离子型稀土浸矿过程矿样力学特性演化规律

黄广黎 王晓军,2 李永欣 李士超 陈 新 韩建文

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000)

风化壳离子型稀土矿是一种外生型矿产，它有分布范围广、矿脉多规模小、稀土原矿低放射性、且中重型稀土含量丰富等特点[1]。此种稀土矿呈现为淡黄色、浅红色和白色的松散黏土混合物，其主要成分为黏土矿物(约占60%左右)、石英和造岩矿物长石[2]。从第一代的池浸法开采工艺到新一代的堆浸法，最终发展到采用电解质中的阳离子与稀土矿中的阳离子发生置换进而得到稀土阳离子即为原地浸矿法[3-4]。近些年，原地浸矿采矿工艺在风化壳离子型稀土矿中得到广泛推广和应用，在经济上取得显著效益，同时在社会环境方面也取得相应的良好效益[5]。目前采用的原地浸矿工艺对矿山表层植被几乎不造成破坏，但是在整个浸矿开采过程中浸矿液在矿体中渗流很容易导致山体滑坡，因此为了安全开采离子型稀土矿，研究浸矿液浸矿对矿体微观变化引起宏观力学的变化有着重要实际意义。许多学者在研究土体的力学强度中发现，产生对土体失稳的因素有很多，谢放等[6]在室内对滑坡带土进行的剪切试验，得出了抗剪强度数据，进而分析了不同粒径，不同饱和度下滑坡土剪切特性的变化规律。郑苗苗等[7]通过在室内试验对关中西部大型黄土滑坡带土的颗粒成份、原始结构、物理力学性质进行了相关研究。刘斯宏等[8]利用南阳膨胀土分别对其浸水膨胀变形和膨胀后的试样进行竖向荷载的作用强度测试试验，进而得出了南阳膨胀土浸水膨胀率与浸水膨胀过程中所加载其上面的竖向荷载之间的关系，同时还得到了膨胀后试样的抗剪强度指标与竖向荷载的关系。张添峰等[9]利用桂林红黏土制作试样(干密度相同而含水率不同)进行固结快剪试验，结果得到了内摩擦角和黏聚力与含水率之间的规律变化，同时将本次试验结果与经典的土力学非饱和土强度公式计算进行比较，最终得出非饱和土强度公式不能进行有效地预测非饱和桂林红黏土的强度。Gratchev等[10]对原状土进行酸液侵蚀研究，得出酸溶液会对原状土内的碳酸钙发生化学溶蚀现象，导致原状土黏聚力下降，黏聚力下降幅度与酸溶液浓度成正比关系。Anson等[11]研究了CaCl2溶液对钠基蒙脱土和高岭土残余强度的影响，得出钠基蒙脱土的残余强度有明显的提高，而高岭土的残余强度是在Ca2+浓度较高的情况下才会有稍微的提高。卜万奎[12]对有吸附金属粒子的土体进行直接剪切试验发现，这样的土体强度有所降低。唐晓武等[13]研究了阴离子表面活性剂对黄土的抗剪强度的影响，得出了阴离子表面活性剂使黄土的黏聚力和内摩擦角减小。王军等[14]进行了水—土化学耦合作用的力学效应研究，发现了离子效应对粉质黏土黏聚力和内摩擦角的影响。

从上述的众多成果看出已有许多专家和学者对化学—力学耦合作用对土体强度的影响进行了大量的试验研究，本研究针对稀土矿开采过程中浸矿液的渗流引起对矿体力学强度的影响进行分析，通过(NH4)2SO4溶液的模拟浸矿试验，得到了不同时间段，矿样强度指标的变化规律。进而为稀土矿山开采现场提供一些有益的理论。

1 试验方案

1.1 试样制作

本次试验所用的原状土是在赣南某稀土矿山取回，由于原状土不能够大量地带回试验室，因此对取回的原状土进行物理参数的测定，最终按照原状土的物理参数进行试样重塑，进而做相关的核磁共振和三轴强度试验。核磁共振仪测试试样的最大范围为6 cm,因此本次试验的试样统一高度为6 cm,直径为3.91 cm，见图1。试样的制备是采用分层击实的方法进行，此次试样分三层击实，每层击实样在装土前先进行刨毛，避免试样在进行强度试验过程中先从分层面分离。每层用击实锤击打2次能达到土样密度的理论值。

图1 制样试验仪器及重塑试样Fig.1 Sample preparation test apparatus and remolded sample

1.2 核磁共振试验

采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的型号为mesoMR23-060H-I的核磁共振试验仪器(图2)进行测试,其主要由永磁体、射频系统、温控系统、数据采集与分析操作系统和试样槽组成。此核磁共振中的永磁体的磁场强度为0.52 T(特斯拉)，在正常测试过程中，永磁体温度需要保持在32±0.01℃，此时测出的试样数据才更接近实际值。试样槽的有效测试范围为60 mm×φ60 mm。图3为核磁共振试验仪器的主要部件示意图，其功能有分析试样内部孔隙结构、孔隙度和试样的三维成像及平面成像技术。本次试验主要应用到其成像技术。模拟浸矿过程中，每隔0.5 h取样观察内部结构图像，最长浸矿时间为6 h。

