色。基质呈中粗粒花岗结构，粒径3～6 mm，少量钾长石呈巨斑晶，粒径>10 mm。主要矿物钾长石占22%～40%、斜长石占25%～40%、石英占20%～25%、黑云母占5%～9%。岩石中副矿物主要为磁铁矿、磁赤铁矿、锆石、榍石、磷灰石、褐帘石和电气石。

生产矿块内花岗岩风化强烈，风化层发育，全风化花岗岩中的钾长石、斜长石、黑云母等矿物已黏土化，生成高岭石、水云母等黏土矿物，其矿物组分变为50%～60%的黏土矿物，20%～30%的石英，及5%～30%的长石等。全风化层厚10～25 m，最厚处超过30 m，结构疏松，手捏即呈粉末状，含矿性好，是区内稀土矿的主要赋存层位。风化层之下为半风化层，其与风化层无明显界线，只是各种矿物的风化程度较浅，部分长石被风化成高岭石，一般还保留了原来的结构，手捏呈碎块，半风化层不含稀土矿。

生产矿块内矿石主要为全风化矿石，少量为残坡积矿石。残坡积矿石赋存于风化壳的残坡积层中，矿石呈黄褐色，结构较紧密，稀土离子相品位为0.030%～0.071%，最高达0.083 5%，这类矿石占全区的5%。全风化矿石赋存于风化层中，呈土黄—褐红及米黄色，块状构造，手捏至粉末状，原岩结构仍可辨认，长石已全部风化成高岭石。稀土离子相品位一般为0.030%～0.089%，最高为0.108%。稀土元素主要呈阳离子状态被黏土矿物吸附在矿物表面和间隙里或颗粒间，少数赋存于独居石、磷钇矿、褐帘石、锆石、磷灰石、榍石等花岗岩副矿物中，以矿物相形式存在。

按间距20 m×20 m布置了120个勘探孔进行生产勘探，共采集测试样品1 758个。结果表明，矿体一般呈单层产出，厚度5.0～25.0 m，平均厚度14.93 m，离子相稀土品位为0.01%～0.161%，平均品位为0.055%，按品位大于0.03%圈定矿体。矿体配分测试成果为：Y2O3的配分值10.73%，Sm2O3的配分值3.97%，Eu2O3的配分值0.24%；轻稀土(La+ Ce + Pr + Nd )总量占77.93%，中稀土(Tb+ Dy)总量占2.44%，因此本区稀土矿为典型的低钇中铕型轻稀土矿。

2　注液工程布置

2.1基本要求

注液工程是一个可以人为控制的工程，通过优化布置注液工程，能有效提高资源的浸取率[1]，在布置该矿块的注液工程时，笔者结合前期生产经验，提出了3个基本要求：①注液要均衡。原地浸矿的资源浸取率一方面有赖于硫酸铵溶液的渗流路径和渗流过程[2]，另一方面有赖于铵离子和稀土离子的内扩散过程[3-4]，而矿体渗透性和品位赋存的空间变异性是影响这2个过程的主要因素，因而，需要结合矿块的具体地质条件均衡注液，使矿体充分浸矿;②控制地质灾害。注液强度控制不合理，容易引发滑坡等地质灾害，造成资源损失等，合理布置注液工程是主动控制注液强度的有效措施[5-6];③动态监测浸润面和浓度变化。通过有限的勘探工作难以全面掌握矿块的地质条件，特别是矿体非均质性突出和底板发育等复杂地质条件下，难以估算合理的注液强度。因而，采用动态监测浸润面的发展过程，主动调节注液强度，尽量控制浸润面与矿体上表面重合。

2.2注液工程的设计过程

(1)深入分析矿体地质资料。采用MAPGIS软件整理勘探资料，通过若干个地质剖面掌握地形坡度、矿体上表面位置、矿体厚度、矿体品位分布等影响注液工程的关键要素，特别是对于矿块内含有多个矿层的情况，在生产勘探时，应详细记录各矿层的赋存位置。图1和图2为矿层的2个剖面。

图1　矿块A-A剖面

图2　矿块B-B剖面

从图1、图2可以看出：表层土厚度不一，因而需要分区确定注液孔深度；矿层厚度不一，而不同层位稀土品位也不同(上层矿体离子相稀土品位高达0.066%～0.085%，往下品位逐渐变低，到18～25 m以后，则降至0.02%以下)，反映了风化壳上部被剥蚀的不完备的矿化类型，在矿层厚度和矿体品位的空间变异作用下，进一步引起资源量的空间分布不均匀，因而也需要采用分区设计注液孔网参数。

