发布时间：2019-11-27所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要：本研究以南方某离子型稀土矿为样本，通过对矿区花岗岩节理进行现场调查与统计分析，绘制了花岗岩节理走向玫瑰图、倾向玫瑰图、等密度图和倾角分布直方图，找出了花岗岩节理的分布规律，确定了花岗岩体的两组优势结构面方位。首次将花岗岩体的优势结构
摘要：本研究以南方某离子型稀土矿为样本，通过对矿区花岗岩节理进行现场调查与统计分析，绘制了花岗岩节理走向玫瑰图、倾向玫瑰图、等密度图和倾角分布直方图，找出了花岗岩节理的分布规律，确定了花岗岩体的两组优势结构面方位。首次将花岗岩体的优势结构面应用于离子型稀土矿的开采中，利用花岗岩体优势结构面方位科学布置物探线，从而合理布置集液巷道。同时，采用岩体体积节理数的统计方法计算岩体的RQD值，对离子型稀土含矿花岗岩体的稳定性进行评价，结合优势结构面来预防原地浸矿可能诱发的山体滑坡。本研究成果对构建资源节约型、环境友好型离子型稀土矿山开发具有重要意义。
关键词：离子型稀土;节理构造;优势结构面方位;底板规模裂隙
目前，原地浸矿工艺已广泛应用于离子型稀土矿开采中，它克服了池浸、堆浸工艺所带来的植被大量破坏、水土严重流失、废渣难以处理以及生态难以恢复等重大生态问题，被称为绿色开采工艺。但在该工艺实施过程中，人们需要向矿体注入大量硫酸铵溶液，溶液中的铵根离子与吸附在黏土矿物表面的稀土阳离子发生交换，铵根离子被吸附在土体内，稀土阳离子进入溶液形成稀土母液，稀土母液在重力作用下渗流，通过集液巷道、集液沟等收液系统进行收集。据统计，每获取1t氧化物稀土，需要注入7～8t硫酸铵[1]。若稀土母液发生渗漏，就会浪费宝贵的稀土资源，更严重的是重金属和氨氮会污染水资源，给人们的生产生活带来很大影响，且治理困难，所带来的损失难以估量。原地浸矿工艺推广后，一些矿区出现了农作物不能生长、植被枯死、井水不能饮用、河里生物大量死亡的现象，足以说明原地浸矿对水资源造成较大破坏[2-3]。究其母液渗漏的原因，在目前原地浸矿技术较为成熟的情况下，除少量母液渗漏流失污染地表水外，更主要的原因是母液沿矿体底板规模裂隙渗漏污染了地下水，继而污染地表水，如图1所示。
由此看来，原地浸矿仅适用于底板完整的矿体，而据调查统计，仅在赣南的离子型稀土矿中70%都不具备完整的底板[4]。在地下水长期向基岩裂隙渗透作用下，稀土矿体的渗透性具有明显的方向性，沿裂隙方向渗透性最大、最强，对底板不完整的矿体，原地浸矿时沿底板裂隙容易产生渗漏，特别是当矿体底板存在大规模导水裂隙时，渗漏会很严重[5]。
为了减少母液流失，提高采矿回收率，相关学者开展了大量的原地浸矿采矿工艺的改进研究，客观上对减少水资源污染起到了一定作用，但对底板裂隙渗漏带来的水资源污染还仅停留在认识上，对如何减少底板裂隙渗漏对水资源的污染缺乏研究。现有矿山开采企业或对底板裂隙渗漏认识不足，或为节约成本，仅在大致探明地质储量而未查明矿体底板构造的情况下就盲目开采，导致一些开采矿区水体受到严重污染，有的矿区采矿回收率很低。如何减少矿体底板裂隙渗漏对水资源的污染已成为原地浸矿工艺实施中急需解决的问题，开展离子型稀土矿体底板优势结构面的研究对保护水资源具有重要意义。
1 岩体优势结构面理论应用概况
