離子型稀土采場滑坡成因與預(yù)測方法研究

尚白紅，路昌明，湯 澍，郭鐘群＊

（江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

離子吸附型稀土，又稱為風(fēng)化殼淋積型稀土，是具有戰(zhàn)略意義的重要礦產(chǎn)資源。與一般礦石型稀土資源不同，離子型稀土主要以水合陽離子形式吸附在黏土中，其主產(chǎn)區(qū)為江西省、福建省等南方八省區(qū)[1-3]。經(jīng)過五十多年的發(fā)展，離子型稀土開采目前推薦原地浸礦工藝[4-5]。在浸礦過程中，由于溶浸液的滲流和化學(xué)置換作用，礦體含水率增加，土顆粒發(fā)生運移，使得露天礦山邊幫易產(chǎn)生滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對采場及周邊環(huán)境造成破壞，威脅礦區(qū)及其周圍的人身安全[6-7]。

目前針對離子型稀土滑坡研究主要集中在數(shù)值計算、邊坡穩(wěn)定性分析以及滑坡預(yù)測方法等。本文分析了我國南方離子型稀土礦區(qū)滑坡的基本類型，分析了誘發(fā)山體滑坡外因和內(nèi)因，闡述離子型稀土礦區(qū)滑坡預(yù)測方法，旨在為稀土礦山的地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論基礎(chǔ)。

1 離子型稀土原地浸礦工藝

離子型稀土礦經(jīng)歷了池浸、堆浸和原地浸礦工藝，目前廣泛推薦原地浸礦的開采方式。原地浸礦是離子型稀土現(xiàn)有最環(huán)保的一種開采模式，它不需剝離表土和開挖礦體，在礦區(qū)內(nèi)按照一定井網(wǎng)參數(shù)布設(shè)注液孔，將鹽類浸礦劑溶液（通常使用硫酸銨）注入礦體，通過發(fā)生化學(xué)置換反應(yīng)，使浸礦液中銨根離子將粘土礦物表面的稀土離子解吸下來，在自重和滲透作用下，稀土浸出液在山腳處的積液溝或收液巷道匯集，如圖1所示。

圖1 浸礦注液示意圖

收集的稀土母液再經(jīng)水冶車間的除雜，最后用碳酸氫銨沉淀，實現(xiàn)稀土資源回收，圖2為離子型稀土原地浸礦主要工藝流程[1]。該工藝減少了池浸、堆浸工藝產(chǎn)生的植被破壞、尾礦堆放、水土流失、機械開挖成本等問題。在做好地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上，并能夠有效控制注液和收液的情況下，原地浸礦無疑是一種開采離子型稀土的環(huán)境友好型方法。

圖2 原地浸礦的工藝流程圖

離子型稀土礦床的主要礦物有高嶺土、白云母、石英和鉀長石，原礦的化學(xué)成分以SiO2為主，約占70%；其次是Al2O3，約占15%；再次是K2O，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO以及少量其他元素，其中高嶺土、白云母等黏土礦物是天然的離子交換劑。因此，離子型稀土礦的浸取工藝都是基于離子交換反應(yīng)，其化學(xué)方程式可以表示為：

式中，s表示固相，aq表示液相。

2 離子型稀土礦區(qū)滑坡特征

滑坡是離子型稀土礦山原地浸礦后常見的地質(zhì)災(zāi)害，礦區(qū)滑坡具有規(guī)模小、數(shù)量多、頻率高等特點。由于南方離子型稀土礦區(qū)一般為低山丘陵地貌，滑坡大多發(fā)育在地勢呈現(xiàn)“凹形”的部位。在地形凹處的礦山，大量浸礦液產(chǎn)生匯聚，引起礦體長期處于水分飽和狀態(tài)，從而引起土體抗剪強度下降，進而導(dǎo)致坡體發(fā)生滑動。根據(jù)滑坡的特征，離子型稀土礦滑坡可以分為表層滑坡和礦層滑坡，如圖3所示：（a）為表層滑坡、（b）為礦層滑坡。

圖3 離子型稀土滑坡類型

2.1 表層滑坡

表層滑坡主要發(fā)育在礦山上部土層，表層土質(zhì)松散，風(fēng)化程度高。滑體主要為表層的腐殖質(zhì)層以及坡殘積層等，滑面埋深小于5m。表層滑坡發(fā)育包含兩個階段：一是形成水膜層階段，二是劇烈滑動階段。在原地浸礦中，浸礦液與表層土體中的礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，表土中的微細顆粒通過孔隙通道發(fā)生運移。由于全風(fēng)化礦層的滲透性較表層土體的滲透性小，微細顆粒在表層下部或礦層上部積累并發(fā)生孔隙堵塞。因為浸礦溶液不能順利往下滲透，故而易形成一層水膜層，隨著孔隙水壓力不斷增大，當(dāng)下滑力突破臨界值，表土層將會沿著水膜層發(fā)生滑動，從而形成表層滑坡。

