高溫高硫銅礦原地破碎微生物浸出理論與實踐＊

余 斌

(北京礦冶研究總院, 北京 100044)

高溫高硫銅礦原地破碎微生物浸出理論與實踐＊

余 斌

(北京礦冶研究總院, 北京 100044)

原地破碎微生物浸礦技術是將采礦爆破技術與生物冶金技術有機結合而形成的一種井下就地提取礦物有用組分的新型采冶工藝技術,為了開發(fā)利用東同礦業(yè)公司賦存的大量高溫高硫低品位硫化銅礦,北京礦冶研究總院和江西東同礦業(yè)公司合作,進行了“高溫高硫銅礦原地破碎微生物浸出試驗研究”項目研究,內(nèi)容涉及礦石溶浸化學、浸出動力學、計算機滲流模擬、布液參數(shù)優(yōu)化、集液工程設計、原地爆破技術、微生物浸礦過程研究、全流程成本控制等諸多方面。經(jīng)過5年系統(tǒng)、全面的研究試驗工作,形成了適應于地下礦山原地破碎細菌浸出開采回收的完整生產(chǎn)技術,首次實現(xiàn)了原地破碎細菌浸出開采技術在我國有色礦山的成功應用,取得了良好的經(jīng)濟效益和明顯的社會效益。

微生物浸礦;高溫高硫銅礦;原地爆破;布液與集液

0 前 言

為了開發(fā)利用東同礦業(yè)公司賦存的大量高溫高硫低品位硫化銅礦,北京礦冶研究總院和江西東同礦業(yè)公司合作,進行了“高溫高硫銅礦原地破碎微生物浸出試驗研究”項目的可行性論證,同年該課題被列入國家科技部科研院所專項計劃(國科發(fā)財字[2001]269號)。經(jīng)過四年多系統(tǒng)、全面的研究試驗工作,形成了適應于地下高溫高硫礦山原地破碎微生物浸出開采的完整生產(chǎn)技術,實現(xiàn)了原地破碎微生物浸出采礦技術在我國高溫高硫礦山首次成功應用的重大突破,取得了良好的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益。

原地破碎微生物浸礦技術是將采礦爆破技術與生物冶金技術有機結合而形成的一種井下就地提取礦物有用組分的新型采冶工藝技術,技術創(chuàng)新點在于將微生物浸礦技術應用于井下并與采礦爆破技術有機結合。項目技術開發(fā)應用目的是為了有效回收井下難采硫化礦及表外礦資源。項目研究包括前期基礎研究、工藝技術與裝備、工業(yè)試驗等。隨著該項技術開發(fā)研究及工業(yè)試驗的完成,從根本上改變了我國礦山大量難采硫化礦及表外礦資源不能有效回收的被動局面,推廣應用前景廣闊,社會效益經(jīng)濟效益巨大。

1 地質(zhì)資源概況

東同礦業(yè)公司經(jīng)長期開采,井下有大量的低品位礦石,主要集中在1號、5號和7號礦體。僅以7號礦體為例,其平均銅品位為0.73%,保有礦量535萬t,折合銅金屬約4萬t。7號礦體由于礦體圍巖不穩(wěn)固,礦石破碎,不安全隱患時常出現(xiàn),屬極難開采礦體,另外礦石一經(jīng)暴露便迅速氧化,又屬難選礦石。目前該礦采用的傳統(tǒng)采、選工藝,成本高、效益差,且富礦資源日益減少,礦山生產(chǎn)步履艱難,急需開發(fā)高新技術,開發(fā)利用低品位銅礦資源,延長礦山壽命,使礦山從根本上走出困境。

7號礦體位于67-83勘探線之間。為次生富集硫化物礦體,品位較富,呈透鏡體產(chǎn)于下石炭統(tǒng)梓山組上部的構造破碎帶中。走向與地層一致,埋藏深度標高為-20～-250m。與1號礦體、5號礦體不同,礦體分布范圍不大,呈等軸狀,厚度較大。產(chǎn)狀及形態(tài)變化復雜,由于氧化淋漓作用,次生富集帶的分帶性明顯。

