2015, Vol. 6引用本文 |
| 离子型稀土原地浸矿采场山体滑坡防控试验研究 |  [PDF全文] |
2. 江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000
2. School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi Uiversity of Sience and Tchnology, Ganzhou 341000, China
离子型稀土资源的开采采用原地浸矿工艺，该工艺具有资源回收率高、绿色、环保、适应性强等优点，已成为国家极力推广应用的离子型稀土矿开采工艺[1-4].但该工艺如果技术上及生产过程中操作、控制不当等，就容易发生山体滑坡等地质灾害现象[5-6]，从而损失稀土资源，给人民的生命财产安全带来威胁[7-8]，赣州地区曾发生多次稀土矿山山体滑坡事故，因此，有针对性地研究离子型稀土原地浸矿开采山体滑坡防控技术显得尤为重要.某稀土矿区为山体滑坡高危矿区，通过现场调查、室内试验和生产勘探等工作，对试验矿块进行单体设计、山体滑坡防控工程建设方案设计和山体滑坡在线监测技术方案及现场监测实施方案设计，结合矿山工程实际，采用多种山体滑坡防控技术措施组合，增大试验采场安全稳定系数，避免了滑坡灾害的发生，保障了稀土矿山的安全生产.
1 试验采场概况某矿区为花岗岩风化壳离子型中重稀土矿床，矿区面积23.30 km2，赋存有砷钇矿和钛钇矿等罕见稀土矿物，具有极高的经济价值和战略价值.试验采场位于某稀土矿水冶车间东北部，距离车间约300 m，采场高差约40 m、宽度约50 m、走向长度约100 m，试验采场山体坡度28°~34°.试验采场山体地表植被较多，表土层厚有0~3 m，稀土品位0.035 %，为天然底板不完全裸脚式高钇稀土矿.紧邻试验采场20 m处是一山体滑坡体，滑面呈山顶至山脚整体滑落，滑坡体宽度约30 m，见图 1.
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| 图 1 试验采场附近滑坡体滑坡剖面图 Fig. 1 Landslide profile of a landslide body near the test stope |
2 试验采场开采
试验采场采用原地浸矿工艺开采.采用硫酸铵作为浸矿剂、注液孔注液、收液巷道及分支巷道+集液沟的截流收液方式回收稀土母液，其主要工程包括注液工程、收液工程、管路工程及监控工程等.
1）注液工程.在试验矿块附近较高的山顶上建立高位水池，从水冶车间将配好的浸矿液或清水抽至高位池，再用PVC管从高位池接至试验采场.根据试验采场坡面变化，注液孔网度（2~2.5）m×（2~3）m，注液孔一般为见矿1~1.5 m深.注液孔内放置塑料管插至孔底，塑料管至孔壁间用充填物进行充填.
2）收液工程.试验采场采用天然底板+辅助收液巷道的形式进行收液.在矿体范围天然底板上部单向平行掘进收液巷道4条，巷道断面为梯形，巷道坡度为2°~3°，巷道间距50 m，巷道内每隔1 m进行木支架支护.收液巷道施工完成后，在巷道底部自里向外开挖集液沟，在每条集液沟末端巷道口筑坝并挖一个沉砂池，以防止集液沟内泥沙堵塞收液管路，沉沙池用管道直接连接到母液池.在矿体外部较低位置修筑母液池，由水泵将母液抽至水冶车间.
3）管路工程.从水冶车间至高位池铺设主管，并接入水表控制流量.高位池至采场铺设分管，分管安装闸阀，控制各支路流量.支路至各个注液孔铺设小口径PVC管，安装水龙头控制注液孔注液速率.
4）监控工程.在矿体注液范围外的山脚，打若干个垂直观测井.定时巡查母液是否存在跑漏现象，一旦出现跑漏现象，可及时采取措施，进行回收.
