離子型稀土浸礦過程礦樣力學(xué)特性演化規(guī)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(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000)

風(fēng)化殼離子型稀土礦是一種外生型礦產(chǎn)，它有分布范圍廣、礦脈多規(guī)模小、稀土原礦低放射性、且中重型稀土含量豐富等特點(diǎn)[1]。此種稀土礦呈現(xiàn)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(fā)展到采用電解質(zhì)中的陽離子與稀土礦中的陽離子發(fā)生置換進(jìn)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(fēng)化殼離子型稀土礦中得到廣泛推廣和應(yīng)用，在經(jīng)濟(jì)上取得顯著效益，同時在社會環(huán)境方面也取得相應(yīng)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(dǎo)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(xué)的變化有著重要實(shí)際意義。許多學(xué)者在研究土體的力學(xué)強(qiáng)度中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生對土體失穩(wěn)的因素有很多，謝放等[6]在室內(nèi)對滑坡帶土進(jìn)行的剪切試驗(yàn)，得出了抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)，進(jìn)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(guī)律。鄭苗苗等[7]通過在室內(nèi)試驗(yàn)對關(guān)中西部大型黃土滑坡帶土的顆粒成份、原始結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)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(jìn)行豎向荷載的作用強(qiáng)度測試試驗(yàn)，進(jìn)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(guān)系，同時還得到了膨脹后試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與豎向荷載的關(guān)系。張?zhí)矸宓萚9]利用桂林紅黏土制作試樣(干密度相同而含水率不同)進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，結(jié)果得到了內(nèi)摩擦角和黏聚力與含水率之間的規(guī)律變化，同時將本次試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典的土力學(xué)非飽和土強(qiáng)度公式計(jì)算進(jìn)行比較，最終得出非飽和土強(qiáng)度公式不能進(jìn)行有效地預(yù)測非飽和桂林紅黏土的強(qiáng)度。Gratchev等[10]對原狀土進(jìn)行酸液侵蝕研究，得出酸溶液會對原狀土內(nèi)的碳酸鈣發(fā)生化學(xué)溶蝕現(xiàn)象，導(dǎo)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(guān)系。Anson等[11]研究了CaCl2溶液對鈉基蒙脫土和高嶺土殘余強(qiáng)度的影響，得出鈉基蒙脫土的殘余強(qiáng)度有明顯的提高，而高嶺土的殘余強(qiáng)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(jìn)行直接剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這樣的土體強(qiáng)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(qiáng)度的影響，得出了陰離子表面活性劑使黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角減小。王軍等[14]進(jìn)行了水—土化學(xué)耦合作用的力學(xué)效應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)了離子效應(yīng)對粉質(zhì)黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響。

從上述的眾多成果看出已有許多專家和學(xué)者對化學(xué)—力學(xué)耦合作用對土體強(qiáng)度的影響進(jìn)行了大量的試驗(yàn)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(xué)強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析，通過(NH4)2SO4溶液的模擬浸礦試驗(yàn)，得到了不同時間段，礦樣強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律。進(jìn)而為稀土礦山開采現(xiàn)場提供一些有益的理論。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制作

本次試驗(yàn)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(yàn)室，因此對取回的原狀土進(jìn)行物理參數(shù)的測定，最終按照原狀土的物理參數(shù)進(jìn)行試樣重塑，進(jìn)而做相關(guān)的核磁共振和三軸強(qiáng)度試驗(yàn)。核磁共振儀測試試樣的最大范圍為6 cm,因此本次試驗(yàn)的試樣統(tǒng)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(shí)的方法進(jìn)行，此次試樣分三層擊實(shí)，每層擊實(shí)樣在裝土前先進(jìn)行刨毛，避免試樣在進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)過程中先從分層面分離。每層用擊實(shí)錘擊打2次能達(dá)到土樣密度的理論值。

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

1.2 核磁共振試驗(yàn)