東鄉(xiāng)銅礦礦物主要有:黃鐵礦、黃銅礦、輝銅礦、赤鐵礦、含鎢赤鐵礦、白鎢礦、赤鐵礦等;次要礦物為白鐵礦、閃鋅礦、輝鉍礦等;少量的有:磁黃鐵礦、方鉛礦等。脈石礦物有:石英、方解石、綠泥石等。黃鐵礦:出現(xiàn)在原生帶和次生富集帶的主要金屬礦物,以細粒狀和集塊狀為主,晶形完好,明顯是在兩個不同時代形成的。與銅成礦密切的是集塊狀的黃鐵礦。黃銅礦:為原生帶主要金屬礦物,常常與黃鐵礦共生,出現(xiàn)在黃鐵礦的晶隙中;在次生富集帶少量出現(xiàn),以他形粒狀集合體為主。在礦區(qū)主要分布在5號礦體的原生銅礦帶中。輝銅礦:為次生富集帶的主要銅礦物,屬次生硫化物,交代黃鐵礦、黃銅礦及斑銅礦。

礦區(qū)礦體幾乎全埋藏在侵蝕基準面以下,礦區(qū)內(nèi)僅有若干小溪,地表水對礦坑充水無直接影響。礦體富水性弱,直接底板可視為隔水層,間接底板富水性弱至中等,但無斷層溝通時,一般不會直接向礦坑充水;頂板有碳酸鹽巖、巖溶洼地堆積物和第三系下部礫巖等強和中等富水的含水層,與礦體有水力聯(lián)系,是礦坑充水的主要因素。此外,斷層能引起局部性突水。

2 試驗采場選擇

2.1 選擇原則

根據(jù)礦山具體條件及高溫高硫銅礦賦存狀況,考慮試驗地點時主要依據(jù)如下原則:

(1)具有數(shù)萬噸級以上礦石量,礦塊自然條件具有代表性和普遍性;

(2)離地表萃取電積廠的垂直距離較近,并且具有一定的獨立性。既不影響礦山正常生產(chǎn),又能盡量縮短試驗系統(tǒng)管線投資;

(3)礦塊周圍可利用的工程較多,且安全性好,可減少試驗投入。

2.2 試驗采場位置與空間特征

試驗采場位于7#礦體-75m中段79線東12.5 m到79線西12.5m,標高為-60.3m至-38m水平之間。礦體傾角25°～40°,平均水平厚度28m,底板礦化不均,形狀不規(guī)則,頂板為富礦采空區(qū)邊界。主要礦石類型有2種:靠近富礦采空區(qū)之貧礦為黃銅黃鐵礦石,含硫較高,靠底板為礦化礦巖型黃銅黃鐵礦石,礦體底板圍巖為砂巖類砂質(zhì)頁巖。整個礦巖較破碎,構造層理發(fā)育,平均7條/m左右。礦石一經(jīng)暴露較易氧化,放熱產(chǎn)生毒氣,礦塊溫度較高。礦體富水性弱,間接底板富水性弱至中等。礦體f=8～12,圍巖f=7～9,礦石比重為3.56t/m3,參加浸出礦量Q=55955t,含銅金屬量為359.8t。

試驗礦塊寬25m,最高21.7m,最低高度為6 m,長24m,頂柱5m,底柱8m。東、西均為分段崩落法空場事后尾礦膠結充填采場,東部原充填到-38m水平,西部充填到-46m標高,試驗采場爆破前補充充填至-38m標高。南部為有底柱分段崩落法空場,未充填,試驗采場爆破前補充充填至-46 m標高,北部為圍巖實體;上部為有底柱塹溝結構分段崩落法采場,礦塊上盤為分層進路充填法采場,相鄰采場均已結束回采多年。

