溶浸作用下稀土礦力學弱化規律研究

陳勛，齊炎,，尹升華，李希雯，謝芳芳，劉伽偉，陳威，嚴榮富

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，100083；2.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌，330031；3.江西離子型稀土工程技術研究有限公司，江西 贛州，341000)

稀土礦中的成分經傳統的物理和化學選礦方法無法提取，該類礦床的開采先后經歷了池浸和堆浸的發展階段，現采取原地浸出新工藝，以實現稀土礦綠色高效回收[1–4]。然而，在稀土礦原地浸出過程中，溶浸液在礦體內不斷滲流并與稀土離子發生化學反應，礦體內部的孔隙結構發生變化，易導致稀土礦的礦體及圍巖力學性質的變化，同時浸礦后各礦層的礦物成分與浸礦前明顯不同，各礦層的顆粒級配也有差異，各礦層結構發生變化，影響礦體強度誘發山體失穩進而采場發生滑坡災害，造成溶浸液污染水土以及礦物資源損失[5–8]。因此，研究和掌握稀土礦浸出過程稀土礦力學弱化規律是提高稀土離子浸出效率和保障采區安全的關鍵環節之一。羅嗣海等[9–13]對飽和及非飽和稀土礦體的強度特性做了大量工作，也取得了豐富的研究成果。饒睿等[14]也針對現場易發生滑坡的稀土礦區，開展了系列工業調查和試驗，得到了稀土礦采場滑坡的破壞類型，并提出了可靠的預防措施。李永欣等[15]著眼于浸礦過程中礦石粒徑對稀土抗剪強度的影響，結合柱浸試驗和土體三軸試驗，得到浸礦能夠改變稀土礦顆粒級配的結論。國外對類似稀土礦性質的黏土礦物等也進行了許多相關的研究，LIN等[16]考慮頁巖風化后的膨脹黏性土在吸水狀態下的力學特性，探討了土體結構、圍壓條件、吸力、毛細作用和應變水平等因素對抗剪強度的影響。XIAO等[17]針對膨脹土路塹邊坡在反復干濕循環下的破壞問題，對該類土體的飽和排水抗剪強度進行了測試，提出了有效黏結力的減弱是邊坡發生破壞的重要因素。近年來，國內外關于稀土礦及類似稀土礦的黏性土強度方面的研究大多都依托于剪切試驗和土體三軸試驗，亦或是路塹邊坡破壞等方面的分析，針對稀土礦在溶浸作用下強度弱化機制的研究較少?；谏鲜鰧嶋H問題，結合前人研究手段及思路，本文作者基于相似模擬手段自制一套手動控制的浸礦裝置，以傳統柱浸試驗為原型，按照不同試驗需求，進行模擬不同控制因素下的浸礦試驗，浸礦后借助土工應變控制式直剪儀 ZJ–2測定礦樣的抗剪強度，分析抗剪強度指標（黏聚力和內摩擦角）隨浸礦時間變化特征，探索溶浸液對稀土礦力學弱化機理，為科學預測和控制礦體穩定性提供新理論和思路。

1 試驗

1.1 礦樣制備

試驗稀土礦來自江西贛南某試驗礦，礦樣呈米白色，夾雜部分腐殖層植物殘渣，利用碾磨棒將黏結的大顆粒碾碎后，去除雜質并在105℃下烘干12 h。該類稀土礦是由花崗巖和火山巖在濕熱氣候下經生物和化學風化作用形成，礦中75%～95%的稀土元素是以水合陽離子或者羥基水合陽離子的形式被黏土礦物吸附，其余的稀土元素則以游離態的水溶相、膠態沉積相以及礦物相的形態存在[18]。進行模擬浸礦試驗之前，對稀土礦樣進行配礦。利用孔徑大于0.6 mm的土工標準篩和頂擊式振篩機對顆粒進行篩分，0.5 mm以下的顆粒用LS–POP(9)型粒度分析儀器檢測。因稀土礦屬于黏土礦物，顆粒粒徑偏小，一般大于 5 mm的顆?？烧J為是雜質顆粒。重配比后的試樣各粒級組分及質量分數見表1，級配曲線見圖1。

1.2 試驗裝置

浸礦試驗裝置結構示意圖見圖2，該裝置主要由注液、輸液和反應系統組成。其中，注液系統由溶浸池(直徑為150 mm，高度為270 mm的圓錐型桶)和總控制閥門組成；輸液系統由6根醫用PVC輸液軟管和控制噴淋速率閥門組成；反應系統由6個土工環刀(直徑為61.8 mm，高度為40 mm)和透水石組成。浸礦液采用工業常用質量分數為3%的(NH4)2SO4溶液，控制噴淋速率為0.85 mL/min。

