熊永柱 劉 壯 蘭春雨 鞠 煒 楊建華 張小波

(1.中國電建集團江西省水電工程局有限公司,江西 南昌 330096;2.南昌大學工程建設學院,江西 南昌 330031)

中國稀土資源儲量豐富、種類齊全,其中離子吸附型稀土是在我國江西首先發(fā)現(xiàn)的一類特色稀土資源。離子吸附型稀土有原地浸礦和堆浸兩種開采方式。原地浸礦過程中,由于礦床的不均勻性,往往導致過量高濃度浸礦液非預見性流失,造成嚴重的環(huán)境污染和資源浪費[1-2]。相比于原地浸礦,堆浸的浸礦方式更為可控,能有效減少浸礦液對環(huán)境的污染,并且浸取效率也更高[3]。但傳統(tǒng)的堆浸工藝是在堆體頂部注入浸礦液對稀土礦進行浸取,這推遲了堆體頂部植被修復的時間,增加了堆場后續(xù)生態(tài)修復的難度[4]。因此,為實現(xiàn)離子吸附型稀土資源高效綠色開發(fā),需要完善原地浸礦工藝,發(fā)展新型可控堆浸技術,研發(fā)低成本的離子吸附型稀土采—浸—生態(tài)修復一體化技術。

本文研發(fā)了一種適應植被修復的新型堆浸技術,其堆體結構和浸礦液注流方案如圖1所示。采用這種新型堆浸技術時,稀土礦逐級水平堆置,浸礦液從端部橫向注入堆體中;當前一級堆體浸礦完成后,開始下一級堆體的堆置和浸取。這種新型堆浸技術采用側面橫向注液的方式,為稀土堆體頂部的植被修復預留了空間,從而可以實現(xiàn)稀土浸取與生態(tài)修復同步,減少稀土礦區(qū)的環(huán)境污染。浸礦液在稀土礦堆中的滲流特性將直接影響稀土的浸取效率和稀土礦堆的穩(wěn)定。在堆體滲透性較差的區(qū)域,容易造成浸礦液滯留和浸取不足[5-9];在滲透性較好的區(qū)域,浸礦液的滲透力易引起細小礦物顆粒的運移,從而改變堆體的孔隙結構,形成優(yōu)勢滲流通道,造成堆體局部塌陷和失穩(wěn)[10-12]。因此,研究橫向注液條件下離子吸附型稀土礦堆的滲透特性對采用新型堆浸技術實現(xiàn)高效浸取和堆體穩(wěn)定控制具有重要意義。

圖1 新型離子吸附型稀土堆浸結構和浸礦液注流方案Fig.1 New ion adsorption rare earth heap leaching structure and leaching solution injection scheme

國內(nèi)外學者圍繞稀土原地浸礦和傳統(tǒng)堆浸就稀土的滲透特性開展了相關的試驗研究。如王觀石等[13]、謝芳芳等[14]通過柱浸試驗研究了豎向注液條件下浸礦液的滲流規(guī)律及礦體孔隙結構的變化,研究結果表明,離子交換反應對礦體孔隙結構影響不明顯,浸礦液流動引起的細顆粒運移是礦體孔隙結構及滲透性改變的主要原因。LIU 等[15]通過柱浸試驗研究了顆粒級配和顆粒遷移對礦體滲透系數(shù)的影響,結果表明,粒徑小于0.075 mm的細顆粒在浸礦液浸出過程中含量變化對滲透系數(shù)影響最大,當粒徑小于0.075 mm的細顆粒含量小于30%時,細顆粒的遷移能力和滲透系數(shù)在浸礦液浸出過程中逐漸降低。尹升華等[16]采用自行研制的變水頭滲透儀裝置,研究了不同顆粒級配下離子吸附型稀土的滲透規(guī)律,認為孔隙比小的稀土顆粒對浸礦液的流動具有極大的黏滯性,隨著孔隙比的增加,滲流效果顯著增加。梁越等[17]通過自行研制的大型滲透儀,研究了不同顆粒組成下細顆粒的遷移規(guī)律,指出基料顆粒越細,顆粒從啟動到運移過程越短,滲透破壞越突然。但目前有關稀土滲透特性的試驗研究主要是針對浸礦液豎向注入的情況,橫向注液條件下離子吸附型稀土滲透特性的試驗研究還鮮有報道。此外,采用堆浸工藝浸取稀土礦時,礦石在堆置過程中由于偏析而導致不同粒徑的礦粒分離、重新組合,稀土堆置后的顆粒級配與原位開采時的顆粒級配并不完全相同[18]。顆粒級配是影響稀土礦滲透性的重要因素,通過調控稀土礦的顆粒級配可以改變浸礦液在堆體內(nèi)的流動,但目前有關粒徑組合對稀土礦滲透性影響的試驗研究還比較少見。