3 礦石礦物學研究

礦石的礦物學分析結果見表1～表3。

表1 高溫高硫銅礦石多元素分析

表2 原礦銅物相分析

表3 高溫高硫銅礦石主要礦物組成

原礦中銅礦種類較多,以黃銅礦為主,其次是斑銅礦和輝銅礦,還有少量的銅蘭、硫鉍銅礦、鉍黝銅礦、硫鉍銅鉛鋅礦等。銅礦多呈不規(guī)則粒狀、脈狀,少部分呈細脈狀、網(wǎng)脈狀。早期生成的黃銅礦顆粒較粗,較純凈,常見被次生硫化銅礦物交代現(xiàn)象。另一種是交代黃鐵礦和膠狀黃鐵礦的產(chǎn)物,其交代程度不同,被輕微交代的黃鐵礦中含銅較低,銅礦物呈細粒浸染狀,隨交代程度加深,銅含量增加,顏色變黃,以至幾乎完全變成黃銅礦,黃銅礦顆粒逐漸變粗,呈粗粒狀和斑狀,但其中常見有黃鐵礦的殘留物。由于黃銅礦屬原生硫化物,生成較早,常被斑銅礦、輝銅礦、銅蘭等交代,幾種銅礦物相互交代現(xiàn)象也不乏見。

銅礦物中以黃銅礦粒度最粗,斑銅礦和輝銅礦次之,銅蘭、硫鉍銅礦等最細。其中,東部礦體中的銅礦更細些。值得指出的是,少量的銅礦物呈細粒浸染或網(wǎng)脈狀充填于黃鐵礦的裂隙或微裂隙中,顆粒一般小于10μm,甚至小于1μm。

原礦中黃鐵礦含量多、分布廣,是主要的硫化物。該區(qū)黃鐵礦有兩種,一種為結晶程度較高的黃鐵礦,一種是結晶程度較差的細粒集合體,即所謂的膠狀黃鐵礦。前者以他形粒狀為主,半自形和自形晶者次之。這種黃鐵礦顆粒較粗,大部分晶體完好,其中少見銅礦物的包體;少部分黃鐵礦碎裂現(xiàn)象明顯,銅礦物沿其裂隙充填呈細脈狀和網(wǎng)脈狀。

4 室內(nèi)可浸性試驗

室內(nèi)試驗分為搖瓶浸出試驗和柱浸試驗。礦樣采自7#采場,由現(xiàn)場工作人員負責采樣工作,礦樣Cu品位為1.34%。選擇部分綜合礦樣,磨至200目,進行細菌浸出。柱浸礦樣按不同的粒級組成配樣進行。從礦樣的礦石礦物學分析可知,礦樣中以硫化銅為主,氧化銅含量不及10%,所以僅對礦樣進行細菌浸出試驗。浸出用300mL錐形瓶,加10g礦樣,加入100mL浸出劑后,放入水浴恒溫振蕩器中進行振蕩,轉(zhuǎn)速130轉(zhuǎn)/min,溫度30℃。試驗用的主要設備有:SHZ-82型水浴振蕩器,XSZ-H7型生物顯微鏡、UV-1100分光光度計等。

4.1 搖瓶浸出試驗

在東鄉(xiāng)銅礦井下取礦坑水2份,采用Leathen培養(yǎng)液培養(yǎng)細菌。取100mL錐形瓶6個,每瓶裝培養(yǎng)液20mL和1gFeSO4,分為兩組,每組3個。給第一組的每個瓶中加入取自下一水平的礦坑水5mL,編號A、B、C;給第二組的每個瓶中加入取自下二水平的礦坑水5mL,編號為D、E、F。將6個瓶放入水浴振蕩器中進行培養(yǎng),溫度30℃,轉(zhuǎn)速130轉(zhuǎn)/min。觀察細菌的生長情況,選擇每組中溶液顏色變化最快,顏色最深的錐形瓶,在瓶中取1mL溶液,接種到裝有新培養(yǎng)基的3個瓶中,同樣培養(yǎng)。通過8輪培養(yǎng),細菌的活性明顯增強。

