溶浸作用下稀土矿力学弱化规律研究

陈勋，齐炎,，尹升华，李希雯，谢芳芳，刘伽伟，陈威，严荣富

(1.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083；2.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌，330031；3.江西离子型稀土工程技术研究有限公司，江西 赣州，341000)

稀土矿中的成分经传统的物理和化学选矿方法无法提取，该类矿床的开采先后经历了池浸和堆浸的发展阶段，现采取原地浸出新工艺，以实现稀土矿绿色高效回收[1–4]。然而，在稀土矿原地浸出过程中，溶浸液在矿体内不断渗流并与稀土离子发生化学反应，矿体内部的孔隙结构发生变化，易导致稀土矿的矿体及围岩力学性质的变化，同时浸矿后各矿层的矿物成分与浸矿前明显不同，各矿层的颗粒级配也有差异，各矿层结构发生变化，影响矿体强度诱发山体失稳进而采场发生滑坡灾害，造成溶浸液污染水土以及矿物资源损失[5–8]。因此，研究和掌握稀土矿浸出过程稀土矿力学弱化规律是提高稀土离子浸出效率和保障采区安全的关键环节之一。罗嗣海等[9–13]对饱和及非饱和稀土矿体的强度特性做了大量工作，也取得了丰富的研究成果。饶睿等[14]也针对现场易发生滑坡的稀土矿区，开展了系列工业调查和试验，得到了稀土矿采场滑坡的破坏类型，并提出了可靠的预防措施。李永欣等[15]着眼于浸矿过程中矿石粒径对稀土抗剪强度的影响，结合柱浸试验和土体三轴试验，得到浸矿能够改变稀土矿颗粒级配的结论。国外对类似稀土矿性质的黏土矿物等也进行了许多相关的研究，LIN等[16]考虑页岩风化后的膨胀黏性土在吸水状态下的力学特性，探讨了土体结构、围压条件、吸力、毛细作用和应变水平等因素对抗剪强度的影响。XIAO等[17]针对膨胀土路堑边坡在反复干湿循环下的破坏问题，对该类土体的饱和排水抗剪强度进行了测试，提出了有效黏结力的减弱是边坡发生破坏的重要因素。近年来，国内外关于稀土矿及类似稀土矿的黏性土强度方面的研究大多都依托于剪切试验和土体三轴试验，亦或是路堑边坡破坏等方面的分析，针对稀土矿在溶浸作用下强度弱化机制的研究较少。基于上述实际问题，结合前人研究手段及思路，本文作者基于相似模拟手段自制一套手动控制的浸矿装置，以传统柱浸试验为原型，按照不同试验需求，进行模拟不同控制因素下的浸矿试验，浸矿后借助土工应变控制式直剪仪 ZJ–2测定矿样的抗剪强度，分析抗剪强度指标（黏聚力和内摩擦角）随浸矿时间变化特征，探索溶浸液对稀土矿力学弱化机理，为科学预测和控制矿体稳定性提供新理论和思路。

1 试验

1.1 矿样制备

试验稀土矿来自江西赣南某试验矿，矿样呈米白色，夹杂部分腐殖层植物残渣，利用碾磨棒将黏结的大颗粒碾碎后，去除杂质并在105℃下烘干12 h。该类稀土矿是由花岗岩和火山岩在湿热气候下经生物和化学风化作用形成，矿中75%～95%的稀土元素是以水合阳离子或者羟基水合阳离子的形式被黏土矿物吸附，其余的稀土元素则以游离态的水溶相、胶态沉积相以及矿物相的形态存在[18]。进行模拟浸矿试验之前，对稀土矿样进行配矿。利用孔径大于0.6 mm的土工标准筛和顶击式振筛机对颗粒进行筛分，0.5 mm以下的颗粒用LS–POP(9)型粒度分析仪器检测。因稀土矿属于黏土矿物，颗粒粒径偏小，一般大于 5 mm的颗粒可认为是杂质颗粒。重配比后的试样各粒级组分及质量分数见表1，级配曲线见图1。

1.2 试验装置

浸矿试验装置结构示意图见图2，该装置主要由注液、输液和反应系统组成。其中，注液系统由溶浸池(直径为150 mm，高度为270 mm的圆锥型桶)和总控制阀门组成；输液系统由6根医用PVC输液软管和控制喷淋速率阀门组成；反应系统由6个土工环刀(直径为61.8 mm，高度为40 mm)和透水石组成。浸矿液采用工业常用质量分数为3%的(NH4)2SO4溶液，控制喷淋速率为0.85 mL/min。

