堆浸場防滲問題

在堆浸場防滲設計時，應當考慮的主要問題還有:

粗料(有時最大直徑達4cm)要直接與土工膜接觸。

施加在土工膜上的靜壓力通常很高，礦堆高度有時高達125m。

用人造排水材料來收集浸出液和滲漏液時，材料在高壓下的適應能力應當預先考慮。

襯墊層要能承受外力和冰凍的雙重作用。外力可能會由于在襯墊上拖拉管子，或在池內(nèi)移動泵駁船而引起硬傷，而由于持續(xù)低溫特別是冰凍天氣有困難造成襯墊層出現(xiàn)開裂。

礦石和土工膜界面的磨擦角以及土工膜和其下低滲透系數(shù)的粘土層間的磨擦角，應根據(jù)工程規(guī)范加以考慮。

土工膜材料的總體表現(xiàn)及其作為襯墊防滲系統(tǒng)的原理是重要的設計考慮因素。在襯墊設計中，只有兩個參數(shù)可以控制:在襯墊上的水頭和襯墊的滲透系數(shù)。復合襯墊已成功地應用于堆浸池設計。在復合襯墊上的水頭一般非常低(小于1m)。在使用天然山谷作為堆浸池時，由于母液是在礦堆的孔隙中流動的，因此可以使用較高的堆高。水頭較低的復合襯墊，對大多數(shù)堆浸場來講是優(yōu)化設計方案。

堆浸場通常配有地面溶液池。無礦殘液和母液分別貯存在有襯墊防滲層的池中。母液池收集到通過礦堆滲透下來的含礦溶液后，再經(jīng)過碳吸附或其它金屬的置換處理，提取可回收的金屬元素，例如金、銀和銅等。無礦廢液則送到另一個襯墊防滲池中貯存，直到加入新的化學試劑配制成新的堆浸液。因此，堆浸液可以循環(huán)使用。

如果池中有高壓水頭，通常需要在復合襯墊上設置排水層和另外一層土工膜。這個上層土工膜的作用是減少在復合襯墊層上的水頭，因為通過該層土工膜的滲漏液，將由排水層排走。在這種情況下，最重要的襯墊層仍然是底部的復合襯墊層。上層土工膜和排水層不應理解為滲漏探測系統(tǒng)，因為它們位于整個系統(tǒng)中最重要的復合襯墊層上面。只有當滲漏液進入復合襯墊下面的地層時，才有滲漏探測出現(xiàn)。

在堆浸場常用的土工膜有PVC、HDPE、LLDPE和VLDPE。在過去，其它材料，象Hypalon和XR-5，也有用于收集溝和收集池的，但這種應用在近10年已大為減少。聚乙烯土工網(wǎng)也可用作排水材料。不同厚度和不同材料的有紡和無紡土工布也使用較廣。

1 )界面荷載測試

首先，為了評估土工膜在礦堆靜載作用下的特性，需要用設計材料進行界面靜載測試。這種測試可用加力計來做。加力計的直徑應當足夠的大，以避免比例效應。在采礦實踐中，與土工合成物相接觸的礦石的粒徑一般為1.25cm到4cm。

豎直荷載的大小一般從550kPa到2000kPa，加在加力計的頂部。要測試的襯墊，排水層和襯墊上的材料，按工程設計的方式放置在加力計內(nèi)。施加的豎直荷載一般維持24h到48h。記錄樣品的沉降量以檢驗樣品的固結情況。加載完畢后，從加力計中取出樣品并檢查其損傷。損傷一般根據(jù)磨損，刻痕和穿孔情況來描述。

也可用真空盒測試來檢測土工膜的完整性。此外，可以通過標準的土工合成物測試，來檢測土工膜的物理性質，并和原生樣品的測試結果相比較。這種加載測試獲得的結果，可用來判斷材料在靜載下的適應能力及其變形特性。

2 )界面剪力強度

另一個重要問題，是土工膜與其相接觸的各種材料的界面剪力強度。界面剪力強度一般按ASTM D 5321用大型的直剪儀來測試。界面根據(jù)加載條件進行評估，包括:

飽和條件

濕界面(沒有浸透)

低到高的壓力(在高壓下，包絡線一般較平坦)

不同的剪切速度

襯墊和排水系統(tǒng)可能有很多潛在的破壞面。通常應對幾種不同的界面，在不同的荷載作用下進行評估，以決定最弱的界面(控制界面)。盡管殘余值和峰值包絡線都應確定，但是一般用殘余值作穩(wěn)定性分析。

