离子型稀土浸矿过程中渗透性变化规律的试验研究

罗嗣海， 黄群群， 王观石， 胡世丽， 洪本根

（江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州341000）

0 引 言

南方离子型稀土以离子形式吸附在矿物表面，所以南方风化壳淋积型稀土矿开采工艺特殊，随着国家对环境保护的越来越重视，采矿工艺不断改进，经历了从第一代工艺池浸法到第二代采矿工艺堆浸法以及目前国家推广的第三代开采工艺原地浸矿法[1-2]的过程.原地浸矿是将浸矿液通过注液孔注入矿体，在渗流过程中发生离子交换反应，在地势较低的地方布置收液工程收集母液，通过除渣、沉淀等一系列后续工艺，从而获得碳酸稀土，显然矿体的渗透性对开采工艺及其注液和收液工程的布置具有重要影响，另外，对矿体的渗透性和开采过程中的边坡稳定性也具有重要影响[3]，因而研究渗流过程中稀土矿体的渗透性变化规律具有重要意义.

微颗粒迁移是引起渗透性变化的重要原因，如：石油开采过程中由于注水导致储层中微颗粒的迁移与堵塞，使渗透系数减小[4-5]，土壤细粒流失造成近地表土层的粗化、结构恶化[6]等.但是溶液在稀土矿体的渗流过程中，不仅存在微颗粒迁移，还存在离子的吸附和离子交换过程，离子的吸附和交换通过改变水膜厚度进而引起矿体的变化，目前已有的研究是从矿物颗粒表面的水理性质和松散颗粒的迁移规律入手，探讨了离子型稀土矿原地溶浸溶浸液渗流规律的影响因素[7]，鲜有文献考虑土体在硫酸铵溶液渗流过程中渗透性的变化.为此，采用室内柱浸试验研究渗流过程稀土矿体的渗透性变化规律，先注入清水直至渗流稳定，再注入硫酸铵溶液，分析离子型稀土矿浸矿过程中渗透系数随时间变化规律.

1 试验方案

试验使用的稀土矿体取自江西赣州某离子型稀土矿区，选取的离子型稀土的粒径分布为：0～0.075 mm占21.8%，0.075～0.25 mm占18.4%，0.25～1 mm占26.3%，1～5 mm占31.4%，根据筛分试验数据判定该矿区离子型稀土为粉砂，级配良好，粒径大小相差悬殊.

试验装置如图1所示，该试验装置主要是由圆柱形Ф110 mm的PVC管、底板及供水装置等组成.根据水力梯度的不同，PVC管的长度分别为20，32，48 cm.底部用螺纹连接一圆形开口盖子，用于放置底板，底板上钻有孔径为2 mm的小孔，底板上面放置滤纸，为了避免硫酸铵溶液腐蚀金属，底板选用塑料材质.

图1 试验装置示意图

为了使试样接近原状土，制作成孔隙比为0.8的土样.土样制作过程：配制含水量为10%的试验用土，在底板上垫一张滤纸，将试验用土分层装入PVC管中并压实，制作成高度16 cm土样.为了避免试样出现土层分界面，每次装入土样前需将夯实的土面抓毛.最后在试样上放一张滤纸，再放一块塑料渗水板.

土样装柱后开始渗流试验，土样的渗流试验分为2个阶段，第1阶段向土样注入清水，清水在土样形成稳定渗流后开始第2阶段，向土样注入3%的硫酸铵溶液.注入清水阶段，水自上而下流经试样，当试样出水的瞬间，开始记录流量Q.在达到渗流稳定后，将PVC管中的清水换成硫酸铵溶液，记录流量，用达西定律计算渗透系数，研究土样渗透系数随时间的变化规律.为了避免换液时突降的水头对渗透系数造成的影响，采用如下方法：先取适量PVC管中的清水配置高浓度硫酸铵溶液（取清水的量根据水头高度的不同来定），再将高浓度硫酸铵溶液通过移液管缓慢注入PVC管内.

2 实验结果与分析

微颗粒迁移是指在动水压力作用下，微颗粒从土体中的孔隙喉道中流出.由文献[8]可知堵剂粒径为地层孔径的1/3～1/10时可产生较有效的封堵作用，即证明粒径范围0.075～0.09 mm的筛分样，由于粒径相差很小，不具备微颗粒迁移的条件.而对于级配良好的原矿，文献[9]表明浸矿会使级配有所变化，原矿具备微颗粒迁移条件.微颗粒迁移将引起矿体渗透系数发生变化，也将影响形成稳定渗流的时间，本文根据渗透系数变化幅度和形成稳定渗流场所需时间（以下简称稳定时间）来反映渗流过程的微颗粒迁移.