(2)分区确定孔网参数。影响原地浸矿孔网参数的因素是地形坡度、底板坡度、矿体渗透系数及其变异性，矿体品位及其变异性等。在原地浸矿过程中，地形坡度是引发滑坡的主要因素，当坡度超过25°时，应特别重视原地浸矿引发滑坡等地质灾害。对于出露式稀土矿山，底板形状和坡度直接影响浸润面，进而影响浸矿范围，一般来说，底板坡度越大，注液范围越小，山脊和山顶的孔网参数应适当减小，山腰的孔网参数应适当加大。为实施均衡注液，即保证浸矿充分，在渗透系数小的区域和稀土资源富集区域，应适当减小注液孔网参数或适当增加注液孔深度。

确定分区孔网参数的步骤包括：①选择影响孔网参数的关键因素，确定分区数和各分区范围，计算各分区面积；②参照《离子型稀土矿原地浸矿开采技术规范》，选择各分区的孔网参数，根据各分区面积计算分区注液孔的个数；③为便于注液孔的施工，根据各分区地形坡度计算该分区注液孔的坡面距离。

选择单位面积稀土资源量及其空间变异性作为分区的主要因素，将矿块分为4个分区，如图3所示。

图3　注液孔网参数分区

从图3可见，4#分区、1#分区、2#分区和3#分区，在水平平面上，单位面积的资源量依次减少。参照前期在该矿区的生产经验，选择注液孔的排距和孔距均为1.5～2.0 m，在资源量富集区，孔距和排距取小值；在矿体较薄的区域，孔距和排距取大值。选择注液孔径为18 cm，根据山体坡度，计算得注液孔的坡面排距和间距为(2～4)m×(2～4)m。实际依据山形与矿山安全因素，在整个矿块内，共布置注液孔2 813个，总长9 028.65 m，平均深度3.21 m。注液孔施工结束后，注液孔底部与周边采用谷壳填充至孔口。

(3)合理确定注液孔深度。除了可以通过注液孔的孔距和排距调节硫酸铵的注液量，还可以通过注液孔的深度调节硫酸铵的注液量，对于存在渗透系数分层现象的稀土矿山，如果下部矿体的渗透系数比上部矿体的渗透系数小得多，合理设计注液孔深度显得尤为重要。按照《离子型稀土矿原地浸矿开采技术规范》的要求，注液孔深度要求见矿0.5～1.0 m，受渗流阻力的影响，很难保证下部充分浸矿，需要实施深孔和浅孔注液，深孔要求见下部矿体0.5～1.0 m，浅孔要求见上部矿体0.5～1.0 m。当下部矿体的资源量超过总资源量的30%时，深孔与浅孔个数之比宜为1∶(4～5)。

本次设计的矿块表土厚度为3～10 m，矿体平均厚度为13 m，矿体的渗透系数相对均一，为使浸矿剂充分浸透矿层，同时也考虑便于注液孔施工，将矿体厚度分为2类：矿体厚度小于8 m，注液孔深度为见矿1.0 m；矿体厚度大于8 m，注液孔深度为见矿2.0 m。

(4)在前期形成的勘探孔中，布置水位在线监测系统监测浸润面上升过程。为了观测注液过程中矿体内部母液浓度变化，利用前期形成的勘探孔，注液期间每天取样检测分析。每天观察矿体周围、矿体山脚有无渗水、涌水等突发情况，根据前述监测结果动态调节注液强度。动态调节注液强度的要求是：一方面控制硫酸铵溶液形成的浸润面超过矿体上表面，减少表层土对硫酸铵的损耗量；另一方面是对于坡度较大或者渗透性较好的区域，采用局部短时间提高注液强度，适当提高浸润面高度，提高上部矿体的浸取率。

