離子型稀土原地浸礦采場山體滑坡防控試驗(yàn)研究

張樹標(biāo)，李明才，饒運(yùn)章，饒睿，鐘健民（.贛州有色冶金研究所，江西贛州34000；.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州34000）

離子型稀土原地浸礦采場山體滑坡防控試驗(yàn)研究

張樹標(biāo)1，李明才1，饒運(yùn)章2，饒睿1，鐘健民1
（1.贛州有色冶金研究所，江西贛州341000；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000）

摘要：針對離子型稀土原地浸礦開采采場滑坡易發(fā)頻發(fā)問題，在某滑坡高危稀土礦區(qū)開展了滑坡防控試驗(yàn)研究，通過建立水位監(jiān)測系統(tǒng)、防排水系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)、制定人工巡視制度、嚴(yán)控臨界注液強(qiáng)度，以及實(shí)施優(yōu)化注液參數(shù)和人工加固工程的策略組合，控制試驗(yàn)采場硫銨臨界注液量765 m3/d，采用螺紋鋼+混凝土灌漿抗滑樁并輔以鋼絲繩聯(lián)結(jié)的人工加固工程，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)采場的安全回采，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和良好的經(jīng)濟(jì)社會效益.

關(guān)鍵詞：離子型稀土；原地浸礦；山體滑坡；防控措施

On landslide prevention and control of in-situ leaching stope of ion-adsorbed rare earth

ZHANG Shubiao1，LI Mingcai1，RAO Yunzhang2，RAO Rui1，ZHONG Jianmin1
（1.Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute，Ganzhou 341000，China; 2. School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi Uiversity of Sience and Tchnology，Ganzhou 341000，China）

Abstract:In order to solve stope landslide prone problem in ion-type rare earth mines, a field experiment in a landslide prone region was conducted to find out the prevention and control measures. Through the establishment of water level monitoring system, waterproof and drainage system and field monitoring system, combining with manual inspection, critical injection strength, injection parameters optimization and artificial reinforcement strategy with strict control thiamine injection ceiling at 765 m3/d and steel concrete grouting plus anti slide pile with steel wire connection of artificial reinforcement engineering, safety production of experiment stope and effective recovery of rare earth resources were obtained. The experiment proves that the research result and solutions to landside have strong practical significance and good economic-social benefits. Key words:ion- adsorbed rare earth;in-situ leaching;landslide;prevention and control

離子型稀土資源的開采采用原地浸礦工藝，該工藝具有資源回收率高、綠色、環(huán)保、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為國家極力推廣應(yīng)用的離子型稀土礦開采工藝[1-4].但該工藝如果技術(shù)上及生產(chǎn)過程中操作、控制不當(dāng)?shù)?，就容易發(fā)生山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[5-6]，從而損失稀土資源，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅[7-8]，贛州地區(qū)曾發(fā)生多次稀土礦山山體滑坡事故，因此，有針對性地研究離子型稀土原地浸礦開采山體滑坡防控技術(shù)顯得尤為重要.某稀土礦區(qū)為山體滑坡高危礦區(qū)，通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和生產(chǎn)勘探等工作，對試驗(yàn)礦塊進(jìn)行單體設(shè)計(jì)、山體滑坡防控工程建設(shè)方案設(shè)計(jì)和山體滑坡在線監(jiān)測技術(shù)方案及現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)施方案設(shè)計(jì)，結(jié)合礦山工程實(shí)際，采用多種山體滑坡防控技術(shù)措施組合，增大試驗(yàn)采場安全穩(wěn)定系數(shù)，避免了滑坡災(zāi)害的發(fā)生，保障了稀土礦山的安全生產(chǎn).

1　試驗(yàn)采場概況

某礦區(qū)為花崗巖風(fēng)化殼離子型中重稀土礦床，礦區(qū)面積23.30 km2，賦存有砷釔礦和鈦釔礦等罕見稀土礦物，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略價(jià)值.試驗(yàn)采場位于某稀土礦水冶車間東北部，距離車間約300 m，采場高差約40 m、寬度約50 m、走向長度約100 m，試驗(yàn)采場山體坡度28°～34°.試驗(yàn)采場山體地表植被較多，表土層厚有0～3 m，稀土品位0.035 %，為天然底板不完全裸腳式高釔稀土礦.緊鄰試驗(yàn)采場20 m處是一山體滑坡體，滑面呈山頂至山腳整體滑落，滑坡體寬度約30 m，見圖1.

