缅甸蒙尼瓦莱特帕东铜矿生物堆浸法用于矿石分类的工业实践研究 王振堂、 何鹏、 钟闯刚、 杨宝军、 廖瑞、 刘阳、 王军、 邱贯洲

《Minerals》：Industrial Practice Study on Bio-Heap Leaching for Ore Classification at Letpadaung Copper Mine, Monywa, Myanmar Zhentang Wang, Peng He, Chuangang Zhong, Baojun Yang, Rui Liao, Yang Liu, Jun Wang and Guanzhou Qiu

　　摘要：针对缅甸蒙伊瓦莱特帕东铜矿矿体中粘土含量的显著变化，本研究基于粘土含量对矿石进行了全面分类研究，并探讨了其对生物堆浸出性能的影响。压力过滤测试证实，粘土含量是影响矿石渗透性和铜浸出效率的关键因素。据此，基于莱特帕东铜矿的矿石特性，建立了一套以粘土含量为中心的分类标准，将矿石分为四种类型：低粘土矿石（<3%）、中粘土矿石I型（3%–10%）、中粘土矿石II型（10%–25%）和高粘土矿石（>25%）。相应的差异化堆放策略被提出并首次应用于数十万吨规模的工业生产中。工业实践结果表明，与未分类的混合矿石（浸出效率为45.92%）相比，分类后的堆浸出提高了低粘土矿石和中高粘土矿石的浸出率，分别达到68.07%和63.41%。此外，在同一浸出单元内采用多层堆浸技术后，不同层级的浸出效果保持一致。这些结果进一步验证了基于粘土含量的矿石分类结合差异化堆浸工艺是确保莱特帕东铜矿高效稳定堆浸作业的重要技术手段。

1. 引言
铜作为现代工业系统的重要基础金属，广泛应用于电气工程、轻工业、机械制造、建筑和国防等领域[1,2]。随着全球向绿色和低碳能源系统的快速转型，电动汽车、光伏发电和风能等新兴行业的飞速发展，铜的需求进入了新的增长周期[3]。光伏发电的铜消耗强度是传统化石燃料发电的11–40倍[4]。预计到2050年，全球铜需求量将从2015年的2430万吨增加到4440万吨[4,5]，这表明供需结构将发生深刻变化。然而，全球铜供应方面面临严重结构性矛盾：一方面，高品位、易于开采的铜矿资源日益枯竭[6]；另一方面，大量低品位、难处理的氧化铜矿和硫化铜矿由于传统冶炼工艺的局限性（包括经济成本、环境负担和技术适应性）而难以实现高效大规模利用[7]。资源状况的整体恶化迫切需要转变采矿发展模式，转向更环保、低碳和高效的方式，技术创新成为关键突破口[8]。

生物浸出作为一种“环保”且“经济可行”的绿色冶金工艺，在应对上述挑战方面展现出独特潜力。生物浸出是一种特定的生物湿法冶金技术，通过嗜酸微生物催化硫化矿物的氧化溶解来实现铜的提取。例如，Acidithiobacillus ferrooxidans和Leptospirillum ferrooxidans等微生物能够加速铁的再生和还原态硫的氧化，从而在常温常压下提高铜的提取效率[9,10]。该工艺结合了浸出的冶金功能与微生物的催化作用，成为处理低品位硫化铜矿的重要技术手段。其优势在于：(1) 环境友好，无二氧化硫排放，能耗和碳足迹较低[11,12,13]；(2) 对低品位矿石和边际资源具有较高的经济可行性，因运营成本较低[14,15]；(3) 便于与下游溶剂萃取-电积（SX-EW）工艺集成，可直接从富集浸出液中生产高纯度阴极铜[16]。

在生物湿法冶金框架下，生物堆浸是处理低品位铜硫化矿最常用的工业方法。与搅拌式生物浸出相比，生物堆浸更适合大规模低品位矿体，因为它需要的破碎程度较低、资本投入较少、操作条件更简单，同时仍能充分利用微生物的催化作用[17]。全球已有20多家二次铜硫化矿采用生物浸出技术进行工业化生产，证明了其成熟性和可靠性[17]。此外，约10%–15%的全球铜生产和5%的黄金产量来自生物湿法冶金工艺[18]。这些事实表明，生物浸出已不仅仅是一种实验性生物技术，而是一种技术成熟且具有工业价值的金属回收方法。