岩体结构控制论最初由中国科学院地质研究所工程地质研究室提出。岩体结构控制论认为，岩体是不完整的，它被各种各样的结构面所切割，这些结构面是具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括节理面、断层面、劈理面、软弱层等[6]。岩体优势结构面就是在上述各种结构面中按一定的优势指标找出的对区域稳定性或岩体稳定性起控制作用的结构面，以及对气、液介质起控制作用的结构面[7]。岩体优势结构面理论在工程地质、岩土工程、灾害地质和环境地质中得到了广泛应用，并取得了重要成果[8]。
目前，优势结构面理论还未应用于离子型稀土矿的开采中。离子型稀土矿产蕴藏于含稀土的花岗岩类岩石及其变质岩的风化壳中，花岗岩岩体内分布着大量大小不一、方向不同的裂隙，包括花岗岩浆侵入及冷凝过程中形成的原生裂隙、风化作用过程中形成的风化裂隙和地壳构造运动过程中形成的构造裂隙(节理和断层)。由于风化裂隙仅限于地表风化带内，因而离子型稀土矿体底板只存在原生裂隙和构造裂隙。原生裂隙一般短小，在地下水长期向矿体底板渗流的过程中，与短小的构造裂隙一起往往被随地下水向下渗流的黏土堵塞，而对于较大规模的构造裂隙，由于地下水的长期渗流，其成为一个渗漏通道。因此，在原地浸矿过程中，真正造成浸出母液较大渗漏的是具有一定规模的构造裂隙。
我国南方气候湿润，雨水充沛，化学风化作用强烈，花岗岩风化壳厚度较大，一般为5～20m，少数达30m，给查明离子型稀土矿床底板构造带来一定困难[9]。基于岩体优势结构面理论，看似杂乱分布的构造裂隙，实际上都存在着对岩体稳定性起控制作用以及对气、液介质起控制作用的优势结构面。通过对离子型稀土矿床节理构造进行研究，可以找出节理的分布特征和分布规律，确定含矿花岗岩岩体优势结构面的方位，这对指导矿体底板规模裂隙勘查、科学布置采矿工程和预防原地浸矿可能诱发的山体滑坡具有重要的作用。
2 矿区节理构造研究
2.1矿区地质背景
矿区处于一断陷盆地内，盆地内岩浆活动强烈，大面积分布燕山期黑云母花岗岩和火山岩;盆地内具有NE～NNE、EW和NW～NWW三组区域断裂构造，其中NE～NNE向断裂倾向SE，倾角55°～75°，为正断层。EW向断裂倾向SW，倾角45°～60°，为逆断层。NW～NWW为两组晚期断裂，多为正断层，规模较小;矿床产于中粗粒黑云母花岗岩的风化壳中，为离子型吸附性稀土矿床，风化壳平均厚度12m，矿体形态受风化壳所控制，产状随地形起伏变化，长840m，宽800m，矿体厚度2.50～10.00m，平均厚度4.60m，稀土氧化物含量(TR2O3)为0.15%～0.24%，平均值为0.191%。纵剖面上分为表土层、全风化、半风化层和基岩，各层界线呈渐变过渡关系[10]。矿区花岗岩风化严重，风化壳大面积覆盖，很少有基岩出露。
2.2含矿岩体节理调查与统计
本次节理调查所选露头均为离子型稀土矿区周边修路开挖的人工露头，出露良好，节理清晰。根据节理调查规范，选择在露头良好、出露面积至少有几个平方米、有几十条节理可供观测的地段进行节理调查，共选择8个观测点，测得节理239条。通过对每个测点的节理进行归类并组，计算出了岩体中各观测点内不同节理组的节理密度、各观测点的节理密度、各观测点岩体的RQD值，如表1所示。
岩石质量指标(RQD)是美国伊利斯诺大学Deere(1964)提出的作为反映岩体稳定程度的重要参数，几十年来，RQD指标被广泛应用于工程岩体的稳定性评价，同时对预防和预测矿体滑坡具有重要的参考价值。根据节理统计的结果，采用节理密度换算来计算岩石质量指标RQD，即采用Palmstrom给出的体积节理数JV与RQD指标之间的相关关系RQD=115-3.3JV来计算RQD值。当JV小于4.5时，RQD=100;当JV大于35时，RQD=0[11]。按照RQD的高低，将岩石质量划分为5类，>90为好，75～90为较好，50～75为较差，25～50为差，<25为极差[12]。