圖1　試驗(yàn)采場附近滑坡體滑坡剖面圖Fig.1 Landslide profile of a landslide body near the test stope

2　試驗(yàn)采場開采

試驗(yàn)采場采用原地浸礦工藝開采.采用硫酸銨作為浸礦劑、注液孔注液、收液巷道及分支巷道+集液溝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、管路工程及監(jiān)控工程等.

1）注液工程.在試驗(yàn)礦塊附近較高的山頂上建立高位水池，從水冶車間將配好的浸礦液或清水抽至高位池，再用PVC管從高位池接至試驗(yàn)采場.根據(jù)試驗(yàn)采場坡面變化，注液孔網(wǎng)度（2～2.5）m×（2～3）m，注液孔一般為見礦1～1.5 m深.注液孔內(nèi)放置塑料管插至孔底，塑料管至孔壁間用充填物進(jìn)行充填.

2）收液工程.試驗(yàn)采場采用天然底板+輔助收液巷道的形式進(jìn)行收液.在礦體范圍天然底板上部單向平行掘進(jìn)收液巷道4條，巷道斷面為梯形，巷道坡度為2°～3°，巷道間距50 m，巷道內(nèi)每隔1 m進(jìn)行木支架支護(hù).收液巷道施工完成后，在巷道底部自里向外開挖集液溝，在每條集液溝末端巷道口筑壩并挖一個(gè)沉砂池，以防止集液溝內(nèi)泥沙堵塞收液管路，沉沙池用管道直接連接到母液池.在礦體外部較低位置修筑母液池，由水泵將母液抽至水冶車間.

3）管路工程.從水冶車間至高位池鋪設(shè)主管，并接入水表控制流量.高位池至采場鋪設(shè)分管，分管安裝閘閥，控制各支路流量.支路至各個(gè)注液孔鋪設(shè)小口徑PVC管，安裝水龍頭控制注液孔注液速率.

4）監(jiān)控工程.在礦體注液范圍外的山腳，打若干個(gè)垂直觀測井.定時(shí)巡查母液是否存在跑漏現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)跑漏現(xiàn)象，可及時(shí)采取措施，進(jìn)行回收.

3　山體滑坡主要原因及防控分析

采用原地浸礦技術(shù)開采的稀土礦山，由于在開采時(shí)需對浸礦山體進(jìn)行注液[9]，改變了山體原有的巖土重力分布應(yīng)力狀況，打破了山體原有的重力平衡狀態(tài).如果礦山在生產(chǎn)過程中，人為加大注液量，增大注液強(qiáng)度，就會導(dǎo)致山體含水量長時(shí)間處于飽和狀態(tài)，山體抗剪切能力下降，致使采場下部坡面臨空面失穩(wěn)，牽引上部采場表面坡積層和全風(fēng)化層巖土向下滑動(dòng)，從而引發(fā)山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害.尤其在雨季，雨水的滲入使正在開采的采場短時(shí)間內(nèi)達(dá)到超飽和狀態(tài)，更易誘發(fā)范圍更廣、規(guī)模更大的山體滑坡災(zāi)害.

一般原地浸礦采場可視為均勻黏質(zhì)滲流土坡，其穩(wěn)定狀態(tài)取決于土體顆粒的受力狀態(tài)，只要坡面上的顆粒能保持穩(wěn)定，整個(gè)土坡便能趨于穩(wěn)定.而土粒主要受到自身重力、滑面抗滑力和沿滲流逸出方向滲透力的作用，其沿表面滑動(dòng)的穩(wěn)定性安全系數(shù)[10]：

式（1）中：R為抗滑力；T為滑動(dòng)力；c為內(nèi)聚力；φ為摩擦角；W為土體顆粒自重；β為坡面角；θ為顆粒逸出方向與水平面夾角；U為浸礦液產(chǎn)生的滲透力.

特別地，當(dāng)滲流方向?yàn)轫樒铝鞒鰰r(shí)，即θ=β：

式（2）表明，防控正在注液開采、易發(fā)生滑坡的采場，其關(guān)鍵在于通過一定的工程技術(shù)措施和合理的礦山管理制度，改善采場巖土體的力學(xué)強(qiáng)度（提高c、φ值），減小滑動(dòng)力T，增大抗滑力R.離子型稀土礦山邊坡工程安全等級評定為二級，其對應(yīng)邊坡安全系數(shù)Fs應(yīng)大于1.2[11].

