風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦床邊坡形成機制研究

風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦床邊坡形成機制研究

中國是世界上最富有的稀土資源國家。稀土資源的儲量、產(chǎn)量、年產(chǎn)量和用量是世界上最重要的。隨著國家對生態(tài)環(huán)境的不斷重視,贛南地區(qū)稀土礦山開采工藝也在不斷地優(yōu)化,由最初的堆浸法與池浸法,逐步發(fā)展到至今的原地浸析法1風(fēng)化礦體浸礦單次浸礦工藝龍南縣鄉(xiāng)標(biāo)稀土礦所采用的開采工藝為國家推廣的第三代原地浸礦法。原地浸礦,就是在不剝離表土、不開挖礦石的情況下,浸礦劑(硫酸銨溶液)通過網(wǎng)格布置的注液井直接注入天然埋藏條件下的風(fēng)化礦體。在自然重力及側(cè)壓力的作用下,浸礦液沿著風(fēng)化礦體裂隙不斷滲入,并擠出賦存于礦體中的孔(裂)隙水,隨著后期浸礦液不斷地加注,浸礦劑溶液中的陽離子與吸附在黏土礦物表面的稀土離子發(fā)生交換作用,形成稀土母液,最后進(jìn)行稀土回收。其主要工藝流程如圖1所示原地浸礦法雖不剝離表土、不開挖礦石,與堆(池)浸法相比提高了開采效率,降低了生產(chǎn)成本。但原地浸礦采場邊坡的中上部拉張裂縫較發(fā)育,坡上植被破壞嚴(yán)重,且由于浸礦液側(cè)滲和毛細(xì)管作用2滑動區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件2.1降雨強度分析研究區(qū)地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),雨量充沛,據(jù)龍南縣氣象局提供的降雨量資料,其多年平均降雨量達(dá)1526.3mm(1959~2007年),年最大降雨量為2595.5mm(1975年),年最小降雨量為1020.8mm(1963年)。1,11,12三個月為枯水期,其降雨量共計139.56mm,僅占全年的9.1%;3~6四個月為豐水期,降雨強度大,以大雨、暴雨為主,其降雨量共計841.56mm,約占全年的55%,降雨量最大的6月份平均降雨量達(dá)284.9mm。礦區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育,北部有一條小溪自東向西流過(圖2),寬約1.5m,流量約為0.014m2.2坡度較大,平均標(biāo)高龍南縣鄉(xiāng)標(biāo)稀土礦滑坡區(qū)屬低山丘陵地貌,最大標(biāo)高301.8m,最低標(biāo)高250m,相對高差為51.8m,坡度在20°~35°之間2.3風(fēng)化殼及含礦巖的特征礦區(qū)出露的地層巖性主要有第四系聯(lián)圩組砂質(zhì)粘土,侏羅系下-中統(tǒng)水頭逕群玄武巖以及三疊系下統(tǒng)大冶組鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖。巖漿巖則以燕山早期中粒黑云母花崗巖為主,巖石呈淺黃褐色,中粒結(jié)構(gòu),部分具有似斑狀結(jié)構(gòu)。按含礦花崗巖、混合巖及火山巖風(fēng)化殼的發(fā)育特征表土層:巖性主要為粉質(zhì)粘土,呈磚紅色,結(jié)構(gòu)疏松,厚約0.5~2.4m,上部含有少量的腐植土,腐植土呈灰黑色,結(jié)構(gòu)松散,厚0.1~0.4mm不等。全風(fēng)化層:巖性為花崗巖,厚度一般為4~10m,顏色為黃白~淺紅色,結(jié)構(gòu)松散,多孔易碎,石英含量約60%,顆粒較粗,多介于2~6mm。為礦體的賦存層位,具有山頂、山腰厚度大,山腳薄的特點。半風(fēng)化層:巖石顏色及結(jié)構(gòu)基本與原巖一致,厚度約2~3m。未風(fēng)化的原巖碎塊較多,次生節(jié)理較為發(fā)育,長石常呈碎粒狀,局部出現(xiàn)高嶺土化。基巖:巖性為燕山早期中粒黑云母花崗巖,埋深為6~16m。巖石質(zhì)量密度大,抗壓、抗拉強度高。