2.1 注清水阶段的流量变化

图2为注清水阶段原矿和筛分样的流量随时间

图2 注清水阶段原矿和筛分样的流量随时间变化曲线

变化曲线.可以看出：原矿和筛分样的渗流流量在注清水时的变化趋势基本相同，分3个阶段：快速上升阶段、缓慢上升阶段和稳定阶段.虽然趋势相同，但是稳定时间与流量变化幅度有所不同.由于该试验研究的是清水和溶液在土样形成稳定渗流过程，因此在注清水阶段采用流量与时间的关系反映流场的变化，并假定24 h内，若任意两点j，j+1满足（qj+1-qj）/qj<1%的情况，则判断土样已形成稳定渗流.定义流量变化幅度为流场稳定时的流量与初始时刻的流量之差Δq：

式（1）中qs和qi分别为流场稳定时的流量和初始时刻的流量，单位为g/min.

将试验测得的不同时间每分钟流量用极点平均法绘得流量随时间变化曲线，采用上述方法得到表1.分别从流场的稳定时间和流量变化幅度2个方面分析表1的数据.有关稳定时间，表1可以看出：水力梯度为1.25时，原矿达到渗流稳定的时间为332 h，筛分样达到渗流稳定的时间为311 h，原矿达到渗流稳定的时间较筛分样长20 h左右；水力梯度为2时，原矿达到渗流稳定的时间为197.5 h，筛分样达到渗流稳定的时间为121.5 h，原矿达到渗流稳定的时间较筛分样长50 h左右；水力梯度为3时，原矿达到渗流稳定的时间为164 h，筛分样达到渗流稳定的时间为92 h，原矿达到渗流稳定的时间较筛分样长70 h左右.有关流量变化幅度，从表1可以看出，原矿的流量变化幅度比筛分样的流量大2～4倍.试验数据表明：土样级配对其渗透系数具有重要影响；水力梯度越大，形成稳定流场的时间越短；原矿较筛分样达到渗流稳定的时间长，水力梯度越大，两者时间差越大.这是因为原矿在渗流过程中，微颗粒受到动水压力的作用不断移动位置，在流速较小的情况下，可能在土体内部形成堵塞，在流速较大的情况下，可能使部分微颗粒从土样中冲出，使土体呈现不均匀性，影响土体的渗透系数，因而达到稳定渗流时间越长，表明原矿在注清水渗流过程存在微颗粒迁移[10].

表1 注清水阶段原矿和筛分样的稳定时间和流量变化

2.2 注硫酸铵溶液阶段的渗透系数变化

图3为注硫酸铵溶液阶段原矿的渗透系数随时间变化曲线，图4为注硫酸铵溶液阶段筛分样的渗透系数随时间变化曲线.由图3和图4可以看出：浸矿过程中，原矿和筛分样的渗透系数变化规律有显著的区别，筛分样分2个阶段：缓慢减小阶段和稳定阶段；水力梯度为1.25和2时，原矿渗透系数变化可以分为快速减小、缓慢上升和渗流稳定3个阶段，水力梯度为3时，试验进行了252 h，原矿渗透系数变化只有快速减小和不断上升2个阶段.定义渗透系数幅度为流场稳定时的渗透系数与初始时刻的渗透系数之差ΔK：

式（2）中Ks和Ki分别为流场稳定时的渗透系数和初始时刻的渗透系数，单位为cm/s.按照前述方法确定流场稳定时间，依据达西定律计算得到土样的渗透系数，流场的稳定时间和渗透系数变化见表2所示.