采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的型號為mesoMR23-060H-I的核磁共振試驗(yàn)儀器(圖2)進(jìn)行測試,其主要由永磁體、射頻系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析操作系統(tǒng)和試樣槽組成。此核磁共振中的永磁體的磁場強(qiáng)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(shù)據(jù)才更接近實(shí)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(yàn)儀器的主要部件示意圖，其功能有分析試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙度和試樣的三維成像及平面成像技術(shù)。本次試驗(yàn)主要應(yīng)用到其成像技術(shù)。模擬浸礦過程中，每隔0.5 h取樣觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，最長浸礦時間為6 h。

圖2 核磁共振試驗(yàn)儀器Fig.2 Nuclear magnetic resonance test instrument

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

1.3 三軸試驗(yàn)

本次對土樣進(jìn)行強(qiáng)度指標(biāo)測試的試驗(yàn)儀器如圖4，是由江蘇永盛流體科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DZY-Z-2型真三軸試驗(yàn)儀。進(jìn)行強(qiáng)度測試的試樣共需52個，一共13組，每組分別設(shè)置4個不同的圍壓進(jìn)行強(qiáng)度測試，圍壓分別為50、100、150和200 kPa。此次試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水(UU)的試驗(yàn)條件進(jìn)行，在測試過程中，三軸儀的采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)置為每分鐘采集30個數(shù)據(jù)，壓力系統(tǒng)的上升速率為0.5 mm/min。

圖4 三軸試驗(yàn)儀器Fig.4 Three axle test instrument

1.4 模擬浸礦

室內(nèi)模擬浸礦試驗(yàn)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(yàn)的浸礦液采用濃度為3%(NH4)2SO4溶液，進(jìn)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(jìn)行核磁共振成像和強(qiáng)度測試完畢后，最后對每組的4個試樣進(jìn)行烘干并用磨樣機(jī)磨成規(guī)定粒度粗細(xì)粉末，用電感耦合等離子體質(zhì)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(jìn)行對比，測出數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)的過程

核磁共振儀器的成像技術(shù)主要是檢測試樣(巖芯和土樣等)孔隙內(nèi)流體(油或水)中的氫原子核(1H)，是一種間接的測試技術(shù)，不是絕對的測量技術(shù)。采集到的數(shù)據(jù)通過二值化形成圖像，這些圖像信號反映的是介質(zhì)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(nèi)部孔隙壁形成的界面效應(yīng)[15]。核磁共振的成像技術(shù)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(shù)所成的圖像中包含的信息主要是試樣中的流體在試樣內(nèi)的分布區(qū)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(nèi)部結(jié)構(gòu)較致密，孔隙度和飽和度越低[16]。圖8是本次試驗(yàn)中對浸礦試樣每隔0.5 h進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)，這段時間內(nèi)圖像的亮度整體都比較亮。從2.1節(jié)中得出，在浸礦前3 h浸礦試樣內(nèi)部存在化學(xué)置換反應(yīng)，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(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，此現(xiàn)象符合浸礦液與試樣內(nèi)部的稀土陽離子發(fā)生反應(yīng)是從試樣上部向下部推進(jìn)的一個過程。從核磁共振圖像的特點(diǎn)看，圖像越暗的部分，說明該部分結(jié)構(gòu)較致密，因此可從圖8得知浸礦液與試樣發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)的區(qū)域，此區(qū)域的固體顆粒含量比試樣內(nèi)部其他部位含量更高，其結(jié)構(gòu)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(xiàn)在只是單純的浸礦液滲流，沒有化學(xué)置換反應(yīng)。

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(yàn)結(jié)果與分析

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

4 結(jié) 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(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)，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(shù)可以很直觀地看出，3%(NH4)2SO4溶液與試樣中的化學(xué)置換反應(yīng)是從試樣上部到下部的一個推進(jìn)過程，并且浸礦結(jié)束后，核磁共振圖像不會出現(xiàn)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(nèi)，礦樣的黏聚力出現(xiàn)減小的趨勢，浸礦結(jié)束后，試樣的黏聚力又出現(xiàn)小幅度的增大。而試樣的內(nèi)摩擦角在整個浸礦過程中一直處于減小的趨勢。

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