高温高硫铜矿原地破碎微生物浸出理论与实践＊

余 斌

(北京矿冶研究总院, 北京 100044)

高温高硫铜矿原地破碎微生物浸出理论与实践＊

余 斌

(北京矿冶研究总院, 北京 100044)

原地破碎微生物浸矿技术是将采矿爆破技术与生物冶金技术有机结合而形成的一种井下就地提取矿物有用组分的新型采冶工艺技术,为了开发利用东同矿业公司赋存的大量高温高硫低品位硫化铜矿,北京矿冶研究总院和江西东同矿业公司合作,进行了“高温高硫铜矿原地破碎微生物浸出试验研究”项目研究,内容涉及矿石溶浸化学、浸出动力学、计算机渗流模拟、布液参数优化、集液工程设计、原地爆破技术、微生物浸矿过程研究、全流程成本控制等诸多方面。经过5年系统、全面的研究试验工作,形成了适应于地下矿山原地破碎细菌浸出开采回收的完整生产技术,首次实现了原地破碎细菌浸出开采技术在我国有色矿山的成功应用,取得了良好的经济效益和明显的社会效益。

微生物浸矿;高温高硫铜矿;原地爆破;布液与集液

0 前 言

为了开发利用东同矿业公司赋存的大量高温高硫低品位硫化铜矿,北京矿冶研究总院和江西东同矿业公司合作,进行了“高温高硫铜矿原地破碎微生物浸出试验研究”项目的可行性论证,同年该课题被列入国家科技部科研院所专项计划(国科发财字[2001]269号)。经过四年多系统、全面的研究试验工作,形成了适应于地下高温高硫矿山原地破碎微生物浸出开采的完整生产技术,实现了原地破碎微生物浸出采矿技术在我国高温高硫矿山首次成功应用的重大突破,取得了良好的经济效益和显著的社会效益。

原地破碎微生物浸矿技术是将采矿爆破技术与生物冶金技术有机结合而形成的一种井下就地提取矿物有用组分的新型采冶工艺技术,技术创新点在于将微生物浸矿技术应用于井下并与采矿爆破技术有机结合。项目技术开发应用目的是为了有效回收井下难采硫化矿及表外矿资源。项目研究包括前期基础研究、工艺技术与装备、工业试验等。随着该项技术开发研究及工业试验的完成,从根本上改变了我国矿山大量难采硫化矿及表外矿资源不能有效回收的被动局面,推广应用前景广阔,社会效益经济效益巨大。

1 地质资源概况

东同矿业公司经长期开采,井下有大量的低品位矿石,主要集中在1号、5号和7号矿体。仅以7号矿体为例,其平均铜品位为0.73%,保有矿量535万t,折合铜金属约4万t。7号矿体由于矿体围岩不稳固,矿石破碎,不安全隐患时常出现,属极难开采矿体,另外矿石一经暴露便迅速氧化,又属难选矿石。目前该矿采用的传统采、选工艺,成本高、效益差,且富矿资源日益减少,矿山生产步履艰难,急需开发高新技术,开发利用低品位铜矿资源,延长矿山寿命,使矿山从根本上走出困境。

7号矿体位于67-83勘探线之间。为次生富集硫化物矿体,品位较富,呈透镜体产于下石炭统梓山组上部的构造破碎带中。走向与地层一致,埋藏深度标高为-20～-250m。与1号矿体、5号矿体不同,矿体分布范围不大,呈等轴状,厚度较大。产状及形态变化复杂,由于氧化淋漓作用,次生富集带的分带性明显。