2.2 礦層滑坡

礦層滑坡主要發(fā)生在全風(fēng)化殼和半風(fēng)化殼層，滑體主要由全風(fēng)化巖層及上部土層組成。礦層滑坡具有典型土質(zhì)滑坡的一般特征，其發(fā)育過程包含三個階段：一是臨滑階段，二是蠕滑階段，三是劇烈滑動階段。隨著原地浸礦的不斷注液，地下水位不斷抬升，加之南方的降雨作用，使得水分在礦層的孔隙中產(chǎn)生聚集，礦層的含水率迅速增加，自重不斷增大，下滑力隨之增大。同時在化學(xué)置換作用下，礦體內(nèi)部的物相組成發(fā)生改變，巖土體的粘聚力下降，當(dāng)?shù)V層下滑力大于臨界閾值后，將形成礦層的滑坡現(xiàn)象。

3 離子型稀土礦區(qū)滑坡成因

滑坡是斜坡上的巖土體在誘因作用下沿著結(jié)構(gòu)軟弱面下滑的一種地質(zhì)現(xiàn)象。在離子型稀土原地溶浸過程中，浸礦液注入導(dǎo)致礦體含水率不斷增加，加之南方地區(qū)雨水豐富的氣候特點，使得礦體長期處在高度飽和環(huán)境下，其抗剪強度不斷弱化，進而誘發(fā)山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。滑坡的誘因主要包括浸礦液滲流作用、化學(xué)置換作用、礦體含水率升高、大氣降雨、干濕循環(huán)、礦體微顆粒結(jié)構(gòu)改變等。

3.1 滑坡的外因

（1）開挖注液井與收液孔對巖土體的擾動。在布設(shè)注液工程時，需要開挖注液井網(wǎng)，剝離覆蓋在表土的植被，對于表層土體進行了擾動，減小了植物根系對表層土的固定作用，從而降低了礦山表層巖土體的穩(wěn)定性。在開展收液工程時，需要根據(jù)礦體的形式設(shè)置收液孔或收液巷道，對礦山的基巖也產(chǎn)生了一定擾動。

（2）浸礦劑溶液的滲流與化學(xué)置換作用。在原地溶浸過程，大量硫酸銨浸礦溶液進入到稀土礦體中，并與礦體中稀土離子發(fā)生置換作用。在滲流過程中，由于流體的物理作用和土水之間化學(xué)作用，增加礦山覆斜坡體自重，對土的抗剪強度產(chǎn)生一定影響。滲流還會產(chǎn)生滲透力，當(dāng)滲透力過大時就會引起滲透破壞，引起礦山滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

（3）大氣降雨。離子型稀土主要分布在降雨豐富的中國南方七省區(qū)，尤其是對于江西贛州而言，氣候?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，降雨量大且集中，雨水充沛，礦山邊坡的坡面受到長歷時沖刷以及侵蝕。當(dāng)降雨結(jié)束之后，隨之而來的高溫又會使礦山中的水分蒸發(fā)，形成一個干濕循環(huán)過程，對礦體強度造成不同程度的弱化。雨水增加斜坡上部自重，加之巖土體抗剪強度下降，致使其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而引起滑坡頻發(fā)。

3.2 滑坡的內(nèi)因

（1）地形地貌。南方稀土礦區(qū)多為低山丘陵地貌，表面形態(tài)起伏平緩，絕對高度一般小于600m，相對高度通常小于200m。稀土礦山自然坡度較小，對邊坡的穩(wěn)定性影響不大。巖土體產(chǎn)生的風(fēng)化和堆積作用比較嚴(yán)重，在礦山坡面的突出部位形成拉張應(yīng)力區(qū)，對坡體的滑移產(chǎn)生一定影響。

（2）巖土性質(zhì)。南方離子型稀土礦區(qū)土質(zhì)多為粉質(zhì)粘土，粘粒含量和粉土含量較大，其結(jié)構(gòu)疏松，在進水飽和后易發(fā)生下滑。礦山下部含礦層一般為花崗巖，風(fēng)化作用比較強烈，從而容易形成細長的裂縫，為溶液流動與顆粒運移提供了良好的通道，致使邊坡穩(wěn)定性下降，從而引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

3.3 滑坡的防治

（1）排水措施。稀土礦山主要采用地上排水措施，即用截水溝或排水溝將地表水引入天然溝谷或礦區(qū)采場外，盡量避免降雨入滲、地表徑流等影響。地表排水方便簡單、成本低、效果好、應(yīng)用廣，對礦區(qū)滑坡防治及其有效。由于地下排水措施可能將富有稀土離子的母液排出或流失，從而降低資源回收率，因此地下排水措施的適用性值得商榷。

（2）支擋工程。利用抗滑樁、錨索等支擋結(jié)構(gòu)物對滑坡體進行加固，防治效果良好，適合稀土礦山使用。支擋結(jié)構(gòu)物還包括擋土墻、土釘、土錨及坡面柔性防護結(jié)構(gòu)等，是邊坡治理中較常用的手段。通常是結(jié)合其他防治措施使用，防治效果極佳。在原地浸礦時，利用防水材料對陡峭斜坡體進行覆蓋，也可以有效隔開降水，起到防治滑坡的作用。