2.3含矿岩体优势结构面方位分析
为了简明、清晰地反映黑云母花岗岩岩体内不同性质节理的分布特征和发育规律，根据黑云母花岗岩节理调查数据和节理分组统计结果，笔者绘制了黑云母花岗岩节理走向玫瑰图、倾向玫瑰图、倾角分布直方图和等密度图。
由图2可知，黑云母花岗岩节理走向主要有两组，分别为345°～355°和85°左右。节理倾向玫瑰图(见图3)显示的是节理倾向方向，它能将走向相同但倾向相反的共轭节理显示出来，克服了走向玫瑰图的不足。节理倾向玫瑰图显示有三组主要节理，倾向分别是77°～85°、248°～265°和345°～355°，其中倾向77°～85°与倾向248°～265°的节理实际上为一组共轭节理，即走向相同倾向相反，所代表的走向均为338°～355°。倾向玫瑰图所反映的两组主要节理的走向与走向玫瑰图相同。
无论是走向玫瑰图还是倾向玫瑰图，均只能大致反映主要节理组的走向或倾向，但仍可从错综复杂的节理分布中提供了一个直观的基本判断，最终确定主要节理组的产状还需要通过节理等密度图(见图4)求得。节理等密度图中放射线代表节理倾向方位角，同心园代表节理倾角，自圆心至圆周为0°～90°。根据花岗岩节理等密度图并结合走向玫瑰图和倾向玫瑰图可知，黑云母花岗岩有两组主要节理，其中一组为共轭节理，产状分别为81°∠73°和261°∠23°～62°，另一组节理产状为353°∠67°。
从以上分析数据可知，矿区黑云母花岗岩具有两组主要节理，分别为81°∠73°和353°∠67°，它们代表了黑云母花岗岩的优势结构面方位，与NW～NWW向和EW区域构造完全吻合。倾角直方图(见图5)显示大多数节理的倾角较陡，多在65°～85°，与两组主要节理的倾角相吻合。
3 优势结构面在离子型稀土矿开采中的应用
3.1指导离子型稀土矿体底板规模裂隙勘查
开采矿体底板有两组优势结构面方位，沿优势结构面方位可能存在对稀土母液和岩体的稳定性起控制作用的优势结构面(规模裂隙)，而矿体底板规模裂隙隐伏在花岗岩风化壳之下，其具体定位还需要采用地球物理勘查方法。含矿岩体优势结构面方位为科学布置物探线指明了方向，避免了物探工作的盲目性，缩小了工作靶区，大大减少了物探工作量，节约了物探成本，提高了物探效率;在垂直优势结构面走向的方向上布置物探线，才能更真实、更准确地揭示风化壳下隐伏的规模裂隙，提高物探效果。同时，由于物探成本的明显减少，矿山开采企业积极主动地投入少量资金开展矿体底板构造的勘查，既提高了采矿回收率，又减少了对水资源的污染。
矿区花岗岩体两组优势结构面方位分别为353°∠67°和81°∠73°，在开采矿体部位沿353°和81°方向各布置了一条物探线(A1、B1)，考虑到风化壳各层及基岩密度的差异，采用高密度电法。物探数据显示，在A1勘探线上发现低密度带，初步判定为隐伏断层所致，在B1勘探线上未发现明显低密度带。在此基础上，沿353°方向以A1为中轴再等距布置了A2、A3两条物探线，物探结果均发现低密度带，低密度带位置几乎在同一直线上，走向178°，倾向近北，倾角较陡，如图6所示。在半风化层中采用沿脉和穿脉地下坑道相结合的方式进行验证，结果实地发现了一条宽约2.5m的断层，断层内部分已被石英脉充填，测得其准确产状为356°∠73°，与花岗岩353°∠67°优势结构面方位吻合。沿此断层通过人工注浆的方式进行封堵，构建人工防渗底板，大大减少了母液渗漏。该矿现正在开采，稀土回收率在88%左右，就水质检查结果来看，在正常范围之内，附近农田未受影响，原地浸矿效果好。