搖瓶浸出試驗表明:采自東鄉(xiāng)銅礦的細菌菌種經(jīng)過培養(yǎng)后,能夠滿足浸礦的需要;采用Leathen培養(yǎng)液培養(yǎng)細菌,不但能夠獲得較好的浸出率,而且對于降低浸礦成本較為有利;當初始酸度為4.25g/L時,可以達到55.4%的浸出率,初始浸礦酸度最佳范圍為4.25～7.43g/L,細菌浸出率較高,為56.0%;隨著接種量的增加,銅的浸出率也跟著上升。但當接種量大于8%時,最高浸出率增加不顯著,基本穩(wěn)定在60%左右。接種量為10%時,其最高浸出率為61.9%,接種量為20%時,浸出率亦相近,故從降低生產(chǎn)成本的角度考慮,在實際生產(chǎn)中應以選擇接種量8%左右為宜。浸出的最佳溫度范圍為30℃左右,超過34.5℃及低于28.5℃,浸出率都明顯下降。溫度對浸出率的影響極為明顯。

4.2 柱浸

柱浸試驗的目的是為了確定粒級與銅浸出率的關系,為工業(yè)生產(chǎn)提供設計依據(jù)。通過搖瓶試驗,確定以硫酸加細菌作為浸出劑,進行礦樣的柱浸試驗。將礦樣按粒度分級,分別裝入Ⅰ、Ⅱ兩個不同的浸出柱中,采用連續(xù)或間歇方式噴淋礦樣,定期從浸出液中取樣分析銅、鐵的濃度,確定相應的浸出率。

柱浸試驗結果表明,礦石的粒級與浸出率有著較為明顯的關系,銅的浸出率與礦石的粒度成反比,即礦石粒度越大,浸出率越低;浸出開始期間,浸出速度較快,當浸出時間超過80d后,各柱的浸出率都達50%以上。隨后,隨著浸出時間的增加,其浸出率增長較為緩慢。

5 原地破碎爆破技術

孔網(wǎng)參數(shù)及起爆時間優(yōu)化:在-38m和-54m分段的砂巖型黃銅黃鐵和黃銅礦體中,分別對炸藥單耗、密集系數(shù)及毫秒差等參數(shù)進行正交優(yōu)化。試驗的結果為:砂巖型礦體:炸藥單耗0.45kg/t,密集系數(shù)為2,起爆微差為50ms;黃銅礦體:炸藥單耗0.50kg/t,其余同砂巖型礦體。

設計鑿巖爆破參數(shù):炮孔為上向扇形,前、后排孔交錯布置。砂巖型礦體:排距為1.1m,最大孔底距為1.9～2.0m,起爆間隔50ms,補償系數(shù)為17%;黃銅礦:排距為0.9m,最大孔底距為1.8m,起爆時間為50ms,補償系數(shù)為18%,孔徑均為Φ56mm。

由于試驗礦塊含硫較高,為了防止炸藥自爆事故,控制一次性裝藥量,實施小單元小補償空間非電微差一次性點火復式起爆,使用2#銨松臘柱狀炸藥,裝藥前對每個炮孔進行測溫,溫度偏高的后裝藥,并采取降溫措施。

試驗采場分3個階段5個小單元由上而下分次擠壓爆破落礦。爆破中深孔鑿巖總量為10431.5 m;炸藥用量為15890.8kg;導爆索用量為11395m;ms雷管用量為2142發(fā);導火索用量為200m。爆巖塊度＞400mm占有率為3.33%;200～400mm占有率為5.3%;＜200mm占有率為91.37%;塊度分布達到設計預期指標,完全能夠滿足浸礦技術要求。

6 原地浸出與萃取電積工業(yè)試驗

6.1 布液與集液系統(tǒng)

