矿岩破碎块度分布分形特征对铀浸出率的影响.pdf

第3 I 卷第1 期 2 0 1 1 年0 2 月 矿冶 工 程 M 玎ⅡN GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 lN 0 1 F e b r u a r y2 0 l l 矿岩破碎块度分布分形特征对铀浸出率的影响① 曾晟，谭凯旋 南华大学核资源与核燃料工程学院，湖南衡阳4 2 1 0 0 1 摘要为了研究矿岩破碎块度分布对铀浸出率的影响，以曼得勒罗特提出的体积．尺寸分形尺度关系为基础，用筛分法研究了矿 岩块度分布规律。铀的酸性浸出试验研究表明，铀金属浸出率随矿岩块度分布分维值的增加相应增大，但当分维值大于2 时，铀浸 出率随时间的增大比较缓慢。酸性浸出该铀矿时，矿岩破碎块度的分维值取2 ．0 时能获得最佳的效果。 关键词溶浸采矿；酸性浸出；破碎块度；分形维数；浸出率 中图分类号T D 8 5 3文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 1 0 0 1 6 0 3 E f f e c to fF r a c t a lF e a t u r eo ft h eC r u s h i n gS i z eD i s t r i b u t i o n o nU r a n i u mL e a c h i n gR a t e Z E N GS h e n g ，T A NK a i - x u a n S c h o o lo f N u c l e a rR e s o u r c e sa n dN u c l e a rF u e lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo f S o u t hC h i n a ，H e n g y a n g4 2 1 0 0 1 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ee f f e c t s o ft h eo r e ．r o c kc r u s h i n gs i z ed i s t r i b u t i o no nt h el e a c h i n gr a t eo ft h eu r a n i u m m e t a l ，t h ed i s t r i b u t i o nl a wo fp a r t i c l es i z ew a ss t u d i e dw i t hs t a n d a r ds i e v e s ，b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l u m e a n df r a e t a ls c a l eo fs i z ep u tf o r w a r db yM a n d e l b o r t ．T h ee x p e r i m e n to na c i dl e a c h i n go fu r a n i u ms h o w e dt h a tt h el e a c h i n g r a t eo fu r a n i u mi n c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s ei nf r a c t a ld i m e n s i o n ．H o w e v e r ，w h e nt h ef r a c t a ld i m e n s i o ni Sm o r et h a n2 ．0 。 i ti n c r e a s e ds l o w l y ．