3.2指导原地浸矿采矿工程的布置
原地浸矿采矿工程包括注液孔、集液巷道和集液沟等，注液孔一般沿山体等高线布置，集液沟多沿山脚布置。对已查明底板存在规模裂隙的离子型稀土矿床，除对规模裂隙进行注浆封堵、构建人工防渗底板外，在布置集液巷道时应尽量避开规模裂隙，尽可能沿规模裂隙的走向布置;对矿体底板未发现规模裂隙的离子型稀土矿床，由于矿体底板依然存在大量的小规模裂隙，这些看似杂乱分布的裂隙依然存在优势结构方位，沿优势结构方位产生的渗漏相对更多，集液巷道应尽可能沿优势结构面方位的走向布置，尽量减少浸出母液的渗漏，防止对水资源的污染。
3.3预防原地浸矿过程中可能诱发的山体滑坡
原地浸矿过程诱发的山体滑坡除对人民的生命财产造成重大损失外，亦会对水资源产生严重污染，而优势结构面或优势结构面方位的确定，为预防滑坡提供了重要依据。
3.3.1土体滑坡的预防
在花岗岩风化壳中，残坡积层与全风化层、全风化层与半风化层、半风化层与基岩界面就是优势结构面，在原地浸矿时，易诱发沿优势结构面的土体滑坡。因矿体内部开挖了大量注液孔和集液巷道，并注入了大量硫酸铵溶液，溶液的大量渗透和氨根离子与稀土离子的大量交换，改变了土体结构的性质和稳定性，特别是在暴雨季节，土体重量明显加大，当地形坡度较大时，由于矿体形态与地形正相关，优势结构面的倾角亦较大，易产生土体滑坡。开采矿体坡度角约25°，坡度较小，产生土体滑坡的可能性很小。
3.3.2岩体滑坡的预防
在原地浸矿过程中，除存在土体滑坡的风险外，还存在沿岩体优势结构面或优势结构面方位滑坡的风险。由于浸矿液的大量注入，特别是在暴雨季节，注液孔中注入了大量的雨水，明显加重了断裂面上土体的重量。同时，由于地表水长期大量渗漏到断裂面上，大大降低了断裂面上的摩擦力，虽然黑云母花岗岩岩体的RQD值高，近于100，岩体稳定性好，但当岩体内存在规模断层，特别是断层倾向与坡面一致且倾角小于坡度角时，就有可能沿岩体断裂面产生滑坡，如图7所示。对离子型稀土矿中原岩为花岗岩类变质岩等RQD较小的岩体，沿断层或岩体优势结构方位产生岩体滑坡的可能性更大。开采矿体沿NE30°方向展布，断层产状为356°∠73°，与山体明显斜交，交角46°。断层倾角73°，矿体NW坡坡度角约25°，断层倾角远大于坡面坡度角(见图7)，不会产生岩体滑坡。
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4 结论
通过对离子型稀土矿区花岗岩体节理构造进行研究，人们可确定花岗岩体的优势结构面方位。垂直花岗岩体优势结构面方位布置物探线，能更真实、更客观地反映和揭示矿体底板规模裂隙，提高了物探效果;避免了物探布线的盲目性，减少了物探工作量，提高了物探效率，节约了物探成本。将花岗岩体优势结构面方位与高密度电法有机结合，为查明离子型稀土矿体底板规模裂隙提供了一条便捷有效的途径，使稀土矿山开采企业积极投入少量资金加强矿体底板规模裂隙的勘查。同时，为原地浸矿集液巷道的合理布置提供了依据。
采用岩体体积节理数的统计方法计算岩体的RQD值，对离子型稀土含矿花岗岩体、特别是含矿花岗岩类变质岩的稳定性进行评价，并结合岩体优势结构面(或优势结构面方位)预测和预防原地浸矿可能诱发的山体滑坡。首次将岩体优势结构面理论应用于离子型稀土矿的开采中，对减少原地浸矿过程中因母液渗漏对水资源的污染具有重要的作用，对构建资源节约型、环境友好型稀土矿山开发和原地浸矿工艺的推广应用具有一定的理论价值、经济价值和环境价值。
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