表1 礦樣粒級組分及質量分數Table 1 Particle sizes and mass fractions of mineral samples

圖1 礦樣級配曲線圖Fig.1 Gradation diagram of mineral samples

圖2 柱浸實驗裝置結構示意圖Fig.2 Sketch map of structure of column leaching experiment device

1.3 試驗步驟

1)前期工作。按照試驗要求配置質量分數為3%的(NH4)2SO4溶液，控制 6個注液閥門的噴淋速率為0.85 mL/min，將烘干后的稀土礦樣靜置于干燥皿內，加入定量的去離子水均勻調配至天然含水率ω0=14.82%，每次試驗所需的礦樣質量為99.6 g，裝樣之后用保鮮膜封裝，并放入養護箱內恒溫保濕 12 h以上。

2)剪切試驗。浸礦試驗前對 4個礦樣分別施加100，200，300和400 kPa的垂直荷載進行剪切，得到初始的抗剪切強度指標。檢查浸礦反應系統中的噴淋速率，用量筒盛裝溶浸液，在固定時間內測定流出的體積，分別調節好注液閥門的噴淋速率。

3)浸礦試驗。本次浸礦試驗控制噴淋速率不變下，對4組浸礦時間分別為2，4，6和8 h的礦樣分別進行浸礦。浸礦試驗結束后，對每組浸礦時間下的4個礦樣分別施加與浸礦前剪切相同的垂直荷載進行剪切。

2 結果與討論

2.1 不同浸礦時間下稀土礦強度弱化規律

風化殼淋積型稀土礦開采過程中，礦體穩定性與諸多因素有關，對其影響因素可進行總結劃分為內在因素及外在因素[19]。內在因素主要包括礦體自身的物理力學性質、孔隙結構特性以及地質構造特征等；外在因素主要取決于礦體賦存的條件、自然氣候變化、降雨沖刷及人類活動等外力因素。原地開采稀土的過程實際就是人工外力作用下，對稀土礦體進行了外力活動(鉆孔，注液等)。稀土礦體的抗剪強度指標包括黏聚力和內摩擦角，分析同一注液參數下浸礦時間對稀土礦樣的強度影響，得到不同浸礦時間下稀土礦樣于不同正應力條件下的剪應力及位移。圖3所示為不同浸礦時間的稀土礦在100，200，300和400 kPa正應力下的剪應力–位移關系曲線。

由圖3可知：剪應力隨著剪切位移的增大呈“類拋物線”變化，當增長到抗剪強度附近時，剪應力隨剪位移的增大而逐漸減小。剪應力的峰值則為破壞瞬間的剪應力，當剪應力經過峰值開始下降，試樣已經發生破壞。取各剪應力曲線的峰值點作為礦樣的剪切強度。4種正應力條件下浸礦時間與礦體抗剪強度的關系曲線如圖4所示。

從圖4可知：礦體剪應力峰值隨著浸礦時間的增加而不斷減小，這主要由于稀土礦浸出過程中，受到溶浸液的侵蝕、溶解和離子交換等作用，使得細小顆粒在礦體中發生遷移，改變了初始的顆粒級配和孔隙結構，從而稀土礦顆粒間的黏結作用力下降，隨著浸礦作用逐漸加強，礦體整體結構變得松軟，最終體現為剪應力不斷降低。

2.2 不同浸礦時間下稀土礦樣黏聚力c和內摩擦角φ

對不同正應力下的抗剪強度變化進行線性回歸可得到抗剪強度指標與浸礦時間的關系，如圖5所示。線性回歸直線與縱軸交點即試樣黏聚力c，與橫軸夾角即試樣內摩擦角φ，具體結果如表2所示。

圖3 不同浸礦時間下礦樣剪應力與剪位移關系Fig.3 Relationship between shear stress and shear displacement for different leaching time

由表2可知：稀土礦樣抗剪強度指標(c和φ)均隨浸礦時間的增大而變小。

2.3 浸礦時間與黏聚力的關系

為建立稀土礦浸礦時間與黏聚力的關系，試驗稀土礦樣孔隙比與黏聚力的變化關系如圖6所示。對圖6中試驗數據分布，分別采取線性、多項式和單指數衰減函數的形式進行擬合分析，分析結果見表3。從表3可知：單指數衰減函數形式擬合程度最高，因此，采用下式建立稀土礦浸礦時間t與黏聚力c的數學模型。

