王少勇 ，吳愛祥 ，王洪江 ，尹升華 ，顧曉春

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.云南銅業(yè)集團(tuán)公司，昆明 650051)

銅資源現(xiàn)狀為三多三少，即貧礦多、富礦少；共生、伴生礦多，單一礦少；難處理礦多，易處理礦少。品位低、復(fù)雜難處理是我國銅資源特點(diǎn)。由此可見，大力開發(fā)處理低品位、復(fù)雜難處理銅礦技術(shù)對(duì)增加銅產(chǎn)量、緩解銅的供需矛盾，增強(qiáng)我國在國際銅市場上的競爭能力是十分必要的。高含泥氧化銅礦屬于復(fù)雜難處理銅資源的典型代表，這類礦石的特點(diǎn)是易破碎、含泥量大，氧化率高。我國氧化銅礦資源中，高含泥氧化銅礦占 2/3。傳統(tǒng)選冶工藝無法從中經(jīng)濟(jì)地回收銅[1?3]，采用堆浸技術(shù)是一種比較合理的工藝。但是，由于含泥量大導(dǎo)致的堆浸過程中滲透性差的問題，直接影響堆浸工藝的應(yīng)用與推廣。堆浸技術(shù)的成功與否主要取決于兩個(gè)方面[4]：一方面是溶浸液對(duì)有用礦物的溶解能力；另一方面是溶浸液在礦堆中的滲透效果。高含泥氧化礦氧化率極高，具有良好的可浸性。因此，改善高泥礦堆滲透性就成為處理高含泥氧化礦的關(guān)鍵。制粒技術(shù)[5?7]是處理高泥氧化礦的有效手段，但是制粒工藝需要制粒設(shè)備，且要使用粘結(jié)劑；目前制粒粘結(jié)劑多為堿性，而高泥氧化礦最優(yōu)的浸出方式是在酸性條件下，因此，制粒工藝也受到很大的限制。在礦堆中添加疏松物得到了嘗試，但受到試劑來源、價(jià)格等因素的影響，大規(guī)模應(yīng)用還為時(shí)尚早。在布液方式方面，加壓逆流浸出技術(shù)和加負(fù)壓進(jìn)行強(qiáng)化浸出技術(shù)目前還沒有得到工業(yè)應(yīng)用[8]。本文作者以云南某高含泥氧化銅礦為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)研究探明顆粒結(jié)構(gòu)、粒徑及泥質(zhì)對(duì)堆體滲透性的影響規(guī)律，提出水洗?分級(jí)筑堆的堆浸新工藝，并在云南某銅礦得到成功應(yīng)用，對(duì)處理高含泥氧化銅礦具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)礦樣

1.1.1 礦樣的化學(xué)性質(zhì)

礦樣取自于云南某銅礦，主要元素分析結(jié)果如表1所列，銅品位在1.013%。銅礦銅物相分析結(jié)果如表2所列。通過表2所列銅物相來看，氧化率為63.02%，結(jié)合率為21.13%。說明該礦具有良好的可浸性。

表1 銅礦多元素分析Table 1 Chemical composition of copper ore (mass fraction, % )

表2 銅礦銅物相分析Table 2 Phase analysis of copper ore

1.1.2 礦樣的粒級(jí)組成

將礦樣倒入標(biāo)準(zhǔn)分析篩中，石子孔徑分別為10.0、5.0、2.0、1.0、0.5、0.2和0.1 mm，置于篩析機(jī)上震篩10～15 min，得該氧化礦的級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)礦樣級(jí)配曲線圖Fig.1 Particle size distribution of ore sample

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

室內(nèi)滲透實(shí)驗(yàn)按原理分有兩大類[9]：變水頭法和常水頭法。前者適用于滲透性較小的介質(zhì)，后者適用于透水性較大的介質(zhì)。根據(jù)取樣粒徑在?25 mm，屬于透水性較大的介質(zhì)，固滲透性實(shí)驗(yàn)采用變水頭法測量滲透系數(shù)，變水頭法滲透實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。在滲透試驗(yàn)過程中時(shí)刻t0時(shí)，水頭量管中水頭為h0，t1時(shí)刻的水頭量管中水頭為 h1，在時(shí)間間隔Δt=t1?t2內(nèi)，量管中水量變化為