3 山体滑坡主要原因及防控分析采用原地浸矿技术开采的稀土矿山，由于在开采时需对浸矿山体进行注液[9]，改变了山体原有的岩土重力分布应力状况，打破了山体原有的重力平衡状态.如果矿山在生产过程中，人为加大注液量，增大注液强度，就会导致山体含水量长时间处于饱和状态，山体抗剪切能力下降，致使采场下部坡面临空面失稳，牵引上部采场表面坡积层和全风化层岩土向下滑动，从而引发山体滑坡地质灾害.尤其在雨季，雨水的渗入使正在开采的采场短时间内达到超饱和状态，更易诱发范围更广、规模更大的山体滑坡灾害.
一般原地浸矿采场可视为均匀黏质渗流土坡，其稳定状态取决于土体颗粒的受力状态，只要坡面上的颗粒能保持稳定，整个土坡便能趋于稳定.而土粒主要受到自身重力、滑面抗滑力和沿渗流逸出方向渗透力的作用，其沿表面滑动的稳定性安全系数[10]：
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(1) |
式（1）中：R为抗滑力；T为滑动力；c为内聚力；φ为摩擦角；W为土体颗粒自重；β为坡面角；θ为颗粒逸出方向与水平面夹角；U为浸矿液产生的渗透力.
特别地，当渗流方向为顺坡流出时，即θ=β：
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(2) |
式（2）表明，防控正在注液开采、易发生滑坡的采场，其关键在于通过一定的工程技术措施和合理的矿山管理制度，改善采场岩土体的力学强度（提高c、φ值），减小滑动力T，增大抗滑力R.离子型稀土矿山边坡工程安全等级评定为二级，其对应边坡安全系数Fs应大于1.2[11].
原地浸矿工艺其本身就是一个水循环闭路系统，矿土层水饱和度与稀土资源回收率密切相关，为了提高资源回收率就必须尽量减少注液盲区[12-13]，是区别于其他边坡防治工程的最大不同点.水对岩土边坡的致灾作用明显，结合原地浸矿工艺自身的特点，采场滑坡防控的核心工作在于控水，工程治理重点在于维护采场下部坡体临空面的稳定.
4 山体滑坡防控技术措施某稀土矿属山体滑坡高危矿区，先后发生3处较大面积的山体滑坡，试验采场距离最近滑坡体仅20 m，因此针对该试验采场所处的特殊地质环境，结合矿山实际情况，采取如下山体滑坡防控技术措施.
4.1 建立水位监测系统水位监测系统采用生产勘探的探孔作监测观察孔，每个孔内放置PVC管以防孔壁垮塌，可及时掌握采场注液范围内水位变化情况，见图 2.一般注液一段时间后，孔内水位将逐渐上升，并稳定在某一区间内.一旦发现液位超常，应立即对周边注液孔进行局部控制处理.
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| 图 2 试验采场水位监测工程 Fig. 2 Water level monitoring project in the test stope |
4.2 建立防排水系统
试验采场开采前，必须建立防排水系统，从而保证暴雨或山洪暴发时，采场标高较低处的地表径流洪水能顺利从防排水系统排出，避免径流水倒灌收液巷道；采场标高较高处的防排水措施主要依靠避水沟和导流孔，从而有效防止暴雨直接渗入到注液井或山体内部.
4.3 建立现场监测系统试验采场属于滑坡易发区，试验时在采场安装位移和土压力传感器进行监测，见图 3，利用采场表面位移和内部土压力的变化，来动态监控采场的健康状态[14]，反映采场的稳定性趋势，及时作出处置措施以保证矿山安全可持续生产.
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| 图 3 试验采场位移监测传感器 Fig. 3 Fracture displacement monitoring sensor |
4.4 制定人工巡视制度
由于试验采场管道和注液井数目众多，容易出现跑冒滴漏现象[15].一旦发生类似现象，流量较小则渗入土体，干扰注液过程，影响资源回收；流量较大时则冲刷山坡表面，进入表土层使表土泥化，造成山体滑坡.因此，必须制定严格的巡查制度，加强采场巡视，及时处理好管道脱落、开裂与漏水等故障[6]，避免因管道事故所引起的采场滑坡.