（3）斜坡體改造。對于斜坡體外部幾何形態(tài)進行改造，主要包括削坡減載的方式。通過對推動滑坡產(chǎn)生的山體部分進行改造，在一定程度上可以減少斜坡上部荷載，減小坡角，適用于厚層、斜坡角較大的礦山。但對于稀土礦山滑坡來說，改造斜坡體可能將花崗巖全風(fēng)化礦層暴露，在雨水沖刷和風(fēng)化作用下，可能導(dǎo)致稀土回收率下降。

（4）生物防治。在斜坡上種植植被，可以有效提高坡體的穩(wěn)定性。植被根系可有效提高巖土體的粘結(jié)力，減小表面沖刷及侵蝕作用，維護良好的生態(tài)平衡，使斜坡穩(wěn)定性提高。稀土礦山水土流失嚴(yán)重，種植植被不僅有利于生態(tài)恢復(fù)，還可優(yōu)化其他防治工程防治效果，可運用于稀土礦山滑坡預(yù)防和治理。

4 稀土礦山滑坡預(yù)測方法

滑坡預(yù)測作為礦山生產(chǎn)中防災(zāi)減災(zāi)的有效手段，一直被科研工作者和工程師廣泛關(guān)注。由于滑坡演化過程具有很強的不確定性，對于滑坡的預(yù)測是一個從定性向定量認(rèn)識的過程。在多年研究攻關(guān)下，滑坡預(yù)測領(lǐng)域取得了許多有益成果[8-10]，滑坡預(yù)測主要包括滑坡時間和滑坡空間的預(yù)報。離子型稀土滑坡預(yù)報方法，大致可以分為以下方法：

4.1 單體邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析有許多的方法，主要分為定性分析和定量分析。在滑坡研究中，工程實踐中應(yīng)用最早、計算方法比較簡單的方法是早期提出的一些定量分析方法，如瑞典條分法、Bishop條分法、極限平衡法等邊坡穩(wěn)定性分析，可以用來對滑坡的預(yù)測預(yù)報與監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理。隨著科技發(fā)展，邊坡工程中非連續(xù)性、非線性、不確定性等問題逐漸引起重視。

4.2 區(qū)域滑坡空間預(yù)測

隨著計算機技術(shù)興起，遙感技術(shù)、地信信息系統(tǒng)等新技術(shù)開始應(yīng)用于滑坡監(jiān)測預(yù)報中。利用地理信息技術(shù)、水文分布模型等對區(qū)域性滑坡空間的定量預(yù)測具有較好的適用性，在區(qū)域性滑坡災(zāi)害預(yù)警劃分的定量化評價方面起到了有力的推動作用。

4.3 經(jīng)驗-統(tǒng)計學(xué)方法預(yù)測

在滑坡預(yù)報領(lǐng)域的專業(yè)研究當(dāng)中，基于經(jīng)驗和統(tǒng)計學(xué)模型具有一定的可行性，如早期預(yù)報滑坡的經(jīng)驗公式及圖解方法——齋藤法，根據(jù)實際滑坡監(jiān)測時間-位移曲線提出的外延法等。統(tǒng)計預(yù)測模型主要有灰色GM（1,1）預(yù)測模型、灰色馬爾科夫鏈法、回歸分析模型及指數(shù)平滑法等。

4.4 新時代科技預(yù)報

基于數(shù)學(xué)理論和人工智能，許多模型及數(shù)值方法被發(fā)現(xiàn)可以適用于滑坡預(yù)測，如灰色理論、模糊理論、系統(tǒng)論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代數(shù)理理論及其改進模型，數(shù)值方法有邊界元、有限差分、數(shù)值流形法等。運用數(shù)據(jù)分析、智能算法等熱門方法對滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，主要包括數(shù)據(jù)分析、分類和預(yù)測等重點。非線性預(yù)測模型主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機法、時間序列法、新型ELM智能算法等。

5 結(jié)語與展望

（1）在原地浸礦工藝開采時，要高度重視地質(zhì)災(zāi)害及環(huán)境問題，滑坡災(zāi)害是南方離子型礦產(chǎn)資源開發(fā)與利用亟待解決的問題。

（2）根據(jù)滑坡的特征，離子型稀土礦滑坡可以分為表層滑坡和礦層滑坡，對于開發(fā)中的稀土礦山，需要全面分析潛在滑坡的基本特征。

（3）原地浸礦滑坡成因主要包括內(nèi)在因素和外在因素，需要結(jié)合所處的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景以及工程擾動和大氣降雨等因素綜合判定。

（4）滑坡預(yù)測主要包括滑坡時間和滑坡空間的預(yù)測預(yù)報。基于數(shù)學(xué)理論和人工智能的新時代科技預(yù)報手段，可以有效防治原地浸礦誘發(fā)滑坡，保障人民的生命和財產(chǎn)安全。