T h es t u d ys h o w e dt h eb e s te f f e c tc a nb eo b t a i n e dw h e nt h ef r a e t a ld i m e n s i o no fu r a n i u mo r e r o c k c r u s h i n gs i z ei Se q u a lt o2 ．0 ． K e yw o r d s l e a c h i n gm i n i n g ；a c i dl e a c h i n g ；c r u s h i n gs i z e ；f r a c t a ld i m e n s i o n ；l e a c h i n gr a t e 地表堆浸和原地爆破浸出的矿石块度分布是溶浸 采铀方法的一项关键技术指标，与浸出率、爆破筑堆成 本、酸耗等经济技术指标有直接关系，其合理与否决定 了经济效益的好坏。2J 。一般情况下矿石的块度越 小，筑堆质量越好 矿石块度小且分布均匀 ，浸出率 越高。为了实现高浸出率，许多学者展开了用分形理 论研究待浸矿堆矿石块度的分形特征。本文通过对江 西某铀矿硬岩铀矿石的破碎块度分形特征与酸化浸出 效果关系的试验研究，得出铀矿岩破碎块度分布对溶 浸液渗滤速度有较大的影响。通过对不同分维值的矿 样浸出率的分析，得到该铀矿堆浸浸出破碎块度分维 值取2 ．0 时能获得最佳的效益。本研究为我国硬岩型 铀矿堆浸开采提供技术参数。 1 矿岩块度分布的分形模型 自法国数学家曼得勒罗特引入分形概念、创立分 形几何学以来，分形理论为描述自然界中不规则形状 和事物的规律性提供了依据。自相似集是目前研究得 比较清楚的一类分形集。尽管粒度的组成大小不同、 形状各异，但是从统计意义上来说，仍满足自相似规 律，即粒度分布表现为分形分布。对于粒度分布的分 形模型研究，许多学者做了大量的工作旧。J 。 矿岩破碎岩块的个数无法统计，这里用筛分法来 研究岩块粒度分布规律，采用曼得勒罗特提出的体积． 尺寸分形尺度关系进行研究。设大于某一粒径r 的颗 粒构成的全体体积y 为伸q 1 y A 【- 一 3 一。] 式中A 和后分别为描述岩块体积形状与尺度的常数； D 为粒度分布分形维数，取值范围为0 D 3 。 若不考虑粒径形状、大小，认为其密度P 相同，则 筛上岩块质量肘 r 为 ①收稿日期2 0 1 0 - 0 7 1 4 基金项目围家自然科学基金项目 5 0 8 7 4 0 6 3 作者简介曾 晟 1 9 7 7 一 ，男，湖南常德人，讲师，博士 研究生，主要从事溶浸采铀方面的教学与科研1 作。 通讯作者谭凯旋 1 9 6 3 一 ，男，湖南湘潭人，教授，博士，博士研究生导师，主要从事地球化学、溶浸采铀等方面的教学与科研工作。 万方数据 第1 期 曾晟等矿岩破碎块度分布分形特征对铀浸出率的影响 1 7 肘 r p y p ．A ．1 一 } 3 加】 2 当所有的矿块都在筛上时，总质量为 M r o P A 3 由式 2 ～ 3 得到 器 【一 扩。】 ㈩ 当r r m a x r 一为矿石破碎的最大粒径尺寸 时，由式 4 等于0 ，可知k l m a x 。 设M r 一 为粒径小于r 的岩块的估计质量，则 M r 一 M r o 一M r ，于是得到筛下累积质量分 布与矿块粒径的分形公式为 Mr，。-rr-M r 3 一 5 r o m a x ⋯7 2 试验样品 矿样取自江西某铀矿，该铀矿为花岗岩型铀矿 即通常所称的硬岩型铀矿 ，矿床成因为中低温热液 型，成矿年龄为4 7 9 4M a ，岩体内外接触带均有铀矿 床产出。南东部黄高地区为红色碎裂蚀变岩型矿床， 北部牛尾岭、枫树下地区为绿色碎裂蚀变岩型矿床。 赋矿岩体为包容式复式岩基，岩性属于寒武纪龙山群 浅变质砂质板岩，岩石致密坚硬，颜色为灰一灰黑。通 过对铀矿石样品进行了化学分析，其成分见表1 。 表l 铀矿岩的化学成分 质量分数 ／％ C a O M s O F e O A 1 2 0 3 M n O S i 0 2 F e 2 0 3U O ．