图2 核磁共振试验仪器Fig.2 Nuclear magnetic resonance test instrument

图3 核磁共振试验仪器示意Fig.3 Schematic diagram of nuclear magnetic resonance test instrument

1.3 三轴试验

本次对土样进行强度指标测试的试验仪器如图4，是由江苏永盛流体科技有限公司设计生产的DZY-Z-2型真三轴试验仪。进行强度测试的试样共需52个，一共13组，每组分别设置4个不同的围压进行强度测试，围压分别为50、100、150和200 kPa。此次试验采用不固结不排水(UU)的试验条件进行，在测试过程中，三轴仪的采集数据系统设置为每分钟采集30个数据，压力系统的上升速率为0.5 mm/min。

图4 三轴试验仪器Fig.4 Three axle test instrument

1.4 模拟浸矿

室内模拟浸矿试验如图5，浸矿过程中，试样上面的浸矿液柱高度控制在4 cm,本次试验的浸矿液采用浓度为3%(NH4)2SO4溶液，进入试样的浸矿液流速控制在1.5 ml/min。

图5 模拟浸矿装置及浸矿Fig.5 Simulated dipping device and ore leaching

2 确定有效浸矿时间

2.1 试样中稀土含量(REO)的变化

浸矿试样进行核磁共振成像和强度测试完毕后，最后对每组的4个试样进行烘干并用磨样机磨成规定粒度粗细粉末，用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS(如图6)测定试样中剩余的稀土含量(REO)，另做纯水浸矿试样和3%(NH4)2SO4溶液浸矿试样中的稀土含量(REO)进行对比，测出数据如表1所示。

图6 稀土含量(REO)全相检测Fig.6 Detection of rare earth content (REO) phase

表1 氧化物含量(REO)的变化数据Table 1 Change data of oxide content (REO)

图7 稀土含量(REO)的变化Fig.7 Variation of rare earth content (REO)■—纯水；●—3%(NH4)2SO4

2.2 核磁共振成像观测置换反应的过程

核磁共振仪器的成像技术主要是检测试样(岩芯和土样等)孔隙内流体(油或水)中的氢原子核(1H)，是一种间接的测试技术，不是绝对的测量技术。采集到的数据通过二值化形成图像，这些图像信号反映的是介质流体在测试试样中的分布和聚集，以及试样中的流体和试样内部孔隙壁形成的界面效应[15]。核磁共振的成像技术可以得到试样的横向断面、纵向断面、矢状面、冠状面图像和三维图像。核磁共振技术所成的图像中包含的信息主要是试样中的流体在试样内的分布区域。图像越亮的部分，代表试样松散，孔隙度和饱和度越高。图像越暗的部分，代表试样内部结构较致密，孔隙度和饱和度越低[16]。图8是本次试验中对浸矿试样每隔0.5 h进行的核磁共振成像，从图8中可以明显地看出，在浸矿开始到3 h时，核磁共振图像中均出现一条“黑影”并且这条“黑影”随着浸矿时间的延长，不断地向下移动，直至浸矿时间为3 h时，“黑影”移动到测试试样的底部。从浸矿时间为3.5～6 h这段时间浸矿试样的核磁共振图像看出，“黑影”不再出现，这段时间内图像的亮度整体都比较亮。从2.1节中得出，在浸矿前3 h浸矿试样内部存在化学置换反应，所谓的有效浸矿时间为3 h。由此可推断出核磁共振图像中的“黑影”是试样内部化学反应的区域，此现象符合浸矿液与试样内部的稀土阳离子发生反应是从试样上部向下部推进的一个过程。从核磁共振图像的特点看，图像越暗的部分，说明该部分结构较致密，因此可从图8得知浸矿液与试样发生化学置换反应的区域，此区域的固体颗粒含量比试样内部其他部位含量更高，其结构看起来比较致密。浸矿时间3～6 h图像中没有明显的“黑影”存在，说明有效浸矿已在前3 h完成，现在只是单纯的浸矿液渗流，没有化学置换反应。

图8 3%(NH4)2SO4溶液浸矿试样的核磁共振图像Fig.8 Nuclear magnetic resonance image of 3%(NH4)2SO4 solution leaching sample

3 试验结果与分析

图9 黏聚力和内摩擦角与浸矿时间的关系Fig.9 Relationship between cohesion,internal friction angle and time of ore leaching■—黏聚力，kPa;●—内摩擦角,(°)

4 结 论

(1)用3%(NH4)2SO4溶液浸矿对比纯水浸矿可知，3%(NH4)2SO4溶液能与稀土试样发生化学置换反应，而纯水仅是物理渗流。并且得出3%(NH4)2SO4溶液的有效浸矿时间为3 h。

(2)采用核磁共振成像技术可以很直观地看出，3%(NH4)2SO4溶液与试样中的化学置换反应是从试样上部到下部的一个推进过程，并且浸矿结束后，核磁共振图像不会出现明显的“黑影”。

(3)本研究得出的浸矿样的黏聚力变化是在有效浸矿时间内，矿样的黏聚力出现减小的趋势，浸矿结束后，试样的黏聚力又出现小幅度的增大。而试样的内摩擦角在整个浸矿过程中一直处于减小的趋势。

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