溶浸采矿技术的进展与展望.pdf

I S S N 1 6 7 12 9 0 0 CN 4 31 3 4 7 ／ T D 采矿技术第6卷第3期 Mi n i n g T e c h n o l o g y，Vo 1 ． 6， N o ． 3 2 0 0 6年 9月 S e p ． 2 0 0 6 溶 浸 采 矿 技 术 的 进 展 与 展 望 米 吴爱祥 ， 王洪江， 杨保华， 尹升华 中南大学资源与安全工程学 院， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 摘要 介绍 了溶浸采矿技术在 国内外的发展现状， 重点叙述 了溶浸采矿技术在铜 、 金 、 铀 矿山的工业化应用情况， 以及溶浸基础理论 的研 究概 况。开展浸 出过程 中散 体介质 多级 渗流动力学理论、 影响浸出效果的多因素强关联机制研究， 并取得了一系列成果。并对溶 浸采矿技术在西部矿产 资源开发中的应用条件进行分析 ， 提 出了砂岩型铜矿碱性浸 出原 地溶浸技术、 金属矿尾砂管道浸出技术、 低品位废石管注法浸出技术， 有望在典型矿山获 得技术突破 。 关键词 溶浸采矿； 渗流动力学； 多因素强关联； 碱性原地浸出； 管道浸出； 管注法浸出 随着我国工业化进程的加快 ， 对有色金属 的需 求量逐年增长 ， 进一步加大了矿产资源的开发力度 。 但是， 我国矿产资源探明储量增长缓慢 ， 造成资源保 证程度急剧下降。铜、 铅、 锌、 锡、 锑、 钼几种主要有 色金属储量的保证年限均在 l 0年左右 J ， 面临短缺 的矿产资源已成为我国经济高速增长的主要障碍。 此外， 对国外矿产资源的依赖程度越来越高， 铜、 铝 、 锌精矿的年进 口量 占年处理能力 的比例 已达 6 0 ％、 4 0 ％和2 8 ％[ 2 j ， 将威胁到国家的经济安全。另一方 面， 我国资源总回收率低， 金属矿产资源综合利用率 平均仅为 3 5 ％， 比国外低 1 5 ％ 一 2 0 ％_ 3 J ， 采主弃副、 采富弃贫、 采易弃难， 破坏资源的有序开采现象相当 严重。而且， 矿产固体废弃物排放量大， 其中含有不 少有用成分， 这不但浪费了不可再生的宝贵资源， 而 且污染 了我们赖 以生存 的空间环境。据统计 J ， 目 前我国金属矿山储存的尾矿量超过4 0亿 t ， 废石场、 排土场新增面积每年达数 十万亩 。因此 ， 金属矿山 面临资源短缺、 回收率低下、 环境污染等问题， 所以 改革传统的开采方法已成为当务之急。 地下矿产资源是在特定的化学条件下经过数亿 年的地质演变于某一 区域富集 而成的 ， 人们一直梦 想着通过改变化学条件使固体矿物分解成液态不断 地从地下滔滔流出。溶浸采矿技术就是利用化学方 法开采固体矿物的特殊技术 ， 是固体矿物形成的逆 过程。溶浸采矿技术历史非常悠久， 但人们有意识 地利用生物提取金属则是 1 8 5 0年代的事情 J ， 之后 取得了迅猛的发展 。 目前 ， 溶浸采矿技术 已能较好 地回收常规采矿方法不能回收的低品位矿石、 难采 矿体、 难选矿石和废石中的有用成分 ， 拓宽了地下矿 产资源的利用范围。而且与传统方法相比， 溶浸采 矿技 术 具 有 环 境 污 染 小 、 生 产 成 本 低 等 显 著优 势 J ， 应用前景十分广 阔。 但是 ， 溶浸采 矿技术 因生产 周期 长、 浸 出速率 低 ， 不足以完全替代采、 选、 冶这一传统的开采方 法。虽然国内外学者对溶浸采矿技术给予极 大的关 注， 并进行不懈的努力， 然而， 理论研究仍然滞后于 工程实践 ， 一些关键技术 因缺乏理论 支撑 而未能有 效解决 ， 人们还无法 自如地控制细 菌浸出的各个 生 产环节 ， 对一些基础 理论 、 浸 出机 理还不 能解释 清 楚。所 以， 开展溶浸采矿技术研究十分迫切 ， 理论与 工艺研究并重 ， 才能大大推进溶浸采矿技术 的进步 ， 体现出该技术旺盛的生命力。 1 溶浸采矿技术现状 溶浸采矿是根据物理化学原理 ， 利用某些化 学 溶剂及微生物 ， 有选 择性地溶解 、 浸 出和 回收矿床 、 矿石或废石 中有用组份 的一种采矿方法 ， 主要有 地 表堆浸 、 就地破碎溶浸 和原地钻孔溶浸采矿 3种类 型。