原地浸礦工藝其本身就是一個(gè)水循環(huán)閉路系統(tǒng)，礦土層水飽和度與稀土資源回收率密切相關(guān)，為了提高資源回收率就必須盡量減少注液盲區(qū)[12-13]，是區(qū)別于其他邊坡防治工程的最大不同點(diǎn).水對巖土邊坡的致災(zāi)作用明顯，結(jié)合原地浸礦工藝自身的特點(diǎn)，采場滑坡防控的核心工作在于控水，工程治理重點(diǎn)在于維護(hù)采場下部坡體臨空面的穩(wěn)定.

4　山體滑坡防控技術(shù)措施

某稀土礦屬山體滑坡高危礦區(qū)，先后發(fā)生3處較大面積的山體滑坡，試驗(yàn)采場距離最近滑坡體僅20 m，因此針對該試驗(yàn)采場所處的特殊地質(zhì)環(huán)境，結(jié)合礦山實(shí)際情況，采取如下山體滑坡防控技術(shù)措施.

4.1建立水位監(jiān)測系統(tǒng)

水位監(jiān)測系統(tǒng)采用生產(chǎn)勘探的探孔作監(jiān)測觀察孔，每個(gè)孔內(nèi)放置PVC管以防孔壁垮塌，可及時(shí)掌握采場注液范圍內(nèi)水位變化情況，見圖2.一般注液一段時(shí)間后，孔內(nèi)水位將逐漸上升，并穩(wěn)定在某一區(qū)間內(nèi).一旦發(fā)現(xiàn)液位超常，應(yīng)立即對周邊注液孔進(jìn)行局部控制處理.

圖2　試驗(yàn)采場水位監(jiān)測工程Fig.2 Water level monitoring project in the test stope

4.2建立防排水系統(tǒng)

試驗(yàn)采場開采前，必須建立防排水系統(tǒng)，從而保證暴雨或山洪暴發(fā)時(shí)，采場標(biāo)高較低處的地表徑流洪水能順利從防排水系統(tǒng)排出，避免徑流水倒灌收液巷道；采場標(biāo)高較高處的防排水措施主要依靠避水溝和導(dǎo)流孔，從而有效防止暴雨直接滲入到注液井或山體內(nèi)部.

4.3建立現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

試驗(yàn)采場屬于滑坡易發(fā)區(qū)，試驗(yàn)時(shí)在采場安裝位移和土壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測，見圖3，利用采場表面位移和內(nèi)部土壓力的變化，來動(dòng)態(tài)監(jiān)控采場的健康狀態(tài)[14]，反映采場的穩(wěn)定性趨勢，及時(shí)作出處置措施以保證礦山安全可持續(xù)生產(chǎn).

圖3　試驗(yàn)采場位移監(jiān)測傳感器Fig.3 Fracture displacement monitoring sensor

4.4制定人工巡視制度

由于試驗(yàn)采場管道和注液井?dāng)?shù)目眾多，容易出現(xiàn)跑冒滴漏現(xiàn)象[15].一旦發(fā)生類似現(xiàn)象，流量較小則滲入土體，干擾注液過程，影響資源回收；流量較大時(shí)則沖刷山坡表面，進(jìn)入表土層使表土泥化，造成山體滑坡.因此，必須制定嚴(yán)格的巡查制度，加強(qiáng)采場巡視，及時(shí)處理好管道脫落、開裂與漏水等故障[6]，避免因管道事故所引起的采場滑坡.

4.5嚴(yán)控臨界注液強(qiáng)度

根據(jù)類似礦山經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合試驗(yàn)采場實(shí)際情況，試驗(yàn)采場單孔安全注液強(qiáng)度不超過0.9 m3/d，正常生產(chǎn)時(shí)期臨界注液量不超過765 m3/d.試驗(yàn)采場坡面位移監(jiān)測表明，在被浸礦體未完全浸透時(shí)期（即收液巷道未出液之前），硫酸銨注液量超過765 m3/d時(shí)，就會顯現(xiàn)山體裂縫，裂縫位移以0.5～1 mm/d的速度遞增，路邊陡坎處臨空面會發(fā)生小面積崩塌.而硫酸銨注液量降到765 m3/d以下時(shí)，試驗(yàn)采場山體又能趨于穩(wěn)定，見圖4.

圖4　注液量與裂縫位移關(guān)系Fig.4 Relationship between injection rate and fracture displacement

經(jīng)過6個(gè)多月的現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)采場硫酸銨注液量控制在680～765 m3/d是合適的，與礦山實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)吻合.完全浸透時(shí)期（轉(zhuǎn)注上清液后）可微量增加，但注水量也不應(yīng)超過850 m3/d.

