某離子型稀土礦地浸開采安全可行性分析

李文新，郭朝陽

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410014)

0 引言

離子型稀土礦是稀土元素以離子相形態(tài)[1]吸附在黏土礦物上的一種新型的外生稀土礦。采用常規(guī)的物理選礦方法無法使稀土富集為精礦，長期研究與實(shí)踐表明，離子型稀土礦開發(fā)經(jīng)歷了池浸、堆浸和原地浸出三代工藝。前兩者工藝都需要“搬山運(yùn)動(dòng)”，存在明顯的缺點(diǎn)。地浸開采屬于特殊開采的一種，作為一種新型綠色采礦[2]方法，最大特點(diǎn)是不需剝離表土和開挖礦體，是用溶浸液從天然埋藏條件下的礦石中將吸附在礦物表面的稀土離子與溶浸液中陽離子發(fā)生交換解吸[3]，并對(duì)反應(yīng)生成的化合物進(jìn)行有效收集的采礦方法。

地浸開采不需要采挖礦體，運(yùn)輸設(shè)備、作業(yè)人員少，生產(chǎn)工藝簡單，危險(xiǎn)有害因素少。傳統(tǒng)露天開采在基建及生產(chǎn)過程中涉及剝離、采挖、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，采礦設(shè)備多，作業(yè)人員多，工藝復(fù)雜，危險(xiǎn)有害因素多，易發(fā)生生產(chǎn)安全事故。

相比露天開采，地浸開采具有明顯的優(yōu)勢。因此在離子型稀土礦開發(fā)中，地浸開采工藝得到了大力推廣。但是，隨著這種采礦方法的推廣，其可能帶來的安全環(huán)保影響也逐漸顯現(xiàn)，本文結(jié)合湖南省某離子型稀土礦的實(shí)際情況，從安全可行性的角度對(duì)離子型稀土礦地浸開采存在的安全隱患進(jìn)行分析，并有針對(duì)性地提出對(duì)策措施。

1 工程概況

湖南某離子型稀土礦礦體賦存于花崗巖風(fēng)化殼中，風(fēng)化殼自上而下大體可分為坡積層、全風(fēng)化花崗巖層及半風(fēng)化花崗巖層，三者之間無明顯界線，為漸變過渡關(guān)系；礦體剖面形態(tài)表現(xiàn)為層狀、殼層狀、彎弓狀、透鏡狀等，平均厚度為5 m，滲透性較好。礦石容重為16.3 kN/m3，內(nèi)聚力C值為28 kPa。全區(qū)風(fēng)化殼稀土（REO）的平均含量為0.077%。礦體頂板主要為腐植土層、坡積物和全風(fēng)化花崗巖層，較松散，易垮塌，平均厚2.28 m，頂板及礦體整體厚度大，自然坡角為15°～30°；礦體底板或圍巖為基巖或微風(fēng)化的花崗巖，斷裂破碎帶不發(fā)育。

礦體含水層含水性較弱，礦體及頂板含水量均較小；斷裂破碎帶不發(fā)育，節(jié)理裂隙填充較好；稀土礦體與鄰近區(qū)的地下水和地表水一般無水力聯(lián)系，富水性較強(qiáng)且承壓的含水層均不接觸礦體；礦區(qū)周邊有多條河流經(jīng)過，采礦用水從河流取水。抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為 0.05g。

2 地浸開采安全性分析

2.1 某礦地浸開采工藝

地浸開采主要包括制液、注液、集液3個(gè)工序，工藝流程見圖1。

圖1 地浸開采工藝流程

直接在山體表面布置注液孔，注液孔采用網(wǎng)狀 布置，溶液采用管道輸送至采場，采用自上而下的注液方式注入注液孔，根據(jù)礦體的厚度控制每個(gè)不同位置的注液量。集液溝設(shè)置在采場山坡坡腳，開挖至微風(fēng)化基巖，并做好防滲措施。流入集液溝內(nèi)的溶液順坡度導(dǎo)流至集液池，然后用管道輸送至水冶車間，地浸開采示意見圖2。