在溶浸采矿过程 中， 还要涉及到溶浸剂 与溶浸 作用机理， 以强化溶浸效果。 米 基金项目 国家重点基础研究发展规划 9 7 3 项 目 2 0 0 4 C B 6 1 9 2 0 5 ； 国家杰出青年基金项 目 5 0 3 2 5 4 1 4 ； 国家创新群体基金项 目 5 0 3 2 1 4 0 2 ． 维普资讯 皋辞枝朱 1 ． 1 国内发展现状 堆浸法是指将稀的化学溶液喷淋在矿石或废石 堆上， 在其渗滤的过程中， 有选择性地溶解和浸出矿 石或废石中的有用成分 ， 使之转入溶液中， 以便进一 步提取或回收的一种方法 见图 1 。目前堆浸法已 发展成为我 国大规模处理贫 矿、 尾 矿、 废矿石等 物 料， 提取铀、 铜、 金和银等金属的一种有效而又经济 可行 的方法。 我国铀矿石的堆浸工业生产始于 1 9 8 0 年代， 经 过多年的试验研究与工业实践 ， 铀矿 石堆浸在堆浸 规模、 矿石品位界限、 矿石的岩性等方面都得到了突 破 ， 浸出率可达 8 5 ％ ～9 7 ％， 取得了 良好的技术 经 济指标。 我国低 品位含金氧化矿石的堆浸生产工艺研究 始于 1 9 7 0 年代末。近年来， 金矿的堆浸规模和数量 都有新的增长， 生产技术也在不断完善和提高。福 建紫金山金矿是以堆浸提金工艺为主的国内采选规 模最大的黄金矿山， 其处理方法和工 艺参数不断优 化 ， 浸出率 由5 0 ％提高到 目前 的 7 5 ％ ， 取得了明显 的社会效益和经济效益 J 。 堆浸提铜在我 国也获得了较广泛的应用 。地表 堆浸提铜最为典型的矿 山是德兴铜矿 见 图 2 ， 其 含铜0 ． 1 ％ ～ 0 ． 2 5 ％的矿石储量有 3 ． 2 亿 t ， 于 1 9 9 7 年建成规模为 2 0 0 0 t C u ／ a的堆浸厂 ， 是 目前我 国最 大的采用 LS XE W 工艺回收铜的堆浸厂。几年 来的生产实践表 明， 此工艺从废石 中回收铜 ， 投 资 少， 见效快， 而且对环境污染较小， 主要技术指标达 到了国际先进水平 。紫金 山铜矿 已探 明铜金 属 工业储量 1 4 6 ． 5万 t ， 铜的平均品位 为 0 ． 6 3 ％。 2 0 0 1 年 ， 紫金 山铜矿生物提铜项 目被列 为国家 “ 十 五” 科技攻关项 目， 并于 2 0 0 2年建成 1 0 0 0 t C u ／ a的 生物冶金 提铜试验 厂 ， 不 同浸 矿堆 累计 浸出 时间 1 0 0 0 h ， 浸出率均在 4 0 ％ ～ 6 0 ％ l o j 。 我国使用堆浸法提取的金属产量逐年增长， 在 堆浸的矿石类型、 筑堆、 布液以及金属回收等方面都 取得了长足的进展 ， 但也存在着一些问题 ， 如生产规 模小、 机械化程度低、 金属回收率及经济效益差等问 题。因此， 堆浸技术还需要不断优化。 原地浸出是指将溶浸液通过工程钻孔注入天然 埋藏条件下的矿体中有选择性地浸出有用成分， 并 将浸 出液 由钻孔抽至地表并输送到车间加工处理的 采冶方法。原地浸 出技术近几十年来发展迅速 ， 目 前主要用于工业规模开采铀和铜。1 9 8 4年云南腾 阴极铜 图 1 地表堆浸法 示意 图 2德兴铜 矿堆浸厂 冲 3 8 1 矿床地 浸采 铀试验 获得 成 功， 1 9 9 2年新 疆 5 1 2矿床建成 了我 国第一座地浸采铀生产矿 山， 这 标志着我国地浸采铀 已实现从试验研究 向工业规模 生产的飞跃 。目前铀地浸产量约 占我国铀总产量的 3 0 ％， 原地浸出已成为我国铀矿资源开发的重要方 法 。武山铜矿地下原地钻孔浸出技术也取得 了良好 的技术经济指标 ， 铜浸出率 6 8 ％ ， 浸 出液含铜 2 ． 5 l ， 萃取回收率 9 5 ％， 电积回收率 9 8 ％， 综合回收 率4 1． 1 5 ％ ， 电解铜成本 9 9 9 0 ． 4 0 f w _ ／ t 1 1 ] 。另外 ， 南 方离子吸附型稀土矿 的原地浸出也得到了一定的研 究和应用。“ 八五” 期 间国家设立 了“ 离子型稀土原 地浸矿新工艺研究” 的重点科技攻关项 目， “ 十五” 期间得到了推广和应用。