岩石力学与工程学报排版格式与论文书写要求有色金属科学与工程Word格式文档下载.docx

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关键词：

离子型稀土矿；

土-水特征曲线；

孔径分布；

孔隙体积；

比表面积中图分类号：

文献标志码：

Poresizedistributioncharacteristicofundisturbedandremouldedsoilofion-adsorptionrare-earthoreWANGHongding1a，WANGGuanshi1b，QIUGaolei1a，LUOSihai1a（1.JiangxiUniversityofScienceandTechnology,a.SchoolofArchitecturalandSurveyingMappingEngineering,b.InstituteofEngineeringandResearch,Ganzhou341000,China）Abstract：

Inordertoobtainporesizedistributioncharacteristicofundisturbedandremouldedsoilofion-adsorptionrare-earthore,soil-watercharacteristiccurvetestsinfieldandlabwerecarriedontypicalion-adsorptionrare-earthoreinsouthofJiangxiusingtensiometer,theporesizedistributionofundisturbedandremouldedorebodywerecalculated,basedonFittingmodelsofsoil-watercharacteristiccurve.Thestudyfindings:

Specificsurfaceareaofundisturbedorebodyis1.313m2/g,cumulativetotalporevolumeofundisturbedorebodyis0.2244m3/g,specificsurfaceareaofremouldedorebodyis4.205m2/g，cumulativetotalporevolumeofremouldedorebodyis0.2365m3/gtheprocessofremodelinghaschangedporesizedistributionofundisturbedorebodyandincreasedspecificsurfaceareaoforebodyabout3.2timesthanbefore,buteffectiveporevolumehadnoclearchanges,whichmakeremouldedorebodypossessbetterinfiltrationeffectandpoorpenetrability.Keywords：

Ion-adsorptionrare-earthore;

Soil-watercharacteristiccurve;

Poresizedistribution;

Porevolume;

Specificsurfacearea江西龙南是华南造山系南岭造山带风化壳离子吸附型稀土矿富集区，也是我国乃至全球重要的重稀土资源生产地[1]。

从20世纪70年代发现至今，经过几十年的开采，矿区内的富矿基本开采完，现在主要是复灌回收稀土资源，即对前期原地浸矿开采过的矿块进行二次或三次稀土资源回收，表明前期原地浸矿工艺的资源回收率不高。

对于采用硫酸铵回收离子相资源的工艺来说，影响原地浸矿资源回收率的因素众多，主要有三个方面：

（1）不同矿区地质条件和矿体赋存差异大[2]；

（2）注液孔网参数及布置位置不当，引起浸矿盲区，收液工程布置不合理降低了溶液回收率[3]；

（3）浸矿剂浓度、浸出时间、浸矿方式、渗流速度、液固比等[4]，但浸出效果主要取决于浸矿剂溶液在稀土矿床中的渗透效果[5]。

目前，生产上评价稀土矿体浸出效果的方法是：

现场取松散矿样，将矿样装入浸矿柱，利用柱浸试验结果计算得到的浸出率作为矿体的浸出率[6]。

显然在评价稀土矿体的浸出率时未考虑矿体的原状结构对离子交换效率的影响，尽管室内柱浸试验的浸出率超过96%[7]，但由于重塑矿体时破坏了原矿的孔隙结构，不同孔隙结构的矿体渗流规律也有明显差异[8,9]，因而重塑矿体的浸出率和未扰动矿体的浸出率可能相差很大。

现有的研究结果表明，天然土壤的形成过程中，受胶结作用、触变硬化、时间效应及淋溶等影响，使土颗粒或团聚体具有一定的排列方式，表现为各向异性的力学特性，土样在重塑过程中结构性丧失，因而原状土和重塑土的渗透性存在明显差异[10]。

土-水特征曲线描述了土壤含水量与基质势之间的关系，土体中孔隙的大小及分布决定了基质势的大小[11]，已有的很多经典土-水特征曲线模型都与土体孔径分布有关，并在土-水特征曲线的基础上提出了预测非饱和土强度和渗透系数的公式[12]，因而土-水特征曲线可以有效反映土壤孔隙结构及其变化。

