某离子型稀土矿地浸开采安全可行性分析

2022-04-02李文新郭朝阳

采矿技术 2022年2期

李文新，郭朝阳

(湖南有色冶金劳动保护研究院有限责任公司，湖南长沙 410014)

0 引言

离子型稀土矿是稀土元素以离子相形态[1]吸附在黏土矿物上的一种新型的外生稀土矿。采用常规的物理选矿方法无法使稀土富集为精矿，长期研究与实践表明，离子型稀土矿开发经历了池浸、堆浸和原地浸出三代工艺。前两者工艺都需要“搬山运动”，存在明显的缺点。地浸开采属于特殊开采的一种，作为一种新型绿色采矿[2]方法，最大特点是不需剥离表土和开挖矿体，是用溶浸液从天然埋藏条件下的矿石中将吸附在矿物表面的稀土离子与溶浸液中阳离子发生交换解吸[3]，并对反应生成的化合物进行有效收集的采矿方法。

地浸开采不需要采挖矿体，运输设备、作业人员少，生产工艺简单，危险有害因素少。传统露天开采在基建及生产过程中涉及剥离、采挖、运输等环节，采矿设备多，作业人员多，工艺复杂，危险有害因素多，易发生生产安全事故。

相比露天开采，地浸开采具有明显的优势。因此在离子型稀土矿开发中，地浸开采工艺得到了大力推广。但是，随着这种采矿方法的推广，其可能带来的安全环保影响也逐渐显现，本文结合湖南省某离子型稀土矿的实际情况，从安全可行性的角度对离子型稀土矿地浸开采存在的安全隐患进行分析，并有针对性地提出对策措施。

1 工程概况

湖南某离子型稀土矿矿体赋存于花岗岩风化壳中，风化壳自上而下大体可分为坡积层、全风化花岗岩层及半风化花岗岩层，三者之间无明显界线，为渐变过渡关系；矿体剖面形态表现为层状、壳层状、弯弓状、透镜状等，平均厚度为5 m，渗透性较好。矿石容重为16.3 kN/m3，内聚力C值为28 kPa。全区风化壳稀土（REO）的平均含量为0.077%。矿体顶板主要为腐植土层、坡积物和全风化花岗岩层，较松散，易垮塌，平均厚2.28 m，顶板及矿体整体厚度大，自然坡角为15°～30°；矿体底板或围岩为基岩或微风化的花岗岩，断裂破碎带不发育。

矿体含水层含水性较弱，矿体及顶板含水量均较小；断裂破碎带不发育，节理裂隙填充较好；稀土矿体与邻近区的地下水和地表水一般无水力联系，富水性较强且承压的含水层均不接触矿体；矿区周边有多条河流经过，采矿用水从河流取水。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为 0.05g。

2 地浸开采安全性分析

2.1 某矿地浸开采工艺

地浸开采主要包括制液、注液、集液3个工序，工艺流程见图1。

图1 地浸开采工艺流程

直接在山体表面布置注液孔，注液孔采用网状布置，溶液采用管道输送至采场，采用自上而下的注液方式注入注液孔，根据矿体的厚度控制每个不同位置的注液量。集液沟设置在采场山坡坡脚，开挖至微风化基岩，并做好防渗措施。流入集液沟内的溶液顺坡度导流至集液池，然后用管道输送至水冶车间，地浸开采示意见图2。

图2 地浸开采示意

2.2 可能存在的安全隐患

（1）集液沟的开挖，破坏了原有山坡表层的结构，导致表层土的应力场改变，局部导致应力集中，诱发集液沟和山坡风化壳的滑坡[4-5]、坍塌。

（2）溶液的注入，改变了山坡风化壳中的渗流场，增加了动水压力和静水压力，其稳定性计算的边界条件也随之发生变化，不利于风化壳的稳定。

（3）溶浸期间的注入会降低土体的c、φ值[6]，对风化壳的稳定性造成不利影响。

（4）上游汇水流入采区，对采区内覆盖层冲刷，易造成风化壳滑坡。

（5）基岩节理裂隙或者断层发育，溶浸液流失造成回收率过低[5]，污染当地水源。

（6）溶浸液的残留及渗漏对周边水体和土壤会造成一定的污染和破坏[7]。

2.3 风化壳稳定性计算

经过分析，主要安全隐患为溶浸液的注入可能对风化壳（矿体）稳定性产生较大影响，使得花岗岩风化层沿破裂面直线滑坡。

因滑移面为平面，采用平面滑动面的边坡稳定性系数计算公式[8]对风化壳的稳定性进行定量计算，见式（1），示意图见图3。

图3 平面滑动面边坡计算

式中，T为滑体单位宽度重力及其他外力引起的下滑力，kN/m；R为滑体单位宽度重力及其他外力引起的抗滑力，kN/m；C为滑面的黏聚力，kPa；φ为滑面的内摩擦角，（°）；L为滑面长度，m；G为滑体单位宽度自重，kN/m；Gb为滑体单位宽度竖向附加荷载，kN/m，方向指向下方时取正值，指向上方时取负值；θ为滑面倾角，（°）；U为滑面单位宽度总水压力，kN/m；V为后缘陡倾裂隙面上的单位宽度总水压力，kN/m；Q为滑体单位宽度水平荷载，kN/m，方向指向坡外时取正值，指向坡内时取负值；hw为后缘陡倾裂隙充水高度，m，根据裂隙情况及汇水条件确定。