采用该方法进行稀土矿原 地浸出， 母液收集率大于 9 0 ％， 离子相稀土浸出率 大于 9 0 ％ ， 离子相稀土综合收率大于 7 5 ％。 维普资讯 吴爱祥 ， 等 溶浸采矿技术的进展与展望 4 1 与原地浸出相似的另一种地浸方法为原地破碎 浸出， 它借助爆破手段将天然埋藏条件下的矿体破 碎到一定块度后再用溶浸液浸 出。中条 山原地破碎 溶浸系统 ， 当年投产 ， 当年达产 ， 取得了 良好 的技术 经济指标 ， 其中浸出液的含铜浓度最高达 5 ． 7 8 g ／ l ， 平均2 ． 1 8 9 g ／ l ， 超过了萃取车间的设计浓度0 ． 8 g ／ l 的指标要 求。铜 浸 出率 7 7 ． 8 7 ％， 萃 取 回收率 9 9 ． 5 ％， 电积回收率 9 9 ． 5 ％， 生产成本为 8 7 5 4 ． 3 1 t 铜， 仅为传统方法的一半左右。同时， 该技术 使铜矿峪矿原来 已被废弃的约 1 2 0 0万 t 氧化铜矿 石 铜金属量约 5 ． 8 3 万 t 得以重新利用， 总体经济 效益达 7 亿元 。 地浸技术在我 国一些矿 山已得到成功应用 ， 发 展前景十分广阔， 但是目前还处于起步阶段， 有很多 问题需要进一步研究 ， 如地浸中的溶浸范围控制， 地 下水治理 ， 浸出液的处理 ， 原地破碎 中的块度控制 ， 矿石浸出率低等。 1 ． 2 国外发展现状 世界上诸多 国家如美 国、 智利 、 秘鲁 、 法国、 加拿 大、 澳大利亚、 南非等在溶浸技术研究上处于领先水 平， 溶浸技术得到了广泛的应用和发展。 美 国矿业局从上世纪 7 0年代初就开始进行 堆 浸试验研究 ， 主要用 于 回收低 品位矿石 。堆浸法在 美 国的金矿 中得到了很好 的应用。内华 达州是世界 上第三大金生产地 ， 几乎所有 的金都是通过堆浸获 得。2 0 0 3年产量为 7 ， 3 1 3 ， 0 0 0盎司 ， 价值超过 2 5 亿美元。产量最高时曾达到 8 ， 5 0 0 ， 0 0 0盎司_ 】 。 如 R o u n d Mo u n t a i n Mi n e ， 它是位于美 国西部 内华 达 州的一个露天金矿 ， 采 出的矿石 主要采用堆浸的方 法处理， 矿石经破碎后通过可重复利用的底垫上浸 出， 而废石则直接运往废石堆进行堆浸。2 0 0 2年矿 山金矿石的品位为 0 ． 0 4 3盎司／ t ， 金的平均回收率 为6 1 ． 3 ％， 废石的金品位为 0 ． O 1 1 盎司／ t ， 金的平均 回收率为 5 0 ％ 。 智利铜金 属年产 量 的 3 0 ％左 右来 自堆浸 。国 内有多个堆浸矿山， 如 Z a l d i c a r 矿 ， 是一个大型地表 堆浸铜矿山， 位于智利北部 ， 2 0 0 4年产铜 1 ． 4 8万 t ， 其中9 8 ％为阴极铜， 平均生产成本为 0 ． 6 6美 磅 ， 9 6 ％的铜 达到 A级 标准。Z a l d i v a r矿近 8年一 直在不断地研究硫化铜矿 的浸 出动力学 ， 通过改善 浸出机制， 加快硫化矿的氧化速度。铜的浸出率提 高了 2 0 ％多 ， 浸 出周期缩短了 3 3 0 d 。 世界上大约 1 6 ％ 的铀来 自于原地溶浸 ， 美 国大 约 8 5 ％ 的铀来 自原 地浸 出 ， 其工 艺流 程如 图 3所 示。 目前 ， 美 国有很多个铀原地浸 出矿山， 分布于怀 俄明州 、 阿拉斯加州 、 以及德克萨斯州 。如 H i g h l a n d 矿 ， U O 的总储量为 2 ． 2 7万 t ， 平均 品位为 0 ． 1 ％ ， 浸出率为 7 5 ％ ～8 0 ％ ， 是西方 国家中最大的铀地浸 矿山之一。澳大利亚是世界上铀 的主要生产 国及出 口国 ， 两个大型铀地浸矿区 B e v e r y l e y和 Ho n e y m o o n 都位于澳大利亚南部的 L a k e F r o m e地 区。B e v e r y l e y 是澳大利亚第一个也 是最大的铀 原地浸出矿 区， 矿 体位于地下 1 0 0 ～1 3 0 m的松散砂岩中， 有 4 k m长、 5 0 0 m宽， U 0 的总储 量 为 2 ． 1万 t ， 平均 品位为 0 ． 