2 40 ．3 7O ．7 7l O ．7 8O ．0 77 5 ．7 91 ．0 00 ．1 3 4 铀浸出试验采用柱浸实验，研究表明，柱的内径与 颗粒尺寸的比值是影响浸出效果的一个重要因素。该 比值要大于4 但不超过2 0 ，才能避免柱壁的影响引。 根据原定试验方案的要求，结合实验室的试验条件及 设备，按柱的内径与颗粒尺寸的比值接近于5 来选择， 设计柱内径为1 1 2m m ，因此最大矿岩颗粒直径应小于 5 0m m 。对矿样进行人工破碎后进行筛分，得7 种不 同粒径矿石。 根据矿岩块度质量分布与粒径大小的分形模型和 溶浸试验装置的大小，确定每个分维值的矿岩质量 总质量为5k g 。按式 5 计算得到不同分维值所需 要的不同粒径矿岩的质量，见表2 。 3 浸出试验 3 ．1 浸出率试验结果 根据该铀矿的化学分析结果，矿石成分以硅酸盐 表2 各分维值所需不同粒径矿石的质量 分 堕量 维0 0 ．1 5 ．0 ．4 0 ．6 3 。0 ．9 ～4 ．6 ．9 ． 值0 ．1 5 咖0 ．4I n t o0 ．6 3m0 ．9m i l l4m m6 ．9r e a l9 咖 1 ．1 1 ．4 1 ．7 2 ．O 2 ．3 2 ．6 为主，碳酸盐成分含量较低，该矿岩溶浸剂符合酸化浸 出法的要求，用浓度为1 ．8 4g ／L 、纯度为9 8 ％的浓硫 酸，配制成浓度为2 0g ／L 的溶浸液。 柱浸试验装置采用内径1 1 2m m 、高l5 0 0m m 的 P V C 圆管。试验中没有加入氧化剂，主要是利用空气 中的氧气，采用的淋／停比为0 ．5 。布液强度2 5 ．0 L ／ m 2 h ，浸出时间3 0d ，液固质量比为1 ．5 1 ，浸 出p H 值为2 0 ．5 。 浸出时，利用空气中的氧作为氧化剂，化学反 应为 2 U 0 2 0 2 2 U 0 3 6 U 0 3 2 H 一2 U 0 2 2 H 2 0 7 U 0 2 “ S 0 4 。一U 0 2 S 0 4 8 U 0 2 S 0 4 S 0 4 “一U 0 2 S 0 4 2 。 9 U 0 2 S 0 4 2 2 一 S 0 4 2 - 一U 0 2 S 0 4 3 4 一 1 0 每天取样一次，每次取一定的浸出液，得到各试样 铀浸出率与浸出时间的关系，见图1 。 时间／d 图1不同分维值矿样铀浸出率与浸出时间的关系 3 ．2 讨论与分析 从图1 可以看出，铀浸出率随矿岩块度分维值的 增大而增加。分析其原因有两点一是分维值越大，矿 样中小粒径的矿石含量越多，矿石的比表面积也越大， 与溶浸液体接触的面积也越大，铀浸出越充分；二是根 据已有的研究，矿石尺寸与铀含量成反比，即随着矿石 尺寸的减小，矿石的品位越来越高。即矿样中铀的总 含量随着分维值的增加而增大。在浸出前期铀浸出率 配姒柏砸陋m奢|烈枷蛳溉姒 一■■o J 9 拍￡}卯“n 吼烈卫6 3 踞 l 5 7 2 7 4 蝴瑚埘勉蜘似 O 6 0 ∞■■ 扎弘蛾姗拗蛳 5 7 3 灌■墙愀弧他mⅢ硒 4 2 9 一母∞m死记m撇蛳 ●●4 3 石o z t执敬獬荟 万方数据 1 8 矿冶工程 第3 1 卷 急剧增大，浸出1 5d 左右时，铀浸出率的增大幅度趋 于变缓。因为前期主要是矿岩表面的铀全部参加反应 溶解，其后是矿岩里面的溶浸液的扩散溶解，溶解稍微 缓慢些。 在浸出末期，在分维值小于2 ．0 时，矿样的铀金属 浸出率增大的比较明显，当分维值大于2 ．0 时，铀金属 浸出率增大的幅度趋于变缓。这是因为在浸出末期， 溶液逐步向较大颗粒内部扩展，提高了铀浸出浓度。 4 结语 针对江西某铀矿硬岩破碎块度分形特征，对铀进 行了酸化浸出的试验研究，得到以下结论 1 矿石块度分维值对铀浸出率有较大的影响，铀 浸出率随矿岩块度分维值的增大而增大。 2 分维值不大于2 ．0 的矿样，铀浸出率增大的幅 度比较明显，当分维值大于2 ．0 时，铀金属浸出率增大 的幅度趋于变缓。