本文針對新型堆浸技術的浸礦液橫向注流方案,采用自行設計的逐級加壓橫向注液試驗裝置,研究橫向注液條件下離子吸附型稀土的顆粒運移規(guī)律及滲透特性,分析不同粒徑組合對稀土滲透性的影響,以期為離子吸附型稀土新型堆浸技術的高效浸取和堆體穩(wěn)定控制提供參考依據(jù)。

1 試驗原料及試驗方法

1.1 試驗裝置

采用自行設計的逐級加壓橫向注液試驗裝置開展不同粒徑組合下離子吸附型稀土浸礦模型試驗,該試驗裝置由模型槽、注液裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3 部分組成,如圖2所示。模型槽由透明亞克力板制成,從左至右分為3個區(qū)域,并由孔徑為0.4 cm 的多孔板分隔開來。左側為浸礦液緩沖區(qū),內(nèi)部放置玻璃彈珠起緩沖效果,左端設置一個直徑為0.8 cm 的進液口,頂部設置一個排氣閥,當浸礦液充滿時關閉排氣閥。中間區(qū)域為試驗土樣的堆放區(qū),該區(qū)域的內(nèi)部尺寸為25 cm×15 cm×10 cm,為了與新型礦堆結構的布置相一致,該區(qū)域的底板坡度設置為1 ∶60,側面每隔5 cm預留直徑為0.6 cm 的孔洞,用于預埋CYY2 型孔隙水壓力傳感器。右側區(qū)域為收集槽,用于收集滲出的浸礦液和泥沙。注液裝置主要包括支撐架和供液箱,供液箱一側開孔并設置閥門。注液裝置與模型槽通過橡膠管連接,供液箱內(nèi)浸礦液自由面到模型槽底部的距離定義為進液水頭H。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由CYY2型孔隙水壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計算機組成。試驗采用濃度為2%的硫酸銨溶液作為浸礦液。

圖2 模型試驗裝置Fig.2 Model test devices

1.2 試驗土樣

試驗土樣為江西贛州定南嶺北離子吸附型稀土。先將離子吸附型稀土礦烘干并篩分,分成7 組不同粒徑的顆粒,分別為-0.15、0.15～0.25、0.25～0.60、0.60～1.18、1.18～2.35、2.35～5.00、+5.00 mm,如圖3所示。為方便后文表述,將粒徑小于0.25 mm的顆粒歸為細顆粒類,將粒徑在0.25～2.35 mm范圍內(nèi)的顆粒歸為中顆粒類,將粒徑大于2.35 mm的顆粒歸為粗顆粒類?；谶@7 組不同粒徑的顆粒配置試驗土樣,將與原位稀土礦相同顆粒級配的土樣作為本次試驗的標準土樣S1;以標準土樣S1 的各粒級質量分數(shù)為依據(jù),配置中-細顆粒組合土樣S2、粗-中顆粒組合土樣S3、粗-細顆粒組合土樣S4,各土樣的各粒級質量分數(shù)如表1所示。