1 8 ％， 生产能力从 2 0 0 1 年 的 5 4 6 t 上升到 2 0 0 4年 1 0 8 4 t 。H o n e y m o o n矿区矿体位于地下 1 0 0～1 2 0 m 的多孔砂岩 中， U 0 的总储量为 6 8 0 0 t ， 平均品位为 0 ． 1 5 ％ ， 计划产量为 5 0 0～1 0 0 0 t ／ a 。 微生物浸 出技术 在 国外 发展迅 速 ， 应 用广 泛。 废石微生物堆 浸的矿 山有美 国的 B a g d a d ， Mo r e n c i ， P i n t o V a l l e y ， S i e r r i t a等矿 山。矿石微生物堆浸 的矿 山有美 国的 Mo r e n c i， 智利的 Z a l d i v a r 、 C e r r o C o l o r a d 一 0 Ch uq u i c a ma t a S BL Co l l a h u a s i Pu n t a d e l Co b r e、 Q u e b r a d a B l a n c a 、 S a l v a d o r Q M、 S o c i e d a d Mi n e r a P u - d a h u e l， 澳大利亚的 G i r i l a m b o n e等。微生物搅拌浸 出金精矿 的矿 山有赞 比亚 的 F a i r v i e w， 澳 大利亚 的 Ha r b o u r L i g h t s 、 Mo u n t L e y s h o n、 Wi l u n a 、 Yo u a n mi ， 巴 西的 S a o B e n t o等。智利是微生物浸出工业应用最 广泛的国家之一 ， 1 0 ％的铜产量来 自于微生物浸 出。 图 3 原 地浸 出示意 总之 ， 经过几十年的发展 ， 溶浸技术在许多国家 已得到广泛应用 ， 是能充分利用资源 、 生产 成本低 、 环境效益好的先进采矿方法 。其基础理论研究及技 维普资讯 4 2 采矿技术 术水平相对我国要高， 推广应用规模和范围也更大 2 溶浸采矿技术的进展 尽管国内外在溶浸采矿领域的做了较多研究工 作 卜 J ， 并在次生铜矿、 金、 铀等生物溶浸的工业应 用上取得了成功 I 2 ， 而且 ， 近年对难处理铜 、 镍 、 金矿微生物浸出进行了大量的实验研究 ， 但溶 浸采矿技术还存在 以下关键理论和技术问题 。 1 矿石含泥量高、 渗透性差， 溶液分布不均， 不能与矿石充分接触， 导致溶浸死角和浸出盲区， 降 低矿堆浸出率。1 9 9 6年在西南某金矿进行的生物 堆浸试验中， 由于筑堆过程中将部分较高品位的断 层泥混入矿堆中， 致使整个矿堆渗透性变差 ， 从而直 接影响了生物氧 化效果 ； 1 9 9 7年 建成投 产 的国家 “ 九五” 重点科技 攻关项 目德兴铜矿废石堆 浸 厂， 也存在风化严重、 表土含量高以及偏析现象， 导 致溶液渗透困难， 普遍存在沟流现象 见图4 。 2 溶浸采矿浸出体系物理、 化学、 生物等因素 耦合机理及浸出动力学等研究不够全面、 深入。溶 液 p H值、 浓度、 电位及微生物种类、 生长、 分布影响 矿石 的浸出率和浸 出速率， 而浸出过程及溶液渗流 改变矿石物理力学性质， 尤其是对于高大矿堆， 在溶 浸液反复损伤作用下， 其力学稳定性不容忽视 见 图 5 。 3 缺乏适用于原生硫化矿溶浸开采的高效专 属菌种 ， 复杂硫化矿中， 金属 离子种类多 ， 需要微生 物具有高的毒性离子抗性； 此外， 不同国家不同地区 浸矿微生物生理遗传特性的差异性大。 4 难 以有效控制溶浸 范围， 溶浸液流失问题 严重。因此需要采用矿床工程地质和水文地质研究 手段， 建立不同矿石类型的渗流和浸出模型， 研究浸 出过程对矿岩渗透性影响， 来发展和完善溶浸液流 控制技术。 5 溶浸采矿矿种数目有限， 应加强其它有关 矿种如铅锌氧化矿 、 钴矿 、 含砷金矿 、 锰矿 、 镍矿等难 选、 难采矿石的溶浸技术的研究 ， 尤其对开发西部矿 业具有重要意义 。 6 国内溶浸采矿规模小， 机械化、 自动监控水 平及自动化程度低， 原地钻孔溶浸过程中各项技术 参数的变化情况对及时指导生产和控制溶浸范围以 及实现生产过程的全盘 自动化和管理的程序化意义 重大。 