離子型稀土浸礦過程礦樣力學特性演化規律

黃廣黎 王曉軍,2 李永欣 李士超 陳 新 韓建文

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業工程重點實驗室，江西 贛州 341000)

風化殼離子型稀土礦是一種外生型礦產，它有分布范圍廣、礦脈多規模小、稀土原礦低放射性、且中重型稀土含量豐富等特點[1]。此種稀土礦呈現為淡黃色、淺紅色和白色的松散黏土混合物，其主要成分為黏土礦物(約占60%左右)、石英和造巖礦物長石[2]。從第一代的池浸法開采工藝到新一代的堆浸法，最終發展到采用電解質中的陽離子與稀土礦中的陽離子發生置換進而得到稀土陽離子即為原地浸礦法[3-4]。近些年，原地浸礦采礦工藝在風化殼離子型稀土礦中得到廣泛推廣和應用，在經濟上取得顯著效益，同時在社會環境方面也取得相應的良好效益[5]。目前采用的原地浸礦工藝對礦山表層植被幾乎不造成破壞，但是在整個浸礦開采過程中浸礦液在礦體中滲流很容易導致山體滑坡，因此為了安全開采離子型稀土礦，研究浸礦液浸礦對礦體微觀變化引起宏觀力學的變化有著重要實際意義。許多學者在研究土體的力學強度中發現，產生對土體失穩的因素有很多，謝放等[6]在室內對滑坡帶土進行的剪切試驗，得出了抗剪強度數據，進而分析了不同粒徑，不同飽和度下滑坡土剪切特性的變化規律。鄭苗苗等[7]通過在室內試驗對關中西部大型黃土滑坡帶土的顆粒成份、原始結構、物理力學性質進行了相關研究。劉斯宏等[8]利用南陽膨脹土分別對其浸水膨脹變形和膨脹后的試樣進行豎向荷載的作用強度測試試驗，進而得出了南陽膨脹土浸水膨脹率與浸水膨脹過程中所加載其上面的豎向荷載之間的關系，同時還得到了膨脹后試樣的抗剪強度指標與豎向荷載的關系。張添峰等[9]利用桂林紅黏土制作試樣(干密度相同而含水率不同)進行固結快剪試驗，結果得到了內摩擦角和黏聚力與含水率之間的規律變化，同時將本次試驗結果與經典的土力學非飽和土強度公式計算進行比較，最終得出非飽和土強度公式不能進行有效地預測非飽和桂林紅黏土的強度。Gratchev等[10]對原狀土進行酸液侵蝕研究，得出酸溶液會對原狀土內的碳酸鈣發生化學溶蝕現象，導致原狀土黏聚力下降，黏聚力下降幅度與酸溶液濃度成正比關系。Anson等[11]研究了CaCl2溶液對鈉基蒙脫土和高嶺土殘余強度的影響，得出鈉基蒙脫土的殘余強度有明顯的提高，而高嶺土的殘余強度是在Ca2+濃度較高的情況下才會有稍微的提高。卜萬奎[12]對有吸附金屬粒子的土體進行直接剪切試驗發現，這樣的土體強度有所降低。唐曉武等[13]研究了陰離子表面活性劑對黃土的抗剪強度的影響，得出了陰離子表面活性劑使黃土的黏聚力和內摩擦角減小。王軍等[14]進行了水—土化學耦合作用的力學效應研究，發現了離子效應對粉質黏土黏聚力和內摩擦角的影響。

從上述的眾多成果看出已有許多專家和學者對化學—力學耦合作用對土體強度的影響進行了大量的試驗研究，本研究針對稀土礦開采過程中浸礦液的滲流引起對礦體力學強度的影響進行分析，通過(NH4)2SO4溶液的模擬浸礦試驗，得到了不同時間段，礦樣強度指標的變化規律。進而為稀土礦山開采現場提供一些有益的理論。

1 試驗方案

1.1 試樣制作

本次試驗所用的原狀土是在贛南某稀土礦山取回，由于原狀土不能夠大量地帶回試驗室，因此對取回的原狀土進行物理參數的測定，最終按照原狀土的物理參數進行試樣重塑，進而做相關的核磁共振和三軸強度試驗。核磁共振儀測試試樣的最大范圍為6 cm,因此本次試驗的試樣統一高度為6 cm,直徑為3.91 cm，見圖1。試樣的制備是采用分層擊實的方法進行，此次試樣分三層擊實，每層擊實樣在裝土前先進行刨毛，避免試樣在進行強度試驗過程中先從分層面分離。每層用擊實錘擊打2次能達到土樣密度的理論值。

圖1 制樣試驗儀器及重塑試樣Fig.1 Sample preparation test apparatus and remolded sample

1.2 核磁共振試驗

采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產的型號為mesoMR23-060H-I的核磁共振試驗儀器(圖2)進行測試,其主要由永磁體、射頻系統、溫控系統、數據采集與分析操作系統和試樣槽組成。此核磁共振中的永磁體的磁場強度為0.52 T(特斯拉)，在正常測試過程中，永磁體溫度需要保持在32±0.01℃，此時測出的試樣數據才更接近實際值。試樣槽的有效測試范圍為60 mm×φ60 mm。圖3為核磁共振試驗儀器的主要部件示意圖，其功能有分析試樣內部孔隙結構、孔隙度和試樣的三維成像及平面成像技術。本次試驗主要應用到其成像技術。模擬浸礦過程中，每隔0.5 h取樣觀察內部結構圖像，最長浸礦時間為6 h。

