火山岩风化壳离子型稀土原地浸矿工艺研究

摘要:火山岩风化壳离子型稀土矿床在赣南分布广泛,赋矿地层为凝灰岩、流纹岩等,其结构构造及稀土配分与花岗岩存在差异性。文章依照花岗岩风化壳离子型稀土原地浸出基本原理,对火山岩型稀土矿原地浸矿工艺展开研究,取得了相应的研究成果。鉴于该类型稀土大面积分布,保有储量较大,此成果的推广应用,具有巨大的经济意义。

关键词:火山岩稀土矿床;稀土配分结构;除杂剂

中图分类号:TF845文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0066-03

“原地浸出提取稀土工艺”是近几年流行的选冶新技术、新工艺,是一种易于形成规模化生产、集约化管理的选冶工艺,其生产成本低,回收率高,克服了“池浸工艺”和“堆浸工艺”搬山造成水土流失和占用农田的弊端,保持了山体原生态,保证了生态环境的平衡,是一种具有经济和生态双重效益提取工艺。目前政府已明令禁止池浸、堆浸工艺,大力推行稀土原地浸出工艺。

花岗岩风化壳离子型稀土矿床经过多年的开采,特别是早期“地浸”和“堆浸”选矿只选择高含量地段采掘,严重破坏了山体(矿块)的完整性,目前该类型矿床可供原地浸矿的资源已渐成枯竭之势。因此,研究开发新类型的离子型稀土矿则显得尤为重要。

一、研究区及研究工作概况

此次研究工作选择在江西省寻乌县石排稀土矿的火山岩区进行。区域上处于武夷山构造带与三南-寻乌东西向构造带交汇处,北东向构造贯穿矿区,出露岩性为侏罗纪花岗岩及侏罗系上统鸡龙嶂组,后者岩性为流纹质熔结凝灰岩,岩石呈灰色、灰紫色,风化、半风化,主要矿物成分为长石及少量的石英,它呈粒状,胶结物为火山灰,具塑变结构,层状构造,局部见似流纹状构造。

火山岩富含离子型稀土,但含矿层结构构造及其配分与当地花岗岩离子型稀土矿有明显差异(见表1)。在生产性试验开始前,对含矿层进行了渗透试验,结果表明:其渗透性能及渗透速率虽比花岗岩区稍差,但用原地浸出是可行的。随后依照稀土生产流程(如图1所示)就此类型矿床的矿块选择、注液井工程、导流孔工程及集液坑道等方面展开详细研究,同时对稀土矿液处理问题展开专门研究,取得了相应的研究成果。

二、火山岩离子型稀土的生产流程

试验流程参照花岗岩离子型稀土生产流程设计,考虑到该类型配分不同,除杂技术要求高,除杂时间限制较严格,故增加除杂池的数量;同时因稀土沉淀后水分含量高、体积大,故在回收时增加了板框压滤工序。其生产流程分为山上工程和车间处理两个环节,山上工程包括注液井、导流孔及集液坑道;车间主要包括母液池、除杂池、沉淀池、配液池(上清液池)。

地浸矿块的选择及工程施工质量是矿山效益的关键,矿液除杂决定着产品的质量和价格。另外,注液配方及注液量的控制影响着稀土的回收率,因此上述环节是此次研究的重点。

(一)矿块选择

选择山体较为饱满,单位体积内矿量较大的矿块,特别是当地形上部坡度平缓、下半部较陡时最为有利(如图2所示),风化层的风化程度基本均匀厚度达5米以上(见表2)、表面有粘土层覆盖时最佳,矿层太薄易坍塌,且单位体积工程费用高,同时矿液滞留时间短,离子交换不彻底。研究区矿层厚度多在5～8米,根据目前选冶技术水平及稀土价格,矿石品位(离子相)在0.05%以上的矿块可入选原地浸矿。

在矿块选择时,参照花岗岩区原地浸矿试验结果,当矿块边界与农田及距溪流100～150米时,其水质可达到环保要求。地形条件及生产能力决定着矿块大小的选择,在较为平坦的地段,每口注液井调节水位的时间约为30秒,加上行走时间,每人管理500口井较为适宜。

(二)注液井工程的设计

注液井工程的设计关键是确保浸矿液均匀渗透到整个矿块,同时应避开集液坑道上方,以防坑道坍塌。

1.注液井间距的选择。实验表明,火山岩风化层的饱水率比风化花岗岩高出10%～15%,达到35%～40%。为了保证正常的浸矿周期和矿液体高峰期的出现,并减少坍塌,注液井的间距比花岗岩要大些,以1.5～2.5米为宜。从表3可知,按花岗岩区的注液井间距注液,矿液高峰期短,稀土回收率低,矿液含量杂质高。采用“梅花型”布置注液井,可使单井浸注液在运移距离最短的情况下均匀覆盖整个矿块并在整个矿区内贯通。