缅甸蒙伊瓦铜矿是生物堆浸成功应用的典型案例。该矿床位于印度板块与欧亚板块交汇处的中央洼地，属于大型斑岩型铜矿[19]。矿区包含四个矿块：Sabetaung、Sabetaung South、Kyisintaung和Letpadaung，其中Letpadaung矿块规模最大，占总资源的约75%，铜金属储量达558万吨，设计年产量为10万吨阴极铜，是目前亚洲最大的生物堆浸项目。尽管莱特帕东矿的规模巨大且工艺成熟，但由于矿石的异质性，其生物堆浸效率仍受限于矿石的物理和矿物学特性。由于风化作用，矿体自上而下呈现出明显的垂直分带现象，包括浸出带、风化带、断裂带和原生气带。这些不同区域的矿物组成、粘土含量、铜的存在状态及风化程度存在显著差异，直接影响生物堆浸的关键参数（如酸消耗量、渗透性、溶液流动行为、微生物定殖和铜提取效率）。因此，虽然生物堆浸是该矿的选定工艺，但其技术效果不仅取决于微生物活性，还取决于是否能够识别出不同类型矿石并结合相应的处理方案。本研究的核心问题不是是否应使用生物浸出替代其他浸出方法，而是如何针对莱特帕东矿的不同矿石类型优化生物堆浸工艺。为此，有必要建立科学的矿石分类体系并将其与工艺设计相结合。特别是粘土含量至关重要，因为它直接影响矿堆的团聚行为、渗透性、灌溉均匀性以及最终的铜回收率。因此，基于粘土含量及相关矿物学特性的合理分类标准对于实现稳定高效的工业生产至关重要。

本研究旨在根据粘土含量和矿石特性制定莱特帕东矿的矿石分类标准，并为不同类型的矿石开发相应的生物堆浸工艺方案。通过结合矿石特性与工艺设计，本研究旨在提高工业生产中的铜浸出效率，为蒙伊瓦莱特帕东铜矿的全生命周期生产规划和运营优化提供技术支持。

2. 矿石性质与分类
使用德国Zeiss Sigma 500型矿物解放分析仪（MLA）分析了蒙伊瓦莱特帕东铜矿的矿石成分。结果显示，矿石中的主要铜矿物为辉铜矿和黄铁矿，呈细脉状和网状分布[20]。其他金属矿物以黄铁矿为主，非金属矿物中石英和明矾石最丰富，其次是绢云母、伊利石和蒙脱石[19]。由于莱特帕东铜矿含有多种粘土矿物，粘土沉积物可能导致浸出过程中渗透性差、溶液通道堵塞或形成不透水区，从而降低金属提取率[21]。为保持矿堆的渗透性，必须根据粘土含量对矿石进行分类和处理。因此，本研究结合实际矿石性质、初步工艺测试和生产要求，将矿石分为四个等级：低粘土矿石（粘土<3%）颗粒细小，自然渗透性好；中粘土矿石I型（3%–10%）粘土填充孔隙并覆盖颗粒，但颗粒间孔隙率仍保持良好；中粘土矿石II型（10%–25%）和高粘土矿石（>25%）的渗透性较低，易发生优先流、通道效应、积水等问题，需要更大的颗粒尺寸和改良的堆放策略。本研究使用的粘土含量阈值（<3%、3%–10%、10%–25%、>25%）是基于钻探、采样、矿石性质分析和工业生产经验得出的经验性标准[20]。这种分类为企业选择合适的矿石处理方法提供了依据。因此，矿石分析不仅旨在描述矿床的矿物学和物理性质，还为后续的矿石分类和工艺选择提供基础。

X射线衍射（XRD）用于分析低粘土、中粘土和高粘土矿石的相组成。如图1所示，不同类型矿石的主要相组成相似，主要矿物包括石英（SiO2）、黄铁矿（FeS2）、明矾石（KAl3(SO4)2(OH)6）和含水铝硅酸盐矿物（粘土矿物）[21]。这些XRD结果与MLA分析结果一致。