圖2 地浸開采示意

2.2 可能存在的安全隱患

（1）集液溝的開挖，破壞了原有山坡表層的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致表層土的應(yīng)力場改變，局部導(dǎo)致應(yīng)力集中，誘發(fā)集液溝和山坡風(fēng)化殼的滑坡[4-5]、坍塌。

（2）溶液的注入，改變了山坡風(fēng)化殼中的滲流場，增加了動(dòng)水壓力和靜水壓力，其穩(wěn)定性計(jì)算的邊界條件也隨之發(fā)生變化，不利于風(fēng)化殼的穩(wěn)定。

（3）溶浸期間的注入會(huì)降低土體的c、φ值[6]，對(duì)風(fēng)化殼的穩(wěn)定性造成不利影響。

（4）上游匯水流入采區(qū)，對(duì)采區(qū)內(nèi)覆蓋層沖刷，易造成風(fēng)化殼滑坡。

（5）基巖節(jié)理裂隙或者斷層發(fā)育，溶浸液流失造成回收率過低[5]，污染當(dāng)?shù)厮础?/p>

（6）溶浸液的殘留及滲漏對(duì)周邊水體和土壤會(huì)造成一定的污染和破壞[7]。

2.3 風(fēng)化殼穩(wěn)定性計(jì)算

經(jīng)過分析，主要安全隱患為溶浸液的注入可能對(duì)風(fēng)化殼（礦體）穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，使得花崗巖風(fēng)化層沿破裂面直線滑坡。

因滑移面為平面，采用平面滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式[8]對(duì)風(fēng)化殼的穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算，見式（1），示意圖見圖3。

圖3 平面滑動(dòng)面邊坡計(jì)算

式中，T為滑體單位寬度重力及其他外力引起的下滑力，kN/m；R為滑體單位寬度重力及其他外力引起的抗滑力，kN/m；C為滑面的黏聚力，kPa；φ為滑面的內(nèi)摩擦角，（°）；L為滑面長度，m；G為滑體單位寬度自重，kN/m；Gb為滑體單位寬度豎向附加荷載，kN/m，方向指向下方時(shí)取正值，指向上方時(shí)取負(fù)值；θ為滑面傾角，（°）；U為滑面單位寬度總水壓力，kN/m；V為后緣陡傾裂隙面上的單位寬度總水壓力，kN/m；Q為滑體單位寬度水平荷載，kN/m，方向指向坡外時(shí)取正值，指向坡內(nèi)時(shí)取負(fù)值；hw為后緣陡傾裂隙充水高度，m，根據(jù)裂隙情況及匯水條件確定。

2.3.1 計(jì)算基本參數(shù)

水重度γw=10 kN/m3；原始邊坡坡度為15°～30°，本次計(jì)算考慮滑面傾角θ=25°；自然狀態(tài)無滲流水狀態(tài)下礦石容重為γm=16.3 kN/m3，礦體凝聚力c=28 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°。

2.3.2 基本設(shè)定

（1）不考慮附加荷載：Gb=0。

（2）滑面長度L設(shè)定為單位長度1 m。

（3）礦區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，不考慮地震荷載（Q=0）。

（4）風(fēng)化殼厚度平均為5 m，為計(jì)算滑體單位寬度自重G，計(jì)算中設(shè)定滑體單位高度為5 m。

（5）溶浸過程中，稀土離子（+3價(jià)）與銨離子交換，3個(gè)銨根離子交換1個(gè)稀土離子，且稀土的平均含量為0.077%，離子交換后，對(duì)風(fēng)化殼土體容重（G）影響較小，溶浸前后，不考慮風(fēng)化殼土體重量變化。

