提高福建某離子型稀土礦原地浸礦回收率的措施*

郭階慶

(三明市稀土開發有限公司)

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提高福建某離子型稀土礦原地浸礦回收率的措施*

郭階慶

(三明市稀土開發有限公司)

為提高福建某非典型出露式稀土礦床原地浸礦回收率，并有效控制地質災害，從合理布置注液工程和收液工程這2個關鍵環節著手研究、確定了主要工程措施。即根據單位面積資源賦存量的大小，將生產礦塊分成4個區域，按均衡注液的要求布置注液孔，綜合考慮礦體品位的空間分布、潛水位位置、收液工程與礦體下表面的距離等因素，采用主、副、支巷道組成的密閉網格狀集液系統，母液回收率達93.01%，稀土資源回收率達85.56%，相對前期提高了8.0個百分點。

離子型稀土原地浸礦資源回收率地質災害

1　資源概況

生產礦塊位于福建清流縣境內，礦區呈低矮的丘陵地貌，山頭平緩饅頭狀，最高標高426 m，地形切割深度50～100 m，山體坡度20°～50°，風化殼呈疏松狀、松散狀，透水性較好，構造簡單，植被稀少。

礦區內大面積分布燕山早期第三階段第三次侵入的中粗粒黑云母花崗巖，屬行洛坑巖體的南部巖體，分布面積約5 km2。巖石呈肉紅色—灰白色，風化后呈土黃—褐紅—米黃等色，半風化者呈黃褐—灰白色?；|呈中粗粒花崗結構，粒徑3～6 mm，少量鉀長石呈巨斑晶，粒徑>10 mm。主要礦物鉀長石占22%～40%、斜長石占25%～40%、石英占20%～25%、黑云母占5%～9%。巖石中副礦物主要為磁鐵礦、磁赤鐵礦、鋯石、榍石、磷灰石、褐簾石和電氣石。

生產礦塊內花崗巖風化強烈，風化層發育，全風化花崗巖中的鉀長石、斜長石、黑云母等礦物已黏土化，生成高嶺石、水云母等黏土礦物，其礦物組分變為50%～60%的黏土礦物，20%～30%的石英，及5%～30%的長石等。全風化層厚10～25 m，最厚處超過30 m，結構疏松，手捏即呈粉末狀，含礦性好，是區內稀土礦的主要賦存層位。風化層之下為半風化層，其與風化層無明顯界線，只是各種礦物的風化程度較淺，部分長石被風化成高嶺石，一般還保留了原來的結構，手捏呈碎塊，半風化層不含稀土礦。

生產礦塊內礦石主要為全風化礦石，少量為殘坡積礦石。殘坡積礦石賦存于風化殼的殘坡積層中，礦石呈黃褐色，結構較緊密，稀土離子相品位為0.030%～0.071%，最高達0.083 5%，這類礦石占全區的5%。全風化礦石賦存于風化層中，呈土黃—褐紅及米黃色，塊狀構造，手捏至粉末狀，原巖結構仍可辨認，長石已全部風化成高嶺石。稀土離子相品位一般為0.030%～0.089%，最高為0.108%。稀土元素主要呈陽離子狀態被黏土礦物吸附在礦物表面和間隙里或顆粒間，少數賦存于獨居石、磷釔礦、褐簾石、鋯石、磷灰石、榍石等花崗巖副礦物中，以礦物相形式存在。

按間距20 m×20 m布置了120個勘探孔進行生產勘探，共采集測試樣品1 758個。結果表明，礦體一般呈單層產出，厚度5.0～25.0 m，平均厚度14.93 m，離子相稀土品位為0.01%～0.161%，平均品位為0.055%，按品位大于0.03%圈定礦體。礦體配分測試成果為：Y2O3的配分值10.73%，Sm2O3的配分值3.97%，Eu2O3的配分值0.24%；輕稀土(La+ Ce + Pr + Nd )總量占77.93%，中稀土(Tb+ Dy)總量占2.44%，因此本區稀土礦為典型的低釔中銪型輕稀土礦。