式中：Q為流量，m3/s；a為截面積，m2；h0和h1為時(shí)間t0與t1時(shí)刻的液位高度，m。

由Darcy定律可知，流經(jīng)樣品的流體流量為

式中：A為樣品斷面積，m2；L為樣品長度，m；h為水頭高度，m；K為滲透系數(shù)，m/s。

圖2 變水頭法滲透系數(shù)測試原理圖Fig.2 Schematic diagram of falling head permeability test

由式(1)和 (2)可得

由于本試驗(yàn)裝置為統(tǒng)一管徑，a=A，故式(3)可變?yōu)?/p>

式中：L0為滲透柱上下表面之間的長度，m；L1為起始液面至滲透柱上表面長度，m；L2為最終液面至滲透柱上表面長度，m；tΔ為液面從L1到L2經(jīng)歷的時(shí)間，s。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將原礦進(jìn)行篩分分級(jí)為+1～?5 mm、+1～?2 mm、?1 mm、?0.6 mm、?0.28 mm、+1～?25 mm、+2～?25 mm、+5～?25 mm；

2)按照上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行滲透性測試；

3)對(duì)堆場中的+1～?5 mm 和+5～?25 mm 兩級(jí)水洗礦樣進(jìn)行滲透性測試；

4)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比原礦與分級(jí)礦樣、水洗礦樣滲透性變化規(guī)律。

2 結(jié)果分析

不同粒級(jí)滲透性測試結(jié)果見表3。由表3可見，?0.28 mm、?0.6 mm和?1 mm粒級(jí)礦樣的滲透系數(shù)低于未分級(jí)原礦的滲透系數(shù)，說明對(duì)于粒級(jí)在?1 mm以下的礦樣，通過分級(jí)來改善顆粒結(jié)構(gòu)的措施對(duì)提高浸堆的滲透性效果不明顯。分析原因主要是?1 mm粒級(jí)的顆粒為泥質(zhì)，其對(duì)溶浸液有黏滯作用。所以，將?1 mm粒級(jí)的礦樣不入堆進(jìn)行堆浸，而進(jìn)行槽浸和攪拌浸出。+1～?2 mm和+1～?5 mm粒級(jí)礦樣的滲透系數(shù)分別為原礦的3.2和9.4倍，+1～?25 mm、+2～?25 mm和+5～?25 mm粒級(jí)礦樣的滲透性也大幅度改善，其滲透系數(shù)分別是原礦的19.1、75.9和47.6倍，說明調(diào)節(jié)粒徑組合可明顯提高浸堆的滲透性。

表3 不同粒徑滲透系數(shù)記錄表Table 3 Log sheet of osmotic coefficient of different particle size

對(duì)顆粒粒徑與滲透性進(jìn)行擬合分析(見圖3)，結(jié)果表明，顆粒直徑與其組成的堆體的滲透系數(shù)成二階指數(shù)關(guān)系。當(dāng)粒徑小于10 mm時(shí)，粒徑改變對(duì)提高浸堆的滲透性無明顯作用；當(dāng)顆粒粒徑大于10 mm時(shí)，顆粒粒徑變化對(duì)浸堆的滲透性影響明顯。

圖3 顆粒直徑與滲透系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between particle size and permeability coefficient

3 高泥礦堆滲透性影響因素分析

3.1 黏土礦物對(duì)滲透性的影響

高泥礦堆中的黏土礦物與水相互作用時(shí)，在黏土顆粒周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場[10]，呈強(qiáng)極性狀態(tài)的水分子和水溶液中的陽離子在土粒表面的靜電引力作用下，被土粒強(qiáng)烈地吸附，它們共同構(gòu)成了強(qiáng)結(jié)合水層(見圖4(a))。強(qiáng)結(jié)合水因受土粒表面的強(qiáng)吸附力控制而不服從靜水力學(xué)規(guī)律，不受重力控制而流動(dòng)。隨著離土粒表面距離的加大，水化陽離子的濃度逐漸降低，直至達(dá)到孔隙中水溶液的正常濃度為止，水分子亦從定向排列逐漸變成正常的隨機(jī)狀態(tài)。從強(qiáng)結(jié)合水層表面直至陽離子濃度正常這個(gè)范圍稱為弱結(jié)合水層(見圖4(b))，弱結(jié)合水的黏滯度亦較正常狀態(tài)的大。強(qiáng)結(jié)合水層和弱結(jié)合水層構(gòu)成了擴(kuò)散層，土粒表面的負(fù)電荷和擴(kuò)散層合起來稱為雙電層，隨著土顆粒距離進(jìn)一步加大，顆粒之間孔隙變大，可以存在自由流動(dòng)的自由水(見如圖4(c))，自由水受重力控制，決定了整個(gè)礦堆的滲透性。

圖4 不同狀態(tài)下黏土顆粒表面水理性質(zhì)Fig.4 Water physical properties of clay particle surface in different states: (a)Solid or semisolid state; (b)Plastic state; (c)Flow state

