离子型稀土采场滑坡成因与预测方法研究

尚白红，路昌明，汤 澍，郭钟群＊

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

离子吸附型稀土，又称为风化壳淋积型稀土，是具有战略意义的重要矿产资源。与一般矿石型稀土资源不同，离子型稀土主要以水合阳离子形式吸附在黏土中，其主产区为江西省、福建省等南方八省区[1-3]。经过五十多年的发展，离子型稀土开采目前推荐原地浸矿工艺[4-5]。在浸矿过程中，由于溶浸液的渗流和化学置换作用，矿体含水率增加，土颗粒发生运移，使得露天矿山边帮易产生滑坡和泥石流等地质灾害，对采场及周边环境造成破坏，威胁矿区及其周围的人身安全[6-7]。

目前针对离子型稀土滑坡研究主要集中在数值计算、边坡稳定性分析以及滑坡预测方法等。本文分析了我国南方离子型稀土矿区滑坡的基本类型，分析了诱发山体滑坡外因和内因，阐述离子型稀土矿区滑坡预测方法，旨在为稀土矿山的地质灾害防治提供理论基础。

1 离子型稀土原地浸矿工艺

离子型稀土矿经历了池浸、堆浸和原地浸矿工艺，目前广泛推荐原地浸矿的开采方式。原地浸矿是离子型稀土现有最环保的一种开采模式，它不需剥离表土和开挖矿体，在矿区内按照一定井网参数布设注液孔，将盐类浸矿剂溶液（通常使用硫酸铵）注入矿体，通过发生化学置换反应，使浸矿液中铵根离子将粘土矿物表面的稀土离子解吸下来，在自重和渗透作用下，稀土浸出液在山脚处的积液沟或收液巷道汇集，如图1所示。

图1 浸矿注液示意图

收集的稀土母液再经水冶车间的除杂，最后用碳酸氢铵沉淀，实现稀土资源回收，图2为离子型稀土原地浸矿主要工艺流程[1]。该工艺减少了池浸、堆浸工艺产生的植被破坏、尾矿堆放、水土流失、机械开挖成本等问题。在做好地质工作的基础上，并能够有效控制注液和收液的情况下，原地浸矿无疑是一种开采离子型稀土的环境友好型方法。

图2 原地浸矿的工艺流程图

离子型稀土矿床的主要矿物有高岭土、白云母、石英和钾长石，原矿的化学成分以SiO2为主，约占70%；其次是Al2O3，约占15%；再次是K2O，Fe2O3、CaO、MgO以及少量其他元素，其中高岭土、白云母等黏土矿物是天然的离子交换剂。因此，离子型稀土矿的浸取工艺都是基于离子交换反应，其化学方程式可以表示为：

式中，s表示固相，aq表示液相。

2 离子型稀土矿区滑坡特征

滑坡是离子型稀土矿山原地浸矿后常见的地质灾害，矿区滑坡具有规模小、数量多、频率高等特点。由于南方离子型稀土矿区一般为低山丘陵地貌，滑坡大多发育在地势呈现“凹形”的部位。在地形凹处的矿山，大量浸矿液产生汇聚，引起矿体长期处于水分饱和状态，从而引起土体抗剪强度下降，进而导致坡体发生滑动。根据滑坡的特征，离子型稀土矿滑坡可以分为表层滑坡和矿层滑坡，如图3所示：（a）为表层滑坡、（b）为矿层滑坡。

图3 离子型稀土滑坡类型

2.1 表层滑坡

表层滑坡主要发育在矿山上部土层，表层土质松散，风化程度高。滑体主要为表层的腐殖质层以及坡残积层等，滑面埋深小于5m。表层滑坡发育包含两个阶段：一是形成水膜层阶段，二是剧烈滑动阶段。在原地浸矿中，浸矿液与表层土体中的矿物发生化学反应，表土中的微细颗粒通过孔隙通道发生运移。由于全风化矿层的渗透性较表层土体的渗透性小，微细颗粒在表层下部或矿层上部积累并发生孔隙堵塞。因为浸矿溶液不能顺利往下渗透，故而易形成一层水膜层，随着孔隙水压力不断增大，当下滑力突破临界值，表土层将会沿着水膜层发生滑动，从而形成表层滑坡。