2　注液工程布置

2.1基本要求

注液工程是一個可以人為控制的工程，通過優化布置注液工程，能有效提高資源的浸取率[1]，在布置該礦塊的注液工程時，筆者結合前期生產經驗，提出了3個基本要求：①注液要均衡。原地浸礦的資源浸取率一方面有賴于硫酸銨溶液的滲流路徑和滲流過程[2]，另一方面有賴于銨離子和稀土離子的內擴散過程[3-4]，而礦體滲透性和品位賦存的空間變異性是影響這2個過程的主要因素，因而，需要結合礦塊的具體地質條件均衡注液，使礦體充分浸礦;②控制地質災害。注液強度控制不合理，容易引發滑坡等地質災害，造成資源損失等，合理布置注液工程是主動控制注液強度的有效措施[5-6];③動態監測浸潤面和濃度變化。通過有限的勘探工作難以全面掌握礦塊的地質條件，特別是礦體非均質性突出和底板發育等復雜地質條件下，難以估算合理的注液強度。因而，采用動態監測浸潤面的發展過程，主動調節注液強度，盡量控制浸潤面與礦體上表面重合。

2.2注液工程的設計過程

(1)深入分析礦體地質資料。采用MAPGIS軟件整理勘探資料，通過若干個地質剖面掌握地形坡度、礦體上表面位置、礦體厚度、礦體品位分布等影響注液工程的關鍵要素，特別是對于礦塊內含有多個礦層的情況，在生產勘探時，應詳細記錄各礦層的賦存位置。圖1和圖2為礦層的2個剖面。

圖1　礦塊A-A剖面

圖2　礦塊B-B剖面

從圖1、圖2可以看出：表層土厚度不一，因而需要分區確定注液孔深度；礦層厚度不一，而不同層位稀土品位也不同(上層礦體離子相稀土品位高達0.066%～0.085%，往下品位逐漸變低，到18～25 m以后，則降至0.02%以下)，反映了風化殼上部被剝蝕的不完備的礦化類型，在礦層厚度和礦體品位的空間變異作用下，進一步引起資源量的空間分布不均勻，因而也需要采用分區設計注液孔網參數。

(2)分區確定孔網參數。影響原地浸礦孔網參數的因素是地形坡度、底板坡度、礦體滲透系數及其變異性，礦體品位及其變異性等。在原地浸礦過程中，地形坡度是引發滑坡的主要因素，當坡度超過25°時，應特別重視原地浸礦引發滑坡等地質災害。對于出露式稀土礦山，底板形狀和坡度直接影響浸潤面，進而影響浸礦范圍，一般來說，底板坡度越大，注液范圍越小，山脊和山頂的孔網參數應適當減小，山腰的孔網參數應適當加大。為實施均衡注液，即保證浸礦充分，在滲透系數小的區域和稀土資源富集區域，應適當減小注液孔網參數或適當增加注液孔深度。

確定分區孔網參數的步驟包括：①選擇影響孔網參數的關鍵因素，確定分區數和各分區范圍，計算各分區面積；②參照《離子型稀土礦原地浸礦開采技術規范》，選擇各分區的孔網參數，根據各分區面積計算分區注液孔的個數；③為便于注液孔的施工，根據各分區地形坡度計算該分區注液孔的坡面距離。

選擇單位面積稀土資源量及其空間變異性作為分區的主要因素，將礦塊分為4個分區，如圖3所示。

圖3　注液孔網參數分區

從圖3可見，4#分區、1#分區、2#分區和3#分區，在水平平面上，單位面積的資源量依次減少。參照前期在該礦區的生產經驗，選擇注液孔的排距和孔距均為1.5～2.0 m，在資源量富集區，孔距和排距取小值；在礦體較薄的區域，孔距和排距取大值。選擇注液孔徑為18 cm，根據山體坡度，計算得注液孔的坡面排距和間距為(2～4)m×(2～4)m。實際依據山形與礦山安全因素，在整個礦塊內，共布置注液孔2 813個，總長9 028.65 m，平均深度3.21 m。注液孔施工結束后，注液孔底部與周邊采用谷殼填充至孔口。