黏土顆粒的膨脹性是其水理性質(zhì)的重要體現(xiàn)，其膨脹大致分兩個(gè)階段[11]：第一階段為干顆粒表面吸附單層水分子形成粒間膨脹；第二階段由于雙電層的形成，使黏?；蚓舆M(jìn)一步推開，形成滲透膨脹。黏土礦物遇水時(shí)膨脹，使得土粒間孔隙更小，阻礙自由水的流動(dòng)；其次黏土中的結(jié)合水對(duì)自由水有較強(qiáng)黏滯作用而產(chǎn)生很大的阻力，這也正是高泥礦堆滲透性差的一個(gè)重要原因。

3.2 顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)滲透性的影響

浸堆的顆粒結(jié)構(gòu)是指入堆散體顆粒和孔隙的空間相互排列以及顆粒間的聯(lián)結(jié)特征的綜合，其中的孔隙是溶浸液滲流的通道，而孔徑大小及其分布決定著溶浸液的滲流路徑和滲流速度。因此，堆浸礦巖散體的結(jié)構(gòu)是影響溶液滲流的主要因素，并最終影響到浸出效果。按顆粒的排列及聯(lián)結(jié)情況可以分為下列4種[12]。

1)單粒結(jié)構(gòu)

單粒結(jié)構(gòu)是破碎制粒堆浸散體的特征，其特征是顆粒粒徑大小相似，顆粒間沒有聯(lián)結(jié)力，或聯(lián)結(jié)力非常微弱，可以忽略不計(jì)。按顆粒的相互排列，可以把單粒結(jié)構(gòu)分為疏松的和緊密的(見圖5)。

2)蜂窩狀結(jié)構(gòu)

當(dāng)浸堆的粗顆粒(粒徑大于 5 mm)體積分?jǐn)?shù)大于70%時(shí)，礦石顆粒以松散拱架形式堆積，細(xì)料填不滿粗料間的空隙，堆體整體以大顆粒構(gòu)成骨架承受載荷，小顆?；静怀惺茌d荷，浸堆具有大孔隙性、彈性，這些性質(zhì)與散體的強(qiáng)度和變形有密切關(guān)系(見圖6)。

3)包裹結(jié)構(gòu)

浸堆的粗顆粒體積分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，粗顆粒礦塊被粉礦分割包裹，浸堆呈現(xiàn)黏土特性，一般孔隙性和滲透性較低(見圖7)。當(dāng)粗顆粒體積分?jǐn)?shù)介于 30%和70%之間時(shí)，浸堆的力學(xué)特性和滲流特性由粗細(xì)顆粒共同承擔(dān)。

4)A型和B型結(jié)構(gòu)

ABERG[13?15]根據(jù)粒級(jí)曲線的形狀，將顆粒的結(jié)構(gòu)分為兩種：A型和B型。A型顆粒集合體中微細(xì)顆粒比較多，顆粒級(jí)配曲線的下端相對(duì)較陡；而B型顆粒集合體中微細(xì)顆粒相對(duì)較少，因此，顆粒級(jí)配曲線的下端比較平緩(見圖8)，這類顆粒中的微細(xì)顆粒容易發(fā)生遷移，而導(dǎo)致孔隙堵塞。在A型結(jié)構(gòu)的顆粒集合體中，每個(gè)顆粒和周圍充分多的顆粒接觸，其位置是不變的。具有B型結(jié)構(gòu)的顆粒集合體中，僅有部分顆粒位置固定，他們組成土的骨架，其它顆粒和周圍的顆粒接觸較少，可在不擾動(dòng)周圍其它顆粒的情況下在一定范圍內(nèi)自由移動(dòng)(見圖9)。

圖5 浸堆體系的單粒結(jié)構(gòu)[12]Fig.5 Single particle structures of dump leaching system[12]:(a)Loose; (b)Closely packed

圖6 浸堆體系的蜂窩狀結(jié)構(gòu)[12]Fig.6 Cellular structure of dump leaching system[12]

圖7 浸堆體系的包裹結(jié)構(gòu)[12]Fig.7 Surrounded structure of dump leaching system [12]

圖8 A和B型顆粒結(jié)構(gòu)級(jí)配曲線Fig.8 Particle size distribution curves of particle structure types A and B

圖9 B型顆粒結(jié)構(gòu)堵塞示意圖Fig.9 Schematic diagram of blockage of particle structure type B