2.4表土層、全風(fēng)化帶的城市濕地根據(jù)含水巖組的巖性、地下水的賦存條件、水力特征等,滑坡區(qū)地下水可分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水:(1)孔隙水主要賦存于稀土礦山的表土層、全風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙以及地勢低洼處的松散沉積物中,受大氣降水補給,地下水位埋深0.5~1.0m,局部可達(dá)到2.0m。(2)基巖裂隙水主要分布于半風(fēng)化層和基巖中,受大氣降水及浸礦液入滲補給,據(jù)《1/20萬龍南幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》,地下水位埋深為2.05~4.26m,單井涌水量為1.06~16.44m3滑動形成機制3.1埋深平均埋深據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,龍南縣鄉(xiāng)標(biāo)離子型稀土礦山滑坡屬于小型淺層土質(zhì)推移式滑坡,滑動面位于全風(fēng)化含礦層,滑面埋深平均為3.0m。平面形態(tài)呈舌形,剖面形態(tài)呈凹形分布,其滑坡前、后緣分布高程為270~295m,相對高差25m,剪出口高程為263m,主滑方向297°,滑坡平均坡度54°,平均寬度10.73m,縱向平均長度54.18m,滑體平均厚度約4.0m,總體積約2326m3.2滑動形成機制分析3.2.1滑坡地形特征(1)地形地貌。龍南縣鄉(xiāng)標(biāo)離子型稀土礦區(qū)為侵蝕構(gòu)造低山地形、侵蝕(剝蝕)地貌,巖土體的風(fēng)化及堆積作用明顯,為滑坡的形成創(chuàng)造了物質(zhì)條件。(2)巖土性質(zhì)。從斜坡巖土體的構(gòu)成來看,分布于表土層的粉質(zhì)粘土,其結(jié)構(gòu)疏松,易飽水軟化而沿巖層面向下滑移;下部含礦巖層,多為燕山早期中粒黑云母花崗巖,巖石受風(fēng)化作用強烈,往往形成風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙,為地表徑流及浸礦液的入滲提供了良好的通道,進(jìn)而降低了巖土體的抗滑力,增大了巖土體的下滑力,致使邊坡穩(wěn)定性降低,產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害(圖3)。(3)滑坡外形特征。由于巖土體的風(fēng)化和堆積作用均大于其剝蝕作用,該稀土礦山坡面形態(tài)常呈凸型(圖2),易在坡體突出部位形成拉張區(qū),對邊坡的穩(wěn)定性影響較大3.2.2大氣降雨的影響(1)注液淺井及集液坑道工程的開挖。在此開挖的過程中,坡面上的植被絕大部分遭受到破壞,而且,對坡體的擾動較大,誘發(fā)或加劇了滑坡的產(chǎn)生。(2)大氣降雨的入滲。研究區(qū)所處地雨量充沛,年平均降雨量達(dá)1526.3mm,大氣降雨所形成的地表徑流,一方面對離子型稀土礦山原地浸礦采場邊坡坡面產(chǎn)生沖刷作用;另一方面沿著巖土體中的節(jié)理裂隙入滲至下部含礦層,甚至基巖面,改變了邊坡巖土體的物理力學(xué)性質(zhì),誘發(fā)滑坡的產(chǎn)生。(3)浸礦液的注入。通過分析含礦巖層的富水性可知,大多數(shù)含礦體及其上部的第四系表土層都天然賦存著較大水量的孔隙水從以上的分析可知:稀土礦山經(jīng)注液后,邊坡上的應(yīng)力集中主要作用于坡面的中上部以及注液淺井底部與全風(fēng)化花崗巖含礦層相接觸的基準(zhǔn)面上,隨著后期浸礦液不斷地注入,坡體應(yīng)力逐漸增大,相應(yīng)產(chǎn)生的變形也增大,土體抗剪強度降低,最終使邊坡失穩(wěn),引發(fā)滑坡。4滑動穩(wěn)定性分析4.1模擬結(jié)果及分析采用FLAC-3D軟件對離子型稀土礦山原地浸礦采場邊坡進(jìn)行的數(shù)值模擬,其結(jié)果如圖4。邊坡上的應(yīng)力主要集中作用于坡面的中上部以及注液淺井底部與全風(fēng)化花崗巖含礦層相接觸的基準(zhǔn)面上,在坡面中上部及基準(zhǔn)面上XX,YY,ZZ方向的最大應(yīng)力值分別為3.6182×104.2表土層及全風(fēng)化層根據(jù)極限平衡原理,其邊坡巖土體安全系數(shù)(F式中:W為巖土體自重;α為邊坡傾角;φ為內(nèi)摩擦角;c為內(nèi)聚力;L為巖層的斜長。