3. 粘土含量对渗透性的影响
为评估粘土含量对浸出过程中渗透性能的影响，本研究采用压力过滤装置模拟了不同模拟堆高（代表自重压力）下的矿石渗透特性。测量装置（图2a）直径为20厘米，装载20公斤矿石。根据矿石密度（2.18吨/立方米）计算出相应堆高下的压力，并进行压力测试。图2b显示了不同粘土含量矿石在P80=20毫米（指样品质量中有80%通过某一筛孔尺寸的颗粒大小）下的水力传导率变化趋势[22]。结果显示，在无压力条件（模拟堆高0米）下，低粘土矿石、中粘土I型、中粘土II型和高粘土矿石的水力传导率分别为25.5 × 10^-3米/秒、14.7 × 10^-3米/秒、2.0 × 10^-4米/秒。随着粘土含量的增加，水力传导率显著下降。当模拟堆高从0米逐渐增加到48米时，所有矿石类型的水力传导率均呈现下降趋势，但顺序仍为低粘土 > 中粘土I型 > 中粘土II型 > 高粘土。这表明粘土含量是影响矿石渗透性能的关键因素。低粘土矿石由于其较大的孔径和良好的连通性，不仅初始水力传导率高，而且在压力作用下仍能保持较好的渗透能力，有利于溶液的均匀分布和流动。相比之下，高粘土矿石由于颗粒细小且孔结构紧密，在压力作用下水力传导率急剧下降[22,23]，可能导致溶液滞留、通道堵塞和浸出死区的形成，从而降低整体浸出效率。在测量不同堆高下的水力传导率时，还监测了不同粘土含量矿石的压缩比，以评估其承载能力。如图3所示，粘土含量越高，矿石的压缩比越大，承载能力降低越明显。对于低粘土矿，在模拟的堆高范围内（6-48米），其实际高度与初始高度的比率保持在0.86到0.93之间，显示出有限的体积压缩和相对良好的结构稳定性。相比之下，高粘土矿在同一压力范围内表现出明显的压缩，高度比率仅为0.60-0.66，表明有较大的体积损失。这种差异主要源于两种矿石类型的结构特征：低粘土矿具有相对刚性的结构，颗粒间有 strong 的支撑作用，而高粘土矿则含有大量的粘土矿物，这些矿物颗粒细小且易于变形。在压力下，高粘土矿中的孔隙容易塌陷，导致整体体积显著收缩。这些结果进一步证实了粘土含量对矿石堆浸出行为的影响。

图3. 不同类型矿石在不同堆压下的高度变化。上述实验结果表明，基于粘土含量的矿石分类在实际堆浸出操作中至关重要。应根据不同粘土含量的矿石采用不同的工艺策略来优化堆结构。对于具有紧密结构和良好渗透性的低粘土矿，可以适当减小进料颗粒尺寸以增加矿物暴露面积并提高浸出效率。相反，中等至高塑性的粘土矿容易发生压实，且渗透性较差[24]。对于这类矿石，应严格控制堆高，并使用较大的颗粒尺寸来减轻压实效应，保持堆内渗透通道的稳定性。

4. 不同类型矿石的柱浸实验
为了研究基于粘土含量的矿石分类对浸出性能的影响，收集了包括低粘土矿、中粘土矿1型、中粘土矿2型和中高粘土矿在内的不同类型矿石样品，在破碎和筛分后进行了柱浸测试。这些测试在Monywa铜矿的户外进行了246天，使用了高度为6米、直径为305毫米的柱子（图4），装载了620公斤的矿石，喷洒速率为6升/（平方米·小时）。浸出液的初始成分为：8.59克/升H2SO4、2.32克/升Cu2+和16.9克/升总铁（包括1.18克/升Fe2+和15.77克/升Fe3+）。由于实验时间较长，这些测试作为单一的对比柱浸实验进行，没有设置平行重复。图4. 柱浸系统示意图。图5显示了柱浸过程中铜的回收率随时间的变化，而测试条件和最终浸出结果总结在表2中。表2中的回收率数据来自工业生产记录和常规分析。由于原始数据集未保留足够的误差传播信息，因此无法进行严格的不确定性估计。因此，这些数值应被视为浸出性能的工业参考指标。所有按粘土含量分类的矿石类型都表现出良好的浸出性能。在柱浸条件下，经过246天的浸出后，所有调查的矿石类型在两种颗粒尺寸（P80 = 100毫米和P80 = 50毫米）下的铜回收率均超过了80%。这表明在Letpadaung铜矿实施分类堆浸是可行的。图5. 不同类型矿石的浸出率随时间的变化：(a) P80 = 100毫米；(b) P80 = 50毫米。表2. 不同类型矿石的柱浸测试基本信息。