由圖1所示級(jí)配曲線可以得出，該高含泥氧化銅礦為的粗顆粒(+5 mm)在 63%左右，介于包裹結(jié)構(gòu)與蜂窩狀結(jié)構(gòu)之間，滲流特性由粗細(xì)顆粒共同承擔(dān)；其次，曲線下凹，為B型顆粒結(jié)構(gòu)，細(xì)顆粒容易在粗顆粒組成的骨架顆粒之間運(yùn)移，在孔隙較小的地方容易發(fā)生拱堵現(xiàn)象，降低浸堆整體的滲透性，這也是高泥礦堆滲透性隨著浸出時(shí)間的增加逐漸降低的主要原因。

3.3 分級(jí)筑堆對(duì)滲透性的影響機(jī)理

分級(jí)筑堆的設(shè)計(jì)原理就是利用不同粒級(jí)物料的滲透性不同來設(shè)計(jì)筑堆。盡管粗粒級(jí)區(qū)的孔隙大，在噴淋強(qiáng)度很小的情況下，從粗粒級(jí)區(qū)流出的溶液所占的比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從細(xì)粒級(jí)區(qū)流出溶液所占的比率。這主要是因?yàn)榧?xì)粒級(jí)區(qū)比表面積大，對(duì)溶液的吸附能力強(qiáng)，并且細(xì)粒級(jí)區(qū)孔隙和裂隙直徑較小，能產(chǎn)生較大的負(fù)孔隙水壓力，使溶液從粗粒級(jí)區(qū)進(jìn)入細(xì)粒級(jí)區(qū)[16?17]，如圖10所示。隨著噴淋強(qiáng)度的加大，細(xì)粒級(jí)區(qū)逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，溶液開始作橫向流動(dòng)，進(jìn)入粗粒級(jí)區(qū)，粗粒級(jí)區(qū)出液率逐漸增大，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過細(xì)粒級(jí)區(qū)。因此，在噴淋強(qiáng)度較大的情況下，液流優(yōu)先發(fā)生在粗粒級(jí)區(qū)。

圖10 粗、細(xì)顆粒區(qū)內(nèi)優(yōu)先液流示意圖Fig.10 Schematic diagrams of preferential flow in coarse and fine particles

4 工程應(yīng)用

4.1 存在問題

2007年9月，云南某銅礦建成濕法廠相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)行了堆浸工業(yè)試驗(yàn)，首期入堆礦量10多萬t，主要為露天開采的氧化礦，礦石經(jīng)兩段破碎后，粒級(jí)在?25 mm，為入堆高含泥原礦，由自卸汽車運(yùn)輸筑堆，并開始布液浸出實(shí)驗(yàn)。至2007年11月底，經(jīng)過近3個(gè)月的堆浸試生產(chǎn)，浸出效果差，浸出率不到10%，堆場滲透性差，溶浸液無法正常滲透循環(huán)，浸堆表面徑流與積液現(xiàn)象嚴(yán)重(見圖11)，電銅廠堆浸因此停產(chǎn)。

圖11 水洗?分級(jí)前浸堆表面溶浸液積聚Fig.11 Solution gathering in surface of heap before washingclassification

4.2 水洗?分級(jí)工藝

根據(jù)以上分析研究，本文作者提出了基于洗礦機(jī)+旋流器的水洗?分級(jí)工藝。水洗指采用洗礦機(jī)將礦石進(jìn)行預(yù)處理，?1 mm細(xì)砂礦約占處理礦量的20%左右，對(duì)堆體的滲透性具有惡化作用，不入堆進(jìn)行堆浸，而改為槽浸和攪拌浸出，其工藝流程如圖12所示。首先將原礦礦石破碎至?25 mm，并進(jìn)行篩分。+5～?25 mm進(jìn)入洗礦機(jī)，其返砂粗粒級(jí)直接入堆，而+1～?5 mm粒級(jí)直接進(jìn)入旋流器繼續(xù)分級(jí)，返砂+1～?5 mm粒級(jí)入堆，? 1 mm粒級(jí)進(jìn)入攪拌槽進(jìn)行槽浸。?0.28 mm粒級(jí)的泥質(zhì)進(jìn)入濃密機(jī)，50%濃度底流進(jìn)行攪拌浸出，酸度為50 g/L，液固比為3:1，浸出2 h后進(jìn)行壓濾，濾液進(jìn)行澄清后進(jìn)入料液池，濾餅保證水分不超過15%，加石灰中和后進(jìn)入堆渣場。

