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离子型稀土矿增浸促渗技术研究 ① 赵 彬1，2， 康 虔3， 佘宗华4 （1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083； 2.五矿勘查开发有限公司，北京 100010； 3.南华大学 环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001； 4.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012） 摘 要 基于我国离子型稀土资源浸渗回收率偏低的工程实际，在原地浸矿工艺流程和浸渗机理研究的基础上，从浸矿盲区、反吸 附与母液渗漏 3 个方面分析了导致稀土浸渗损失的主要原因和形式，并提出了加强生产勘探、加强原地浸矿适用性分析、优化采场 划分和开采顺序、优化工程布置和技术参数、加强地下水和边坡监控及替代浸矿剂与参数优化共 6 项技术措施。 以上措施在指导 离子型稀土矿企精细化生产，实现生产可控、可设计方面具有重要意义。 关键词 离子型稀土矿； 原地浸矿； 浸渗机理； 离子交换； 注液； 集液 中图分类号 TD865文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2018.03.006 文章编号 0253-6099（2018）03-0026-04 Technical Study on Promoting Leaching and Infiltration Effect of Ion Adsorption Rare Earth Deposit ZHAO Bin1，2， KANG Qian3， SHE Zong-hua4 （1.School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， Hunan， China； 2.Minmetals Exploration and Development Company Limited， China Minmetals Corporation， Beijing 100010， China； 3.School of Environment and Safety Engineering， University of South China， Hengyang 421001， Hunan， China； 4.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd， Changsha 410012， Hunan， China） Abstract Aiming at the existing problem of low recovery rate from ion adsorption rare earth deposit in the practical engineering， the principal reasons and ways for rare earth element loss in leaching and infiltration were analyzed in aspects of blind zone for leaching， reverse adsorption and leakage of pregnant leach solution， based on in-situ leaching process and infiltration mechanism. And six technical measures were finally proposed， including strengthening mining prospection， making more analysis for the applicability of in-situ leaching process， optimizing