因此 ， 针对我国矿产资源特点及 目前溶浸采矿 技术所出现的问题， 中南大学开展了矿堆溶液渗流 规律、 高效浸矿菌种培育及微生物浸出过程多因素 强关联等方面的研究工作。 图4 德兴铜矿堆浸场沟流现象 图 5 德 兴铜矿堆浸 场高大边坡 2 ． 1 矿堆溶液渗流规律 溶浸采矿技术 的成功与否主要取决 于两个方 面 一方面是溶浸液对有用矿物的溶解能力 ； 另一方 面是溶浸液在矿堆中的渗透效果。当溶浸液对矿石 中有用物质的溶解能力一定时 ， 堆浸效果好坏 的决 定性因素为溶浸液在矿堆中的渗流规律， 溶液与矿 石的充分接触是消除浸出盲 区、 提高浸 出速率的关 键所在。溶液渗流规律主要取决于以下两因素 1 矿堆 自身性质。矿石颗粒尺寸决定矿堆孔 隙大小 、 比表面积 ， 从 而影 响溶液渗流规律 ， 如 图 6 所示 ， 矿石颗粒大小通过影响溶液渗流规律从而影 响矿石浸出率和浸出速率。矿石裂隙发育状况 、 矿 石颗粒堆积方式及所形成的孔隙网络和几何形状等 维普资讯 吴爱祥， 等 溶浸采矿技术的进展与展望 4 3 因素都直接影响溶液在矿堆中的多级渗流状态。另 外， 散体介质的级配特征对其渗透特性有很大影响， 浸矿过程中， 随着溶液渗流和化学反应的进行 ， 矿石 颗粒逐渐被溶解， 微细颗粒向下迁移， 并在底部沉 积， 矿堆高度逐渐减小 见图7 ， 渗透系数随浸出时 间的延长而不断下降， 因此， 应采取较低的 p H值避 免产生黄钾铁矾沉淀物， 采取较低的流速减少细颗 粒在渗透压力的作用发生迁移。 2 布液和集液方式。喷淋强度、 布液方式、 底 板坡度和集液管网的布置均极大地影响到矿堆中溶 液的渗流规律。通过分析溶浸液在高泥矿堆中的渗 流力学特性及矿堆浸出动力学， 发现堆中布液不仅 能很好地适应渗透性差的高泥矿堆堆浸浸出， 而且 可缩短溶浸液所携气体成分达到堆中的时间， 还可 有效减小或完全解决天气因素如多雨或寒冷所带来 的负面影响， 是高泥矿堆的最佳布液方式。 一 一 斟 丑 燃 曝 图 6 矿石颗粒大小 与浸出速度的关 系 1 0 ． 9 0 ． 8 0 ． 7 0 ． 6 摧o s 世 0 4 0 ．3 0 ．2 0 1 ⋯ ⋯ ⋯ 二 ． i l | I | | l f 化铜矿的微生物浸 出速度慢 的问题最 为突出 ， 问题 的关键是缺乏适用于原生硫化矿的高效专属菌种。 菌种的培育从是某一菌种在某一培养基 的支持下通 过一定的手段进行繁殖的， 因此， 高效菌种的培育从 菌种的选择 、 培养基的调整 、 培育的方法 3个方面展 开工作。 常见浸矿菌种见表 1 ， 中温菌最佳生长温度 3 0 ～ 4 5 ℃ ， 广泛应用于堆浸、 原地溶浸 、 搅拌浸 出， 在低 品位矿石、 废石、 尾砂的综合利用 中发挥着重要作 用 “ J 。中等嗜热菌最佳生长温度 4 5～ 5 5 ℃， 有坚 固的细胞壁， 因此能耐受较高的矿浆浓度， 主要应用 于精矿的搅拌浸出中。高温菌最佳生长温度 6 0～ 8 5 ℃， 由于其无肽聚糖的独特细胞壁结构 ， 对高浓度 矿浆产生的剪切力极为敏感， 目前在实验室已进行 了扩大试验 ， 但还未进行大规模 的工业应用 ， 在细菌 的选育过程中利用诱变选育和遗传选育有望获得适 应性强 的优 良浸矿菌株 。 2 ． 3 影响浸出效果的多因素强关联机制 溶浸采矿体系的影响因素主要有 3大类， 即生 物因素 如微生物种类、 菌液浓度、 0 和 C O 供给机 制等 、 化学因素 p H值、 F e ／ F e 浓度与溶液电 位等 和物理因素 如矿石矿物组成、 粒级分布与孔 隙率、 渗透压力等 。这3类因素相互作用， 直接决 定着浸出体系温度场、 浓度场及流体场的分布特征 及其变化规律， 并影响到体系内热量、 质量及动量的 传递， 最终关系到矿物浸出效果的好坏， 以黄铜矿为 例， 温度和充气量对浸出率的影响见图8 、 图9 。 图 8 温 度对 浸 出的影响 溶浸采矿体系是一个复杂的开放体系， 体系内 存在固 矿物 、 液 溶浸液 、 菌 细菌 、 气 0 及 C O 、 热 反应 热 4种不 同形 态 的物质和 一种能 维普资讯 采矿技术 量。