NingLu、WilliamJ.likos[13]利用土-水特征曲线计算得出重塑Georgia高岭土单位质量的总孔隙体积为0.396m3/g，比表面积为19.83m2/g；

田伟新[14]基于土-水特征曲线分析了陇东原状黄土的孔径分布特征，得到原状黄土的比表面积为2.2858m2/g，总孔隙体积0.416m3/g。

本文通过测试龙南稀土原状矿体及其重塑矿体的土-水特征曲线，运用该曲线分析两者的孔径分布及其渗透性变化，为分析龙南类型稀土矿体的复灌现象提供参考。

1土-水特征曲线的测试原状矿体的土-水特征曲线测试地点位于江西省龙南县足洞稀土矿区，单环法测得该类型矿体的渗透系数为2.010-5m/s，室内土工试验得到矿体的基本物理性质指标如表1，利用激光粒度分析仪测得该矿体的粒径累积曲线，如图1所示。

表1矿体的物理性质指标Table1Physicalpropertiesoforebody密度/g.cm-3含水量/%孔隙比土粒相对密度液限/%塑限/%塑性指数1.6315.320.922.7241.4630.3411.1211010010001000020406080100小于小粒径的土质量小分数/%颗粒粒径/m图1矿体的颗粒级配累计曲线Fig.1Gradingcurveoftestedsoil原状矿体的土-水特征曲线的测试现场如图2所示，在边坡上人工开挖形成一个台阶，采用中科院南京土壤所研制的TEN型张力计测试矿体的土-水特征曲线。

试验前先将试验场地平整，试验时将饱和除气后的张力计埋入预先挖好的孔洞之中，捣实管壁周围松土，使陶土头与周围土壤接触紧密，本次试验共埋入8根张力计。

仪器安装后，在埋置8根张力计处浇适量水，24h后开始读数，当数据采集仪显示的基质吸力数值稳定不变时，记录基质吸力，并取出张力计，在埋置张力计处，用环刀取未扰动矿样，测试矿样的含水量和孔隙比。

试验结果见表2。

图2原状矿体土-水特性的测试现场Fig.2Swcctestingfieldofundisturbedorebody室内重塑矿体的土-水特征曲线的测试过程：

将现场测试完毕的原状矿体经室内烘干、研磨后，保持与原状矿体相同的颗粒级配和孔隙比，配制成7种不同含水率的重塑矿体，并在试样上部覆一层保鲜膜，静置24h后，插入张力计，1天后开始读数，当数据采集仪显示的基质吸力数值稳定不变时，记录基质吸力，并取出张力计，在埋置张力计处，用环刀取样，测试矿样的含水量。

利用常水头试验测得重塑矿体的渗透系数为1.210-5m/s。

表2土-水特征曲线的测试结果Table2Testresultsofswcc原状矿体重塑矿体基质吸力/kPa体积含水率基质吸力/kPa体积含水率60.301.70.3415.20.265.80.3228.90.249.60.31400.2221.40.25430.2128.00.21720.1568.80.1491.40.1283.10.0942孔径及其分布的分析2.1土-水特征曲线的拟合土-水特征曲线的拟合描述土壤的土-水特征曲线的理论和方法很多，代表性的土-水特征曲线模型主要有Gardner模型、BrooksCorey（BC）模型、FredlundXing（FX）模型，VanGenuchten（VG）模型[15-18]。

Gardner基于单一孔隙大小提出土壤的土-水特征曲线模型为：

1srwr11ba=++

（1）式

（1）中w为体积含水率；

s为饱和体积含水率；

r为残余体积含水率；

为基质吸力，单位kPa；

a1是与进气值有关的参数，单位kPa；

b1表示基质吸力大于进气值之后与土体脱水速率有关的参数。

BC模型的表达式为：

（）2wrsr2ba=+

（2）式

（2）中a2为土体进气值，单位kPa；

b2为孔径分布参数。

该模型形式简单，对于具有较窄孔径分布的均质和各向同性的粗质地土效果较理想，而对细质地土和未扰动的原状土通常精度较差。

FX模型的表达式为：

1ws1lncbea=+（3）式（3）中c是与残余含水量有关的参数。

该模型是基于统计分析理论推导得到的，适用于描述全吸力范围的任何土壤质地类型的土-水特征曲线。

VanGenuchten提出了一个平滑的封闭型4参数土-水特征曲线模型，它同样适用于所有的土壤质地类型，也不受吸湿、脱湿过程的严格限制，并认为土壤饱和时，土壤吸力等于零。