圖3 試驗土樣的篩分及配置Fig.3 Screening and configuration of the testing rare earth samples

1.3 試驗方法

按照表1 的各粒級質量分數(shù)配置土樣S1、S2、S3和S4,將每一種土樣均勻裝填在模型槽中,為避免土樣裝填過程中出現(xiàn)層間分界面,在兩層交界面處進行刨毛處理。試驗時先將供液箱內(nèi)的進液水頭H設置為一個較小值,待土樣完全飽和后,逐級增加進液水頭H,分別觀測測點A、B、C、D 處的孔隙水壓力以及浸礦液滲流流量隨進液水頭H的變化。測點A、B、C、D 位于同一水平線上,距稀土堆體頂部7.5 cm,各測點之間間距5 cm,測點A 和D 距堆體兩端的距離也為5 cm,如圖4所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1 min 采集1 次孔隙水壓力數(shù)據(jù),當連續(xù)5 次采集的數(shù)據(jù)基本不變時,說明在該水頭下土樣的滲流達到穩(wěn)定,記錄下此時各測點的孔隙水壓力及滲流流量;而后增加2 cm 的進液水頭重復以上試驗步驟,直至浸礦液的滲流流量突然增大且伴有大量泥漿滲出時終止試驗。某一作用水頭下若有泥漿滲出,將滲出的泥漿靜置沉淀,并烘干稱重。

圖4 孔隙水壓力測點布置(單位:cm)Fig.4 Arrangement of the measurement points for the pore water pressure (unit:cm)

2 試驗結果與討論

2.1 滲透系數(shù)隨進液水頭的變化規(guī)律

記稀土堆體AB 段、BC 段和CD 段的滲透系數(shù)分別為KAB、KBC和KCD,根據(jù)達西定律,各段的滲透系數(shù)K(cm/min)可由下式求得:

式中,Q為各水頭作用下滲流穩(wěn)定時的滲流流量,cm3/min;L為相鄰兩測點之間的距離,cm;A為相鄰兩測點中間位置處的斷面面積,cm2;Δh為相鄰兩測點間的水頭差,cm。

4種土樣相鄰測點間的滲透系數(shù)K隨進液水頭H的變化如圖5所示。可以看到,隨著進液水頭H的增加,滲透系數(shù)K整體上呈上升趨勢,尤其以靠近注液端處的滲透系數(shù)KAB變化最為顯著。滲透系數(shù)KAB的變化可以分為明顯的4個階段。在ef 段,滲透系數(shù)較小且基本保持不變,說明在進液水頭H較小時,堆體處于滲流穩(wěn)定階段。fg 段為滲透系數(shù)緩慢增長階段,這是因為隨著進液水頭H的增加,細顆粒在滲透力作用下在孔隙中發(fā)生移動,增大了孔隙的連通性,堆體的滲透性相應增加,此階段為細顆粒運移的啟動階段。gh 段滲透系數(shù)再次趨于穩(wěn)定,這是因為在進液水頭H增加的過程中,受浸礦液橫向驅動運移的顆粒的粒徑也相應增大,不同粒徑的顆粒在移動過程中會堵塞孔隙,從而影響孔隙的連通性和堆體的滲透性。hi 段滲透系數(shù)大幅增加,這是因為當進液水頭增大到一定程度后,堵塞連通通道的顆粒在滲透力的作用下再次被驅動發(fā)生運移,進一步增大了孔隙的連通性,此時為優(yōu)勢滲流通道發(fā)育階段。

圖5 滲透系數(shù)隨進液水頭的變化曲線Fig.5 Permeability coefficients under different liquid heads