一个良好的浸出环境应该是固、 液、 气、 热与菌 互相协调 的环境 。固液之间就是根据不同的矿物组 成 ， 选择合适的溶浸液、 助浸剂 、 表面活性剂 、 添加 剂、 氧化剂， 保持适当的固液比， 降低化学堵塞以维 持较高的渗流特性。液菌之间应是根据细菌的生长 习性调整培养基成分、 菌液浓度、 p H值、 F e ／ F e n 浓度， 使细菌保持较高的活性。菌气之间是在浸出 过程中不断供应 0 及 C O ， 保证细菌生长以及化学 反应所需的氧气。研究不同矿物与溶浸液之间反应 的热量以及热量的传递规律， 以溶浸液为传热媒介， 通过溶浸液的流量调整浸堆温度 ， 以适应细菌 的生 长 。强化浸出技术就是 以浸出效果为 中心 ， 采取一 系列技术手段使上述物质和能量之间完全匹配， 加 快浸出进程， 缩短浸出时间， 其实质是优化细菌代{身 环境 ， 加大人为控制力度 ， 变 自然浸出为强迫浸出。 图 9充气 量对浸 出的影响 表 1 常见硫化矿浸出细菌 类型 细菌名称 菌属 惴 震M 中 温 菌 氧 化 硫 硫 杆 菌 esophile ‘ rhi 氧o b a化 c i 亚 l l u 铁s t 微 h i o 螺o x 菌id a “ 皴 麓 氧 化 亚 铁 微 螺 菌 e r a t e 黼 [ 嗜 L e p t o s p i r i l l u ms Mo d e r a t e t h e r mo p h i l e t h e r mo f e r r o o x i d a n s 中 等 嗜热菌 昙嚣 ． U U 0 Da CUl Ui n 3 溶浸采矿技术的展望 我国西部 l 0省 区 矿产资源丰富、 品种齐全。 在全 国已探明储量的 1 5 6种矿产中， 西部地区有 1 3 8 种， 其保有储量潜在总值达 6 1 ． 9万亿元， 占全 国总额的6 6 ． 1 ％_ 2 。西部地区探明储量占全国总 储量一半 以上 的有色金属种类有镍 9 0 ％ 、 锡 6 9 ％ 、 锑 6 9 ％ 、 锌 6 4 ％ 、 铅 5 6 ％ 、 铜 5 0 ％ 。西部除了有色金属矿产资源丰富外， 还具有矿 床大、 矿石品位高、 多种有价元素共生的特点， 如西 藏玉龙铜矿金属探明储量6 3 0 万 t ， 云南兰坪铅锌矿 金属储量超过 1 0 0 0万 t ； 新疆阿舍勒铜矿铜 品位 2 ． 4 ％， 是国内最富的大型铜矿床之一。一大批大型 矿床相继在西部得到勘探 ， 青海风火 山盆地首次发 现沉积型铜矿， 初步估计资源量可达百万吨以上； 四 个大型铜矿床在西藏雅鲁藏布江地区探获， 预计铜 资源量为亿吨以上 ； 贵州西部 、 滇东北 、 四川有望在 玄武岩 中找到超大规模铜矿带 。 然而， 西部矿产资源开发受到内部环境 5个方 面的制约 自然条件恶 劣； 水资源严重短缺 ； 交 通、 通讯等基础设施差； 矿产资源开发设备、 开采方 式和生产工艺落后； 矿产资源调查评价程度低， 许多 矿产资源 因地质勘探精度低 而 尚难开发利用 。因 此， 必须采取新的开采技术， 以适应西部高寒、 干旱、 缺氧的自然条件， 降低生产成本、 尽早开发勘探精度 低的贫呆资源， 避免传统开采方法带来的环境污染、 资源浪费等局面。 溶浸采矿技术是一新型无污染、 低成本、 能够回 收赋存条件较差的低品位矿体的开采方法， 在西部 矿产资源开发 中将获得广泛 的应用。原地溶浸方法 有望在大量的沉积型砂岩铜矿 开采 中获得技术 突 破， 管道浸出方法在二次回收尾砂中的有用成分中 将有用武之地， 地表管注法浸出技术可用于经济合 理地回收低品位矿石和废石中的金属元素。 3 ． 1 砂岩型铜矿原地溶浸技术 近几 年 ， 在 西 部 相 继 发 现 一 系 列 砂 岩 型铜 矿 。 - 3 3 ] 见表 2 。砂岩型铜矿属于沉积型矿床， 是重 要铜矿床类型， 其储量占世界铜储量的2 0 ％， 仅次 于斑岩型铜矿。矿体形态多为长透镜体状、 条带状， 少数似层状， 矿体沿走向 或倾向 断续出现， 矿化 很不均匀 ， 品位变化系数大。含铜砂岩胶结物 中碳 酸盐及硅质含量较高， 分别为 1 0 ％ ～ 2 0 ％和 1 ％ ～ 5 ％ ， 非矿砂岩胶结物中钙质含量 1 0 ％ ～1 3 ％ ， 不含 或少含硅质 ， 铁质含量达 1 ％ ～ 3 ％。 