该模型的表达式为：

（）1srwrc11ba=++（4）根据上述各模型的适用范围和龙南足洞矿区稀土矿体的物理力学特性，选用上述模型，分别对原状矿体和重塑矿体的实测数据进行函数拟合，4个土-水特征曲线模型与实测点的相关系数平方均在0.9以上，为找出对原状矿体和重塑矿体拟合效果最优的模型，对由参数结果所建立的模型计算值与实测数据之间的残差平方和进行分析，分析结果见表3。

表3土-水特征曲线拟合的残差平方和Table3SSEoffittingswcc拟合模型残差平方和原状矿体Gardner模型0.000584BC模型0.000627FX模型0.000193VG模型0.000067重塑矿体Gardner模型0.000894BC模型0.000946FX模型0.000250VG模型0.000273由表3的残差分析结果可知：

原状矿体的拟合模型中，VG模型误差最小，对实测数据的拟合效果最佳，重塑矿体的拟合模型中，FX模型误差最小，对实测数据的拟合效果最好。

原状矿体和重塑矿体的土-水特征曲线拟合结果如图3所示，相关参数见表4。

11010010000.000.050.100.150.200.250.300.35体积含水率基质吸力/kPaVG模型FX模型原状土实测数据重塑土实测数据图3原状矿体与重塑矿体的土-水特征曲线Fig.3Swccofundisturbedandremouldedorebody由于张力计法只能量测0~100kPa范围的基质吸力，本次试验实测的基质吸力最大值仅为91.4kPa，为进一步分析原状矿体和重塑矿体的小孔径，根据拟合公式计算孔径分布。

表4土-水特性曲线的拟合参数Table4FittingparametersofswccrabcR2原状矿体（VG模型）0.010.0141.1140.8370.983重塑矿体（FX模型）-17.392.4880.8040.9822.2矿体孔径计算利用土-水特征曲线计算矿体孔径分布，步骤如下：

（1）将土-水特征曲线中的体积含水量转化成质量含水量w；

（2）将土-水特征曲线中的基质吸力转化成相对湿度RH；

（3）将质量含水量转化成每单位质量矿体内水填充孔隙的体积Vp；

（4）计算开尔文半径rk和水膜的厚度t；

（5）计算实际的孔隙半径rp和每单位质量矿体内孔隙体积的减少量∆Vp；

（6）计算孔隙体积减小过程中的平均开尔文半径（rk）avg和平均孔隙半径（rp）avg。

（7）在孔隙几何形态确定的条件下，计算表面积变化量∆S。

（8）通过将前述的孔隙体积增量相加，计算每单位质量矿体内的累积孔隙体积（∆Vp）。

根据上述步骤，利用土-水特征曲线计算得到原状矿体和重塑矿体的孔径分布，结果见表5、表6。

表5原状矿体孔径分布计算结果Table5Calculationresultsofporesizedistributionofundisturbedorebody/kPaw/g.g-1RH/%Vp/cm3.g-1rk/t/rp/∆Vp/cm3.g-1（rk）avg/（rp）avg/∆S/m2.g-1（∆Vp）/cm3.g-150.22499.990.2244288000.0143.0288143.0-----200.18499.980.184472019.090.172090.10.0401180000.0180116.60.0040.0401500.13399.960.133328800.066.428866.40.051150400.050478.30.0200.09121000.0999.930.090214400.052.714452.70.043121600.021659.50.0400.13431500.0799.890.07019600.046.09646.00.020012019.012049.40.0330.15433000.04499.780.04414800.036.54836.50.02617200.07241.30.0720.18045000.03199.640.03112880.030.82910.80.01303840.03873.70.0670.193410000.0299.280.02001440.024.51464.50.01102160.02187.60.1010.204430000.01297.850.0120480.017.0497.00.0080960.0980.70.1630.212450000.0196.430.0100288.014.3302.30.0020384.0399.60.1000.2144100000.00993.000.0090144.011.4155.40.0010216.0228.80.0880.2154120190.008491.660.0084120.010.7130.70.0006132.0143.00.0840.2160150000.008289.680.008296.09.9105.90.0002108.0118.30.0340.2162201900.007986.480.007972.09.081.00.000384.093.50.0640.2165500000.007469.550.007428.86.635.40.000550.458.20.1720.2170800000.007355.940.007318.05.723.70.000123.429.60.0680.21711000000.007248.380.007214.45.319.70.000116.221.70.0920.21721201900.007141.840.007112.05.017.00.000113.218.30.1090.2173累计结果0.00711.3130.2244注：