分級(jí)指將礦石根據(jù)粒級(jí)組成分為粗中細(xì)粒級(jí)，并對(duì)粗、細(xì)顆粒進(jìn)行分區(qū)堆置，從而達(dá)到提高粒級(jí)均勻度的目的(見圖13)。塊狀礦石量較大，可堆放在堆場中央?yún)^(qū)域。細(xì)粒礦石產(chǎn)量較小，在堆場周邊區(qū)域堆放，杜絕均勻混合堆放，保證堆場主體部分能夠順利浸出。在分區(qū)堆放之后，采用不同的布液強(qiáng)度進(jìn)行分區(qū)布液。塊狀礦石區(qū)采用較大的布液強(qiáng)度，細(xì)粒礦石區(qū)采用較小的布液強(qiáng)度，使整個(gè)堆場得到充分的浸潤。+5 mm的塊狀礦石堆放區(qū)域采用的布液強(qiáng)度為 20～100 L/(m2·h)，+1～?5 mm的細(xì)粒礦石堆放區(qū)域采用的布液強(qiáng)度為 5～20 L/(m2·h)。

4.3 效果分析

圖12 水洗?分級(jí)浸出工藝流程示意圖Fig.12 Schematic diagram of dump leaching with washing and classification

圖13 分級(jí)筑堆、分區(qū)布液示意圖Fig.13 Schematic diagram of classification heap and partition liquid arrangement

通過采用水洗?分級(jí)工藝，浸堆的滲透性明顯改善，消除了堆場表面的徑流與積液現(xiàn)象。圖14所示為采用此工藝后的堆場表面，較未采用此工藝堆場表面(見圖11)積液明顯減少。在浸堆處取兩種粒級(jí)的礦樣(+1～?5 mm和+5～?25 mm)，對(duì)其滲透性進(jìn)行測試并與原礦進(jìn)行對(duì)比，其測試結(jié)果見表4。由表4可見，原礦的滲透系數(shù)最低，且隨著浸出時(shí)間的增長，下降也比較快。+1～?5 mm粒級(jí)礦樣的滲透系數(shù)為原礦的8～10倍，+5～?25 mm粒級(jí)礦樣的滲透系數(shù)為原礦的50倍左右，且隨著浸出時(shí)間的增長，滲透系數(shù)下降緩慢且能滿足堆浸要求，說明水洗?分級(jí)工藝對(duì)改善浸堆滲透性效果顯著。

表4 現(xiàn)場堆樣滲透系數(shù)變化記錄表Table 4 Permeability coefficient of different size fraction in heap leaching

圖14 水洗?分級(jí)后堆場浸堆表面Fig.14 Surface of dump after washing-classification

此浸出工藝特點(diǎn)是堆浸為主，槽浸、攪浸為輔的堆浸?槽浸?攪拌浸聯(lián)合浸出；進(jìn)入堆浸的礦量占70%左右，浸出率在59.3%左右；+0.28～?1 mm粒級(jí)的細(xì)砂進(jìn)行槽浸，浸出率71.75%；將?0.28 mm粒級(jí)的微細(xì)粒泥礦進(jìn)行攪拌浸出，浸出率在 43.5%；綜合浸出率達(dá)到了63.98%。

5 結(jié)論

1)分析了高含泥礦堆滲透性差的原因。首先，黏土礦物遇水膨脹導(dǎo)致顆粒間孔隙變小，阻礙了自由水的順利通過；其次，顆粒表面結(jié)合水對(duì)溶浸液自由水具有黏滯及吸收作用，增大溶浸液的滲流阻力。

2)堆體的顆粒粒徑與其滲透系數(shù)成二階指數(shù)關(guān)系，當(dāng)粒徑小于10 mm時(shí)，其滲透系數(shù)隨著粒徑的增加而緩慢增加；當(dāng)粒徑大于10 mm時(shí)，其滲透系數(shù)隨著粒徑的增加迅速增加。

3)?1 mm粒級(jí)物料對(duì)堆體滲透性影響最大，對(duì)堆體滲透性具有惡化作用，不宜入堆。以?1 mm粒徑作為堆浸與槽浸或攪浸的分界線。

4)提出了水洗?分級(jí)浸出新工藝。礦堆中+1～?5 mm和+5～?25 mm粒級(jí)物料占70%，采用分級(jí)筑堆、分區(qū)噴淋的堆浸方式；+0.28～?1 mm粒級(jí)物料視為細(xì)砂，進(jìn)入進(jìn)行槽浸；?0.28 mm視為泥質(zhì)，進(jìn)行攪拌浸出。運(yùn)用此工藝可使堆體的滲透性明顯提高，滲透系數(shù)為原礦的8～50倍，浸出率由原來的不到10%提高到63.98%。

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