某離子型稀土礦邊坡穩(wěn)定性分析

陳榮軍，廖偉成，張耀平，張賢平（江西理工大學(xué)，.資源與環(huán)境工程學(xué)院；.應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州341000）

某離子型稀土礦邊坡穩(wěn)定性分析

陳榮軍a，廖偉成a，張耀平b，張賢平b
（江西理工大學(xué)，a.資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州341000）

摘要：依據(jù)某離子型稀土礦原地浸礦施工實(shí)例，使用有限差分軟件FLAC3D對其邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬滲流分析，得到了該稀土礦邊坡在持續(xù)大量注入溶浸液后的孔壓場、位移場、安全系數(shù)等數(shù)據(jù).分析結(jié)果表明：注液5~20 d內(nèi)孔壓場以大于15 kPa的速度增加，第20 d時孔壓增大到93.82 kPa，位移也迅速增大到-24.44 mm，安全系數(shù)由施工前的1.74迅速減小到1.31.開挖集液暗溝后，注液第20~ 30 d的孔壓穩(wěn)定在85.33~85.61 kPa，累積最大位移為-25.26~-26.16 mm，安全系數(shù)穩(wěn)定在1.27，總體來看，邊坡能維持長期穩(wěn)定.

關(guān)鍵詞：原地浸出；離子型稀土礦；邊坡穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；滲流

離子型稀土富含世界上短缺的中、重稀土元素，具有很高的經(jīng)濟(jì)與戰(zhàn)略價值，被我國政府列為保護(hù)型開采的礦種之一[1-2].含稀土離子的母巖經(jīng)風(fēng)化、溶解，產(chǎn)生稀土陽離子，陽離子經(jīng)黏土礦物吸附富集而形成離子吸附型稀土礦[3-6].離子型稀土礦一般賦存于花崗巖等火成巖的風(fēng)化殼中，礦體呈層狀分布于被風(fēng)化、剝蝕、沖刷而形成的準(zhǔn)丘陵地帶中[7-10].該礦種埋藏較淺，所在山體由淺往深部一般是表土層、全風(fēng)化層、半風(fēng)化層、微風(fēng)化層和基巖，稀土離子主要存在全風(fēng)化層和半風(fēng)化層中[11].針對離子型稀土礦，目前主要采用地表原地淺井浸出[12].浸礦施工時，由于向山體風(fēng)化礦層注入大量浸出藥劑，使風(fēng)化礦層含液量增加，同時浸出藥劑與稀土礦的置換過程會減小風(fēng)化礦層的強(qiáng)度參數(shù)，使風(fēng)化礦層穩(wěn)定性變差，進(jìn)而發(fā)生滑坡[13-14].基于此，本文通過FLAC3D的流固耦合的實(shí)例分析，研究某稀土礦山持續(xù)注液對山體邊坡的孔壓場、位移場和安全系數(shù)的影響情況.研究結(jié)果為離子型稀土礦原地浸礦采場的施工提供理論依據(jù).

1　某稀土礦工程概況

該稀土礦山體淺層為厚約1~10 m的表土層、全風(fēng)化礦層，為離子型稀土賦存層，下部基巖為完整性好的花崗巖，是山體含水層下隔水體.山體邊坡長約50 m，寬約30 m，高約30 m，山體坡度25°~ 40°；礦區(qū)植被多處中幼齡；礦區(qū)地表水主要是山間溝谷溪流，平水期水流量約0.5~100 L/s，受季節(jié)影響較大.礦山平均每天向山體內(nèi)部注入約100 m3浸礦藥劑，有研究結(jié)果表明，當(dāng)液固比為0.8時能有效控制母液量和母液濃度[15].圖1為該礦山原地浸礦邊坡剖面圖.

圖1　原地浸礦邊坡剖面圖Fig.1 Slope section of local dissolving leaching mining

2　數(shù)值計算模型及邊界條件

2.1幾何模型

建立數(shù)值模型時網(wǎng)格的劃分影響到計算的效率. FLAC3D的流固耦合分析模型包含流、固體2種模型，F(xiàn)LAC3D在流固耦合問題上需要加倍的計算步，網(wǎng)格劃分的疏密程度極大地影響計算的速度，因此在建模時將數(shù)值模型含礦層網(wǎng)格劃分較密，基巖強(qiáng)度較高，形變小，網(wǎng)格劃分相對較疏.本次數(shù)值模型建立過程如下：將原地浸礦邊坡的左下側(cè)角點(diǎn)定義為原點(diǎn)O（0，0），邊坡最右側(cè)邊界的X=50 m；數(shù)值模型的底部邊界的Z=-10 m，頂部邊界縱坐標(biāo)Z=30 m，邊坡總面積約為800 m2.為簡化計算，將三維邊坡穩(wěn)定分析簡化為二維的平面問題，平面應(yīng)變計算模型如圖2所示，從上往下分別是全風(fēng)化礦層、半風(fēng)化層、基巖，模型單元數(shù)為10 600，節(jié)點(diǎn)數(shù)13 131.