表5中第一行∆Vp、（rk）avg、（rp）avg、∆S和（∆Vp）无数据，该数据是由上一行与所在行数据综合计算的结果，遂从第二行开始产生数据。

表6重塑矿体孔径分布计算结果Table6Calculationresultsofporesizedistributionofremouldedorebody/kPaw/g.g-1RH/%Vp/cm3.g-1rk/t/rp/∆Vp/cm3.g-1（rk）avg/（rp）avg/∆S/m2.g-1（∆Vp）/cm3.g-150.23699.990.2365288000.0143.0288143.0-----200.1899.980.180472019.090.172090.10.0561180000.0180116.60.0060.0561500.10499.960.104228800.066.428866.40.076250400.050478.30.0300.13231000.0799.930.070114400.052.714452.70.034121600.021659.50.0310.16631500.0699.890.06019600.046.09646.00.010012019.012049.40.0170.17643000.0599.780.05014800.036.54836.50.01007200.07241.30.0280.18645000.0499.640.04012880.030.82910.80.01003840.03873.70.0520.196410000.03799.280.03711440.024.51464.50.00302160.02187.60.0270.199430000.03197.850.0311480.017.0497.00.0060960.0980.70.1230.205450000.02896.430.0281288.014.3302.30.0030384.0399.60.1500.2084100000.02693.000.0261144.011.4155.40.0020216.0228.80.1750.2104120190.02591.660.0251120.010.7130.70.0010132.0143.00.1400.2114150000.02489.680.024096.09.9105.90.0010108.0118.30.1690.2124201900.02386.480.023072.09.081.00.001084.093.50.2140.2134500000.02269.550.022028.86.635.40.001050.458.20.3440.2144800000.02155.940.021018.05.723.70.001023.429.60.6780.21541000000.0248.380.020014.45.319.70.001016.221.70.9250.21641201900.01941.840.019012.05.017.00.001013.218.31.0940.2174累计结果0.01904.2050.2365注：

表6中第一行∆Vp、（rk）avg、（rp）avg、∆S和（∆Vp）无数据，该数据是由上一行与所在行数据综合计算的结果，遂从第二行开始产生数据。

从表5和表6的计算结果可知，原状矿体的单位质量累积孔隙总体积为0.2244cm3/g，比表面积为1.313m2/g；

重塑矿体的单位质量累积孔隙总体积为0.2365cm3/g，比表面积为4.205m2/g，表明重塑过程中孔隙体积变化不明显，但是比表面积变化非常大，增加了3.2倍，比表面积增加，使重塑矿浸润效果更好，有利于浸矿剂与矿体颗粒充分接触，提高浸矿效率。

为直观展示重塑过程的孔径变化，根据表5和表6孔径分布的计算结果，分别绘制出原状矿体和重塑矿体单位质量矿体的孔隙体积与平均孔隙半径的关系图，如图4所示，以及单位质量矿体累积孔隙体积与平均孔隙半径的关系图，如图5所示。

由图4可以看出，该类型的离子型稀土矿原状矿体和重塑矿体的主要孔隙半径集中在0.0018m~18.02m之间；

孔隙半径rp＜0.06m时，原状矿体和重塑矿体的单位质量的孔隙体积基本相同，表明矿体在重塑过程中该孔隙半径范围内的孔隙基本未受到扰动；

孔隙半径在0.06m~3.0m范围内，原状矿体比重塑矿体的单位质量的孔隙体积大，说明原状矿体的孔隙数量多于重塑矿体的孔隙数量；

孔隙半径为3.0m~18.02m范围内，重塑矿体的孔隙数量多于原状矿体的孔隙数量。

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