某離子型稀土礦地浸開采安全可行性分析

李文新，郭朝陽

(湖南有色冶金勞動保護研究院有限責任公司， 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[1]吸附在黏土礦物上的一種新型的外生稀土礦。采用常規的物理選礦方法無法使稀土富集為精礦，長期研究與實踐表明，離子型稀土礦開發經歷了池浸、堆浸和原地浸出三代工藝。前兩者工藝都需要“搬山運動”，存在明顯的缺點。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生交換解吸[3]，并對反應生成的化合物進行有效收集的采礦方法。

地浸開采不需要采挖礦體，運輸設備、作業人員少，生產工藝簡單，危險有害因素少。傳統露天開采在基建及生產過程中涉及剝離、采挖、運輸等環節，采礦設備多，作業人員多，工藝復雜，危險有害因素多，易發生生產安全事故。

相比露天開采，地浸開采具有明顯的優勢。因此在離子型稀土礦開發中，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保影響也逐漸顯現，本文結合湖南省某離子型稀土礦的實際情況，從安全可行性的角度對離子型稀土礦地浸開采存在的安全隱患進行分析，并有針對性地提出對策措施。

1 工程概況

湖南某離子型稀土礦礦體賦存于花崗巖風化殼中，風化殼自上而下大體可分為坡積層、全風化花崗巖層及半風化花崗巖層，三者之間無明顯界線，為漸變過渡關系；礦體剖面形態表現為層狀、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，內聚力C值為28 kPa。全區風化殼稀土（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化的花崗巖，斷裂破碎帶不發育。

礦體含水層含水性較弱，礦體及頂板含水量均較小；斷裂破碎帶不發育，節理裂隙填充較好；稀土礦體與鄰近區的地下水和地表水一般無水力聯系，富水性較強且承壓的含水層均不接觸礦體；礦區周邊有多條河流經過，采礦用水從河流取水。抗震設防烈度為6度，設計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，根據礦體的厚度控制每個不同位置的注液量。集液溝設置在采場山坡坡腳，開挖至微風化基巖，并做好防滲措施。流入集液溝內的溶液順坡度導流至集液池，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構，導致表層土的應力場改變，局部導致應力集中，誘發集液溝和山坡風化殼的滑坡[4-5]、坍塌。

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

（3）溶浸期間的注入會降低土體的c、φ值[6]，對風化殼的穩定性造成不利影響。

（4）上游匯水流入采區，對采區內覆蓋層沖刷，易造成風化殼滑坡。

（5）基巖節理裂隙或者斷層發育，溶浸液流失造成回收率過低[5]，污染當地水源。

（6）溶浸液的殘留及滲漏對周邊水體和土壤會造成一定的污染和破壞[7]。

2.3 風化殼穩定性計算

經過分析，主要安全隱患為溶浸液的注入可能對風化殼（礦體）穩定性產生較大影響，使得花崗巖風化層沿破裂面直線滑坡。

因滑移面為平面，采用平面滑動面的邊坡穩定性系數計算公式[8]對風化殼的穩定性進行定量計算，見式（1），示意圖見圖3。

圖3 平面滑動面邊坡計算

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，方向指向下方時取正值，指向上方時取負值；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，方向指向坡外時取正值，指向坡內時取負值；hw為后緣陡傾裂隙充水高度，m，根據裂隙情況及匯水條件確定。

2.3.1 計算基本參數

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

2.3.2 基本設定

（1）不考慮附加荷載：Gb=0。

（2）滑面長度L設定為單位長度1 m。

（3）礦區抗震設防烈度為6度，不考慮地震荷載（Q=0）。

（4）風化殼厚度平均為5 m，為計算滑體單位寬度自重G，計算中設定滑體單位高度為5 m。

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

2.3.3 邊界條件

采礦溶浸過程中，風化殼中由于溶浸液的灌注，黏聚力c和內摩擦角φ變小，風化殼與微風化花崗巖間滲流水深度控制在1.5 m以內，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，礦體含水逐漸恢復到開采前狀態，土體的黏聚力和內摩擦角會逐漸恢復原有的c、φ值。

2.3.4 計算結果

地浸采礦穩定性安全系數計算結果見表1。

表1 地浸采礦穩定性安全系數計算結果

根據計算結果，溶浸過程中，隨著滲流水液面（后緣水高）上升，風化殼礦體黏聚力和內摩擦角變小，滑體抗滑力減小，下滑力增大，穩定性安全系數變小。當滲流水液面上升至1.5 m時，穩定性安全系數＜1，風化殼發生滑坡。

3 安全對策措施

采用工程技術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）在易發生滑坡地段增加擋土墻、抗滑樁等設施，對集液溝側壁進行支護，防止集液溝坍塌。

（3）采區上游設置截水溝，將上游匯水導流至采區外。

（4）基建完成后正式生產前，應采用清水灌注、檢漏，驗證溶浸液的回收率。如回收率過低，檢查采場收液工程及防滲措施，補充收液工程，加強防滲措施；采取措施后如回收率還不達標，圍巖可能存在未查明的節理裂隙或斷層，應停止此處地浸開采。

（5）設置位移監測[9]設施，風化殼有滑坡征兆時作業人員應及時撤離。

（6）采場周邊設置監測井[10]，實時監測地下水水質。

（7）開采完成后，對采場灌注清水洗山，回收液經檢測達到相關要求后即停止洗山。

（8）停止采礦后，將注液孔及集液溝回填壓實，并進行適當時間的養山，同時對風化殼的物理力學性質進行取樣對比，以了解其變化，為后續采區采礦提供數據。

（9）后續采區應避開養山區域，以免造成二次影響。

采取工程技術措施后，能將開采過程中安全影響降低到最低程度。

4 結論

（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風化殼（礦體）穩定性產生較大影響，風化殼易發生滑坡。

（2）邊坡穩定性計算結果表明，溶浸過程中，隨著滲流水液面（后緣水高）上升，風化殼礦體黏聚力和內摩擦角變小，滑體抗滑力減小，下滑力增大，穩定性安全系數變小。當滲流水液面上升至1.5 m時，穩定性安全系數＜1，風化殼發生滑坡。

（3）采取控制溶浸液流量、設置抗滑樁、集液溝支護、設置監測措施等工程技術措施，可將風化殼穩定性影響控制在安全范圍內。

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可行的。