这些矿床属于倾斜薄到中厚矿体， 矿体形态复 杂多变， 地质储量级别较低， 是传统开采方法认为的 维普资讯 吴爱祥 ， 等 溶浸采矿技术的进展与展望 4 5 呆矿。但采用原地浸出方法能够经济合理的回收这 些赋存条件极差的矿体。与其它类型的铜矿床相 比， 砂岩型铜矿床结构疏松， 埋藏较浅， 有利于用原 地溶浸采矿技术。不利的是， 矿体及围岩内碱性矿 物含量高， 采用酸性浸出时会出现的泥化板结、 酸耗 量大、 成本过高， 因此， 必须采用碱性浸出。 碱性浸出用于处理氧化铜矿已经做了大量的试 验研究 ， 并取得了工业应用， 但这些都是针对地 表堆浸而言。对于碱性浸 出应用于原地溶浸工艺 ， 国外则在砂岩型铀矿中得到广泛使用。因此， 碱性 浸出在砂岩型铜矿原地溶浸技术中的应用是一个技 术空 白， 对于我国铜矿原地溶浸技术方 面可能是一 个突破点。 由于铜离子在氨溶液中形成稳定的配位化合物 C u N H ， 因此溶解度很大。溶浸液 中加入碳酸 铵和氢氧化铵， 可以缓冲溶液的p H值， 阻止铜的水 解反应 。典型的反应式如下 C u O4 N H 4 2 0 H一 - - - C u N H3 4 2 3 H 2 0 1 C u C O 3 C u O H 2 8 N H 4 6 0 H一 2 C u N H 3 4 8 H 2 0C O 3 一 2 1 C u F e S 2 4 T 。 0 2 6 N H 3 n一1 H 2 0 T c u N H 3 4 一 F e 2 0 3 2 n il2 0 2 N H 4 2 S 0 4 一 3 C u 2 S 一 o 2 2 N H 3 2 N H 4 - - - C u N H 3 4 C u SH ， 0 4 C u S2 0 2 4 N H3 -- - C u N H 3 4 2 S 0 4 一 5 对于氧化铜矿 ， 浸 出中要保证 足够 的氨浓 度。 但浸 出硫化铜矿时 ， 除了氨 以外还需要提供足够 的 氧。由于耗氧量大 ， 动 力学 的控制步骤往往是供氧 速度 ， 尤其是氧从溶液 向矿粒 中的反应 区的扩散 速 度， 这是原地溶浸应用碱性浸出最大的难题。 表2 西部地区新发现的砂岩型铜矿床概况 3 ． 2 金属矿尾砂管道浸 出技术 目前我国每 年尾矿 的治理 量仅为 6 ． 9 5 ％ _ 3 ， 仅金属矿选矿产 出的尾矿就达 2 ． 2亿 t 。由于我 国 矿产资源综合利用率较低， 大量有价金属遗留在固 体废物中， 每年矿产资源开发损失总值约 1 0 0 0亿 元 。特别是老尾 矿 ， 由于受 当时技 术条 件 的限 制， 损失到尾矿中的有用组分会更大一些。以金川 有色金属公司为例， 至今选矿尾矿累计已达 1 5 0 0万 m 其中含镍0 ． 2 0 ％ ～ 0 ． 2 5 ％， 铜 0 ． 1 6 ％ ～ 0 ． 2 5 ％、 钴 0 ． 0 0 8 ％ ～ 0 ． 0 2 ％、 金 0 ． 0 3～ 0 ． 0 9 g／ t 、 银 0 ． 5～ 1 ． 5 g ／t 、 铂 0 ． 0 3～ 0 ． 1 0 g／ t 。 尾矿的二次利用主要包括两个方面 一是尾 矿经再选 回收有用矿物 ， 精矿进行火法冶炼 ； 二是尾 矿的直接应用 ， 从 回填采空区、 作筑路或建材骨料以 及非金属矿用于生产高新制品， 相对而言比前者应 用广泛 。金矿已经开始尝试采用堆浸法提取尾砂 中 的有价元素的 ， 而有色金属还没有一家采用湿法 冶金 技术 处 理 尾砂 。国外 对 于 浮 选 尾砂 开 展 较 早 ， 赞 比亚恩 昌加联合铜业公 司在 1 9 7 0年代 就 采用搅拌浸出法处理氧化矿， 但需要建立数量众多 的空气搅拌槽和浓密机， 投资较大。 尾砂由于粒级 较细 ， 颗粒 表面积 大， 浸 出速度 快， 比较适合采用搅拌浸出工艺回收。但尾砂品位 低， 采用搅拌浸出成本高， 没有一定 的规模难以盈 利。因此， 必须采用新型的浸出方法经济合理地开 发尾砂这一潜在 的二次资源 。 尾砂的输送必须采用砂浆泵通过管道以一定的 速度将尾砂浆压送至尾砂坝， 在此过程中， 尾砂不会 沉淀。