4.5 严控临界注液强度根据类似矿山经验数据并结合试验采场实际情况，试验采场单孔安全注液强度不超过0.9 m3/d，正常生产时期临界注液量不超过765 m3/d.试验采场坡面位移监测表明，在被浸矿体未完全浸透时期（即收液巷道未出液之前），硫酸铵注液量超过765 m3/d时，就会显现山体裂缝，裂缝位移以0.5~1 mm/d的速度递增，路边陡坎处临空面会发生小面积崩塌.而硫酸铵注液量降到765 m3/d以下时，试验采场山体又能趋于稳定，见图 4.
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| 图 4 注液量与裂缝位移关系 Fig. 4 Relationship between injection rate and fracture displacement |
经过6个多月的现场试验，试验采场硫酸铵注液量控制在680~765 m3/d是合适的，与矿山实践经验吻合.完全浸透时期（转注上清液后）可微量增加，但注水量也不应超过850 m3/d.
4.6 优化注液工程参数注液孔中注液面要严格控制在表土层以下，禁止浸矿液注入表土层与全风化层的过渡带中，以免发生气泡堵塞与固体堵塞现象.根据某矿山实际情况，将注液孔深一般为见矿1~1.5 m调整为0.5~1 m，提高稀土综合回收率.此外，还须采取护井措施，可用填塞茅草保护注液井，塑料管至孔壁间用茅草类充填物进行充填，充填物高度以矿体与表土的分界处为宜.
4.7 采用人工加固工程试验采场周边数处滑坡均属浅层小型圆弧滑坡，滑动面位于表土层和矿土层交界处，根据该试验矿块的地质岩土特征及开采的实际情况，以及基岩（半风化层）埋藏深度，选用φ32 mm螺纹钢+混凝土灌浆抗滑桩，并辅以φ16 mm钢丝绳联结作为人工加固工程，在采场陡峭处局部布置.试验采场人工加固工程布置见图 5，试验采场抗滑桩布置见图 6.
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| 图 5 试验采场人工加固工程布置图 Fig. 5 Arrangement of artificial reinforcement project |
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| 图 6 试验采场抗滑桩布置图 Fig. 6 Construction of anti-slide pile |
试验采场防控加固区域：沿走向长度30~50 m，沿倾向方向从采场底部向上10~15 m，抗滑桩间距5~10 m，抗滑桩排距5m.抗滑桩出露地表长度0.2 m，桩底深入半风化层下部0.5~1 m，桩身与山体倾斜度约为10°.对于特别陡峭的采场或局部地段，可在坡面铺设格栅网，即从上往下铺挂10 mm×10 mm土工布，每张格栅网均与四周支撑绳进行固定联结.防控加固区域见图 5网状区域.
注液开始后，浸矿液带走了矿土中的稀土离子，原有矿土结构被破坏[16]，在水的作用下，采场发生部分沉降和下移.随着采场沉降和山体下移的加剧，抗滑桩上部与表土产生离层现象（见图 6），但桩底部仍未发生位移变化，采场相对于抗滑桩产生了竖直向下和沿着山体滑动的位移，抗滑桩前沿土体基本完整，而抗滑桩后沿土体出现较小缝隙和塌陷现象，表明抗滑桩在稀土矿开采时能起到阻止或减少山体下滑的作用，在技术上是可行的，可提高在采采场的稳定性.
5 结束语试验采场由于采取了防控技术措施，开采期间经历了多次大暴雨冲击，都未产生山体滑坡现象，与试验采场周边多处滑坡形成鲜明对比.试验研究表明，建立水位监测、防排水、现场监测3大系统，制定人工巡视和严控临界注液强度制度，实施优化注液工程参数和人工加固工程，形成“二工程二制度三系统”的策略组合，可使稀土矿区山体滑坡得到有效控制，避免了矿区大面积地质灾害的发生，安全有效地回收了宝贵的稀土资源，较好地解决了离子型稀土原地浸矿开采山体滑坡防控问题，研究成果具有较强的现实意义和良好的经济社会效益.
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