表1 矿样粒级组分及质量分数Table 1 Particle sizes and mass fractions of mineral samples

图1 矿样级配曲线图Fig.1 Gradation diagram of mineral samples

图2 柱浸实验装置结构示意图Fig.2 Sketch map of structure of column leaching experiment device

1.3 试验步骤

1)前期工作。按照试验要求配置质量分数为3%的(NH4)2SO4溶液，控制 6个注液阀门的喷淋速率为0.85 mL/min，将烘干后的稀土矿样静置于干燥皿内，加入定量的去离子水均匀调配至天然含水率ω0=14.82%，每次试验所需的矿样质量为99.6 g，装样之后用保鲜膜封装，并放入养护箱内恒温保湿 12 h以上。

2)剪切试验。浸矿试验前对 4个矿样分别施加100，200，300和400 kPa的垂直荷载进行剪切，得到初始的抗剪切强度指标。检查浸矿反应系统中的喷淋速率，用量筒盛装溶浸液，在固定时间内测定流出的体积，分别调节好注液阀门的喷淋速率。

3)浸矿试验。本次浸矿试验控制喷淋速率不变下，对4组浸矿时间分别为2，4，6和8 h的矿样分别进行浸矿。浸矿试验结束后，对每组浸矿时间下的4个矿样分别施加与浸矿前剪切相同的垂直荷载进行剪切。

2 结果与讨论

2.1 不同浸矿时间下稀土矿强度弱化规律

风化壳淋积型稀土矿开采过程中，矿体稳定性与诸多因素有关，对其影响因素可进行总结划分为内在因素及外在因素[19]。内在因素主要包括矿体自身的物理力学性质、孔隙结构特性以及地质构造特征等；外在因素主要取决于矿体赋存的条件、自然气候变化、降雨冲刷及人类活动等外力因素。原地开采稀土的过程实际就是人工外力作用下，对稀土矿体进行了外力活动(钻孔，注液等)。稀土矿体的抗剪强度指标包括黏聚力和内摩擦角，分析同一注液参数下浸矿时间对稀土矿样的强度影响，得到不同浸矿时间下稀土矿样于不同正应力条件下的剪应力及位移。图3所示为不同浸矿时间的稀土矿在100，200，300和400 kPa正应力下的剪应力–位移关系曲线。

由图3可知：剪应力随着剪切位移的增大呈“类抛物线”变化，当增长到抗剪强度附近时，剪应力随剪位移的增大而逐渐减小。剪应力的峰值则为破坏瞬间的剪应力，当剪应力经过峰值开始下降，试样已经发生破坏。取各剪应力曲线的峰值点作为矿样的剪切强度。4种正应力条件下浸矿时间与矿体抗剪强度的关系曲线如图4所示。

从图4可知：矿体剪应力峰值随着浸矿时间的增加而不断减小，这主要由于稀土矿浸出过程中，受到溶浸液的侵蚀、溶解和离子交换等作用，使得细小颗粒在矿体中发生迁移，改变了初始的颗粒级配和孔隙结构，从而稀土矿颗粒间的黏结作用力下降，随着浸矿作用逐渐加强，矿体整体结构变得松软，最终体现为剪应力不断降低。

2.2 不同浸矿时间下稀土矿样黏聚力c和内摩擦角φ

对不同正应力下的抗剪强度变化进行线性回归可得到抗剪强度指标与浸矿时间的关系，如图5所示。线性回归直线与纵轴交点即试样黏聚力c，与横轴夹角即试样内摩擦角φ，具体结果如表2所示。

图3 不同浸矿时间下矿样剪应力与剪位移关系Fig.3 Relationship between shear stress and shear displacement for different leaching time

由表2可知：稀土矿样抗剪强度指标(c和φ)均随浸矿时间的增大而变小。

2.3 浸矿时间与黏聚力的关系

为建立稀土矿浸矿时间与黏聚力的关系，试验稀土矿样孔隙比与黏聚力的变化关系如图6所示。对图6中试验数据分布，分别采取线性、多项式和单指数衰减函数的形式进行拟合分析，分析结果见表3。从表3可知：单指数衰减函数形式拟合程度最高，因此，采用下式建立稀土矿浸矿时间t与黏聚力c的数学模型。