2.2 矿层滑坡

矿层滑坡主要发生在全风化壳和半风化壳层，滑体主要由全风化岩层及上部土层组成。矿层滑坡具有典型土质滑坡的一般特征，其发育过程包含三个阶段：一是临滑阶段，二是蠕滑阶段，三是剧烈滑动阶段。随着原地浸矿的不断注液，地下水位不断抬升，加之南方的降雨作用，使得水分在矿层的孔隙中产生聚集，矿层的含水率迅速增加，自重不断增大，下滑力随之增大。同时在化学置换作用下，矿体内部的物相组成发生改变，岩土体的粘聚力下降，当矿层下滑力大于临界阈值后，将形成矿层的滑坡现象。

3 离子型稀土矿区滑坡成因

滑坡是斜坡上的岩土体在诱因作用下沿着结构软弱面下滑的一种地质现象。在离子型稀土原地溶浸过程中，浸矿液注入导致矿体含水率不断增加，加之南方地区雨水丰富的气候特点，使得矿体长期处在高度饱和环境下，其抗剪强度不断弱化，进而诱发山体滑坡等地质灾害。滑坡的诱因主要包括浸矿液渗流作用、化学置换作用、矿体含水率升高、大气降雨、干湿循环、矿体微颗粒结构改变等。

3.1 滑坡的外因

（1）开挖注液井与收液孔对岩土体的扰动。在布设注液工程时，需要开挖注液井网，剥离覆盖在表土的植被，对于表层土体进行了扰动，减小了植物根系对表层土的固定作用，从而降低了矿山表层岩土体的稳定性。在开展收液工程时，需要根据矿体的形式设置收液孔或收液巷道，对矿山的基岩也产生了一定扰动。

（2）浸矿剂溶液的渗流与化学置换作用。在原地溶浸过程，大量硫酸铵浸矿溶液进入到稀土矿体中，并与矿体中稀土离子发生置换作用。在渗流过程中，由于流体的物理作用和土水之间化学作用，增加矿山覆斜坡体自重，对土的抗剪强度产生一定影响。渗流还会产生渗透力，当渗透力过大时就会引起渗透破坏，引起矿山滑坡等地质灾害的发生。

（3）大气降雨。离子型稀土主要分布在降雨丰富的中国南方七省区，尤其是对于江西赣州而言，气候属于典型的亚热带季风气候，夏季高温多雨，降雨量大且集中，雨水充沛，矿山边坡的坡面受到长历时冲刷以及侵蚀。当降雨结束之后，随之而来的高温又会使矿山中的水分蒸发，形成一个干湿循环过程，对矿体强度造成不同程度的弱化。雨水增加斜坡上部自重，加之岩土体抗剪强度下降，致使其结构失稳，从而引起滑坡频发。

3.2 滑坡的内因

（1）地形地貌。南方稀土矿区多为低山丘陵地貌，表面形态起伏平缓，绝对高度一般小于600m，相对高度通常小于200m。稀土矿山自然坡度较小，对边坡的稳定性影响不大。岩土体产生的风化和堆积作用比较严重，在矿山坡面的突出部位形成拉张应力区，对坡体的滑移产生一定影响。

（2）岩土性质。南方离子型稀土矿区土质多为粉质粘土，粘粒含量和粉土含量较大，其结构疏松，在进水饱和后易发生下滑。矿山下部含矿层一般为花岗岩，风化作用比较强烈，从而容易形成细长的裂缝，为溶液流动与颗粒运移提供了良好的通道，致使边坡稳定性下降，从而引发滑坡等地质灾害。

3.3 滑坡的防治

（1）排水措施。稀土矿山主要采用地上排水措施，即用截水沟或排水沟将地表水引入天然沟谷或矿区采场外，尽量避免降雨入渗、地表径流等影响。地表排水方便简单、成本低、效果好、应用广，对矿区滑坡防治及其有效。由于地下排水措施可能将富有稀土离子的母液排出或流失，从而降低资源回收率，因此地下排水措施的适用性值得商榷。

