發布時間：2019-11-27所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：本研究以南方某離子型稀土礦為樣本，通過對礦區花崗巖節理進行現場調查與統計分析，繪制了花崗巖節理走向玫瑰圖、傾向玫瑰圖、等密度圖和傾角分布直方圖，找出了花崗巖節理的分布規律，確定了花崗巖體的兩組優勢結構面方位。首次將花崗巖體的優勢結構
摘要：本研究以南方某離子型稀土礦為樣本，通過對礦區花崗巖節理進行現場調查與統計分析，繪制了花崗巖節理走向玫瑰圖、傾向玫瑰圖、等密度圖和傾角分布直方圖，找出了花崗巖節理的分布規律，確定了花崗巖體的兩組優勢結構面方位。首次將花崗巖體的優勢結構面應用于離子型稀土礦的開采中，利用花崗巖體優勢結構面方位科學布置物探線，從而合理布置集液巷道。同時，采用巖體體積節理數的統計方法計算巖體的RQD值，對離子型稀土含礦花崗巖體的穩定性進行評價，結合優勢結構面來預防原地浸礦可能誘發的山體滑坡。本研究成果對構建資源節約型、環境友好型離子型稀土礦山開發具有重要意義。
關鍵詞：離子型稀土;節理構造;優勢結構面方位;底板規模裂隙
目前，原地浸礦工藝已廣泛應用于離子型稀土礦開采中，它克服了池浸、堆浸工藝所帶來的植被大量破壞、水土嚴重流失、廢渣難以處理以及生態難以恢復等重大生態問題，被稱為綠色開采工藝。但在該工藝實施過程中，人們需要向礦體注入大量硫酸銨溶液，溶液中的銨根離子與吸附在黏土礦物表面的稀土陽離子發生交換，銨根離子被吸附在土體內，稀土陽離子進入溶液形成稀土母液，稀土母液在重力作用下滲流，通過集液巷道、集液溝等收液系統進行收集。據統計，每獲取1t氧化物稀土，需要注入7～8t硫酸銨[1]。若稀土母液發生滲漏，就會浪費寶貴的稀土資源，更嚴重的是重金屬和氨氮會污染水資源，給人們的生產生活帶來很大影響，且治理困難，所帶來的損失難以估量。原地浸礦工藝推廣后，一些礦區出現了農作物不能生長、植被枯死、井水不能飲用、河里生物大量死亡的現象，足以說明原地浸礦對水資源造成較大破壞[2-3]。究其母液滲漏的原因，在目前原地浸礦技術較為成熟的情況下，除少量母液滲漏流失污染地表水外，更主要的原因是母液沿礦體底板規模裂隙滲漏污染了地下水，繼而污染地表水，如圖1所示。
由此看來，原地浸礦僅適用于底板完整的礦體，而據調查統計，僅在贛南的離子型稀土礦中70%都不具備完整的底板[4]。在地下水長期向基巖裂隙滲透作用下，稀土礦體的滲透性具有明顯的方向性，沿裂隙方向滲透性最大、最強，對底板不完整的礦體，原地浸礦時沿底板裂隙容易產生滲漏，特別是當礦體底板存在大規模導水裂隙時，滲漏會很嚴重[5]。
為了減少母液流失，提高采礦回收率，相關學者開展了大量的原地浸礦采礦工藝的改進研究，客觀上對減少水資源污染起到了一定作用，但對底板裂隙滲漏帶來的水資源污染還僅停留在認識上，對如何減少底板裂隙滲漏對水資源的污染缺乏研究�，F有礦山開采企業或對底板裂隙滲漏認識不足，或為節約成本，僅在大致探明地質儲量而未查明礦體底板構造的情況下就盲目開采，導致一些開采礦區水體受到嚴重污染，有的礦區采礦回收率很低。如何減少礦體底板裂隙滲漏對水資源的污染已成為原地浸礦工藝實施中急需解決的問題，開展離子型稀土礦體底板優勢結構面的研究對保護水資源具有重要意義。
1 巖體優勢結構面理論應用概況
巖體結構控制論最初由中國科學院地質研究所工程地質研究室提出。巖體結構控制論認為，巖體是不完整的，它被各種各樣的結構面所切割，這些結構面是具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質界面，包括節理面、斷層面、劈理面、軟弱層等[6]。巖體優勢結構面就是在上述各種結構面中按一定的優勢指標找出的對區域穩定性或巖體穩定性起控制作用的結構面，以及對氣、液介質起控制作用的結構面[7]。巖體優勢結構面理論在工程地質、巖土工程、災害地質和環境地質中得到了廣泛應用，并取得了重要成果[8]。