大型直剪儀(30cm X 30cm)對幾種設計的土工合成材料和土，作了很多界面剪切強度測試。對HDPE和LLDPE材料都作了測試，測量了峰值和殘余剪切強度。測試結果表明，襯墊下的細粒土層和襯墊上的粗粒徑的排水層，在測試荷載范圍內(nèi)并沒有明顯地改變界面強度。此外，測得的峰值和殘余值是一致的。發(fā)現(xiàn)的唯一明顯不同，是磨擦角隨土工膜類型的不同而有輕微變化。

3 )滲漏液估計

該方法一般假定每4000 m2有一個10mm2的漏洞。關于土工合成物在堆浸場的使用，還有很多要研究的問題。很多時候，這些問題是由于好奇而提出的，而不是針對專門的技術設計考慮因素而提出的。一個特定的問題是，不同的土工膜在與顆粒材料直接接觸時，在荷載作用下它的長期特性究竟如何。實驗室加載測試一般最多只持續(xù)幾天，而現(xiàn)場加載則是整個生產(chǎn)期(一般2到10年)。尚不清楚的是，它是否會出現(xiàn)蠕變變形，也不清楚它在荷載作用下，已經(jīng)形成的穿刺能否自愈(也就是說，顆粒有可能最終充填了穿孔的大部分，因而沒有出現(xiàn)明顯的滲漏)。

堆浸池的結構設計為:在基層上鋪土工膜，膜上鋪土工網(wǎng)，網(wǎng)上是另一層土工膜。礦堆最大高度為60m。當堆浸過的礦石挖出后，對土工膜及其接縫處的樣品進行了測試。檢測結果表明，土工膜及其接縫都沒有出現(xiàn)明顯的損傷，檢測過的試樣也沒有發(fā)現(xiàn)穿孔。

另一個要考慮的問題是，土工膜/土工網(wǎng)界面在高壓流體作用下的長期表現(xiàn)，如在非常深的池中，將土工網(wǎng)布置于雙層土工膜之間。目前，還不能確定在礦堆荷載作用下，土工網(wǎng)是否會刺入土工膜。因此從長遠來看，有可能會在土工膜上造成漏洞。在有些案例中，發(fā)現(xiàn)土工網(wǎng)部分地刺入土工膜。一般當土工膜的密度比土工網(wǎng)低時，這種情況會出現(xiàn)(和土工膜相比，土工網(wǎng)相對較硬)。

還有一個一般不會涉及到的問題是，在峽谷堆浸場中可固結的材料對邊坡界面作用力的影響。由于礦石的堆置厚度不同，礦堆的沉降會有差異。這會導致沿邊坡上的土工膜產(chǎn)生位移，從而影響礦堆的穩(wěn)定性。只要沿著邊坡上的土工膜產(chǎn)生較小的位移，殘余剪切強度值就能很快達到。這個問題可用數(shù)值分析方法來評估，根據(jù)固結沉降引起的位移來決定可能的剪切強度。

由于土工布會發(fā)生堵塞問題，因此在堆浸場一般不會用土工布來覆蓋排水導管。在作銅礦石堆浸時，使用細菌是工藝的一部分，細菌也因此被認為是造成排水管外圍的土工布發(fā)生堵塞的原因之一。到目前為止，并未針對采礦工藝對這個問題進行詳細研究。

因為礦物價值是通過排水系統(tǒng)的回收來實現(xiàn)的，因此，解決堆浸場排水系統(tǒng)的堵塞問題是非常重要的。此外，如果發(fā)生土工布堵塞，就會在堆浸池中形成高壓水頭，從而誘發(fā)穩(wěn)定性問題。還有，對于硫化物礦石，維持一個氧化環(huán)境對于堆浸的成功是非常重要的。如果土工布發(fā)生堵塞而礦石已開始浸透，金屬的回收率就會下降。

堆浸場廣泛地用來提取金、銀、銅和其它金屬。

使用該法時，低品位的礦石堆放在堆浸場里，堆浸場事先用滲透系數(shù)低的材料來作防滲襯墊。堆浸液從礦堆的頂部淋下，滲透過礦堆(礦堆并沒有完全浸透)并最終匯積在底部透水層，然后在鋪有襯墊的集液池中收集母液，最后通過不同的工藝提取各種金屬。堆浸場使用土工合成物時，防止污染和順暢排水是應當考慮的兩個最重要的因素。