S4 土樣為粗-細顆粒組合土樣,由于粗、細顆粒在粒徑上存在較大的差異,細顆粒在移動的過程中不足以堵塞孔隙,從而使得S4 土樣的滲透系數(shù)變化沒有二次穩(wěn)定的gh 階段,一旦達到細顆粒運移的啟動階段后,滲透系數(shù)便一直增加。此外,S4 土樣進入細顆粒運移啟動階段的進液水頭也是4種土樣中最小的,這說明在橫向注液條件下,中顆粒的缺失使得細顆粒更容易發(fā)生遷移,且難以堵塞孔隙通道,易形成優(yōu)勢滲流通道。筆者通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬研究了橫向注液條件下新型堆浸結構中優(yōu)勢滲流通道的發(fā)育特征及對浸礦效率的影響,研究發(fā)現(xiàn),優(yōu)勢滲流通道主要發(fā)育在堆體下部,優(yōu)勢滲流通道的發(fā)育使得浸礦液集中向堆體下部流動,造成堆體頂部產(chǎn)生浸礦盲區(qū),從而降低了稀土堆體的浸取率[19]。對于中-細顆粒組合土樣S2,各測段的滲透系數(shù)變化相對緩慢,這說明細顆粒遷移程度較低,在稀土堆浸過程中,滲透系數(shù)保持穩(wěn)定則有利于浸礦液的均勻滲流和稀土離子的浸取[6]。

S1、S2 和S3 土樣在BC 段的滲透系數(shù)KBC隨進液水頭H的增加變化均不明顯,這是由于注液端的細顆粒遷移至BC 段時在該位置處沉積下來,從而阻礙了連通孔隙的形成。此外,根據(jù)雙電層理論,浸礦液的陰離子被吸附在沉積的細顆粒礦物表面后,由于正、負電荷的靜電作用,在吸附表面附近形成雙電層,雙電層的作用使得浸礦液在孔隙中流通的截面積減小,進一步阻礙了浸礦液的滲流[20]。對于粗-細顆粒組合土樣S4,雖然在浸礦過程中也會發(fā)生細顆粒的沉積,但由于缺少中顆粒,在以粗顆粒為骨架、細顆粒為填充的孔隙結構中,細顆粒的沉積狀態(tài)難以保持,以至于當進液水頭從24 cm 增加至26 cm 時,S4 土樣的KBC發(fā)生突變。

相比于BC 段的滲透系數(shù)KBC,CD 段的滲透系數(shù)KCD隨進液水頭H的增加變化更為明顯,這是由于CD 段靠近出液端,細顆粒從出液端滲出導致該部位孔隙的連通性增加,滲透系數(shù)增大。相比于標準土樣S1、中-細顆粒組合土樣S2,粗-中顆粒組合土樣S3的KCD隨進液水頭的增加變化更大,這是由于在粗-中顆粒組合土樣中顆粒之間的間隙更大,孔隙連通性更好。

以進液水頭H=30 cm為例,S1、S2 和S3 土樣中不同位置處的滲透系數(shù)如圖6所示?？梢钥吹?橫向注液條件下,離子吸附型稀土礦堆的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出“兩端大、中間小”的空間分布不均勻性。對于標準土樣S1,左端的滲透系數(shù)比中間位置的滲透系數(shù)大89.3%,而對于中-細顆粒組合土樣S2、粗-中顆粒組合土樣S3,左端的滲透系數(shù)比中間位置的滲透系數(shù)分別大74.6%、89.2%,標準土樣S1 和粗-中顆粒組合土樣S3 的滲透性在空間上分布更加不均勻。

圖6 稀土堆體不同位置處的滲透系數(shù)Fig.6 Permeability coefficients at different locations of the rare earth pile