2.3.3 邊界條件

采礦溶浸過程中，風(fēng)化殼中由于溶浸液的灌注，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ變小，風(fēng)化殼與微風(fēng)化花崗巖間滲流水深度控制在1.5 m以內(nèi)，即后緣陡傾裂隙充水高度hw=0～1.5 m。

采礦后將注液孔及集液溝回填壓實(shí)，礦體含水逐漸恢復(fù)到開采前狀態(tài)，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角會(huì)逐漸恢復(fù)原有的c、φ值。

2.3.4 計(jì)算結(jié)果

地浸采礦穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 地浸采礦穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，溶浸過程中，隨著滲流水液面（后緣水高）上升，風(fēng)化殼礦體黏聚力和內(nèi)摩擦角變小，滑體抗滑力減小，下滑力增大，穩(wěn)定性安全系數(shù)變小。當(dāng)滲流水液面上升至1.5 m時(shí)，穩(wěn)定性安全系數(shù)＜1，風(fēng)化殼發(fā)生滑坡。

3 安全對(duì)策措施

采用工程技術(shù)措施減弱或消除地浸開采存在的安全隱患，具體措施如下。

（1）分段溶浸，控制高度，控制流量、流向，防止過度溶浸。

（2）在易發(fā)生滑坡地段增加擋土墻、抗滑樁等設(shè)施，對(duì)集液溝側(cè)壁進(jìn)行支護(hù)，防止集液溝坍塌。

（3）采區(qū)上游設(shè)置截水溝，將上游匯水導(dǎo)流至采區(qū)外。

（4）基建完成后正式生產(chǎn)前，應(yīng)采用清水灌注、檢漏，驗(yàn)證溶浸液的回收率。如回收率過低，檢查采場收液工程及防滲措施，補(bǔ)充收液工程，加強(qiáng)防滲措施；采取措施后如回收率還不達(dá)標(biāo)，圍巖可能存在未查明的節(jié)理裂隙或斷層，應(yīng)停止此處地浸開采。

（5）設(shè)置位移監(jiān)測[9]設(shè)施，風(fēng)化殼有滑坡征兆時(shí)作業(yè)人員應(yīng)及時(shí)撤離。

（6）采場周邊設(shè)置監(jiān)測井[10]，實(shí)時(shí)監(jiān)測地下水水質(zhì)。

（7）開采完成后，對(duì)采場灌注清水洗山，回收液經(jīng)檢測達(dá)到相關(guān)要求后即停止洗山。

（8）停止采礦后，將注液孔及集液溝回填壓實(shí)，并進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的養(yǎng)山，同時(shí)對(duì)風(fēng)化殼的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行取樣對(duì)比，以了解其變化，為后續(xù)采區(qū)采礦提供數(shù)據(jù)。

（9）后續(xù)采區(qū)應(yīng)避開養(yǎng)山區(qū)域，以免造成二次影響。

采取工程技術(shù)措施后，能將開采過程中安全影響降低到最低程度。

4 結(jié)論

（1）分析了湖南省某離子型稀土礦地浸開采可能存在的安全隱患，指出主要安全隱患為：溶浸液的灌注可能對(duì)風(fēng)化殼（礦體）穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，風(fēng)化殼易發(fā)生滑坡。

（2）邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，溶浸過程中，隨著滲流水液面（后緣水高）上升，風(fēng)化殼礦體黏聚力和內(nèi)摩擦角變小，滑體抗滑力減小，下滑力增大，穩(wěn)定性安全系數(shù)變小。當(dāng)滲流水液面上升至1.5 m時(shí)，穩(wěn)定性安全系數(shù)＜1，風(fēng)化殼發(fā)生滑坡。

（3）采取控制溶浸液流量、設(shè)置抗滑樁、集液溝支護(hù)、設(shè)置監(jiān)測措施等工程技術(shù)措施，可將風(fēng)化殼穩(wěn)定性影響控制在安全范圍內(nèi)。

綜上，某離子型稀土礦采用原地浸出法開采在安全上是切實(shí)可行的。