the stope partition and mining sequence， optimizing engineering layout and technical parameters， strengthening the monitoring of groundwater and slope， replacing the leaching agent and optimizing parameters. It is concluded that above-mentioned measures can be of important significance for those ion adsorption rare earth mining enterprises to achieve the fine production， with the production under control. Key words ion adsorption rare earth deposit； in-situ leaching technology； infiltration mechanism； ion exchange； filling； collection 当前，我国离子型稀土矿原地浸矿开采技术发展 不均衡，整体资源综合回收率偏低，据不完全统计，综 合回收率达到 75％的矿山企业不足 50％［1-2]。 而离子 型稀土矿原地浸矿开采过程中，注液、浸矿、渗透与集 液等采场生产环节相对复杂，影响因素繁多，技术要求 高，极易造成资源损失。 相反，除杂、沉淀在水冶车间 内完成，相对简单，易于控制。 浸渗环节难以控制，究其主要原因，一方面是各离 子型稀土矿区开采技术条件不同，需要有针对性地采 用浸渗参数、注集液工程布置及监测手段等；另一方 面，国内离子型稀土矿生产管理粗放，基本所有的离子 型稀土矿都简单套用一成不变的方法，甚至生搬硬套 其他矿山的工艺和参数［3-4]。 然而，离子型稀土矿浸 渗过程涉及多场耦合，矿物元素和品位分布、矿岩物化 性能、底板和地下水赋存状况、工艺流程和参数及注集 液工程布置等均直接影响浸渗回收效果。 本文从原地 ①收稿日期 2017-12-10 作者简介 赵 彬（1985-），男，安徽宿州人，博士研究生，工程师，长期从事矿业工程技术及矿业经济方面的研究工作。 通讯作者 康 虔（1986-），男，江西吉安人，博士，讲师，长期从事采矿技术、岩土工程灾害及控制等研究工作。 第 38 卷第 3 期 2018 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №3 June 2018 万方数据 浸矿生产工艺流程和浸渗机理出发，分析了可能导致稀 土元素浸渗损失的形式，并提出了增浸促渗技术措施。 1 原地浸渗与资源损失分析 1.1 浸渗工艺 根据原地浸矿技术特征，可将浸渗工艺流程分为 注（浸矿）液、离子交换与集（母）液 3 个步骤 1） 注液在待采矿块上按设计参数布置和挖掘注 液孔，将浸矿剂直接注入注液孔中。 在此过程中，必须 采用合理的注液参数，包括孔距、孔深等，控制浸矿饱 和区、临界水位等，避免浸矿盲区。 2） 离子交换浸矿剂溶液沿风化矿体的孔裂隙进 入矿体并渗透，溶液中的 NH4 ＋与矿物表面的稀土阳离 子发生交换反应。 在此过程中，必须选取高效浸矿剂 和合理的浓度、配比与固液比等参数，充分浸矿，防止 反吸附。 3） 集液稀土阳离子扩散进入溶液中，浸出母液 进入矿体下部的集液系统，必须摸清地下水和底板状 况，做好底板集液工程，最大限度收集母液。 1.2 浸渗机理 浸渗回收稀土离子是利用交换势能更大的阳离子 把呈阳离子状态吸附于高岭石、白云母等粘土矿物表 面上的稀土 RE 3＋ 元素从粘土矿物中交换解吸的过程， 而且是个可逆反应［5-7] ［粘土矿物]RE 3＋ ＋ 3NH4 ＋ ［粘土矿物]3NH4 ＋ ＋ RE 3＋ 其实质是稀土离子由固相转入液相的传质过程，表现为 流动液层与颗粒表面结合液层之间的物质传递，推动力 来自于结合液层与流动液层的溶质浓度差（图 1）。 