东乡铜矿矿物主要有:黄铁矿、黄铜矿、辉铜矿、赤铁矿、含钨赤铁矿、白钨矿、赤铁矿等;次要矿物为白铁矿、闪锌矿、辉铋矿等;少量的有:磁黄铁矿、方铅矿等。脉石矿物有:石英、方解石、绿泥石等。黄铁矿:出现在原生带和次生富集带的主要金属矿物,以细粒状和集块状为主,晶形完好,明显是在两个不同时代形成的。与铜成矿密切的是集块状的黄铁矿。黄铜矿:为原生带主要金属矿物,常常与黄铁矿共生,出现在黄铁矿的晶隙中;在次生富集带少量出现,以他形粒状集合体为主。在矿区主要分布在5号矿体的原生铜矿带中。辉铜矿:为次生富集带的主要铜矿物,属次生硫化物,交代黄铁矿、黄铜矿及斑铜矿。

矿区矿体几乎全埋藏在侵蚀基准面以下,矿区内仅有若干小溪,地表水对矿坑充水无直接影响。矿体富水性弱,直接底板可视为隔水层,间接底板富水性弱至中等,但无断层沟通时,一般不会直接向矿坑充水;顶板有碳酸盐岩、岩溶洼地堆积物和第三系下部砾岩等强和中等富水的含水层,与矿体有水力联系,是矿坑充水的主要因素。此外,断层能引起局部性突水。

2 试验采场选择

2.1 选择原则

根据矿山具体条件及高温高硫铜矿赋存状况,考虑试验地点时主要依据如下原则:

(1)具有数万吨级以上矿石量,矿块自然条件具有代表性和普遍性;

(2)离地表萃取电积厂的垂直距离较近,并且具有一定的独立性。既不影响矿山正常生产,又能尽量缩短试验系统管线投资;

(3)矿块周围可利用的工程较多,且安全性好,可减少试验投入。

2.2 试验采场位置与空间特征

试验采场位于7#矿体-75m中段79线东12.5 m到79线西12.5m,标高为-60.3m至-38m水平之间。矿体倾角25°～40°,平均水平厚度28m,底板矿化不均,形状不规则,顶板为富矿采空区边界。主要矿石类型有2种:靠近富矿采空区之贫矿为黄铜黄铁矿石,含硫较高,靠底板为矿化矿岩型黄铜黄铁矿石,矿体底板围岩为砂岩类砂质页岩。整个矿岩较破碎,构造层理发育,平均7条/m左右。矿石一经暴露较易氧化,放热产生毒气,矿块温度较高。矿体富水性弱,间接底板富水性弱至中等。矿体f=8～12,围岩f=7～9,矿石比重为3.56t/m3,参加浸出矿量Q=55955t,含铜金属量为359.8t。

试验矿块宽25m,最高21.7m,最低高度为6 m,长24m,顶柱5m,底柱8m。东、西均为分段崩落法空场事后尾矿胶结充填采场,东部原充填到-38m水平,西部充填到-46m标高,试验采场爆破前补充充填至-38m标高。南部为有底柱分段崩落法空场,未充填,试验采场爆破前补充充填至-46 m标高,北部为围岩实体;上部为有底柱堑沟结构分段崩落法采场,矿块上盘为分层进路充填法采场,相邻采场均已结束回采多年。

3 矿石矿物学研究

矿石的矿物学分析结果见表1～表3。

表1 高温高硫铜矿石多元素分析

表2 原矿铜物相分析

表3 高温高硫铜矿石主要矿物组成

原矿中铜矿种类较多,以黄铜矿为主,其次是斑铜矿和辉铜矿,还有少量的铜兰、硫铋铜矿、铋黝铜矿、硫铋铜铅锌矿等。铜矿多呈不规则粒状、脉状,少部分呈细脉状、网脉状。早期生成的黄铜矿颗粒较粗,较纯净,常见被次生硫化铜矿物交代现象。另一种是交代黄铁矿和胶状黄铁矿的产物,其交代程度不同,被轻微交代的黄铁矿中含铜较低,铜矿物呈细粒浸染状,随交代程度加深,铜含量增加,颜色变黄,以至几乎完全变成黄铜矿,黄铜矿颗粒逐渐变粗,呈粗粒状和斑状,但其中常见有黄铁矿的残留物。由于黄铜矿属原生硫化物,生成较早,常被斑铜矿、辉铜矿、铜兰等交代,几种铜矿物相互交代现象也不乏见。