分维值为2 ．0 是不同粒径的矿石质 量增加或减少的一个分界线。 3 江西某铀矿溶浸开采时，矿岩破碎块度的分形 值取2 ．0 时能获得最佳的效果。 上接第1 5 页 争 工 暑 V a r ，r a i n 图5充填滤水器的工作过程与排水量 充填滤水器具有以下主要技术特征①利用金属 滤网和管道中内压进行滤水并阻止尾砂流出；②利用 变径管形成内壁保护层，减少砂浆对滤网摩擦，提高滤 网使用寿命；③利用振动破坏保护层，恢复充填脱水 器滤水功能。 充填滤水器安装在充填空区隔墙外侧，一般距隔 墙1 0 ～1 0 0m 。 参考文献 [ 1 ] 钟永明，李秦，谢国森，等．原地爆破浸出采铀矿石块度分布的 优化[ J ] ．中国矿业，2 0 0 3 ，1 2 1 2 4 7 4 8 ． [ 2 ] 寇子顺，谢国森，张春晖，等．挤压爆破在原地爆破浸出中的作 用[ J ] ．铀矿冶，2 0 0 6 ，2 5 2 6 6 7 0 ． [ 3 ] 李广悦．原地爆破浸出工艺待浸矿堆块度的分形特征研究[ J ] ． 矿业工程，2 0 0 3 ，l 6 4 8 5 0 ． [ 4 ] 谢学斌，潘长良．排土场散体岩石粒度分布与剪切强度的分形特 征[ J ] ．岩土力学，2 0 0 4 ，2 5 2 2 8 7 2 9 1 ． [ 5 ]卫宏。张玉三，李太任，等．岩石显微空隙粒度分布的分形特 征与岩石强度的关系[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 3 3 1 8 3 2 0 ． [ 6 ]郑钢镖，康天合，翟德元，等．无烟煤冲击产尘粒径分布规律的 试验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 7 ，3 2 6 5 9 6 5 9 9 ． [ 7 ]姜秀民，杨海平，李彦，等．煤粉颗粒粒度分形分析[ J ] ．煤炭 学报，2 0 0 3 ，2 8 4 4 1 4 4 1 8 ． [ 8 ] 胡小芳，胡大为．粉体颗粒群粒度分布分形维与流动性及流动助 剂影响关系研究[ J ] ．材料科学与工程学报，2 0 0 7 ，2 5 2 2 0 5 2 1 0 ． [ 9 ] 倪化勇，刘希林．泥石流堆积物的粒度分布及其分形结构[ J ] ． 沉积与特提斯地质，2 0 0 8 ，2 8 3 3 5 4 1 ． [ 1 0 ]王昌汉．浸铀方法中矿石块度及其组成的确定原则[ R ] ．中国 核科技报告，C N I C 一0 1 2 6 0H Y r r 一0 0 0 5 ．1 9 9 8 ． 4 结语 1 采用A N S Y S 软件数值模拟方法，定量地计算和 分析了不同充填接顶率条件下采场顶板岩层应力、应 变、位移的变化情况，结果表明，为保证采场不发生较大 范围岩层冒落，要求充填进路接顶率不低于7 0 ％。 2 分析了新城金矿充填不接顶的原因，并采取三 项技术措施，减少了进入采场的多余水量，提高了滤水 速度，进而提高了充填接顶率。 参考文献 [ 1 ] 汤丽，肖卫国．采场中充填料浆流动规律的研究[ J ] ．矿业研 究与开发，2 0 0 5 ，2 5 2 7 9 ． [ 2 ]陈爱国．采空区充填接顶技术的探讨[ J ] ．长沙矿山研究院季 刊，1 9 8 8 ，8 4 6 0 一6 2 ． [ 3 ]张钦礼，曾耀．充填接顶技术及应用[ J ] ．冶金矿山设计与建 设，1 9 9 4 2 3 0 3 6 ． [ 4 ] 孙涛，叶军，陈华珍．贯人式接顶充填在河西金矿的应用实 践[ J ] ．黄会，2 0 0 6 ，2 7 2 2 4 2 6 ． [ 5 ] 宗海祥．浅议上向进路式充填法的接顶率[ J ] ．矿冶，1 9 9 9 ，8 2 1 4 ． [ 6 ] 肖风元，褚洪涛．廉江银矿采场接顶充填技术[ J ] ．矿业研究与 开发．1 9 9 9 。1 9 5 1 7 1 9 ． 万方数据