目前，優勢結構面理論還未應用于離子型稀土礦的開采中。離子型稀土礦產蘊藏于含稀土的花崗巖類巖石及其變質巖的風化殼中，花崗巖巖體內分布著大量大小不一、方向不同的裂隙，包括花崗巖漿侵入及冷凝過程中形成的原生裂隙、風化作用過程中形成的風化裂隙和地殼構造運動過程中形成的構造裂隙(節理和斷層)。由于風化裂隙僅限于地表風化帶內，因而離子型稀土礦體底板只存在原生裂隙和構造裂隙。原生裂隙一般短小，在地下水長期向礦體底板滲流的過程中，與短小的構造裂隙一起往往被隨地下水向下滲流的黏土堵塞，而對于較大規模的構造裂隙，由于地下水的長期滲流，其成為一個滲漏通道。因此，在原地浸礦過程中，真正造成浸出母液較大滲漏的是具有一定規模的構造裂隙。
我國南方氣候濕潤，雨水充沛，化學風化作用強烈，花崗巖風化殼厚度較大，一般為5～20m，少數達30m，給查明離子型稀土礦床底板構造帶來一定困難[9]�；趲r體優勢結構面理論，看似雜亂分布的構造裂隙，實際上都存在著對巖體穩定性起控制作用以及對氣、液介質起控制作用的優勢結構面。通過對離子型稀土礦床節理構造進行研究，可以找出節理的分布特征和分布規律，確定含礦花崗巖巖體優勢結構面的方位，這對指導礦體底板規模裂隙勘查、科學布置采礦工程和預防原地浸礦可能誘發的山體滑坡具有重要的作用。
2 礦區節理構造研究
2.1礦區地質背景
礦區處于一斷陷盆地內，盆地內巖漿活動強烈，大面積分布燕山期黑云母花崗巖和火山巖;盆地內具有NE～NNE、EW和NW～NWW三組區域斷裂構造，其中NE～NNE向斷裂傾向SE，傾角55°～75°，為正斷層。EW向斷裂傾向SW，傾角45°～60°，為逆斷層。NW～NWW為兩組晚期斷裂，多為正斷層，規模較小;礦床產于中粗粒黑云母花崗巖的風化殼中，為離子型吸附性稀土礦床，風化殼平均厚度12m，礦體形態受風化殼所控制，產狀隨地形起伏變化，長840m，寬800m，礦體厚度2.50～10.00m，平均厚度4.60m，稀土氧化物含量(TR2O3)為0.15%～0.24%，平均值為0.191%�？v剖面上分為表土層、全風化、半風化層和基巖，各層界線呈漸變過渡關系[10]。礦區花崗巖風化嚴重，風化殼大面積覆蓋，很少有基巖出露。
2.2含礦巖體節理調查與統計
本次節理調查所選露頭均為離子型稀土礦區周邊修路開挖的人工露頭，出露良好，節理清晰。根據節理調查規范，選擇在露頭良好、出露面積至少有幾個平方米、有幾十條節理可供觀測的地段進行節理調查，共選擇8個觀測點，測得節理239條。通過對每個測點的節理進行歸類并組，計算出了巖體中各觀測點內不同節理組的節理密度、各觀測點的節理密度、各觀測點巖體的RQD值，如表1所示。
巖石質量指標(RQD)是美國伊利斯諾大學Deere(1964)提出的作為反映巖體穩定程度的重要參數，幾十年來，RQD指標被廣泛應用于工程巖體的穩定性評價，同時對預防和預測礦體滑坡具有重要的參考價值。根據節理統計的結果，采用節理密度換算來計算巖石質量指標RQD，即采用Palmstrom給出的體積節理數JV與RQD指標之間的相關關系RQD=115-3.3JV來計算RQD值。當JV小于4.5時，RQD=100;當JV大于35時，RQD=0[11]。按照RQD的高低，將巖石質量劃分為5類，>90為好，75～90為較好，50～75為較差，25～50為差，<25為極差[12]。
2.3含礦巖體優勢結構面方位分析