铜矿物中以黄铜矿粒度最粗,斑铜矿和辉铜矿次之,铜兰、硫铋铜矿等最细。其中,东部矿体中的铜矿更细些。值得指出的是,少量的铜矿物呈细粒浸染或网脉状充填于黄铁矿的裂隙或微裂隙中,颗粒一般小于10μm,甚至小于1μm。

原矿中黄铁矿含量多、分布广,是主要的硫化物。该区黄铁矿有两种,一种为结晶程度较高的黄铁矿,一种是结晶程度较差的细粒集合体,即所谓的胶状黄铁矿。前者以他形粒状为主,半自形和自形晶者次之。这种黄铁矿颗粒较粗,大部分晶体完好,其中少见铜矿物的包体;少部分黄铁矿碎裂现象明显,铜矿物沿其裂隙充填呈细脉状和网脉状。

4 室内可浸性试验

室内试验分为摇瓶浸出试验和柱浸试验。矿样采自7#采场,由现场工作人员负责采样工作,矿样Cu品位为1.34%。选择部分综合矿样,磨至200目,进行细菌浸出。柱浸矿样按不同的粒级组成配样进行。从矿样的矿石矿物学分析可知,矿样中以硫化铜为主,氧化铜含量不及10%,所以仅对矿样进行细菌浸出试验。浸出用300mL锥形瓶,加10g矿样,加入100mL浸出剂后,放入水浴恒温振荡器中进行振荡,转速130转/min,温度30℃。试验用的主要设备有:SHZ-82型水浴振荡器,XSZ-H7型生物显微镜、UV-1100分光光度计等。

4.1 摇瓶浸出试验

在东乡铜矿井下取矿坑水2份,采用Leathen培养液培养细菌。取100mL锥形瓶6个,每瓶装培养液20mL和1gFeSO4,分为两组,每组3个。给第一组的每个瓶中加入取自下一水平的矿坑水5mL,编号A、B、C;给第二组的每个瓶中加入取自下二水平的矿坑水5mL,编号为D、E、F。将6个瓶放入水浴振荡器中进行培养,温度30℃,转速130转/min。观察细菌的生长情况,选择每组中溶液颜色变化最快,颜色最深的锥形瓶,在瓶中取1mL溶液,接种到装有新培养基的3个瓶中,同样培养。通过8轮培养,细菌的活性明显增强。

摇瓶浸出试验表明:采自东乡铜矿的细菌菌种经过培养后,能够满足浸矿的需要;采用Leathen培养液培养细菌,不但能够获得较好的浸出率,而且对于降低浸矿成本较为有利;当初始酸度为4.25g/L时,可以达到55.4%的浸出率,初始浸矿酸度最佳范围为4.25～7.43g/L,细菌浸出率较高,为56.0%;随着接种量的增加,铜的浸出率也跟着上升。但当接种量大于8%时,最高浸出率增加不显著,基本稳定在60%左右。接种量为10%时,其最高浸出率为61.9%,接种量为20%时,浸出率亦相近,故从降低生产成本的角度考虑,在实际生产中应以选择接种量8%左右为宜。浸出的最佳温度范围为30℃左右,超过34.5℃及低于28.5℃,浸出率都明显下降。温度对浸出率的影响极为明显。

4.2 柱浸

柱浸试验的目的是为了确定粒级与铜浸出率的关系,为工业生产提供设计依据。通过摇瓶试验,确定以硫酸加细菌作为浸出剂,进行矿样的柱浸试验。将矿样按粒度分级,分别装入Ⅰ、Ⅱ两个不同的浸出柱中,采用连续或间歇方式喷淋矿样,定期从浸出液中取样分析铜、铁的浓度,确定相应的浸出率。