2.2 出泥率隨進液水頭的變化規(guī)律

每種土樣的浸礦試驗完成后,將收集槽收集到的每種土樣的浸出液進行靜置沉淀,將分離出的泥沙烘干后進行顆粒級配分析,結果如圖7所示。對于標準土樣S1,粒徑大于2.35 mm的粗顆粒沒有滲出,滲出的主要是粒徑小于0.15 mm的細顆粒,其質量占到了滲出顆?？傎|量的64.7%。對于中-細顆粒組合土樣S2,滲出的全部是粒徑小于0.15 mm的細顆粒。對于粗-中顆粒組合土樣S3,滲出的主要是粒徑在0.25～0.60 mm的中顆粒(該種土樣的細顆粒部分),其質量占到了57.1%。對于粗-細顆粒組合土樣S4,滲出的顆粒中,粒徑大于2.35 mm的粗顆粒只占滲出顆?？傎|量的8.75%,粒徑小于0.15 mm的細顆粒占到了78.75%。可以看到,4種土樣滲出的稀土礦顆粒主要是該種土樣的細顆粒部分。

圖7 滲出的稀土顆粒的級配Fig.7 Particle size distribution of the exuded rare earth particles

定義開始滲出泥漿時的進液水頭為出泥臨界進液水頭Hc,圖8 給出了4種土樣出泥速率隨進液水頭H的變化規(guī)律。

圖8 出泥速率隨進液水頭的變化曲線Fig.8 Rates of the mud outflow under different liquid heads

從圖8 可以看出,4種土樣的出泥臨界進液水頭的大小關系為Hc(S4)＜Hc(S2)=Hc(S1)＜Hc(S3)。這是由于粗-細顆粒組合土樣S4 的粗、細顆粒粒徑差異過大,細顆粒易在粗顆?？紫堕g遷移而滲出;S3土樣為粗-中顆粒組合土樣,驅動粒徑較大的中顆粒從出液端滲出需要更大的滲透壓力和進液水頭。缺少粗顆粒的中-細顆粒組合土樣S2與標準土樣S1 的出泥臨界進液水頭一致,均為32 cm,這表明粗顆粒對細顆粒運移的約束作用不大,中顆粒起主要約束作用。相比于標準土樣S1、粗-細顆粒組合土樣S4,中-細顆粒組合土樣S2、粗-中顆粒組合土樣S3 的出泥速率隨進液水頭的增加變化較為平緩,沒有出現(xiàn)出泥速率突增的現(xiàn)象,這表明S2、S3 土樣在靠近出液端處的顆粒運移程度較小,這與S2、S3 土樣的滲透系數(shù)KCD隨進液水頭的增加變化趨勢平緩是一致的。

3 結 論

(1)橫向注液條件下,離子吸附型稀土堆體的滲透性呈現(xiàn)出“兩端大、中間小”的空間分布不均勻性,這種不均勻性是由浸礦液滲透壓力作用下細顆粒的遷移和滲出所致。

(2)隨著浸礦液注液壓力的逐漸增加,細顆粒的運移過程分為穩(wěn)定、啟動運移、沉積、再運移4個階段,對應稀土礦堆的滲透系數(shù)變化則分為穩(wěn)定、逐漸增大、再穩(wěn)定和再次增大4個階段。

(3)不同粒徑顆粒組合對橫向注液條件下離子吸附型稀土堆體的滲透性具有顯著的影響,對缺少中顆粒的粗-細顆粒組合土,細顆粒在滲透壓力作用下更易發(fā)生遷移且不容易堵塞孔隙通道,易在堆體下部形成優(yōu)勢滲流通道,造成堆體頂部產(chǎn)生浸礦盲區(qū),不利于稀土離子的浸取;中-細顆粒組合土的細顆粒遷移程度較低,滲透系數(shù)隨進液水頭的增加變化較為緩慢,有利于稀土離子的浸取。

本研究屬于前期探究試驗,采用的室內(nèi)模型試驗對離子吸附型稀土新型堆浸結構進行了一定的簡化,也沒有考慮堆體逐級堆置和浸取的過程,存在一定的局限性,但試驗結果仍有助于認識橫向注液條件下離子吸附型稀土的顆粒運移規(guī)律及滲透特性,可為離子吸附型稀土新型堆浸結構和浸礦液注流方案的設計提供參考依據(jù)。