堆浸是堆置浸出法的簡稱，是通過將稀的化學溶劑噴灑到預先堆置好的礦石堆上，選擇性地溶解(浸出)礦石中的目標成分，形成離子或絡合離子并使之轉入溶液，以便進行進一步的提取或回收的浸出方法;堆浸的礦石僅需粗碎即可，溶液在礦堆中處于非飽和流狀態(tài)。我國堆浸提鈾技術研究始于上世紀60年代，經(jīng)過幾代鈾礦冶科技工作者的不斷努力探索，已經(jīng)在許多技術領域取得了突破，一大批科研成果已成功應用于堆浸提鈾工業(yè)生產(chǎn)，并且取得了顯著的經(jīng)濟效益。堆浸提鈾工藝是中國鈾礦冶生產(chǎn)的主要工藝之一。

濃酸熟化高鐵淋濾堆浸技術

該技術的特點是首先將破碎礦石進行濃酸熟化預處理，使礦石中的鐵氧化為三價，鈾大部分轉化為可溶性鹽，然后采用含硫酸高鐵的清水進行淋浸。此工藝既縮短了礦石的浸出周期.也提高了浸出合格液的鈾濃度。經(jīng)多年的工業(yè)應用表明，采用濃酸熟化-高鐵淋濾技術進行強化堆浸，礦石浸出周期僅60~100d，浸出合格液鈾濃度可達7~9g/L。

低滲透性礦石制粒堆浸技術

低滲透性含泥礦石化學粘合進行酸法制粒，該粘合劑通過參與化學反應，可在礦粒內(nèi)部形成以水化物晶核為基礎的結晶結構網(wǎng)，從而大幅度提高了礦堆的滲透性。工業(yè)生產(chǎn)表明，礦石經(jīng)過制粒預處理以后進行堆浸，金屬的浸出率95%以上，與直接堆浸相比較，浸出周期縮短70%，浸出合格液鈾濃度提高50%。

細粒級礦石堆浸技術

經(jīng)過對堆浸傳質機理及浸出過程進行深入分析研究，提出了細粒級礦石堆浸的概念，認為堆浸礦石的破碎應該存在一個最佳經(jīng)濟粒度，在充分試驗的基礎上，推導出了堆浸礦石破碎的經(jīng)濟粒度計算模型。目前，該研究成果已經(jīng)在多個堆浸鈾礦山得到了應用。

串聯(lián)堆浸技術

為了盡可能提高礦石堆浸合格液鈾濃度，降低原材料消耗，針對多種鈾礦石進行了系統(tǒng)的串聯(lián)堆浸技術試驗研究，開發(fā)了計算礦石串聯(lián)堆浸各階段操作參數(shù)的數(shù)學模型。多個堆浸提鈾礦山的應用結果表明，在使用該技術以后，堆浸合格液的鈾濃度可提高2~3倍，浸出過程的酸、氧化劑以及金屬回收工序的材料消耗可降低20%~30%。

細菌氧化堆浸技術

中國對于細菌氧化堆浸提鈾技術的研究始于20世紀60年代，主要是利用氧化亞鐵硫桿菌對礦石中的黃鐵礦或吸附尾液中的Fe2+進行氧化使Fe2+轉變成Fe3+，從而完成對礦石中低價鈾的氧化浸出。已進行了4000t規(guī)模的工業(yè)試驗。工業(yè)試驗結果表明，采用細菌氧化堆浸與常規(guī)氧化堆浸相比，硫酸消耗可降低12.5%，浸出時間可縮短32%~45%、浸出液鈾濃度可提高88.2%。

伴生鈾礦綜合堆浸回收技術

目前已探明的鈾礦資源中，鈾鉬共生礦床占有一定的比例，此類型礦床在常規(guī)浸出時往往浸出時間長、鉬的浸出率低，并且浸出液中鈾鉬的分離效果不夠理想。采用拌酸熟化及活化浸出技術對礦石進行堆浸處理，使礦石的浸出周期縮短了一半以上，鈾的浸出率達到90%，鉬的浸出率達到70%以上，并采用新型的離子交換樹脂從浸出液中同時吸附鈾鉬，通過分步淋洗使鈾鉬的分離系數(shù)達到2000以上。

滲濾浸出提鈾

對于一些鐵、鎂、鈣、鋁等雜質含量高的復雜鈾礦，常規(guī)堆浸過程中，堆內(nèi)溶液的酸度隨著溶液的運移會不斷消耗，導致鐵、鎂、鈣、鋁在堆內(nèi)不斷地遷移一積累一沉淀，使礦堆板結，降低了礦堆的滲透性。滲濾浸出工藝由于改變了溶液與礦石的接觸方式，可保持溶液酸度的相對穩(wěn)定，有效地避免礦堆板結。工業(yè)試驗表明，采用滲濾浸出工藝代替堆浸工藝以后，礦石的浸出周期從300d以上降低到了60d以內(nèi)，鈾浸出率從60%左右提高到90%以上。