采用井下露天化均點布液方案,布液巷設計在-38m水平及-46m水平頂盤,布液方式為噴淋-滴淋混合式,布液強度設計為15～30L/m2·h;礦塊布液面積設計為900m2,-38m水平布液巷道及聯(lián)絡道斷面為2.5m×2.5m,工程量為166m,其中利用老巷道88m。-46m水平頂盤布液巷道及聯(lián)絡道斷面為2.5m×2.5m,工程量75m,其中利用老巷道39m。

布液與集液系統(tǒng)描述:礦塊采用自上而下的上向扇形中深孔小補償空間小單元擠壓爆破落礦,在試驗范圍內(nèi)形成溶浸礦堆;待浸礦堆上部采用井下露天化均點布液,下部對斷層做注漿封堵處理,利用導流孔和收液巷集液,通過小天井至-75m水平的79線北穿脈即集液池,浸出液回收量大于90%以上。浸出合格液由泵揚送至+15m水平中轉(zhuǎn)富液池,再經(jīng)泵揚送至地面SX-EW處理,經(jīng)處理后的萃余液自流至+15m標高中轉(zhuǎn)配液池,加菌培養(yǎng)配置后自流至試驗采場-38m及-46m進行布液噴淋浸礦,浸出的合格液通過-75m水平79線內(nèi)循環(huán)泵再送至堆場噴淋降溫浸礦。

6.2 萃取電積系統(tǒng)

細菌的初期培養(yǎng)由試驗室完成。菌種主要采集于井下廢巷的氧化鐵硫桿菌與氧化硫硫桿菌。細菌通過直接作用以及其代謝產(chǎn)物Fe2(SO4)3與H2SO4復合作用于含銅礦石中,從而使礦物中的銅離子由固態(tài)相轉(zhuǎn)化到溶液中去,完成浸出作業(yè)。含菌浸出劑與萃余液供浸礦作業(yè),每天約320m3從地面經(jīng)總管、支管至各噴淋管。浸出液從堆底或?qū)Я骺讌R入集液池。浸出液返回礦堆循環(huán)2～3次/d,保證含銅質(zhì)量濃度0.5g/L以上,合格的浸出液經(jīng)泵揚送至地表萃取廠原液池,自流進入萃取箱中。

萃取作業(yè)在混合澄清萃取箱中進行。設計試驗采用2級萃取1級反萃1級洗滌。萃取劑為Lix984N,稀釋劑為260號煤油,萃取在常溫下進行,相比(體積比)Vo∶VA=1∶1,混合2.9min,澄清速率為3.6m3/m2·h萃余液經(jīng)澄清并回收有機相后由地面自流至堆場噴淋。用pH值為6～8的清水洗滌負載有機相中夾帶的鐵離子,相比Vo∶VA=(3～4)∶1,洗滌余水與萃余液混合用于井下噴淋。用P(Cu)=30～35g/L,P(Fe)8g/L,P(H2SO4)=175g/L的電解貧液反萃取。反萃取后液中P(Cu)=42g/L,P(Fe)8g/L,P(H2SO4)=160g/L經(jīng)泵送到電解槽進行電積。萃取過程中產(chǎn)生的絮凝物(第三相),用勺子撈取至盆中或池子中,經(jīng)破乳,膨潤土吸附處理后,將回收的有機相返回萃取箱,殘碴外排。

由萃取廠房反萃后(富液)自流至電解供給液池,用泵揚送到電解槽進行電積,電解貧液返回用于反萃取劑,電解陰極銅含銅量達99.97%以上。4個電解槽,每槽極板8片,每片有效尺寸為0.8m×0.7m,厚度為3mm,材質(zhì)為不銹鋼;每槽陽極板9片,每片有效尺寸為0.75m×0.65m,厚度為6 mm,材質(zhì)為pb-ca-sn合金。電解液單槽循環(huán),循環(huán)量按平方米陰極30L/h供給。根據(jù)電解液中Fe的積累情況,定期抽出一定量的電解貧液送至原液池中,相應補充清水與濃硫酸配制電解液。為了提高陰極板使用壽命,電解液內(nèi)定期添加少量的硫酸鈷約100g/t左右。為了提高電積銅質(zhì)量,添加少量的硫脲約為40g/t左右,從而保證電解銅一直保持在國際標準A級以上。