若将溶浸液代替砂浆中的水， 尾砂输送的过 程就是在搅拌槽 中的搅拌过程 ， 只不过搅拌槽 以密 闭管道的形式存在。尾砂经沉淀后留在坝内， 浸出 液从堆内的集液系统流到尾砂坝周围的集液站， 再 泵送到萃取车间。 管道浸 出工艺只需在选矿厂尾砂输送站内增设 一 套溶浸液制备系统， 并按一定的比例加入到尾砂 内， 再泵送至尾砂坝 ， 在管道 内完成尾砂浸 出过程 。 尾砂坝按设计构筑若 干过滤池 ， 浸 出液经过 滤管 网 自流至集液系统， 在集液站内富液被泵送到萃取车 间， 贫液返回到尾砂输送站， 在此与萃余液汇合组成 溶浸液， 构成闭路循环。管道浸出工艺j 7fc 程见图 维普资讯 采矿技术 1 0 ， 新工艺中浸出过程是在尾砂输送管道中进行的， 故命名为管道浸出工艺。 图1 0 尾砂管道浸出工艺流程 对于新尾砂 ， 尾砂浸出可与尾砂排放 同时进行 ， 对于堆存的旧尾砂 ， 必须先采用水力机械化开采技 术采出尾砂坝内的尾砂， 水枪冲采， 造浆并泵送到尾 砂输送站立式尾砂仓 ， 然后再利用管道浸 出技术 回 收尾砂内的 目的矿物 。 与搅拌浸出相同的是， 管道浸出根据尾砂性质 可采用酸浸、 碱浸。与搅拌浸出不同的是 ， 管道浸出 周期适用范围大 ， 从几分钟到几个月之间 ， 而搅拌浸 出只能控制在几十分钟至数几十小时内。另外 ， 管 道浸出只能用于常压、 常温条件下浸出， 而搅拌浸出 的温度能控制在 6 0 9 0 ℃。 与搅拌浸出相比， 管道浸出投资小、 成本低 ， 规 模容易与选厂相匹配。浸出设备、 设施少， 动力消耗 低， 维修量小， 管理简单。 在西部尾砂二次资源开发中， 应首先进行氧化 矿尾砂管道浸出工业试验， 以求管道浸出工艺技术 上的突破。 3 ． 3 低品位废石管注法堆浸技术 目前我国仅矿山企业每年产生的采矿废石即在 1 0 7 ． 3 亿t 以上 J ， 占每年产生的固体废弃物 1 3 3 ． 8 亿 t 的8 0 ％。按开采 1 万 t 矿石产生 0 ． 7万 t 废石 计算， 今后 1 0年， 我国矿山废石总量将达到 1 3 3 8 亿 t以上， 而 西 部 产 生 的废弃 物 占全 国 总量 的 8 9％ [ 4 1 J 。在这些数量庞大 的废石 中含有大量 的金 属成分 ， 以铜矿为例 ， 全 国铜矿采出的表外矿 、 废石 含铜 0 ． 3 ％ 中含铜 6 0 0 余万 t ， 尾矿中含铜 2 0 0 万 t 以上 ， 价值在 2 4 0 0亿元以上。 在西部 ， 堆浸技术主要用 于氧化铜矿 以及金矿 的浸出， 但均是利用矿石进行浸出， 而废石堆浸未见 报道。西部地 区海拔在 1 0 0 0 m 以上 ， 干旱缺水 、 寒 冷缺氧是其主要特点。堆浸技术需要在堆顶布洒溶 浸液， 西部地区风大、 蒸发量大， 使溶浸液损失严重。 西部地 区昼夜温差大 、 冰冻期长、 氧气不足， 对于堆 浸地表管网容易破裂， 细菌不易存活， 为地表堆浸带 来不不利的因素。但如果把布液工程和集液工程从 堆顶布置改为堆 内布置， 这些问题就迎刃而解 。因 采用泵通过堆内管道注入溶浸液并抽取浸出液， 故 命名为管注法浸出技术 。 在废石堆上按设计要求划分为浸出矿块 ， 在浸 出矿块周 围边界采用一排钻孔以水为介质往复循环 形成水幕 ， 控制溶浸液在浸出矿块内流动 ， 防止溶浸 液外流避免造成溶浸液的损失。浸出矿块内按一定 的网度布置注液孔和抽液孔 ， 通过泵将配液车间的 溶浸液注入废石堆内， 溶浸液在废石堆内部流动并 浸出有用元素， 浸出液在抽液孔中通过潜水泵或压 气提升到堆顶， 由堆顶集液系统， 富液送至萃取车 间， 贫液萃余液返回浸矿。管注法浸出技术流程见 图 1 1 。 图 l l 管注法堆浸 工艺流程 管注法浸出技术即可应用已经形成的旧废石 堆 ， 也可应用正在形成的新废石堆 。对于旧废石堆 ， 采用牙轮钻或钢丝绳冲击钻在废石堆钻凿一定直径 的钻孔， 孔内用增强塑料管作套管， 以防孔壁坍塌。 套管壁钻凿直径为 1 2 m m的小眼， 使套管与过滤 器构成一个整体， 并作为溶浸液和浸出液进出套管 的通道。对于正在形成 的废石堆 ， 在废石排放 的过 程中， 平行于废石的 自然安息角布置倾斜管道 ， 管道