流动液层 结合液层 浸矿液流中心 矿物表面 RE3NH4C1C3 C4C2 图 1 离子型稀土矿浸出传质过程示意 C1- - -浸矿剂在液流中心的浓度； C2- - -浸矿剂在矿物表面的浓度； C3- - -已浸出稀土离子在液流中心的浓度； C4- - -已浸出稀土离子在 矿物表面的浓度 实际生产过程包括 1） 渗透浸矿液在一定水头压力下，连续不断注 入矿体； 2） 扩散浸矿液将矿石中孔隙水和结合水排挤出来； 3） 离子交换浸矿液中交换势更大的阳离子与呈 吸附态的稀土阳离子交换反应，且随着不断注入新鲜 浸矿液，离子交换反应不断由矿石表面向中心发展，浸 出的稀土离子进入母液； 4） 再扩散新鲜浸矿液（或顶水）挤出已发生交 换反应的母液； 5） 再渗透不断注入的新鲜浸矿液推动母液向下 渗透，进入集液系统。 当浸矿液中有足够的 NH4 ＋，即 C 1＞C2 时，稀土阳 离子能被 NH4 ＋解吸，进入母液，按正反应进行；相反， 当含稀土阳离子的母液在矿体孔隙中长距离运行和经 过无矿带风化壳时，母液中的 NH4 ＋因不断交换解吸而 越来越少，当 NH4 ＋浓度低于临界值，即 C 4＜C3时，致使 解吸过程丧失扩散动力，发生反吸附现象，即逆反应。 1.3 浸渗损失分析 结合浸渗工艺和机理研究，分析了浸矿盲区、反吸 附与母液渗漏等稀土浸渗损失的原因和形式，见表 1。 表 1 浸渗损失形式分析表 损失途径主要原因环节 浸矿盲区注液工程布置不合理注液 反吸附 注液压力（浓度）不足 药剂性能和配比参数不合理 离子交换 母液渗漏 底板节理裂隙发育 人造底板无法有效集液 沿复杂地下水渗漏 采场山体滑坡渗漏 监测和防控不利 集液 由此可见 1） 导致母液渗漏的因素最多，而且较难控制，主 要是由矿层底板和地下水赋存状况复杂与集液工程不 合理等因素造成的，必须加强基础勘探工作摸清矿体 开采技术条件，优化集液工程布置，同时加强监测与防 控，以减少母液渗漏损失。 2） 浸矿盲区的出现主要是因为注液工程布置不 合理造成的，一方面要优化注液孔网参数，另一方面要 深入研究浸矿渗流规律，使浸润线与矿层上表面完全 吻合，达到最大限度交换解析。 3） 导致反吸附现象的最主要原因是注液压力，即 浸矿剂浓度不足，必须采用合理的采场划分、注液顺序 等措施，使离子置换反应一直处于正反应状态。 2 关键技术措施 基于上述对稀土资源浸渗损失原因和形式分析， 提出了增浸促渗、提高稀土资源回收率的技术措施。 2.1 加强生产勘探等基础工作 一方面，生产前必须进行详细的生产勘探，更加有 效地控制矿体规模、产状、厚度及品位变化，提高稀土资 72第 3 期赵 彬等 离子型稀土矿增浸促渗技术研究 万方数据 源储量可靠度，为生产设计和提高资源回收率提供可靠 的基础；另一方面，施工必要的机械钻，查明各个区段甚 至每个采场的矿床和水文地质条件，特别是矿体基岩底 板、地下水赋存状况以及与矿层的相对位置关系，有效 指导原地浸矿方法选择和集液工程布置，从而避免母液 渗漏，减少浸渗损失。 广东省平远县八尺稀土矿在勘查 阶段就布设机械钻，摸清了矿区基岩底板和地下水赋存 状况，为开采可研提供了可靠依据。 2.2 加强原地浸矿适用性分析 杜绝生搬硬套的粗放管理模式，针对每个采场，根 据矿床地质、水文地质与工程地质条件综合分析，评价 该采场是否能够采用原地浸矿开采。 目前，国内还没有 比较权威的、指导矿山进行原地浸矿的适用性评价标 准，本文通过总结大量成功矿山的实践，并建立了原地 浸矿适用性评价参照表（见表 2），可供矿山参考。 对于 评价结果为“不适用”的采场，建议不开采或作为资源 储备；对于“适用性一般”的采场更应加强研究和管 理，减小注液速度，加强监测和防控；对于“适用性好” 及以上的采场也应优化工程布置和技术参数，争取获 取最大资源回收率。 该评价工作，有效指导矿山精细 化管理，从基础上保障稀土资源回收率［8]。 