令F計算結(jié)果表明:表土層及全風(fēng)化層,其邊坡的抗滑力均小于其下滑力,而半風(fēng)化層及基巖則相反,易在表土層及全風(fēng)化層產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。因此,綜合上述情況,主要針對以上兩部位采用“樹根樁+錨桿”組合的復(fù)合擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行滑坡防治。5采場的主要問題龍南縣離子型稀土礦山是我國最早引用第三代開采工藝原地浸礦法的地區(qū),相比堆浸法與池浸法,其大大改善了生態(tài)環(huán)境,但隨著后期的生產(chǎn),該工藝也表露出其缺陷,致使采場產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。結(jié)合該研究區(qū)滑坡形成機制和施工工程造價,提出“樹根樁+錨桿”組合的復(fù)合擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行滑坡綜合治理,其次,采用適當(dāng)?shù)呐潘こ?沿滑坡周界外圍使用截水溝防止雨水的入滲,滑坡治理平面布置如圖5所示。5.1復(fù)合土壤保護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機制復(fù)合擋土結(jié)構(gòu)是由雙排豎向樹根樁、側(cè)向傾斜錨桿以及通過樁頂布置的砼板,所構(gòu)成的一種有效的復(fù)合護(hù)坡抗滑結(jié)構(gòu)5.2基巖灌漿工藝成孔根據(jù)龍南縣鄉(xiāng)標(biāo)稀土礦山的地層巖性,選擇底部的花崗巖基巖作為該復(fù)合擋土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)持力層,且該滑坡治理加固工程中所采用的樹根樁,主要使用化學(xué)灌漿工藝成孔,并選用水泥水玻璃(摻加促進(jìn)劑)作為該工藝的灌漿材料5.3基巖結(jié)構(gòu)的內(nèi)接合性該滑坡區(qū)所處的地層為花崗巖風(fēng)化殼,上部第四系表土層、全風(fēng)化以及半風(fēng)化含礦層巖性相對都較松散,且次生節(jié)理較為發(fā)育,因此,錨桿的錨固端設(shè)計在穩(wěn)定的基巖中。自由端則連接在樹根樁樁頂設(shè)置的砼板上,以使整個結(jié)構(gòu)保持其整體性。針對該稀土礦山浸礦液(硫酸銨)對錨桿的腐蝕問題,在工程設(shè)計時,將錨桿鋼筋的直徑增大2~3mm,以增大錨桿的耐腐蝕性,錨桿直徑為32mm。由于稀土礦山注液量較大,常使巖土體處于飽水帶中,腐蝕性大,僅增加錨桿直徑無法滿足要求。因此,先在錨桿外套一塑料管,管內(nèi)再充填一定量的防腐油,張拉之后,再進(jìn)行管外二次灌漿,最終達(dá)到防腐效果。5.4污水設(shè)計結(jié)合該離子型稀土礦山開采工藝特點及滑坡防治經(jīng)濟(jì)、社會效益,該排水工程主要采用截水溝6龍南縣鄉(xiāng)標(biāo)離子型稀土礦山原產(chǎn)地浸礦采場滑坡治理技術(shù)1.贛南地區(qū)離子型稀土礦山所采用的第三代原地浸礦法,雖與堆浸法、池浸法相比,減少了對生態(tài)環(huán)境的破壞,但在實際開采過程中,往往過分追求經(jīng)濟(jì)效益,加大注液量,致使稀土礦山采場邊坡的穩(wěn)定性降低,對礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。2.由于注液淺井及集液槽的開挖,使得原本結(jié)構(gòu)較松散的巖土體更加破碎,且山體坡面上的絕大部分植被遭受破壞,加上不斷地向山體內(nèi)注入浸礦液及降雨形成的地表徑流的影響,加大了坡體的自重,使坡面上出現(xiàn)大小不等的裂縫,為后期的降雨及浸礦液的入滲提供了良好的通道,以致引發(fā)或加劇滑坡的產(chǎn)生。3.采用“樹根樁+錨桿”組合的復(fù)合擋土結(jié)構(gòu)及截排水工程進(jìn)行龍南縣鄉(xiāng)標(biāo)離子型稀土礦山原地浸礦采場滑坡綜合治理,該復(fù)合擋土結(jié)構(gòu)具有價格低、施工方便、工期