柱浸试验结果表明,矿石的粒级与浸出率有着较为明显的关系,铜的浸出率与矿石的粒度成反比,即矿石粒度越大,浸出率越低;浸出开始期间,浸出速度较快,当浸出时间超过80d后,各柱的浸出率都达50%以上。随后,随着浸出时间的增加,其浸出率增长较为缓慢。

5 原地破碎爆破技术

孔网参数及起爆时间优化:在-38m和-54m分段的砂岩型黄铜黄铁和黄铜矿体中,分别对炸药单耗、密集系数及毫秒差等参数进行正交优化。试验的结果为:砂岩型矿体:炸药单耗0.45kg/t,密集系数为2,起爆微差为50ms;黄铜矿体:炸药单耗0.50kg/t,其余同砂岩型矿体。

设计凿岩爆破参数:炮孔为上向扇形,前、后排孔交错布置。砂岩型矿体:排距为1.1m,最大孔底距为1.9～2.0m,起爆间隔50ms,补偿系数为17%;黄铜矿:排距为0.9m,最大孔底距为1.8m,起爆时间为50ms,补偿系数为18%,孔径均为Φ56mm。

由于试验矿块含硫较高,为了防止炸药自爆事故,控制一次性装药量,实施小单元小补偿空间非电微差一次性点火复式起爆,使用2#铵松腊柱状炸药,装药前对每个炮孔进行测温,温度偏高的后装药,并采取降温措施。

试验采场分3个阶段5个小单元由上而下分次挤压爆破落矿。爆破中深孔凿岩总量为10431.5 m;炸药用量为15890.8kg;导爆索用量为11395m;ms雷管用量为2142发;导火索用量为200m。爆岩块度＞400mm占有率为3.33%;200～400mm占有率为5.3%;＜200mm占有率为91.37%;块度分布达到设计预期指标,完全能够满足浸矿技术要求。

6 原地浸出与萃取电积工业试验

6.1 布液与集液系统

采用井下露天化均点布液方案,布液巷设计在-38m水平及-46m水平顶盘,布液方式为喷淋-滴淋混合式,布液强度设计为15～30L/m2·h;矿块布液面积设计为900m2,-38m水平布液巷道及联络道断面为2.5m×2.5m,工程量为166m,其中利用老巷道88m。-46m水平顶盘布液巷道及联络道断面为2.5m×2.5m,工程量75m,其中利用老巷道39m。

布液与集液系统描述:矿块采用自上而下的上向扇形中深孔小补偿空间小单元挤压爆破落矿,在试验范围内形成溶浸矿堆;待浸矿堆上部采用井下露天化均点布液,下部对断层做注浆封堵处理,利用导流孔和收液巷集液,通过小天井至-75m水平的79线北穿脉即集液池,浸出液回收量大于90%以上。浸出合格液由泵扬送至+15m水平中转富液池,再经泵扬送至地面SX-EW处理,经处理后的萃余液自流至+15m标高中转配液池,加菌培养配置后自流至试验采场-38m及-46m进行布液喷淋浸矿,浸出的合格液通过-75m水平79线内循环泵再送至堆场喷淋降温浸矿。

6.2 萃取电积系统

细菌的初期培养由试验室完成。菌种主要采集于井下废巷的氧化铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌。细菌通过直接作用以及其代谢产物Fe2(SO4)3与H2SO4复合作用于含铜矿石中,从而使矿物中的铜离子由固态相转化到溶液中去,完成浸出作业。含菌浸出剂与萃余液供浸矿作业,每天约320m3从地面经总管、支管至各喷淋管。浸出液从堆底或导流孔汇入集液池。浸出液返回矿堆循环2～3次/d,保证含铜质量浓度0.5g/L以上,合格的浸出液经泵扬送至地表萃取厂原液池,自流进入萃取箱中。