為了簡明、清晰地反映黑云母花崗巖巖體內不同性質節理的分布特征和發育規律，根據黑云母花崗巖節理調查數據和節理分組統計結果，筆者繪制了黑云母花崗巖節理走向玫瑰圖、傾向玫瑰圖、傾角分布直方圖和等密度圖。
由圖2可知，黑云母花崗巖節理走向主要有兩組，分別為345°～355°和85°左右。節理傾向玫瑰圖(見圖3)顯示的是節理傾向方向，它能將走向相同但傾向相反的共軛節理顯示出來，克服了走向玫瑰圖的不足。節理傾向玫瑰圖顯示有三組主要節理，傾向分別是77°～85°、248°～265°和345°～355°，其中傾向77°～85°與傾向248°～265°的節理實際上為一組共軛節理，即走向相同傾向相反，所代表的走向均為338°～355°。傾向玫瑰圖所反映的兩組主要節理的走向與走向玫瑰圖相同。
無論是走向玫瑰圖還是傾向玫瑰圖，均只能大致反映主要節理組的走向或傾向，但仍可從錯綜復雜的節理分布中提供了一個直觀的基本判斷，最終確定主要節理組的產狀還需要通過節理等密度圖(見圖4)求得。節理等密度圖中放射線代表節理傾向方位角，同心園代表節理傾角，自圓心至圓周為0°～90°。根據花崗巖節理等密度圖并結合走向玫瑰圖和傾向玫瑰圖可知，黑云母花崗巖有兩組主要節理，其中一組為共軛節理，產狀分別為81°∠73°和261°∠23°～62°，另一組節理產狀為353°∠67°。
從以上分析數據可知，礦區黑云母花崗巖具有兩組主要節理，分別為81°∠73°和353°∠67°，它們代表了黑云母花崗巖的優勢結構面方位，與NW～NWW向和EW區域構造完全吻合。傾角直方圖(見圖5)顯示大多數節理的傾角較陡，多在65°～85°，與兩組主要節理的傾角相吻合。
3 優勢結構面在離子型稀土礦開采中的應用
3.1指導離子型稀土礦體底板規模裂隙勘查
開采礦體底板有兩組優勢結構面方位，沿優勢結構面方位可能存在對稀土母液和巖體的穩定性起控制作用的優勢結構面(規模裂隙)，而礦體底板規模裂隙隱伏在花崗巖風化殼之下，其具體定位還需要采用地球物理勘查方法。含礦巖體優勢結構面方位為科學布置物探線指明了方向，避免了物探工作的盲目性，縮小了工作靶區，大大減少了物探工作量，節約了物探成本，提高了物探效率;在垂直優勢結構面走向的方向上布置物探線，才能更真實、更準確地揭示風化殼下隱伏的規模裂隙，提高物探效果。同時，由于物探成本的明顯減少，礦山開采企業積極主動地投入少量資金開展礦體底板構造的勘查，既提高了采礦回收率，又減少了對水資源的污染。
礦區花崗巖體兩組優勢結構面方位分別為353°∠67°和81°∠73°，在開采礦體部位沿353°和81°方向各布置了一條物探線(A1、B1)，考慮到風化殼各層及基巖密度的差異，采用高密度電法。物探數據顯示，在A1勘探線上發現低密度帶，初步判定為隱伏斷層所致，在B1勘探線上未發現明顯低密度帶。在此基礎上，沿353°方向以A1為中軸再等距布置了A2、A3兩條物探線，物探結果均發現低密度帶，低密度帶位置幾乎在同一直線上，走向178°，傾向近北，傾角較陡，如圖6所示。在半風化層中采用沿脈和穿脈地下坑道相結合的方式進行驗證，結果實地發現了一條寬約2.5m的斷層，斷層內部分已被石英脈充填，測得其準確產狀為356°∠73°，與花崗巖353°∠67°優勢結構面方位吻合。沿此斷層通過人工注漿的方式進行封堵，構建人工防滲底板，大大減少了母液滲漏。該礦現正在開采，稀土回收率在88%左右，就水質檢查結果來看，在正常范圍之內，附近農田未受影響，原地浸礦效果好。
3.2指導原地浸礦采礦工程的布置