(3)合理確定注液孔深度。除了可以通過注液孔的孔距和排距調節硫酸銨的注液量，還可以通過注液孔的深度調節硫酸銨的注液量，對于存在滲透系數分層現象的稀土礦山，如果下部礦體的滲透系數比上部礦體的滲透系數小得多，合理設計注液孔深度顯得尤為重要。按照《離子型稀土礦原地浸礦開采技術規范》的要求，注液孔深度要求見礦0.5～1.0 m，受滲流阻力的影響，很難保證下部充分浸礦，需要實施深孔和淺孔注液，深孔要求見下部礦體0.5～1.0 m，淺孔要求見上部礦體0.5～1.0 m。當下部礦體的資源量超過總資源量的30%時，深孔與淺孔個數之比宜為1∶(4～5)。

本次設計的礦塊表土厚度為3～10 m，礦體平均厚度為13 m，礦體的滲透系數相對均一，為使浸礦劑充分浸透礦層，同時也考慮便于注液孔施工，將礦體厚度分為2類：礦體厚度小于8 m，注液孔深度為見礦1.0 m；礦體厚度大于8 m，注液孔深度為見礦2.0 m。

(4)在前期形成的勘探孔中，布置水位在線監測系統監測浸潤面上升過程。為了觀測注液過程中礦體內部母液濃度變化，利用前期形成的勘探孔，注液期間每天取樣檢測分析。每天觀察礦體周圍、礦體山腳有無滲水、涌水等突發情況，根據前述監測結果動態調節注液強度。動態調節注液強度的要求是：一方面控制硫酸銨溶液形成的浸潤面超過礦體上表面，減少表層土對硫酸銨的損耗量；另一方面是對于坡度較大或者滲透性較好的區域，采用局部短時間提高注液強度，適當提高浸潤面高度，提高上部礦體的浸取率。

3　收液工程布置

3.1基本要求

合理布置收液工程，不僅能提高稀土資源回收率，還能有效控制地質災害，其基本要求包括：①提高稀土資源回收率。原地浸礦的資源回收率，一方面有賴于浸礦過程的溶液回收率，另一方面還有賴于母液濃度。溶液回收率主要受人造底板工程質量、天然底板裂隙發育程度和潛水面位置等因素影響；母液濃度主要受到礦體品位、浸礦劑溶液濃度和收液工程與礦體下表面的距離等因素影響[7]；②控制地質災害。合理的收液系統，不僅可提高溶液回收率和母液濃度，還能有效“泄壓”，提高邊坡穩定性，減少滑坡等地質災害的發生。如對具有臨空面的邊坡，易發生牽引式滑坡，需要適當加大收液工程與邊坡坡腳的距離，保證坡腳的穩定性，達到提高邊坡穩定安全系數的目的；③動態監測原地浸礦影響范圍。可以通過收液系統的統計數據計算母液回收率，但是難以確定流失母液的影響范圍，原地浸礦生產過程中，浸出液不可避免地向礦塊外滲透，而且不可避免地有部分浸出液殘留于礦體中，破壞周圍水體和土壤環境，造成環境污染。如有的原地浸礦采場溪流水中稀土含量可達0.02 g/L，流域溪流水中氨氮濃度高達100 mg/L。因此，在稀土開采過程中需建立環境監控系統，實時監測開采過程對周圍環境的影響，并及時實施保護措施。

3.2收液工程的設計過程

(1)熟悉礦塊的地質資料。離子型稀土礦體主要賦存類型有2類[8]，如圖4所示，一類為出露式稀土礦床，也稱裸腳式稀土礦床；另一類為深潛式稀土礦床，也稱全覆式稀土礦床。根據稀土礦床底板出露程度，可以采用集液溝或集液溝與導流孔的組合收液系統回收母液；對于深潛式稀土礦床，可以采用巷道與導流孔組合收液系統或巷道與巷道組合收液系統回收母液。采用MAPGIS軟件整理勘探資料，通過若干個地質剖面掌握礦體下表面、底板和潛水位等關鍵要素的空間位置，如圖1和圖2所示。通過地質剖面圖，結合現場調研結果，可知該礦塊屬于非典型出露式稀土礦床，即少部分區域山腳下有基巖出露，大部分區域基巖具有一定的埋深，影響母液從礦體直接流出地表，需要人工開挖收液工程提高收液率。

