離子型稀土資源開采負外部性的能控性與能觀測性分析

鄒國良， 劉娜娜， 吳一丁

（江西理工大學，a. 經濟管理學院；b. 有色金屬產業發展研究院，江西 贛州341000）

離子型稀土（風化殼淋積型稀土）因其廣泛的應用價值而備受世界普遍關注。因原地浸礦工藝對采場地表植被破壞小、水土流失少以及開采的不完全成本相對較低等原因，我國有關部門出臺的政策明確規定“推廣原地浸礦工藝，禁止使用堆浸工藝”。然而，目前無論在學術界還是在生產實踐中，人們對該政策存在意見分歧，相當一部分專家學者及生產實踐者認為原地浸礦工藝、堆浸工藝各有利弊，堆浸工藝也有其優勢。由于離子型稀土資源開采無論采用何種浸取工藝都會對資源、生態環境造成不同程度的影響，因此，在生態文明建設國家戰略背景下，如何選擇浸取工藝以避免因離子型稀土資源開采負外部性造成資源環境的持續負面影響顯得尤為重要。

目前，離子型稀土資源采用何種開采工藝一直未從系統角度進行研究，尤其未從離子型稀土開采負外部性的能控性和能觀測性角度去評價。文中基于現代控制理論的視角， 從原地浸礦及堆浸工藝對資源、生態環境影響等負外部性的能控性和能觀測性角度進行分析，以期為這兩種工藝的系統評價以及為國家相關政策的完善奠定基礎。

1 文獻綜述

文中引證的相關文獻主要集中在離子型稀土礦床賦存特征、資源儲量計算、工藝基本原理、負外部性的表現形式、 原地浸礦工藝及堆浸工藝的比較等方面。 由于離子型稀土主要產區在中國，以及此前其他國家的離子型稀土資源基本未開采，因此，國外相關研究文獻很少，國內文獻相對較多。

1.1 離子型稀土礦床賦存特征及資源儲量估算

1）離子型稀土礦床賦存特征。 離子型稀土礦床為近地表或裸露地面的火山巖或風化花崗巖風化殼，大多處于海拔低于550 m 以及高差在60～250 m之間的丘陵地帶。 礦床厚度為5～30 m，礦體由上而下比較明顯地分為腐殖層（含殘坡積層）、全風化層、半風化層以及基巖， 稀土主要賦存在全風化層及部分半風化層。 另外，根據原礦稀土品位隨礦體深度變化表現出的規律，礦體分深潛式、淺伏式和表露式等三種分布形式[1]。 離子型稀土礦主要是黏土類礦物，該類稀土礦物中稀土元素的85%以離子相存在，原礦稀土品位（含REO）一般為0.05%～0.3%，同一礦區的不同山頭其稀土品位可能相差2～6 倍，品位變化規律不明顯[2]，采用常規的物理選礦法無法使稀土富集為相應的稀土精礦，因此，只能采用化學選礦法。

2）離子型稀土資源儲量估算。稀土礦床勘查規范對稀土總量的一般工業指標作了要求，稀土總量圈礦是離子型稀土礦床勘查規范要求的常用方法[3]。 賴兆添等[4]認為浸礦“盲區” 損失的儲量估算還有待研究。丁嘉榆等[5]認為以“全相”指標計算的稀土儲量大，但是可利用的“離子相”稀土只占一部分，而且“離子相”稀土儲量估算不準確，從而礦床評價結果有可能誤導宏觀決策。 鄧茂春等[6]認為稀土單元素圈礦優于稀土總量圈礦和稀土浸取量圈礦。 趙汀等[7-8]基于克里格法構建了儲量估算的三維模型及評價方法計算離子型稀土儲量，結果表明較采用塊段法更接近實際勘探數據。 王瑞等[9]基于地質統計學方法建立變異函數模型，對稀土實驗模塊分別采用普通克里格法和距離冪次反比法進行儲量計算，結果發現采用普通克里格法計算儲量更合適。伍昕宇等[10]提出離子型稀土礦儲量計算的剖面反距離加權插值算法，該方法與傳統塊段法相比其儲量計算結果更加精確。