图3 注硫酸铵溶液阶段筛分样渗透系数随时间变化曲线

图4 注硫酸铵溶液阶段原矿渗透系数随时间变化曲线

表2 注硫酸铵溶液阶段原矿和筛分样的稳定时间与渗透系数

在注入硫酸铵溶液后的一段时间原矿和筛分样的渗透系数都存在一个减小的过程，其原因主要有2个方面.一方面是离子吸附引起渗透系数变化，在注硫酸铵溶液阶段，由于稀土颗粒表面带负电荷[11]，产生电场，吸附硫酸铵溶液中的铵根离子，使水膜厚度增大[12]，渗流孔径减小，渗流路径增长，引起渗透系数减小.另一方面是离子交换引起的，由于铵根离子较稀土离子活泼，当铵根离子的吸附量达到一定时发生离子交换反应，三价的稀土离子被交换解析下来，离子价位越低，水膜厚度越大，随着低价位铵根离子不断置换高价位稀土离子[13]，水膜厚度不断增大，使渗透系数继续减小.由于筛分样颗粒大小相对均匀且大小相近，可以忽略微颗粒迁移引起的渗透系数变化，所以筛分样的渗透系数是逐渐减小的.然而原矿在注清水阶段微颗粒迁移使微颗粒在某些区域富集，微颗粒富集区域的单位体积土样的比表面积较其他区域大，且稀土离子主要吸附在微小黏土颗粒上，在注入硫酸铵溶液后微颗粒富集区域能吸附更多的铵根离子并与之发生离子交换反应，使水膜厚度增大，渗透系数快速减小，总的渗透系数受这一区域渗透系数的影响也快速的减小.

对于原矿，渗透系数减小之后存在一个渗透系数缓慢增加的过程，其原因可以解释为，硫酸铵溶液渗流过程存在对渗透系数相反作用的影响，一方面是离子吸附和离子交换使渗透系数减小，另外微颗粒迁移并使部分微颗粒从土样底部流出，引起渗透系数增加，两个过程同时存在，由于离子吸附和离子交换比微颗粒迁移对渗透系数的影响快，所以渗透系数先增加后减小.当水力梯度为1.25时，原矿的渗透系数变化幅度为2.22，筛分样的变化幅度为0.73，不考虑微颗粒迁移引起筛分样渗透系数的变化，对比原矿和筛分样渗透系数的变化幅度，可以认为，水力梯度为1.25时，离子吸附和离子交换对渗透系数有明显影响.当水力梯度为2时，原矿的渗透系数变化幅度为0.77，筛分样的变化幅度为0.83，对比原矿和筛分样渗透系数的变化幅度，可以认为，水力梯度为2时，微颗粒迁移与离子吸附和离子交换对渗透系数的影响相当，水力梯度为3时，在252 h内流场没有稳定，微颗粒迁移对渗透系数影响起主导作用，可以进一步说明，水力梯度增大，微颗粒迁移对渗透系数的变化影响增大.

由表2可以看出：水力梯度为1.25时原矿达到渗流稳定的时间为268 h，筛分样达到渗流稳定的时间为200 h，原矿达到渗流稳定的时间较筛分样长70 h左右；水力梯度为2时原矿达到流场稳定的时间为340.5 h，筛分样达到渗流稳定的时间为321.5 h，原矿达到渗流稳定的时间较筛分样长20 h左右；水力梯度为3时原矿在252 h内没有稳定，筛分样达到渗流稳定的时间为149 h.在不同水力梯度条件下，原矿较筛分样达到渗流稳定时间长.这是因为原矿土体不均匀，存在微颗粒富集区域和微颗粒流失区域，在注入硫酸铵溶液后，不同区域吸附铵根离子的量不同，离子交换反应速度不同，不同区域的渗透系数的变化快慢不同，因而更不容易达到稳定，即流场稳定时间更长.

3 结 论

对离子型稀土矿原矿和稀土矿粒径范围0.075～0.09 mm的筛分样进行了室内常水头柱浸试验，通过先注清水直至达到稳定再注硫酸铵溶液，研究了渗流过程中渗透系数随时间的变化规律，结果表明：

（1）清水渗流过程中，原矿和筛分样的渗流流量随时间变化趋势基本相同，包含快速上升、缓慢上升和流量稳定3个阶段，土样级配对其渗透系数具有重要影响，原矿较筛分样达到渗流稳定的时间长，水力梯度越大，两者时间差越大，渗透系数变化幅度越大，表明清水在稀土原矿渗流过程中存在微颗粒迁移.

（2）浸矿过程中，影响渗透系数变化的原因主要有离子吸附、离子交换和微颗粒迁移3个方面的原因，离子吸附和离子交换使渗透系数减小，微颗粒迁移引起渗透系数增加，两种相反的作用同时存在，当水力梯度小于1.25时，离子吸附和离子交换对渗透系数有明显影响；当水力梯度为2时，微颗粒迁移与离子吸附和离子交换对渗透系数的影响相当；水力梯度为3时，微颗粒迁移对渗透系数影响起主导作用；水力梯度增大，微颗粒迁移对渗透系数的变化影响增大.

（3）由于原矿级配良好，粒径大小相差悬殊，渗流过程可能会引起微颗粒富集区域和微颗粒流失区域，在注入硫酸铵溶液后，不同区域吸附铵根离子的量不同，离子交换反应速度不同，不同区域的渗透系数的变化快慢不同，因而原矿比筛分样流场稳定时间更长.

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