6.3 主要技術經(jīng)濟指標

工業(yè)試驗系統(tǒng)取得的主要技術指標見表4。

表4 主要技術經(jīng)濟指標及綜合經(jīng)濟效益

7 結 論

東同礦業(yè)公司原地破碎微生物浸礦技術試驗項目,進行了全面、深入的研究工作,形成了具有國際先進水平的成套原地破碎微生物浸出采礦技術。進行了合理的勞動組織、工程設計和施工,并進行了技術經(jīng)濟分析。整個系統(tǒng)運行良好,達到了先進的技術經(jīng)濟指標,噸銅成本10817.75元,當年獲直接經(jīng)濟效益達140.91萬元。

項目研究的關鍵技術是不同工程地質(zhì)及礦巖條件下的合理爆破參數(shù)確定與爆破塊度控制,布液與集液工程支護技術及穩(wěn)定性分析,浸礦微生物生理生化特性分析及原地浸礦過程研究,全流程成本控制模型及技術經(jīng)濟分析。原地破碎微生物浸出采礦技術的試驗成功,使東同礦業(yè)公司的高溫高硫銅礦資源得到了充分回收,為礦山增加了新的經(jīng)濟增長點。該項技術的顯著特點是:

(1)合理利用了國家資源。東同礦業(yè)公司的高溫高硫銅礦資源,由于各種原因一直未得到回收利用。而采用原地破碎微生物浸出技術則使該部分535萬多噸銅礦石資源得到回收,社會效益巨大;

(2)生產(chǎn)成本低。原地破碎微生物浸出技術使用范圍廣,投資少,生產(chǎn)成本低,噸銅成本僅為10817.75元,為礦業(yè)公司增加了巨大的經(jīng)濟效益;

(3)生產(chǎn)安全性好。制液系統(tǒng)中布液與集液均在巷道內(nèi)進行,溶液中有價金屬的提取在地面工廠內(nèi)完成,與傳統(tǒng)采礦工藝相比,安全性高;

(4)環(huán)境效益好。原地破碎微生物浸出采礦技術不用將礦石采出地表,杜絕了地表廢棄物的排放。浸出液實現(xiàn)閉路循環(huán),避免了酸性廢水外流;

(5)應用前景廣闊。原地破碎微生物浸出技術工藝簡單,適合于各種難于回收資源的回收,為礦山實現(xiàn)產(chǎn)品多元化打下了良好基礎。

[1]王昌漢.就地浸礦法礦塊結構參數(shù)的特點及確定原則[J].化工礦物與加工,2001,(11).

[2]徐國元,劉敦文,黃仁東,等.改善原地溶浸工藝中礦石破碎質(zhì)量的力學機理[J].中南工業(yè)大學學報,2001,32(5).

[3]譚 臻,李廣悅,王小波,等.影響原地爆破浸出率的主要因素綜述[J].金屬礦山,2004,12(1).

[4]向鵬成,謝 英.溶浸技術在低品位礦石回收利用中的應用與發(fā)展[J].中國資源綜合利用,2002,(3).

[5]Latham J P, Lu P. development of an assessment system for the blastability of rock mass[ J ]. Int J Rock Mech Mining Sci, 1999,36 (1).

[6]Lu P, Latham J - P. A model for the transition of block size during rock blasting[ J ]. Int J B last Fragment, 1998, 2 (3).

國家科技部科研院所專項基金項目(國科發(fā)財字[2001]269號).

2010-03-02)

余 斌(1965-),男,安徽太湖人,教授級高級工程師,第六屆中國有色金屬學會采礦學術委員會委員,主要從事溶浸采礦和充填采礦科研工作,Email:yubin4202@sohu.com。