1.2 原地浸礦、堆浸工藝比較及工藝發展

1）原地浸礦、堆浸工藝利弊。 李永繡[11]認為于全復式的復雜類型離子礦地質條件的礦體，即便采取人造底板及防滲漏、收液等處理措施，其效果也不理想；陳建國[12]認為不是任何離子型稀土礦都能采用原地浸礦工藝，該工藝受到地形以及地質條件的限制。 李春[13]認為中釔富銪“雞窩狀”嚴重的離子型稀土礦使用原地浸礦工藝存在一定難度。池汝安等[14]認為堆浸工藝和原地浸出工藝各有利弊，對于礦體有假底板和無裂隙的礦床優先推廣原地浸出工藝. 而對于礦體沒有假底板或有裂隙的礦床，應該結合土地平整和尾礦復墾，首推堆浸工藝。 蔡奇英[15]認為要因地制宜選擇離子型稀土浸取工藝，不能搞“一刀切”地采用原地浸礦，以免浪費有限的不可再生的資源。 劉勇[16]認為原地浸礦過程中不易確定精確的滲漏量。鄒國良等[17-18]認為離子型稀土原地浸礦、堆浸工藝各有優缺點及其適用條件，采用堆浸工藝浸出離子型稀土對資源損失及生態環境破壞具有可控性，而采用原地浸礦工藝浸出稀土對資源環境的影響具有不確定性及風險性。趙彬等[19]認為當前離子型稀土礦原地浸礦開采存在資源綜合回收利用率低以及環境污染嚴重等問題，并基于離子型稀土礦床地質條件、工程地質條件以及水文地質條件等方面制訂了原地浸礦技術適用性對照表。丁嘉榆[20]認為“堆浸”工藝可獲得很好的稀土浸出率及稀土綜合收率指標，“堆浸” 工藝不能作為離子型稀土礦的正規開采工藝并提出“堆浸”工藝的適用條件和范圍。 陳道貴[21]將原地浸礦技術適用性分成五個等級，認為適用性為I～III 級的采場可原地浸礦開采，而適用性為IV 和V 級的采場應待未來技術進步之后再開采。

2）離子型稀土浸取工藝發展。 羅仙平等[22]認為開發可替代硫酸銨及碳酸氫銨的高效、低污染的浸取劑和沉淀劑，以實現稀土短流程、高效低污染提取是原地浸取離子型稀土礦開發技術的重要發展方向，此外，低品位難浸離子型稀土礦的回收工藝的研究也是實現離子型稀土資源可持續利用的未來研究方向。鐘志剛等[23]認為研發出以鎂鹽為代表的浸出劑是未來研發重點，但需解決鎂鹽浸出劑對土壤、水體等的環境影響問題。 劉琦[24]認為無銨浸取劑或研發經濟有效的土壤脫銨工藝也將是當前研究熱點。 陳道貴[25]通過柱浸流程實驗，對比了檸檬酸銨、檸檬酸鈉、氯化鋁、氯化鐵以及硫酸鎂等無銨浸取劑的稀土浸出性能，認為氯化鐵和氯化鋁是相對較好的無銨浸取劑。

1.3 離子型稀土資源開采負外部性相關問題

1）離子型稀土礦開采邊坡穩定性研究方面。鄔長福等[26]基于室內模擬浸泡試驗運用采用數值模擬得出第23 天時邊坡失穩概率增大需加強監測和防護。王觀石等[27]認為采用原地浸礦工藝如果前期注液強度過大容易引發推移式滑坡，若后期注液強度過大則容易引發牽引式滑坡。

2）離子型稀土廢棄礦生態修復研究方面。 陳敏等[28]對離子型稀土礦廢棄地生態修復技術進行了研究，對比了植物修復、微生物修復以及多種方法聯合修復等修復方法。 位振亞等[29]探討了恢復植被、改良土壤及微生物修復等生態修復技術。史曉燕等[30]對廢棄堆浸稀土礦修復影響因素進行了研究，提出了廢棄稀土礦治理修復的方法。謝東等[31]研究了重金屬污染修復植物對根際土壤微生態的影響。

3）離子型稀土開采對水土污染方面。 涂婷[32]認為植物-微生物修復方法治理離子型稀土元素污染的效果較好。 張賢平等[33]認為如果礦區存在裂隙或者收液系統不完備將造成地下水污染， 開采前應探明礦體底板裂隙、做好井巷布置及防滲工作。 鄧振鄉等[34]建議優化浸取工藝、收液工藝以及開發新一代無銨浸取劑等。

此外，楊耀杰[35]構建了浸出過程的線性可逆動態吸附模型，黃德晟等[36]構建了自動控制系統對原地浸礦生產過程進行數據監測、管理，從而達到降本增效、保護環境的目的。 從以上文獻可以看出，關于離子型稀土資源開采工藝及其對生態環境影響的文獻較多，但是關于離子型稀土資源浸出造成的地表植被破壞、地表地下水污染、土壤污染、滑坡等負外部性的能控性和能觀測性的文獻幾乎沒有。

2 離子型稀土資源開發的負外部性

2.1 采用原地浸礦工藝開發稀土礦的負外部性

離子型稀土礦采用原地浸礦開采，一般來說，其負外部性主要表現形式為地表植被破壞、土壤污染、地下地表水污染、資源滲漏及采場滑坡等，具體如表1 所示。

表1 原地浸礦開采的負外部性及其一般原因Table 1 Negative externalities of in-situ leaching and its general reasons