不同类型矿石之间的浸出行为存在某些差异。低粘土矿的铜回收率略低于中粘土矿和高粘土矿。这一观察结果可能与矿石的结构特征有关。中粘土矿和高粘土矿由于粘土含量较高且结构较为松散，允许浸出液更容易渗透到矿石内部。相比之下，低粘土矿由于质地较硬且风化程度较低，可能阻碍浸出液的充分渗透，从而导致内部铜矿物的浸出不完全，从而限制了浸出效率。颗粒大小对回收率的影响进一步验证了上述模式。P80 = 50毫米的矿石最终铜回收率通常高于P80 = 100毫米的矿石，表明适当减小颗粒尺寸有助于提高浸出效果。因此，在后续的工业生产中，对于结构较硬的低粘土矿，可以采用比中粘土矿和高粘土矿更细的颗粒尺寸以实现更高效的浸出。

5. 分类堆浸的工业实践
通过在实际工业生产过程中的多点钻探、采样和分析，初步确定了Letpadaung铜矿矿石体中各种粘土类型矿石的平均分布比例。低粘土矿占39.27%，中粘土矿1型占19.81%，中粘土矿2型占33.55%，高粘土矿占7.37%。随着开采深度的增加，高粘土矿的比例逐渐减少，而低粘土矿的比例最初增加后下降。中粘土矿1型的比例呈逐渐下降趋势，而中粘土矿2型的比例则增加（图6）。这种动态变化揭示了随着开采进展，矿石中粘土含量的明显空间演变规律。因此，为了适应开采过程中矿石性质的系统性变化，并确保堆浸出操作的效率和稳定性，必须根据粘土含量对矿石进行科学分类，并在整个生产过程中应用相应的差异化处理策略。据此，Letpadaung铜矿制定了“分类堆浸和差异化管理”的精细策略。首先，根据粘土含量将矿石分为低粘土（粘土含量<3%）、中粘土1型（粘土含量3%-10%）、中粘土2型（粘土含量10%-25%）和高粘土矿（粘土含量>25%）。在此基础上，针对不同类型的矿石采用相应的破碎和堆放工艺（图7）。对于硬度高且结构紧密的低粘土矿，使用旋回破碎机将其破碎至≤200毫米的颗粒尺寸。随后，通过带式输送系统将矿石输送到堆放现场，并使用桥式堆垛机进行机械堆放，形成具有均匀孔隙率和良好渗透性的堆结构。中粘土矿1型的处理可以根据实际的堆浸要求和渗透率监测进行灵活调整。为了避免在中粘土矿2型和高粘土矿的运输和堆放过程中产生过多细颗粒，控制颗粒尺寸≤500毫米，并采用直接卡车倾倒的方式以减少二次破碎。堆放后，在堆表面进行松散和开沟操作，以构建表面排水系统，打破压实层，提高堆的初始渗透性。然后以6升/（平方米·小时）的速率启动滴灌，分析浸出液中的铜浓度以计算回收率。当溶液中的铜浓度超过4克/升时，用于后续的溶剂萃取和电积法生产阴极铜。

图7. 不同类型矿石的堆放工艺。在此基础上，为了研究矿石分类堆浸对工业生产中铜回收率的实际影响，本研究在Monywa的Letpadaung铜矿使用了三个堆浸单元（P1C1L1、P1C11L1和P3C27L1）进行了对比分析。这些单元的堆放铜金属量相似（4011.66–4666吨），矿石品位也相当（0.54%-0.57%），但矿石类型组成不同。其中，单元P1C1L1使用未分类的混合矿石，单元P1C11L1使用机械堆放的低粘土矿，单元P3C27L1使用直接卡车倾倒的中粘土矿和高粘土矿。经过414天的相同操作周期后，浸出结果如表3所示。未分类混合矿石的回收率仅为45.92%。相比之下，经过分类的中粘土矿和高粘土矿的回收率分别提高了63.41%和68.07%。与未分类的混合矿石相比，分类矿石的回收率提高了超过17个百分点。此外，与柱浸测试不同，工业实践中低粘土矿的回收率高于中粘土矿和高粘土矿。造成这种差异的主要原因是工业生产中使用的矿石颗粒大小不同。为了保持中粘土矿和高粘土矿浸出单元的渗透性，最大颗粒尺寸增加到≤500毫米，而低粘土矿的颗粒尺寸限制为≤200毫米。较大的颗粒尺寸延长了浸出液在颗粒内部的扩散路径，可能降低了颗粒内部的完全浸出程度，从而导致实践中中粘土矿和高粘土矿的回收率相对较低。