表 2 原地浸矿技术适用性对照表 开采技术条件适用性评价备注 矿床 地质 条件 成矿 母岩 花岗岩风化壳型很好生产极为成功 杂岩体风化壳不适用小规模试验不成功 凝灰岩风化壳型不适用无开采矿山 矿石 渗透 性 良好，K＝1～3 m／ d很好花岗岩风化壳型 较好，K＝0.5～1 m／ d好花岗岩风化壳型 较差，K＝0.25～0.5 m／ d不适用杂质体风化壳型 极差，K＜0.25 m／ d不适用凝灰岩风化壳型 品位 富集 特征 深潜式很好 浅伏式很好 表露式一般 水文 地质 条件 地下水位与底板复合很好一般属浅伏式 地下水位处于底板下一般一般属表露式 地下水位处于底板上一般一般属深潜式 工程 地质 条件 底板赋 存状况 裸脚式很好 全复式好 矿层 倾角 水平，倾角小于10很好 缓倾斜，倾角10～30很好 倾斜，倾角大于30一般 矿层 厚度 薄， ＜5 m好 中厚，5～15 m很好 厚，15～25 m极好 极厚， ＞25 m极好 2.3 优化采场划分和开采顺序 1） 优化采场划分。 通常以山脊至山脚为倾斜方 向划分为一个采场，倾斜方向长度作为采场长度，采场 水平宽度（沿集液沟方向）则根据采场生产周期、生产 设施能力、施工和生产管理的方便程度来决定，一般采 场面积为 3 000～9 000 m2。 采场可划分为半边山式和 全山式采场。 半边山式采场就是当山脊很长时（50～ 100 m），以山脊分水岭为界划分成两个采区，即每半 边山为一个采区；每个采区内沿山脊线又划分若干采 场，采场长度即为山坡长度，宽度沿山脊线方向，一般 为 30～90 m。 全山式采场，即将山脊较长、山坡较短 （小于 50 m）或者山头不大的独立体系划分为一个采 场开采，又可分为独立山头式采场、半岛式采场、分段 全山式采场。 2） 优化开采顺序。 根据浸矿液所承担的浸析矿 量，沿山坡从上往下的顺序，逐排或几排逐步注液，上 部浸析区的注液时间、注液量大于下部浸析区，并使浸 矿液能依次挤出矿体中的孔裂隙水，使浸析离子交换 反应始终保持一定的渗透压力，防止反吸附发生。 注 液时严格保持连续性（尽量不间断，否则母液浓度很 难达到峰值）、均衡性，保持一定的注液水头压力、浸 矿液流速，减少浸矿盲区。 同时，为了充分挤出矿体中 的浸出母液和残留浸矿液，在采场浸矿完毕后，必须加 注顶水，防止反吸附现象。 2.4 优化工程布置和技术参数 1） 优化选取采矿方法。 原地浸矿采矿方法可以 根据矿层底板赋存状况的不同，进行细分、细化，以适 用于不同开采技术条件的采场。 鉴于稀土矿层底板分 为出露式和深潜式，本文在总结湖南江华稀土矿、广西 六汤稀土矿、福建三明稀土矿与广东平远华企稀土矿 等方法实践的基础上，将原地浸矿法分为天然底板明 沟集液法、人造底板暗沟网集液法、天然底板明沟＋辅 助巷道法3 种具体开采工艺［8]，并进行基本特征、适用 性等分析，便于离子型稀土矿企参考选用，实现精细化 管理，达到提高稀土浸渗回收率的目的（见表 3）。 2） 优化注液技术参数。 注液一般有注液井、注液 孔两种方式。 矿体渗透性差时采用前者，井的规格 Φ（0.5～0.8） m，网度（1～2.5） m （1～2.5） m，深度以 进入矿体 0.5～1 m 为宜；矿体渗透性好时采用后者， 孔规格 Φ（0.1～0.3） m，一般网度2 m 2 m，深度以进 入矿体 0.5～1 m 为宜，且为梅花形布孔。 优化的孔网 参数有助于浸渗规律和饱和区、临界水位控制，实现均 匀布液，减小浸矿盲区。 3） 优化集液技术参数。 天然底板出露时，集液工 程相对简单，稀土母液集液率也较高。 针对人造底板 暗沟网集液法的情况，采用平巷和横巷相结合的集液 方式，横巷间距 10～15 m，必要时在横巷内布置数排导 流孔增渗，一般孔距 1 m，形成足够的负压集液区域， 且巷道内的集液沟底及沟壁需砂浆抹面，避免浸出母 液外渗导致损失。 82矿 冶 工 程第 38 卷 万方数据 表 3 原地浸矿法细分情况 方法基本特征适用条件应用评价 天然底板明沟 集液法 ① 浅井布液，母液收集仅围绕山脚掘进明沟。 ① 花岗岩基岩能在采场山脚出露的 矿床，即底板出露式矿床。 ① 工程量少、准备时间短。 ② 浸出易于观察与管理。 ③ 生产成本低。 人造底板暗沟 网集液法 ① 采用人造底板，即开挖暗沟网集液，沿地下水 径流方向掘进主沟，再垂直主沟向矿体掘进横 巷，形成暗沟网。 ② 可以布设导流孔以增渗。 ① 风化程度深，风化层厚且稀土主要 富集在风化层中上部的情况。 ② 无底板、底板深潜或节理裂隙发 育，如全复式矿床。 ① 工程量大、准备时间长。 ② 特殊情况下的有效方法。 ③ 母液集液率可达 95％。 天然底板明沟＋ 辅助巷道集液 原地浸矿法 ① 围绕山脚掘进集液明沟，再间隔（一般 30 m） 向矿体底板掘进平巷，到达基岩面后再沿着基 岩面掘进集液横巷（暗巷），连通各平巷。 ② 矿体厚大时，平行于集液横巷布设集液分巷。 ③ 可以布设导流孔以增渗。 ① 底板赋存状况较为理想，但很多情 况下在山脚不出露，而且矿层厚度 较大。 ① 工程布置灵活。 ② 能够适应大多数矿床。 2.5 加强地下水和边坡监控 1） 地下水动态监测与控制。 对采场内外进行科 学有效地监测，及时掌握采场内浸出情况、母液运行规 律，必须有完善的监测系统的布置、监测方法、监测数 据分析及监测结果的利用。 监测系统一般分为 3 级， 包括采场内监测井点、采场外监测井点，以及水冶处理 车间监测井点。 近年来，有研究通过技术集成建立地 下水动态监控系统，基于数据采集、数据传输、数据分 析预警 3 部分对地下水无线远程实时动态监测［9]，在 时间上可实现开采前、中、后期连续监测，空间上可实 现采场上、中、下游无死角监测，并通过实时控制外设 设备对可能发生的地下水污染快速响应，避免地下水 影响进一步扩大，保护地下水环境。 目前，广东省平远 县八尺稀土矿已经完成地下水动态监测与控制技术室 内实验，实现了有效监测和母液渗漏时自动反馈控制 注液效果，下一步将应用于矿山生产。 2） 采场边坡稳定性监控。 由于原地浸矿时将大 量的浸矿液及顶水注入采场，使采场内地下水位迅速 升高，到注液晚期全矿层内基本处于饱和状态，极易致 使山体滑坡失稳，既造成资源流失浪费，又导致环境污 染。 综合运用 GPS、高分辨率遥感、滑坡预警伸缩仪、 深层位移监测、地表位移监测、岩土含水饱和度监测及 微震监测等，构建实时监测、预报地质灾害系统，将防 止边坡失稳，避免母液渗漏损失。 该项技术已经成功 应用于江西省龙南县关西稀土矿，能有效控制采场边 坡失稳，避母液渗漏。 2.6 替代浸矿剂与参数优化 在原地浸矿生产过程中，浸矿剂和相关参数直接 影响到稀土浸出率。 一方面，浸矿剂本身的物化性能 决定了离子交换反应的置换率和效率，近年来，硫酸铵 替代浸矿剂的研究很多，主要目的除了提高浸矿率，还 包括无铵化控制环境污染。 另一方面，浸矿剂浓度、配 比与固液比等参数都是控制反吸附的重要因素，需要 通过实验确定。 因此，建议每个离子型稀土矿矿山企 业都建立实验室，配备相应的柱浸实验装置，根据本矿 的矿土物化性能，优选高效浸矿剂，优化参数，提高稀 土浸渗回收率。 3 结 论 1） 通过原地浸矿工艺特征和浸渗机理分析，得到 原地浸矿浸渗损失包括浸矿盲区、反吸附与母液渗漏 等形式。 2） 提出了加强生产勘探、加强原地浸矿适用性分 析、优化采场划分和开采顺序、优化工程布置和技术参 数、加强地下水和边坡监控及替代浸矿剂的选择与参 数优化共 6 项技术措施，以指导离子型稀土矿企增浸 促渗，提高资源回收利用率。 参考文献 ［1] 周晓文，温德新，罗仙平. 南方离子型稀土矿提取技术研究现状及 展望［J]. 有色金属科学与工程， 2012，3（6）81-85. ［2] 肖燕飞，黄小卫，冯宗玉，等. 离子吸附型稀土矿绿色提取技术研 究进展［J]. 稀土， 2015，36（3）109-115. ［3] 王炯辉，赵 彬，陈道贵，等. 基于 AHP 的离子型稀土资源采选综 合回收影响因素分析与对策［J]. 矿冶工程， 2016，36（3）9-13. ［4] 罗仙平，翁存建，徐 晶，等. 离子型稀土矿开发技术研究进展及 发展方向［J]. 金属矿山， 2014，43（6）83-90. ［5] Tian Jun， Ying Jing-qun， Chen Kai-hong， et al. 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