2.2 采用堆浸工藝開發稀土礦的負外部性

離子型稀土礦若采用傳統堆浸工藝開采，其負外部性主要表現形式為地表植被破壞、水土流失、采場荒漠化、土壤污染、地下水污染、地表水污染及采場滑坡等，具體如表2 所示。

表2 堆浸工藝開采的負外部性及其一般原因Table 2 Negative externalities of heap leaching and its general reasons

3 離子型稀土資源開發負外部性的能控性分析

離子型稀土開發無論采用何種資源浸取工藝都會對資源、生態環境造成不同程度的影響，但是其外部性表現形式及其能控性會有一定差異。

3.1 能控制性定義

線性定常系統的狀態方程為

對于給定系統一個初始狀態x（t0），如果在t1＞t0有限時間區間[t0，t1]內，存在容許控制u（t），使得x（t1）=0，則稱系統狀態在t0時刻是能控的； 如果系統對任意一個初始狀態都能控， 則稱系統是狀態完全能控的（簡稱為“能控的”）[38]。

3.2 能控矩陣判據（秩判據）

定理1系統（1）為完全能控的充分必要條件是能控判別矩陣S=[B AB...An-1B]的秩為n， 即rank（S）=rank[B AB ... An-1B]=n。

此外，能控性判據還包括PBH 判據、標準型能控性判據以及格拉姆矩陣判據等[38]。

3.3 不同浸取工藝下的負外部性能控性

將離子型稀土資源開發簡化為線性系統，基于能控性定義，對原地浸礦、堆浸工藝條件下的離子型稀土礦開采負外部性的能控性作初步分析，并將負外部性可控程度劃分為容易、一般、較難、很難等4 個等級。 其中，離子型稀土礦原地浸礦開采的負外部性及其能控性分析如表3 所示。

表3 原地浸礦開采的負外部性及其能控性分析Table 3 Analysis of negative externalities and controllability of in-situ leaching

離子型稀土礦堆浸工藝開采的負外部性及其能控性分析如表4 所示。

表4 離子型稀土礦堆浸工藝開采的負外部性及其能控性分析Table 4 Analysis of negative externalities and controllability of heap leaching

通過以上分析，可初步看出離子型稀土礦原地浸礦開采負外部性的能控性會難于采用堆浸工藝。

4 離子型稀土資源開發負外部性的能觀測性分析

4.1 能觀測性定義

線性定常系統的狀態方程為

如果在有限時間區間[t0，t1]（t1＞t0）內，通過觀測y（t），能夠惟一地確定系統的初始狀態x（t0），稱系統狀態在t0是能觀測的；如果對任意的初始狀態都能觀測，則稱系統是狀態完全能觀測的（簡稱“能觀測的”）[38]。

4.2 能觀測性矩陣判據（秩判據）

定理2系統（2）為狀態完全可觀測的充分必要條件是其能觀測性判別矩陣：

同理，能觀測性判據還包括PBH 判據、標準型能觀測性判據以及格拉姆矩陣判據等[38]。

4.3 不同浸取工藝下的負外部性的能觀測性

基于可觀測性定義，對原地浸礦、堆浸工藝條件下的離子型稀土礦開采負外部性的可觀測性作初步分析，并將能觀測性程度劃分為容易、一般、較難、很難等4 個等級。 其中，離子型稀土礦原地浸礦開采的負外部性及其能觀測性分析如表5 所示。

表5 原地浸礦開采的負外部性及其能觀測性分析Table 5 Analysis of negative externalities and observability of in-situ leaching

離子型稀土礦堆浸工藝開采的負外部性及其能觀測性分析如表6 所示。

顯而易見，可初步看出離子型稀土礦堆浸工藝開采負外部性的能觀測性會比采用原地浸礦工藝容易。

5 結論及建議

由于離子型稀土礦床賦存特征特殊、離子型稀土資源的使用價值及其戰略價值，離子型稀土資源儲量估算顯得非常重要，而這也會影響到離子型稀土資源開發工藝的選擇。 通過對離子型稀土礦原地浸礦、堆浸工藝條件下負外部性表現形式的分析，以及基于現代控制理論對其能控性和能觀測性的簡要分析，得出以下初步結論：①離子型稀土資源采用原地浸礦工藝開發的負外部性的能控性會難于采用堆浸工藝；②離子型稀土資源采用堆浸工藝開發的負外部性的能觀測性會比采用原地浸礦工藝容易。 此外，建議在離子型稀土資源開采浸取工藝選擇時，一方面要優化現有原地浸礦、堆浸工藝，另一方面，不僅要考慮浸礦工藝的適用條件及不同工藝條件下離子型稀土資源開發全過程負外部性的能觀測性，而且要考慮負外部性的能控性。

表6 堆浸工藝開采的負外部性及其能觀測性分析Table 6 Analysis of negative externalities and observability of heap leaching