原地浸礦采礦工程包括注液孔、集液巷道和集液溝等，注液孔一般沿山體等高線布置，集液溝多沿山腳布置。對已查明底板存在規模裂隙的離子型稀土礦床，除對規模裂隙進行注漿封堵、構建人工防滲底板外，在布置集液巷道時應盡量避開規模裂隙，盡可能沿規模裂隙的走向布置;對礦體底板未發現規模裂隙的離子型稀土礦床，由于礦體底板依然存在大量的小規模裂隙，這些看似雜亂分布的裂隙依然存在優勢結構方位，沿優勢結構方位產生的滲漏相對更多，集液巷道應盡可能沿優勢結構面方位的走向布置，盡量減少浸出母液的滲漏，防止對水資源的污染。
3.3預防原地浸礦過程中可能誘發的山體滑坡
原地浸礦過程誘發的山體滑坡除對人民的生命財產造成重大損失外，亦會對水資源產生嚴重污染，而優勢結構面或優勢結構面方位的確定，為預防滑坡提供了重要依據。
3.3.1土體滑坡的預防
在花崗巖風化殼中，殘坡積層與全風化層、全風化層與半風化層、半風化層與基巖界面就是優勢結構面，在原地浸礦時，易誘發沿優勢結構面的土體滑坡。因礦體內部開挖了大量注液孔和集液巷道，并注入了大量硫酸銨溶液，溶液的大量滲透和氨根離子與稀土離子的大量交換，改變了土體結構的性質和穩定性，特別是在暴雨季節，土體重量明顯加大，當地形坡度較大時，由于礦體形態與地形正相關，優勢結構面的傾角亦較大，易產生土體滑坡。開采礦體坡度角約25°，坡度較小，產生土體滑坡的可能性很小。
3.3.2巖體滑坡的預防
在原地浸礦過程中，除存在土體滑坡的風險外，還存在沿巖體優勢結構面或優勢結構面方位滑坡的風險。由于浸礦液的大量注入，特別是在暴雨季節，注液孔中注入了大量的雨水，明顯加重了斷裂面上土體的重量。同時，由于地表水長期大量滲漏到斷裂面上，大大降低了斷裂面上的摩擦力，雖然黑云母花崗巖巖體的RQD值高，近于100，巖體穩定性好，但當巖體內存在規模斷層，特別是斷層傾向與坡面一致且傾角小于坡度角時，就有可能沿巖體斷裂面產生滑坡，如圖7所示。對離子型稀土礦中原巖為花崗巖類變質巖等RQD較小的巖體，沿斷層或巖體優勢結構方位產生巖體滑坡的可能性更大。開采礦體沿NE30°方向展布，斷層產狀為356°∠73°，與山體明顯斜交，交角46°。斷層傾角73°，礦體NW坡坡度角約25°，斷層傾角遠大于坡面坡度角(見圖7)，不會產生巖體滑坡。
相關期刊推薦：《中國資源綜合利用》(月刊)創刊于1982年，由中國物資再生協會、徐州北礦金屬循環利用研究院主辦，本刊系由國家發展改革委員會環境與資源綜合利用司指導，中國學術期刊綜合評價數據庫統計源期刊，是我國資源綜合利用領域具有影響力的刊物。有投稿需求的作者，可以直接與期刊天空在線編輯聯系。
4 結論
通過對離子型稀土礦區花崗巖體節理構造進行研究，人們可確定花崗巖體的優勢結構面方位。垂直花崗巖體優勢結構面方位布置物探線，能更真實、更客觀地反映和揭示礦體底板規模裂隙，提高了物探效果;避免了物探布線的盲目性，減少了物探工作量，提高了物探效率，節約了物探成本。將花崗巖體優勢結構面方位與高密度電法有機結合，為查明離子型稀土礦體底板規模裂隙提供了一條便捷有效的途徑，使稀土礦山開采企業積極投入少量資金加強礦體底板規模裂隙的勘查。同時，為原地浸礦集液巷道的合理布置提供了依據。
采用巖體體積節理數的統計方法計算巖體的RQD值，對離子型稀土含礦花崗巖體、特別是含礦花崗巖類變質巖的穩定性進行評價，并結合巖體優勢結構面(或優勢結構面方位)預測和預防原地浸礦可能誘發的山體滑坡。首次將巖體優勢結構面理論應用于離子型稀土礦的開采中，對減少原地浸礦過程中因母液滲漏對水資源的污染具有重要的作用，對構建資源節約型、環境友好型稀土礦山開發和原地浸礦工藝的推廣應用具有一定的理論價值、經濟價值和環境價值。
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