圖2　原地浸礦邊坡數(shù)值模型平面模型Fig.2 Local dissolving leaching mining numerical model of slope plane model

2.2邊界條件及參數(shù)

依據(jù)數(shù)值模型及原地浸礦施工工藝的特點(diǎn)，確定流固體分析的力學(xué)邊界條件時固定X=-10 m、X= 50 m面的水平位移，固定Y軸方向的前后邊界的水平位移，固定Z=-10 m面的垂直位移.做流體分析時設(shè)置基巖為不滲透材料，設(shè)置坡面與坡頂面為透水自由面.

對巖土工程數(shù)值分析影響較大的是材料的物理力學(xué)參數(shù)，其取值的準(zhǔn)確性與合理性直接關(guān)系到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性.參考類似礦山及巖土質(zhì)材料強(qiáng)度參數(shù)，本次數(shù)值分析材料物理力學(xué)參數(shù)見表1所示.

表1　模型材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Material physical and mechanical parameters

3　注液邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

根據(jù)基巖在山腳出露與否，集液時采用明溝和暗溝來集液.明溝集液的集液明溝設(shè)置在山腳溝谷部位，緊挨礦體一側(cè)，浸出液能沿基巖斜面向山體坡面滲出，進(jìn)入集液明溝.暗溝網(wǎng)集液的暗集液溝是由地表的坡腳處向山體內(nèi)打高1.6 m、寬0.6 m的傾斜梯形暗溝，浸出液沿暗溝流出地表.本研究的稀土礦實(shí)例中基巖在山體坡腳處出露，浸出液能沿基巖滲出到地表，因此采用明溝集液的原地淺井浸出法采礦.

本次數(shù)值分析計算設(shè)置為巖土的干密度，由FLAC3D軟件自動計算每個單元的飽和重度.流固耦合分析計算過程為：①計算含礦山體邊坡的原始應(yīng)力；②FLAC3D流固耦合排水分析中，孔壓場不與應(yīng)力場耦合，可以加快運(yùn)算速率.計算中先單滲流計算，后單力學(xué)計算.

3.1孔隙水分析

浸礦注液使山體坡含液量迅速增加，溶浸液沿基巖斜面向下滲流，并在基巖斜面最先達(dá)到飽和，形成有一定厚度的飽和體.注液施工持續(xù)時，前期注液量大于滲出的集液量，飽和體厚度增大，液面逐漸接近山體坡面.中期注液量與集液量相當(dāng)，飽和體厚度將不變，后期注液量減小或停止注液時，飽和體厚度減小.注液量為100 m3/d的不同時刻坡體孔隙水壓力云圖如圖3所示.因FLAC3D滲流計算中默認(rèn)未飽和體的孔隙水壓力為0，因此認(rèn)為圖3中藍(lán)色區(qū)域均未飽和.由圖3（a）~圖3（d）可以看出，飽和體厚度迅速增大，在坡腳位置增大最快，說明注液5~20 d內(nèi)的溶浸液注入速度大于浸出液滲出速度.由圖3（d）~圖3（f）可知，飽和體厚度基本不變，說明注液20~30 d內(nèi)溶浸液注入速度與浸出液滲出速度持平，且注液20 d時飽和礦層與近地表風(fēng)化層（注液孔區(qū)域先受注液滲流浸潤作用）都能受到浸礦液浸潤.圖4是孔隙水壓力隨注液時間變化的折線圖.由圖4可以看出，注液5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d的孔隙水壓力為37.75 kPa、53.11 kPa、69.57 kPa、93.82 kPa、96.51 kPa、97.36 kPa.這些數(shù)據(jù)可以說明，注液5~20 d的孔隙水壓力每5 d最少增大15.36 kPa，20 d后每5 d最大增加2.69 kPa，說明注液20 d后，浸礦邊坡每天的注液量比收液量略大.

圖3　注液期每隔5 d的孔隙水壓力云圖Fig.3 Pore water pressure graphics of liquid injection every 5 d

圖4　最大孔隙水壓力隨注液時間變化圖Fig.4 Graphics of maximum pore water pressure with liquid injection time variation

3.2位移分析

原地淺井浸出法的施工過程中，浸礦藥劑從注液孔注入，使風(fēng)化礦層巖土的黏結(jié)力降低.文獻(xiàn)[15]的研究表明，原地浸礦使風(fēng)化礦層的黏結(jié)力在15 d內(nèi)會減小50 %，因此在模擬分析中需對邊坡材料參數(shù)進(jìn)行折減.本次模擬分析中的參數(shù)折減方案是：在注液中的第5 d、10 d、15 d，將風(fēng)化礦層的內(nèi)聚力折減為注液前的0.85、0.7、0.5倍.