3　收液工程布置

3.1基本要求

合理布置收液工程，不仅能提高稀土资源回收率，还能有效控制地质灾害，其基本要求包括：①提高稀土资源回收率。原地浸矿的资源回收率，一方面有赖于浸矿过程的溶液回收率，另一方面还有赖于母液浓度。溶液回收率主要受人造底板工程质量、天然底板裂隙发育程度和潜水面位置等因素影响；母液浓度主要受到矿体品位、浸矿剂溶液浓度和收液工程与矿体下表面的距离等因素影响[7]；②控制地质灾害。合理的收液系统，不仅可提高溶液回收率和母液浓度，还能有效“泄压”，提高边坡稳定性，减少滑坡等地质灾害的发生。如对具有临空面的边坡，易发生牵引式滑坡，需要适当加大收液工程与边坡坡脚的距离，保证坡脚的稳定性，达到提高边坡稳定安全系数的目的；③动态监测原地浸矿影响范围。可以通过收液系统的统计数据计算母液回收率，但是难以确定流失母液的影响范围，原地浸矿生产过程中，浸出液不可避免地向矿块外渗透，而且不可避免地有部分浸出液残留于矿体中，破坏周围水体和土壤环境，造成环境污染。如有的原地浸矿采场溪流水中稀土含量可达0.02 g/L，流域溪流水中氨氮浓度高达100 mg/L。因此，在稀土开采过程中需建立环境监控系统，实时监测开采过程对周围环境的影响，并及时实施保护措施。

3.2收液工程的设计过程

(1)熟悉矿块的地质资料。离子型稀土矿体主要赋存类型有2类[8]，如图4所示，一类为出露式稀土矿床，也称裸脚式稀土矿床；另一类为深潜式稀土矿床，也称全覆式稀土矿床。根据稀土矿床底板出露程度，可以采用集液沟或集液沟与导流孔的组合收液系统回收母液；对于深潜式稀土矿床，可以采用巷道与导流孔组合收液系统或巷道与巷道组合收液系统回收母液。采用MAPGIS软件整理勘探资料，通过若干个地质剖面掌握矿体下表面、底板和潜水位等关键要素的空间位置，如图1和图2所示。通过地质剖面图，结合现场调研结果，可知该矿块属于非典型出露式稀土矿床，即少部分区域山脚下有基岩出露，大部分区域基岩具有一定的埋深，影响母液从矿体直接流出地表，需要人工开挖收液工程提高收液率。

图4　离子型稀土赋存类型1—腐殖层；2—表土层；3—全风化层；4—矿体;5—半风化层；6—基岩

(2)选择收液系统。为便于施工，在基岩未直接出露的区域选择巷道和巷道组合收液，主巷道的间距为25～35 m，在主巷道间按8～10 m的间距向两侧布置垂直收液副巷道，副巷道走向及长度随有效矿层而定。在副巷道中按4 m间距布置垂直收液支巷道，支巷道成锥形，长度一般为3～5 m，在空间上主、副、支巷道形成密闭的网格状集液系统，如图5所示。主、副巷道底部设置15 cm×20 cm的集液沟，并铺设塑料薄膜进行防渗漏处理，巷道底板向巷道口倾斜，坡度为2.5%～3.0%。在各巷道口下方附近区域设置母液收集池，再用管道将母液送至水冶车间母液集中池。

图5　巷道的集液系统

收液系统设计过程中，有2个重要问题：一是收液系统的平面布置，先按间距25～35 m相对均匀布置主巷道，然后布置副巷道和支巷道。二是巷道出口的标高，潜水位位置、矿体品位和勘探孔孔底标高等3个主要因素。一般来说，巷道离天然潜水面越近，溶液回收率越高；离矿体下表面越远，母液浓度越低；离勘探孔孔底越近，越容易发生通孔现象(硫酸铵溶液未经矿层渗透直接流入巷道)。矿块的主巷道布置如图6所示。

图6　矿块的主巷道布置方案

(3)监测工程的布置。结合前期生产经验，选择距离矿块100 m范围内布置监测孔，每周人工取水样2次，测试水样的pH值和铵氮指标变化。

4　试验结果

注液过程共分4个阶段，第一阶段的硫酸铵溶液浓度为2.5%；第二阶段的硫酸铵溶液浓度为2.0%；第三阶段的硫酸铵溶液浓度为1.5%；第四阶段注上清液，控制上清液的pH=4.8。4个阶段共注液315 482 m3，共收液293 430 m3，母液回收率达93.01%，稀土资源回收率达85.56%。部分巷道的母液集液池浓度随时间变化曲线如图7所示。