表3. 矿石分类后的堆浸结果。为了阐明未分类堆浸效果不佳的原因，对P1C1L1单元中不同深度收集的浸出残渣进行了颗粒大小和铜品位分析。如图8所示的结果表明，细颗粒（-2毫米）占该单元浸出残渣的41%-45%。此外，中间和较低层（2-6米深度）的残渣铜品位显著高于表层残渣（0-2米深度，<0.23%）。这些发现表明，在未分类矿石的直接堆浸过程中，矿石性质的显著异质性容易导致颗粒大小分离和细颗粒的压实，从而阻碍了堆浸单元内部溶液的均匀渗透和分散，导致中间和较低层矿石的浸出不足。图8. (a) 颗粒大小分布；(b) P1C1L1不同深度的残渣铜品位。为了进一步评估分类矿石在多层堆浸操作中的实际性能，本研究对工业堆浸单元进行了监测分析。如图9a所示，对于采用散布器机械堆放的低粘土堆浸单元，其两层矿石（P1C16L1和P1C16L2）在320天后的铜回收率分别达到了72.25%和70.44%。尽管浸出动力学存在轻微差异，但总体回收率相似且相对较高。对于通过直接卡车倾倒构建的中粘土矿和高粘土矿堆浸单元，其两层矿石的回收率分别为69.52%和65.47%（图9b），这可归因于它们相对较粗的进料颗粒尺寸。这些结果表明，基于粘土含量进行分类并采用相应的堆放方法后，即使是在多层堆浸条件下，各层矿石也能保持相似的浸出性能，且由于层次位置不同而导致的回收率下降并不明显。这进一步证明了分类堆浸过程在使矿石物理性质与堆结构参数相匹配方面的积极作用，从而确保了堆浸操作的总体稳定性和高效性。尽管工业堆浸对比并非完全控制的单变量实验，但比较单元在矿石品位、堆放铜金属量和堆高以及浸出时间方面是相似的。因此，回收率差异主要是由于矿石类型组成和相应的破碎及堆放策略造成的。未分类堆的残渣分析显示了颗粒大小分离、细颗粒积累以及中间和较低层残渣中较高的铜品位。

图9. 分类后多层堆浸的浸出率：(a) P1C16L1和P1C16L2；(b) P3C40L1和P3C40L2。前述的工业实践结果共同表明，在莫尼瓦（Monywa）的Letpadaung铜矿的生产操作中，基于粘土含量的矿石预分类以及应用差异化的堆放方法，是确保堆浸效率的关键工艺步骤之一。这一精细化的策略有效防止了堆内不同性质矿石之间的相互干扰，为每种矿石类型创造了更适宜的浸出环境。因此，它优化了浸出动力学过程，最终显著提高了铜的回收率。截至2025年，通过采用矿石分类堆浸结合其他浸出强化技术，Letpadaung铜矿已累计生产出504,200吨阴极铜，实现了显著的技术和经济效益。

**6. 结论**
本研究聚焦于莫尼瓦Letpadaung铜矿的生物堆浸过程，探讨了基于粘土含量的矿石分类对浸出效率的影响。研究结果表明，粘土含量是决定矿石渗透性和压缩行为的关键因素。随着粘土含量的增加，矿石的渗透性显著降低，在堆压作用下，矿石更容易发生压缩和孔结构恶化。因此，本研究创新性地提出了一种基于粘土含量的矿石分类方法，并首次将其应用于处理数百万吨矿石的工业堆浸单元。工业实践进一步证实，使用未分类的混合矿石进行直接堆浸会导致细粒度分离和不均匀的渗透，从而使铜的回收率仅为45.92%。通过实施“分类堆浸和差异化管理”策略，并根据不同粘土类型的矿石采用相应的堆放方法，低粘土矿石和中高粘土矿石的回收率分别提高到了68.07%和63.41%。此外，即使在同一单元内应用多层堆浸技术，各层的浸出效率也保持一致。这些实验和工业实践数据验证了基于粘土含量的矿石分类及差异化堆浸过程的有效性，为Letpadaung铜矿实现高效稳定的堆浸生产提供了重要的技术支持，并为类似复杂矿石资源的水冶加工优化提供了参考。然而，具体的分类标准和阈值需要根据其他矿山的实际矿石性质、矿物学特征和操作条件进一步研究和调整。