（2）支挡工程。利用抗滑桩、锚索等支挡结构物对滑坡体进行加固，防治效果良好，适合稀土矿山使用。支挡结构物还包括挡土墙、土钉、土锚及坡面柔性防护结构等，是边坡治理中较常用的手段。通常是结合其他防治措施使用，防治效果极佳。在原地浸矿时，利用防水材料对陡峭斜坡体进行覆盖，也可以有效隔开降水，起到防治滑坡的作用。

（3）斜坡体改造。对于斜坡体外部几何形态进行改造，主要包括削坡减载的方式。通过对推动滑坡产生的山体部分进行改造，在一定程度上可以减少斜坡上部荷载，减小坡角，适用于厚层、斜坡角较大的矿山。但对于稀土矿山滑坡来说，改造斜坡体可能将花岗岩全风化矿层暴露，在雨水冲刷和风化作用下，可能导致稀土回收率下降。

（4）生物防治。在斜坡上种植植被，可以有效提高坡体的稳定性。植被根系可有效提高岩土体的粘结力，减小表面冲刷及侵蚀作用，维护良好的生态平衡，使斜坡稳定性提高。稀土矿山水土流失严重，种植植被不仅有利于生态恢复，还可优化其他防治工程防治效果，可运用于稀土矿山滑坡预防和治理。

4 稀土矿山滑坡预测方法

滑坡预测作为矿山生产中防灾减灾的有效手段，一直被科研工作者和工程师广泛关注。由于滑坡演化过程具有很强的不确定性，对于滑坡的预测是一个从定性向定量认识的过程。在多年研究攻关下，滑坡预测领域取得了许多有益成果[8-10]，滑坡预测主要包括滑坡时间和滑坡空间的预报。离子型稀土滑坡预报方法，大致可以分为以下方法：

4.1 单体边坡稳定性分析

边坡稳定性分析有许多的方法，主要分为定性分析和定量分析。在滑坡研究中，工程实践中应用最早、计算方法比较简单的方法是早期提出的一些定量分析方法，如瑞典条分法、Bishop条分法、极限平衡法等边坡稳定性分析，可以用来对滑坡的预测预报与监测数据的处理。随着科技发展，边坡工程中非连续性、非线性、不确定性等问题逐渐引起重视。

4.2 区域滑坡空间预测

随着计算机技术兴起，遥感技术、地信信息系统等新技术开始应用于滑坡监测预报中。利用地理信息技术、水文分布模型等对区域性滑坡空间的定量预测具有较好的适用性，在区域性滑坡灾害预警划分的定量化评价方面起到了有力的推动作用。

4.3 经验-统计学方法预测

在滑坡预报领域的专业研究当中，基于经验和统计学模型具有一定的可行性，如早期预报滑坡的经验公式及图解方法——斋藤法，根据实际滑坡监测时间-位移曲线提出的外延法等。统计预测模型主要有灰色GM（1,1）预测模型、灰色马尔科夫链法、回归分析模型及指数平滑法等。

4.4 新时代科技预报

基于数学理论和人工智能，许多模型及数值方法被发现可以适用于滑坡预测，如灰色理论、模糊理论、系统论、神经网络等现代数理理论及其改进模型，数值方法有边界元、有限差分、数值流形法等。运用数据分析、智能算法等热门方法对滑坡监测数据进行处理，主要包括数据分析、分类和预测等重点。非线性预测模型主要有人工神经网络法、支持向量机法、时间序列法、新型ELM智能算法等。

5 结语与展望

（1）在原地浸矿工艺开采时，要高度重视地质灾害及环境问题，滑坡灾害是南方离子型矿产资源开发与利用亟待解决的问题。

（2）根据滑坡的特征，离子型稀土矿滑坡可以分为表层滑坡和矿层滑坡，对于开发中的稀土矿山，需要全面分析潜在滑坡的基本特征。

（3）原地浸矿滑坡成因主要包括内在因素和外在因素，需要结合所处的区域地质环境背景以及工程扰动和大气降雨等因素综合判定。

（4）滑坡预测主要包括滑坡时间和滑坡空间的预测预报。基于数学理论和人工智能的新时代科技预报手段，可以有效防治原地浸矿诱发滑坡，保障人民的生命和财产安全。