圖2 核磁共振試驗儀器Fig.2 Nuclear magnetic resonance test instrument

圖3 核磁共振試驗儀器示意Fig.3 Schematic diagram of nuclear magnetic resonance test instrument

1.3 三軸試驗

本次對土樣進行強度指標測試的試驗儀器如圖4，是由江蘇永盛流體科技有限公司設計生產的DZY-Z-2型真三軸試驗儀。進行強度測試的試樣共需52個，一共13組，每組分別設置4個不同的圍壓進行強度測試，圍壓分別為50、100、150和200 kPa。此次試驗采用不固結不排水(UU)的試驗條件進行，在測試過程中，三軸儀的采集數據系統設置為每分鐘采集30個數據，壓力系統的上升速率為0.5 mm/min。

圖4 三軸試驗儀器Fig.4 Three axle test instrument

1.4 模擬浸礦

室內模擬浸礦試驗如圖5，浸礦過程中，試樣上面的浸礦液柱高度控制在4 cm,本次試驗的浸礦液采用濃度為3%(NH4)2SO4溶液，進入試樣的浸礦液流速控制在1.5 ml/min。

圖5 模擬浸礦裝置及浸礦Fig.5 Simulated dipping device and ore leaching

2 確定有效浸礦時間

2.1 試樣中稀土含量(REO)的變化

浸礦試樣進行核磁共振成像和強度測試完畢后，最后對每組的4個試樣進行烘干并用磨樣機磨成規定粒度粗細粉末，用電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS(如圖6)測定試樣中剩余的稀土含量(REO)，另做純水浸礦試樣和3%(NH4)2SO4溶液浸礦試樣中的稀土含量(REO)進行對比，測出數據如表1所示。

圖6 稀土含量(REO)全相檢測Fig.6 Detection of rare earth content (REO) phase

表1 氧化物含量(REO)的變化數據Table 1 Change data of oxide content (REO)

圖7 稀土含量(REO)的變化Fig.7 Variation of rare earth content (REO)■—純水；●—3%(NH4)2SO4

2.2 核磁共振成像觀測置換反應的過程

核磁共振儀器的成像技術主要是檢測試樣(巖芯和土樣等)孔隙內流體(油或水)中的氫原子核(1H)，是一種間接的測試技術，不是絕對的測量技術。采集到的數據通過二值化形成圖像，這些圖像信號反映的是介質流體在測試試樣中的分布和聚集，以及試樣中的流體和試樣內部孔隙壁形成的界面效應[15]。核磁共振的成像技術可以得到試樣的橫向斷面、縱向斷面、矢狀面、冠狀面圖像和三維圖像。核磁共振技術所成的圖像中包含的信息主要是試樣中的流體在試樣內的分布區域。圖像越亮的部分，代表試樣松散，孔隙度和飽和度越高。圖像越暗的部分，代表試樣內部結構較致密，孔隙度和飽和度越低[16]。圖8是本次試驗中對浸礦試樣每隔0.5 h進行的核磁共振成像，從圖8中可以明顯地看出，在浸礦開始到3 h時，核磁共振圖像中均出現一條“黑影”并且這條“黑影”隨著浸礦時間的延長，不斷地向下移動，直至浸礦時間為3 h時，“黑影”移動到測試試樣的底部。從浸礦時間為3.5～6 h這段時間浸礦試樣的核磁共振圖像看出，“黑影”不再出現，這段時間內圖像的亮度整體都比較亮。從2.1節中得出，在浸礦前3 h浸礦試樣內部存在化學置換反應，所謂的有效浸礦時間為3 h。由此可推斷出核磁共振圖像中的“黑影”是試樣內部化學反應的區域，此現象符合浸礦液與試樣內部的稀土陽離子發生反應是從試樣上部向下部推進的一個過程。從核磁共振圖像的特點看，圖像越暗的部分，說明該部分結構較致密，因此可從圖8得知浸礦液與試樣發生化學置換反應的區域，此區域的固體顆粒含量比試樣內部其他部位含量更高，其結構看起來比較致密。浸礦時間3～6 h圖像中沒有明顯的“黑影”存在，說明有效浸礦已在前3 h完成，現在只是單純的浸礦液滲流，沒有化學置換反應。

圖8 3%(NH4)2SO4溶液浸礦試樣的核磁共振圖像Fig.8 Nuclear magnetic resonance image of 3%(NH4)2SO4 solution leaching sample

3 試驗結果與分析

圖9 黏聚力和內摩擦角與浸礦時間的關系Fig.9 Relationship between cohesion,internal friction angle and time of ore leaching■—黏聚力，kPa;●—內摩擦角,(°)

4 結 論

(1)用3%(NH4)2SO4溶液浸礦對比純水浸礦可知，3%(NH4)2SO4溶液能與稀土試樣發生化學置換反應，而純水僅是物理滲流。并且得出3%(NH4)2SO4溶液的有效浸礦時間為3 h。

(2)采用核磁共振成像技術可以很直觀地看出，3%(NH4)2SO4溶液與試樣中的化學置換反應是從試樣上部到下部的一個推進過程，并且浸礦結束后，核磁共振圖像不會出現明顯的“黑影”。

(3)本研究得出的浸礦樣的黏聚力變化是在有效浸礦時間內，礦樣的黏聚力出現減小的趨勢，浸礦結束后，試樣的黏聚力又出現小幅度的增大。而試樣的內摩擦角在整個浸礦過程中一直處于減小的趨勢。

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