在FLAC3D滲流模式下的原地淺井浸出分析表明，隨著注液施工的進(jìn)行，使原本穩(wěn)定的邊坡發(fā)生了較大位移.圖5為注液達(dá)20 d的邊坡垂直位移云圖，圖6為邊坡最大垂直位移隨注液時間累積折線圖.從圖5~圖6可以看出，注液后邊坡產(chǎn)生較大位移，邊坡注液5 d、10 d、15 d、20 d的最大位移分別是-2.79 mm、-4.66 mm、-10.33 mm、-24.44 mm（文中位移為負(fù)，表示位移方向與坐標(biāo)正軸方向相反，），注液期前期山體內(nèi)部溶液相對較少，溶浸液與稀土離子的交換反映較緩慢，對巖土邊坡的總體強(qiáng)度影響較小，邊坡是穩(wěn)定的.當(dāng)注液時間達(dá)15~20 d時，坡體含液量大，大部分風(fēng)化礦層都受到溶浸液的浸潤作用，離子交換反映劇烈，加上溶液自重的影響，邊坡穩(wěn)定性變差，發(fā)生較大位移.當(dāng)注液時間超過20 d時，計算不收斂，坡腳位置全風(fēng)化層全部為剪應(yīng)力屈服狀態(tài)，表明已經(jīng)發(fā)生滑坡，滑面為全風(fēng)化礦層沿半風(fēng)化層滑移.分析表明：連續(xù)注液超過20 d時，邊坡越來越趨近滑坡臨界點(diǎn)，應(yīng)采取維護(hù)措施防止滑坡.

圖5　注液20 d邊坡垂直位移云圖Fig.5 Graphics of adding liquid 20 d vertical slope displacement

圖6　邊坡最大位移隨時間累積折線圖Fig.6 Line chart with largest slope displacement accumulated over time

3.3安全系數(shù)計算

使用FLAC3D對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)進(jìn)行求解，得到邊坡持續(xù)注液20 d內(nèi)不同時間點(diǎn)的安全系數(shù). 圖7為安全系數(shù)變化折線圖.由圖7可以看出：未浸礦施工時的安全系數(shù)是1.74；施工5 d后邊坡安全系數(shù)是1.71，與未施工時的安全系數(shù)相比變化較小，邊坡較穩(wěn)定；施工10 d、15 d對應(yīng)的安全系數(shù)是1.64、1.56，可以看出浸礦藥劑開始發(fā)揮作用，減小了坡體巖土強(qiáng)度，對邊坡穩(wěn)定性影響較大；當(dāng)施工時間達(dá)20 d時對應(yīng)邊坡安全系數(shù)是1.31，是因為浸礦藥劑使邊坡的黏結(jié)力大幅度減小，而大量藥劑存于坡體內(nèi)增大坡體自重.根據(jù)圖7折線曲率變化，以及注液量依舊偏大，當(dāng)注液達(dá)到20~25 d，邊坡安全系數(shù)將越來越趨近于1.上述分析表明：隨著浸礦注液量及浸礦時間的增加，土體含液量大幅增加，黏結(jié)力不斷減小，使得邊坡從穩(wěn)定狀態(tài)趨于不穩(wěn)定狀態(tài).

圖7　邊坡安全系數(shù)隨時間變化折線圖Fig.7 Line chart of slope safety factor changing with time

3.4暗溝集液

根據(jù)以上對邊坡浸礦的數(shù)值分析可知，邊坡在注液20 d后的每天浸出母液量比注液量略小，孔隙水壓力雖緩慢增大，但位移迅速增大，說明邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài).認(rèn)為20 d后100 m3/d的注液量過大，應(yīng)適當(dāng)減小.

為使浸礦施工能持續(xù)進(jìn)行，且不影響浸礦效率，注液量的減小應(yīng)適當(dāng)，另可通過在坡腳處開挖暗溝，增加浸出液滲出通道，讓坡腳處及附近區(qū)域的浸出母液快速流出，以減小坡體的含液量，維持邊坡穩(wěn)定.參考類似暗溝開挖工藝，認(rèn)為暗溝的布置為高1.6 m，寬0.6 m左右的傾斜梯形暗溝，暗溝間距8 m，每米溝的滲液面積達(dá)到4 m2，可以達(dá)到很好的收液效果.