4.6優(yōu)化注液工程參數(shù)

注液孔中注液面要嚴(yán)格控制在表土層以下，禁止浸礦液注入表土層與全風(fēng)化層的過渡帶中，以免發(fā)生氣泡堵塞與固體堵塞現(xiàn)象.根據(jù)某礦山實(shí)際情況，將注液孔深一般為見礦1～1.5 m調(diào)整為0.5～1 m，提高稀土綜合回收率.此外，還須采取護(hù)井措施，可用填塞茅草保護(hù)注液井，塑料管至孔壁間用茅草類充填物進(jìn)行充填，充填物高度以礦體與表土的分界處為宜.

4.7采用人工加固工程

試驗(yàn)采場周邊數(shù)處滑坡均屬淺層小型圓弧滑坡，滑動(dòng)面位于表土層和礦土層交界處，根據(jù)該試驗(yàn)礦塊的地質(zhì)巖土特征及開采的實(shí)際情況，以及基巖（半風(fēng)化層）埋藏深度，選用準(zhǔn)32 mm螺紋鋼+混凝土灌漿抗滑樁，并輔以準(zhǔn)16 mm鋼絲繩聯(lián)結(jié)作為人工加固工程，在采場陡峭處局部布置.試驗(yàn)采場人工加固工程布置見圖5，試驗(yàn)采場抗滑樁布置見圖6.

圖5　試驗(yàn)采場人工加固工程布置圖Fig.5 Arrangement of artificial reinforcement project

圖6　試驗(yàn)采場抗滑樁布置圖Fig.6 Construction of anti-slide pile

試驗(yàn)采場防控加固區(qū)域：沿走向長度30～50 m，沿傾向方向從采場底部向上10～15 m，抗滑樁間距5～10 m，抗滑樁排距5m.抗滑樁出露地表長度0.2 m，樁底深入半風(fēng)化層下部0.5～1 m，樁身與山體傾斜度約為10°.對于特別陡峭的采場或局部地段，可在坡面鋪設(shè)格柵網(wǎng)，即從上往下鋪掛10 mm×10 mm土工布，每張格柵網(wǎng)均與四周支撐繩進(jìn)行固定聯(lián)結(jié).防控加固區(qū)域見圖5網(wǎng)狀區(qū)域.

注液開始后，浸礦液帶走了礦土中的稀土離子，原有礦土結(jié)構(gòu)被破壞[16]，在水的作用下，采場發(fā)生部分沉降和下移.隨著采場沉降和山體下移的加劇，抗滑樁上部與表土產(chǎn)生離層現(xiàn)象（見圖6），但樁底部仍未發(fā)生位移變化，采場相對于抗滑樁產(chǎn)生了豎直向下和沿著山體滑動(dòng)的位移，抗滑樁前沿土體基本完整，而抗滑樁后沿土體出現(xiàn)較小縫隙和塌陷現(xiàn)象，表明抗滑樁在稀土礦開采時(shí)能起到阻止或減少山體下滑的作用，在技術(shù)上是可行的，可提高在采采場的穩(wěn)定性.

5　結(jié)束語

試驗(yàn)采場由于采取了防控技術(shù)措施，開采期間經(jīng)歷了多次大暴雨沖擊，都未產(chǎn)生山體滑坡現(xiàn)象，與試驗(yàn)采場周邊多處滑坡形成鮮明對比.試驗(yàn)研究表明，建立水位監(jiān)測、防排水、現(xiàn)場監(jiān)測3大系統(tǒng)，制定人工巡視和嚴(yán)控臨界注液強(qiáng)度制度，實(shí)施優(yōu)化注液工程參數(shù)和人工加固工程，形成“二工程二制度三系統(tǒng)”的策略組合，可使稀土礦區(qū)山體滑坡得到有效控制，避免了礦區(qū)大面積地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，安全有效地回收了寶貴的稀土資源，較好地解決了離子型稀土原地浸礦開采山體滑坡防控問題，研究成果具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和良好的經(jīng)濟(jì)社會效益.

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作者簡介：張樹標(biāo)（1964-），男，高級工程師，主要從事金屬礦山開采技術(shù)研究，E-mail：zsb0822@163.com.

基金項(xiàng)目：江西省安全生產(chǎn)重大課題（JXAJ2011002）

收稿日期：2015-05-18

DOI：10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.04.023

文章編號：1674-9669（2015）04-0116-05

中圖分類號：TD824.7；TD865

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A