萃取作业在混合澄清萃取箱中进行。设计试验采用2级萃取1级反萃1级洗涤。萃取剂为Lix984N,稀释剂为260号煤油,萃取在常温下进行,相比(体积比)Vo∶VA=1∶1,混合2.9min,澄清速率为3.6m3/m2·h萃余液经澄清并回收有机相后由地面自流至堆场喷淋。用pH值为6～8的清水洗涤负载有机相中夹带的铁离子,相比Vo∶VA=(3～4)∶1,洗涤余水与萃余液混合用于井下喷淋。用P(Cu)=30～35g/L,P(Fe)8g/L,P(H2SO4)=175g/L的电解贫液反萃取。反萃取后液中P(Cu)=42g/L,P(Fe)8g/L,P(H2SO4)=160g/L经泵送到电解槽进行电积。萃取过程中产生的絮凝物(第三相),用勺子捞取至盆中或池子中,经破乳,膨润土吸附处理后,将回收的有机相返回萃取箱,残碴外排。

由萃取厂房反萃后(富液)自流至电解供给液池,用泵扬送到电解槽进行电积,电解贫液返回用于反萃取剂,电解阴极铜含铜量达99.97%以上。4个电解槽,每槽极板8片,每片有效尺寸为0.8m×0.7m,厚度为3mm,材质为不锈钢;每槽阳极板9片,每片有效尺寸为0.75m×0.65m,厚度为6 mm,材质为pb-ca-sn合金。电解液单槽循环,循环量按平方米阴极30L/h供给。根据电解液中Fe的积累情况,定期抽出一定量的电解贫液送至原液池中,相应补充清水与浓硫酸配制电解液。为了提高阴极板使用寿命,电解液内定期添加少量的硫酸钴约100g/t左右。为了提高电积铜质量,添加少量的硫脲约为40g/t左右,从而保证电解铜一直保持在国际标准A级以上。

6.3 主要技术经济指标

工业试验系统取得的主要技术指标见表4。

表4 主要技术经济指标及综合经济效益

7 结 论

东同矿业公司原地破碎微生物浸矿技术试验项目,进行了全面、深入的研究工作,形成了具有国际先进水平的成套原地破碎微生物浸出采矿技术。进行了合理的劳动组织、工程设计和施工,并进行了技术经济分析。整个系统运行良好,达到了先进的技术经济指标,吨铜成本10817.75元,当年获直接经济效益达140.91万元。

项目研究的关键技术是不同工程地质及矿岩条件下的合理爆破参数确定与爆破块度控制,布液与集液工程支护技术及稳定性分析,浸矿微生物生理生化特性分析及原地浸矿过程研究,全流程成本控制模型及技术经济分析。原地破碎微生物浸出采矿技术的试验成功,使东同矿业公司的高温高硫铜矿资源得到了充分回收,为矿山增加了新的经济增长点。该项技术的显著特点是:

(1)合理利用了国家资源。东同矿业公司的高温高硫铜矿资源,由于各种原因一直未得到回收利用。而采用原地破碎微生物浸出技术则使该部分535万多吨铜矿石资源得到回收,社会效益巨大;

(2)生产成本低。原地破碎微生物浸出技术使用范围广,投资少,生产成本低,吨铜成本仅为10817.75元,为矿业公司增加了巨大的经济效益;

(3)生产安全性好。制液系统中布液与集液均在巷道内进行,溶液中有价金属的提取在地面工厂内完成,与传统采矿工艺相比,安全性高;

(4)环境效益好。原地破碎微生物浸出采矿技术不用将矿石采出地表,杜绝了地表废弃物的排放。浸出液实现闭路循环,避免了酸性废水外流;

(5)应用前景广阔。原地破碎微生物浸出技术工艺简单,适合于各种难于回收资源的回收,为矿山实现产品多元化打下了良好基础。

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国家科技部科研院所专项基金项目(国科发财字[2001]269号).

2010-03-02)

余 斌(1965-),男,安徽太湖人,教授级高级工程师,第六届中国有色金属学会采矿学术委员会委员,主要从事溶浸采矿和充填采矿科研工作,Email:yubin4202@sohu.com。