2.注液井深度的选择。注液井的深度要与矿层厚度成正比,如按花岗岩区井深只超过残坡积层20厘米为基准,出现坍塌及迳流情况较多,总体回收率较低。实验表明,注液井设计到矿层下部的某一基准面上(图3),有利于提高稀土的回收率。基准面是指在一定深度内风化均一性较好且在整个矿块具有代表性。该基准面以下矿层风化程度基本一致,其优点是容易出现矿液高峰期,矿液的杂质含量较低,同时不容易造成浸矿盲区,提高回收率(表4)。因此注液井必须穿透残坡积层至基准面。

(三)导流孔工程施工

导流孔似布设于矿层底部的一张大网,当注液井中的浸注液渗过整个矿层与稀土置换后,含矿溶液通过导流孔形成的人造隔水底板汇聚到集液坑道中流出。

导流孔沿集液坑道两壁布设,为方便施工,一般在距集液坑道底板高0.6米左右布设,孔间水平间距以0.30米左右为宜,施工仰角以5°～6°为宜,坡角大则浪费矿层,太小则影响矿液流出,同时要杜绝俯角施工。导流孔工程在同一垂面上需采用上、下两排布设,其目的是为了增加负压差,确保矿液的全部流出,上、下层垂直间距为0.20米左右 (见表5)。上下层之间呈“三角形”排列,上层导流孔间距可适当放宽(见表6)。另外导流孔要尽量顺节理裂隙组较为发育的方向施工,因此人造隔水底板施工前应先进行节理裂隙组统计。

导流孔长度为集液坑道间距的1/2,由于集液坑道很难选择在同一个平面上,导流孔应避免交叉,否则将大大影响矿液的回收。实验表明,导流孔覆盖区域,处于底层的导流孔很少有矿液流出。对覆盖区矿层取样,稀土的浸出率只有20%～30%。稀土矿液的回收率也会打折扣(见表7)。在条件允许的情况下,可考虑适当增加低集液坑道的导流孔长度。原则上导流孔的施工长度不要超过15米,从表8中可知,导流孔的施工长度在10米左右最为合适。

导流孔施工好后,要对导流孔浇灌水泥浆,水泥浆固液比1∶3～1∶4较为合适。在灌浆过程中,要掌握好塑料管在孔内的滞留时间,既要保证孔内底部水泥面的平滑,又要求孔的上部无水泥浆。灌浆完成后,要及时进行注液,避免时间过长水泥浆与导流孔界面脱落,而导致矿液流失。

(四)集液坑道的构建

建造集液坑道目的是将导流孔内的稀土矿液汇聚后流出地表。通常的做法是沿矿层底部以下施工小型坑道,规格一般为1.2×1.8m2。集液坑道建造前,应对矿块进行系统取样,确定含矿层深度,从资源利用率最大化考虑,结合导流孔施工的需要,其底板选择在矿层下方约0.6米左右较为理想。

1.集液坑道间距的确定。集液坑道的间距以稀土矿液的最大回收为前提,同时兼顾经济成本。笔者选择不同间距集液坑道对矿液回收情况进行研究,统计数据表明,人造隔水底板的工程间距为20米左右,稀土的回收率较为理想(见表9)。间距过大,施工导流孔所用铁管由于自身重力影响而自然下坠,容易造成导流孔成俯角, 而且难于控制导流孔方向,甚至造成铁管的脱落而难以取出,影响母液的回收,加之岩层内部节理较为发育, 线路太长本身也会增加沿途损失。相反线路太短,汇聚的水量偏小,导致矿液滞留,同样也会造成矿液流失。

2.集液坑道流向及方位的选择。以保证矿层厚度大、品位高的地段浸出的矿液流迳最短,避免回收路径上的损失为前提,即矿液流动方向是由薄矿层流向矿层厚的一端。按该方向设计流向的矿液回收率为95%,反向流向的回收却只有93.5%。其方位要尽量垂直节理和裂隙发育的方向。

3.集液坑道坡度的选择。集液坑道坡度的选择以保证矿液的正常流出为原则。为了施工过程中的安全、方便操作及保证稀土的最大化利用,一般以坡角3°～5°为宜。

集液坑道的底板还要做成两侧高中间低的槽形,使矿液从槽内呈线型流出。由于流出的稀土母液是偏酸性(pH值3.5～4.5),易与底板的水泥发生化学反应,造成底板的渗漏,甚至造成稀土SiO2含量偏高,所以修建水槽与不建槽体的回收率存在明显差异,见表10:

集液坑道修好后,要做好对底板的保护工作。坑道要支护,水槽用木板封盖,然后用松软物堆至坑道顶板。

三、浸矿过程中的几个问题的探讨

1.浸矿时注液井要依地形由上而下分批次灌注,当发现与本批次毗邻的注液井有湿润感时,再注下一批次注液井。试验中我们发现,注液井在注液后其影响范围可达6～8米,由此,如果注液井同时注液,很有可能会在稀土未完全交换时,于矿层上部的某一个界面形成迳流,影响稀土的回收,见表11:

2.注液井注液量与矿体厚度成正比关系,另外,注液井液面要逐日加高以增加静压力,以保证浸矿液的持续渗透。浸矿液全部注完后,对所有注液井补满清水,增加整个矿区的水压,保证稀土的如期回收。矿块中间的注液井可以外溢一部分,促使矿块表层的稀土充分置换,但矿区边缘注液井不能因外溢流到本矿块外。由于稀土离子的交换在一定的酸度内较为有效,所以在后期补注清水及上清液时都要添加适量硫酸,保证其pH值。

3.由于火山岩岩性不均一,容易造成局部坍塌。对坍塌地段及边角地带用常规浸注,其回收率不到10%,而采用喷淋手段进行补救,可使坍塌地段的回收率增加到60%以上。

四、浸矿液配方的研究

一般稀土生产的原材料成本约占生产总成本的20%～25%。在生产实践中,一吨稀土一般需要消耗硫铵5~6吨,池浸工艺生产一吨稀土所消耗硫铵是2.8～3.5吨,显然原地浸矿的原材料成本有潜力可挖。因此,准确计算矿块品位及土方量显得特别重要。由于生产中难于避免出现内部迳流,导致部分稀土无法与浸矿液接触,核算出稀土储量后,按所需硫铵的80%～85%来配制浸矿液比较符合生产实际(见表12)。据此每吨稀土可节约总成本的5%～10%。其次是计算矿层饱和状态下所总需水量,硫铵总量除以总需水量计算出矿液的配方比。但首批次注液井的硫铵浓度要达到2%左右,然后再逐渐降低。需要提出的是,不同季节矿层的含水率有所差异,而饱水率基本不变,所以随着季节的变化,浸矿液配方应有所不同。

五、稀土矿液处理

稀土矿液的后处理与花岗岩风化壳离子型稀土类同,但由于配分的变化,除杂工作略有不同。在后期稀土浓度较低的情况下,除杂分量要稍重些,使pH值达5.5～5.6,且澄清时间要短些。一般情况下,除杂工作完成后的2.5～3小时内处理稀土矿液比较可行(见表13)。排放上清液时,液面要离杂质层高一些,一般情况下要保持0.5米以上的液面。当杂质沉积不实时预留液面还要更高。矿液排放到一定量后,要及时调小开关流量,防止因吸力过大而带出杂质影响稀土质量。并且要及时清理沉淀池内稀土杂质。由于该类型稀土配分的独特性,沉淀不实,采用常规滤布过滤方法有诸多不便,甚至因难于销售而影响效益,因此需采用板框压滤以达到良好的效果。

六、结论

相对于花岗岩风化壳离子型稀土矿山,火山岩风化壳离子型稀土矿床的工程布置需要求更高、更严谨,由于其渗透性能相对较差,注液过程中更要考虑其科学性和合理性。我们运用地质、水文等相关知识,想方设法防止迳流和坍塌,加强含水率、饱水率、浸矿液配方的研究,创新对边角地带及局部坍塌地段的喷淋手段,提高了矿山的总回收率,对稀土沉淀体积膨大的困扰,应用板框压滤得以圆满解决。试验所获的经验与数据,对火山岩离子型稀土原地浸出具有很好的参考价值。

因时间仓促,本课题的研究所获数据少,有待今后加以补充完善。本课题的研究得到局科技外事处付晓仁处长等的大力支持,在此深表谢意。

作者简介:张小平(1963-),男,江西省核工业地质局二大队地质工程师,研究方向:野外地质勘查、矿产开采、地质科研、地质经济管理;黄符桢(1963-),男,江西省核工业地质局二大队地质工程师,研究方向:铀矿勘查及矿产开采;汤国平(1969-),男,江西省核工业地质局二大队物探工程师,研究方向:野外物探及地质经济管理;王启滨(1962-),男,江西省核工业地质局二大队地质工程师,研究方向:野外地质勘查、矿产开采、地质科研、地质经济管理;王太伟(1966-),男,江西省核工业地质局二大队地质工程师,研究方向:铀矿勘查、矿产开采。