圖4　離子型稀土賦存類型1—腐殖層；2—表土層；3—全風化層；4—礦體;5—半風化層；6—基巖

(2)選擇收液系統。為便于施工，在基巖未直接出露的區域選擇巷道和巷道組合收液，主巷道的間距為25～35 m，在主巷道間按8～10 m的間距向兩側布置垂直收液副巷道，副巷道走向及長度隨有效礦層而定。在副巷道中按4 m間距布置垂直收液支巷道，支巷道成錐形，長度一般為3～5 m，在空間上主、副、支巷道形成密閉的網格狀集液系統，如圖5所示。主、副巷道底部設置15 cm×20 cm的集液溝，并鋪設塑料薄膜進行防滲漏處理，巷道底板向巷道口傾斜，坡度為2.5%～3.0%。在各巷道口下方附近區域設置母液收集池，再用管道將母液送至水冶車間母液集中池。

圖5　巷道的集液系統

收液系統設計過程中，有2個重要問題：一是收液系統的平面布置，先按間距25～35 m相對均勻布置主巷道，然后布置副巷道和支巷道。二是巷道出口的標高，潛水位位置、礦體品位和勘探孔孔底標高等3個主要因素。一般來說，巷道離天然潛水面越近，溶液回收率越高；離礦體下表面越遠，母液濃度越低；離勘探孔孔底越近，越容易發生通孔現象(硫酸銨溶液未經礦層滲透直接流入巷道)。礦塊的主巷道布置如圖6所示。

圖6　礦塊的主巷道布置方案

(3)監測工程的布置。結合前期生產經驗，選擇距離礦塊100 m范圍內布置監測孔，每周人工取水樣2次，測試水樣的pH值和銨氮指標變化。

4　試驗結果

注液過程共分4個階段，第一階段的硫酸銨溶液濃度為2.5%；第二階段的硫酸銨溶液濃度為2.0%；第三階段的硫酸銨溶液濃度為1.5%；第四階段注上清液，控制上清液的pH=4.8。4個階段共注液315 482 m3，共收液293 430 m3，母液回收率達93.01%，稀土資源回收率達85.56%。部分巷道的母液集液池濃度隨時間變化曲線如圖7所示。

圖7　各巷道與集液池濃度變化■—1#巷道；●—3#巷道；▲—4#巷道；▼—6#巷道

從圖7可以看出，從15～23 d巷道開始流出母液，母液具有濃度高峰出現快和持續時間長等特點，

表明注液工程布置合理，且4個階段硫酸銨濃度及其用量安排合理。

5　結　論

(1)根據單位面積資源賦存量的大小，將生產礦塊分成4個區域，按均衡注液的要求布置注液孔，同時動態監測浸潤面和濃度變化，主動調節注液強度，達到充分浸礦的目的，母液具有濃度高峰出現快和持續時間長等特點，稀土資源回收率達85.56%，相對前期在該礦區的資源回收率提高了8.0個百分點。

(2)針對非典型出露式稀土礦床，按照提高資源回收率和控制地質災害為基本要求，綜合考慮礦體品位的空間分布、潛水位位置、收液工程與礦體下表面的距離等因素對資源回收率的影響，采用了主、副、支巷道組成的密閉網格狀集液系統，母液回收率達93.01%。

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2016-06-26)

*國家自然科學基金資助項目(編號：51264008)；江西省自然科學基金項目(編號：20151BAB206023；20133ACB20003)。

郭階慶(1983—)，男，總經理助理，工程師，365000 福建省龍巖市。