式中：c为黏聚力，kPa；t为浸矿时间，h。

图4 剪应力与浸矿时间的变化关系Fig.4 Relationship between shear stress and leaching time

图5 正应力与剪应力的变化关系Fig.5 Relationship between normal stress and shear stress

由图6可知：随着浸矿时间增长，矿体颗粒内部原有的微裂隙不断扩展，溶浸液与稀土发生交换，矿体颗粒表面形成新的孔裂隙，从而整体的孔隙结构发生改变，矿体整体的黏结效果也急剧减弱，微观层次上表现为分子间的范德华力减弱，因此，宏观表现为黏聚力下降。

2.4 浸矿时间与内摩擦角的关系

测定不同浸矿时间下试验矿样内摩擦角的变化，结果如图7所示。由图7可见：试样内摩擦角φ随浸矿时间t的变大而不断减小。结合图7的试验数据，采用线性拟合，根据拟合结果，建立内摩擦角φ与浸矿时间t的数学模型，如下式所示：

式中：φ为内摩擦角。

由图7可知：浸矿时间变大说明矿物颗粒与溶解液的反应程度越大，强化了溶浸液对颗粒面的润滑效应，大多数矿物颗粒表面变光滑，此外黏土稀土矿物受到(NH4)2SO4溶液的浸泡之后，结合水膜会发生膨胀和扩充现象，同时NH4+与稀土阳离子发生交换，影响了矿物颗粒表面双电层的分布，使得矿体的内摩擦角减小，强度弱化，甚至发生局部破坏和失稳。

表2 不同浸矿时间下稀土抗剪强度参数Table 2 Shear strength parameters of rare earth for different leaching time

图6 浸矿时间与黏聚力关系Fig.6 Relationship between leaching time and cohesive force

表3 3种形式拟合结果对比Table 3 Comparison of three forms of fitting results

图7 浸矿时间与内摩擦角关系Fig.7 Relationship between leaching time and internal friction angle

2.5 矿石颗粒迁移分析

对矿石颗粒单独受力分析，假定从矿样中任取一个半径为r的稀土矿颗粒，密度为ρ，分析该颗粒在矿体中的受力情况，受力示意如图8所示。单个颗粒在矿体中受到的力主要有：颗粒自身的重力G，周边颗粒对其的外力作用P0，颗粒间的胶结力Pg，颗粒表面的电子斥力Pr，颗粒表面的电子吸力Pa，溶浸液作用下的渗流力Pj。

根据静力平衡原理可得如下平衡方程：

图8 单个矿石颗粒受力分析示意图Fig.8 A schematic diagram of force analysis of a single ore particle

设定颗粒顶部到底部的水力坡降为Jr时，方程可变形为

根据式(4)可得到水力坡降为Jr的表达式：

式(5)所示为溶浸液渗流、应力和化学等因素的计算公式，稀土矿原地浸矿过程中，(NH4)2SO4溶液与稀土颗粒发生置换反应后，使得颗粒单位间的胶结力Pg降低，假定浸矿过程颗粒粒径不受溶解作用而改变，则颗粒的坡降项将减小，因此实际浸矿过程单个小颗粒更容易在溶浸作用下发生迁移。从而整体的空间结构发生改变，矿体整体强度减弱。

3 结论

1)稀土原矿及浸出后矿样的剪应力均随剪位移的增大呈类抛物线变化，经历剪应力峰值后剪应力随剪位移的变大而逐渐减小；在相同正应力条件下，矿块剪应力峰值与浸矿时间呈负相关变化关系。

2)分别得到了稀土矿浸矿时间与黏聚力、内摩擦角的关系。浸矿过程细小矿物颗粒发生迁移，微裂隙扩展致使矿体结构发生变化，颗粒间的黏结力减弱，最终表现为抗剪强度变弱，其强度弱化的原因可归结为稀土矿在溶浸液的渗流和应力因素的耦合作用。

3)稀土矿的剪切强度特性与溶浸液的浓度、喷淋速度、颗粒级配及含水率等因素相关，其本质上取决于矿样在浸矿过程中的颗粒结构变化及微小矿物的迁移程度，今后的研究还需借助相关微观仪器从微细观层次上分析试验现象。