式中：c為黏聚力，kPa；t為浸礦時間，h。

圖4 剪應力與浸礦時間的變化關系Fig.4 Relationship between shear stress and leaching time

圖5 正應力與剪應力的變化關系Fig.5 Relationship between normal stress and shear stress

由圖6可知：隨著浸礦時間增長，礦體顆粒內部原有的微裂隙不斷擴展，溶浸液與稀土發生交換，礦體顆粒表面形成新的孔裂隙，從而整體的孔隙結構發生改變，礦體整體的黏結效果也急劇減弱，微觀層次上表現為分子間的范德華力減弱，因此，宏觀表現為黏聚力下降。

2.4 浸礦時間與內摩擦角的關系

測定不同浸礦時間下試驗礦樣內摩擦角的變化，結果如圖7所示。由圖7可見：試樣內摩擦角φ隨浸礦時間t的變大而不斷減小。結合圖7的試驗數據，采用線性擬合，根據擬合結果，建立內摩擦角φ與浸礦時間t的數學模型，如下式所示：

式中：φ為內摩擦角。

由圖7可知：浸礦時間變大說明礦物顆粒與溶解液的反應程度越大，強化了溶浸液對顆粒面的潤滑效應，大多數礦物顆粒表面變光滑，此外黏土稀土礦物受到(NH4)2SO4溶液的浸泡之后，結合水膜會發生膨脹和擴充現象，同時NH4+與稀土陽離子發生交換，影響了礦物顆粒表面雙電層的分布，使得礦體的內摩擦角減小，強度弱化，甚至發生局部破壞和失穩。

表2 不同浸礦時間下稀土抗剪強度參數Table 2 Shear strength parameters of rare earth for different leaching time

圖6 浸礦時間與黏聚力關系Fig.6 Relationship between leaching time and cohesive force

表3 3種形式擬合結果對比Table 3 Comparison of three forms of fitting results

圖7 浸礦時間與內摩擦角關系Fig.7 Relationship between leaching time and internal friction angle

2.5 礦石顆粒遷移分析

對礦石顆粒單獨受力分析，假定從礦樣中任取一個半徑為r的稀土礦顆粒，密度為ρ，分析該顆粒在礦體中的受力情況，受力示意如圖8所示。單個顆粒在礦體中受到的力主要有：顆粒自身的重力G，周邊顆粒對其的外力作用P0，顆粒間的膠結力Pg，顆粒表面的電子斥力Pr，顆粒表面的電子吸力Pa，溶浸液作用下的滲流力Pj。

根據靜力平衡原理可得如下平衡方程：

圖8 單個礦石顆粒受力分析示意圖Fig.8 A schematic diagram of force analysis of a single ore particle

設定顆粒頂部到底部的水力坡降為Jr時，方程可變形為

根據式(4)可得到水力坡降為Jr的表達式：

式(5)所示為溶浸液滲流、應力和化學等因素的計算公式，稀土礦原地浸礦過程中，(NH4)2SO4溶液與稀土顆粒發生置換反應后，使得顆粒單位間的膠結力Pg降低，假定浸礦過程顆粒粒徑不受溶解作用而改變，則顆粒的坡降項將減小，因此實際浸礦過程單個小顆粒更容易在溶浸作用下發生遷移。從而整體的空間結構發生改變，礦體整體強度減弱。

3 結論

1)稀土原礦及浸出后礦樣的剪應力均隨剪位移的增大呈類拋物線變化，經歷剪應力峰值后剪應力隨剪位移的變大而逐漸減小；在相同正應力條件下，礦塊剪應力峰值與浸礦時間呈負相關變化關系。

2)分別得到了稀土礦浸礦時間與黏聚力、內摩擦角的關系。浸礦過程細小礦物顆粒發生遷移，微裂隙擴展致使礦體結構發生變化，顆粒間的黏結力減弱，最終表現為抗剪強度變弱，其強度弱化的原因可歸結為稀土礦在溶浸液的滲流和應力因素的耦合作用。

3)稀土礦的剪切強度特性與溶浸液的濃度、噴淋速度、顆粒級配及含水率等因素相關，其本質上取決于礦樣在浸礦過程中的顆粒結構變化及微小礦物的遷移程度，今后的研究還需借助相關微觀儀器從微細觀層次上分析試驗現象。