為不影響前期注液，暗溝從注液的第20 d開始向外導(dǎo)出浸出液為最佳，則暗溝的開挖時間應(yīng)該在注液第20 d左右，考慮施工的安全，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，將暗溝用密集的倒流管代替.注液第20 d將注液量減小到80 m3/d.圖8~圖9為注液第30 d的孔隙水壓力云圖和位移云圖.圖8中黑色網(wǎng)格為暗溝位置，暗溝延伸至基巖面，計算中設(shè)置暗溝為自由透水邊界.從圖8可以看出暗溝起到了截流的作用.計算結(jié)果表明，注液25 d、30 d的最大孔隙水壓力分別為85.33 kPa、85.61 kPa，說明25~30 d內(nèi)的孔隙水壓力變化很小.和開挖暗溝前相比較，第20 d的孔隙水壓力明顯更小.由圖8可知邊坡坡腳處溶液大部分釋放出來，邊坡最大位移為-26.16 mm.圖10為30 d內(nèi)邊坡最大位移累積折線圖，由圖10可知開挖暗溝后邊坡位移變化很小.繼續(xù)對邊坡安全系數(shù)求解可得第25 d、30 d的安全系數(shù)均為1.27，也說明暗溝對維持邊坡穩(wěn)定起到重要作用.

圖8　注液30 d后孔隙水壓力云圖Fig.8 Graphics of pore water pressure after 30 d adding liquid

圖9　注液30 d邊坡垂直位移云圖Fig.9 Graphics of vertical slope displacement after 30 d adding liquid

圖10　邊坡最大位移隨時間累積折線圖Fig.10 Line chart with largest slope displacement accumulated over time

4　結(jié)　論

運(yùn)用FLAC3D軟件可以有效模擬計算離子型稀土原地浸礦邊坡孔隙水壓力、位移、安全系數(shù)隨注液時間的變化.模擬分析結(jié)果表明：

1）注液20 d后，坡體內(nèi)部飽和液面能覆蓋大部分風(fēng)化礦層.注液持續(xù)到5 d、10 d、15 d、20 d時，邊坡最大孔隙水壓力分別為37.75 kPa、53.11 kPa、69.57 kPa、93.82 kPa，變化較大，20 d、25 d時邊坡最大孔壓為96.51 kPa、97.36 kPa，變化較小，說明注液0~20 d平均每天注液量遠(yuǎn)大于集液量，開挖暗溝后5 d內(nèi)平均每天注液量極為接近集液量.

2）邊坡在注液0~20 d內(nèi)位移不斷增大，第20 d時最大位移達(dá)-24.44 mm.開挖集液暗溝后，第5 d、10 d（即注液第25 d、30 d）邊坡最大位移值為-25.26 mm、-26.16 mm，相比第20 d的位移值變化較小，邊坡是穩(wěn)定的.

3）隨著注液施工的進(jìn)行，邊坡安全系數(shù)在注液的第0 d、5 d、10 d、15 d、20 d分別為1.74、1.71、1.64、1.56、1.31，開挖暗溝后5 d內(nèi)邊坡的安全系數(shù)穩(wěn)定在1.27，表明邊坡能維持穩(wěn)定，集液暗溝起到重要作用.

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Slope stability analysis of an ionic rare earth mine

CHEN Rongjuna，LIAO Weichenga，ZHANG Yaopingb，ZHANG Xianpingb
（a.School of Resource and Environmental Engineering; b.College of Applied Science, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China）

Abstarct：The Flac3Dsoftware, frequently-used finite difference software was used for slope stability transfusion numerical modeling. This modeling operation was based on the practice of In-situ leaching mining in an ionic rare-earth mine. Lots of parameters were obtained after large injecting of leaching solution, such as hole temperature-pressure, displacement field, safety factor and so on. The results show that hole temperature-pressure increases with the speed over 15 Kpa after injected leaching solution 5-20 days, and reaches 93.82 kPa in the final day; the displacement is expanded to -24.44 mm in a fast speed. The safety factor quickly reduces to 1.31 from 1.74 before construction. After the excavation of intercepting drainage, hole temperature-pressure remains at 85.33~85.61 Kpa if leaching solution injection lasting for another 10 days with accumulated maximum displacement being -25.26 ~- 26.16 mm. The safety coefficient of slope achieves a stable level of 1.27 and the slope can maintain long-term stability generally.

Key words:in-situ leaching mine;ionic rare earth mine;slope stability;numerical simulation; transfusion

通信作者：張賢平（1964-），男，碩士，副教授，主要從事環(huán)境地質(zhì)與災(zāi)害地質(zhì)方面研究，E-mail：zhangxpok@126.com.

作者簡介：陳榮軍（1991-），男，碩士研究生，主要從事巖石力學(xué)與工程方面研究，E-mail：18070473937@163.com.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（41462016）

收稿日期：2014-12-25

DOI：10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.04.022

文章編號：1674-9669（2015）04-0111-05

中圖分類號：TD854.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A