原地浸礦工藝對礦床開采技術(shù)條件勘查工作的要求*

陳 志 吳 盛 傅群和 秦雅靜

(1.國土資源評價(jià)與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.湖南省礦產(chǎn)資源儲量評審中心；3.湖南省地質(zhì)科學(xué)研究院)

原地浸礦工藝屬于溶浸采礦方法范疇，是一種將溶浸液通過注液井注入天然埋藏條件下的礦體中有選擇性地浸出有用成分，并將浸出液通過重力下滲匯流或由鉆孔抽至地表并輸送至車間進(jìn)行加工處理的方法[1]。作為一種新型采礦方法，近年來得到了快速發(fā)展，目前主要用于工業(yè)規(guī)模開采鈾、銅以及我國南方地區(qū)的離子吸附型稀土資源，特別是“十二五”時(shí)期，我國出臺了相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，將離子型稀土礦堆浸和池浸工藝列為淘汰類生產(chǎn)工藝[2]，大大促進(jìn)了原地浸礦工藝在離子型稀土礦山的大規(guī)模推廣應(yīng)用。當(dāng)前我國通用的以《稀土金屬地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0204—2002)為代表的相關(guān)勘查規(guī)范均未對原地浸礦工藝開采礦床的開采技術(shù)條件勘查工作進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)定，不同的礦床開采方式會產(chǎn)生不同的開采技術(shù)問題，開采技術(shù)條件勘查工作重點(diǎn)也不盡相同。對于原地浸礦工藝而言，因規(guī)范對于開采技術(shù)條件的要求與礦山需求脫節(jié)，導(dǎo)致大量礦床勘查工作的重點(diǎn)與方向步入誤區(qū)。隨著學(xué)術(shù)界對于原地浸礦工藝開采礦床的研究不斷深入，勘查和開發(fā)技術(shù)不斷成熟，在開采技術(shù)條件勘查方面已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗(yàn)。本研究結(jié)合原地浸礦工藝特點(diǎn)，針對開采技術(shù)條件方面存在的問題，梳理和總結(jié)原地浸礦工藝對礦床開采技術(shù)條件勘查工作的要求。

1 原地浸礦工藝特點(diǎn)

原地浸礦工藝開采即是在不開挖山體、不剝離表土采掘礦石的情況下，通過一定的浸取劑溶液將有用金屬礦物通過化學(xué)反應(yīng)溶解，浸出液通過采礦收集系統(tǒng)經(jīng)過水冶車間進(jìn)行沉淀提取，工業(yè)用水和貧液、尾液則通過閉路循環(huán)進(jìn)行回收，用于重新配置浸取劑溶液。該工藝流程如圖1所示。

圖1 原地浸礦工藝生產(chǎn)流程

原地浸礦工藝特點(diǎn)為：①該工藝集合了地質(zhì)、地下水動力學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)、采礦、選礦、濕法冶金、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、機(jī)械以及自動控制技術(shù)于一體，工藝簡單，技術(shù)水平較高，可大幅度降低生產(chǎn)成本，可靠性強(qiáng)[3]；②工藝適用條件苛刻，對于天然底板的完整性和透(滲)水性、礦床(包括礦體)滲透性、礦床中的斷裂破碎帶、山體穩(wěn)定性和潛在地下工程穩(wěn)定性、地下水文條件等均有嚴(yán)格要求；③工藝不可避免地會破壞環(huán)境(如開采后地下水體和土壤環(huán)境不同程度上被污染破壞)，并在一定程度上造成資源損失，如資源的滲漏損失、殘留于礦體中的損失等[2]。

2 地質(zhì)勘查規(guī)范存在問題分析

我國現(xiàn)行的《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查規(guī)范總則》(GB/T 13908—2002)及相關(guān)單礦種規(guī)范統(tǒng)一將開采技術(shù)條件劃分為3類9型[4-6]。在此基礎(chǔ)上，對不同開采技術(shù)條件勘查類型的礦床給出了劃分依據(jù)并提出了相應(yīng)的工作要求，分預(yù)查、普查、詳查、勘探4個(gè)階段分別對開采技術(shù)條件的勘查程度提出了相關(guān)要求。預(yù)查強(qiáng)調(diào)資料收集，初步了解區(qū)域水工環(huán)地質(zhì)條件；普查強(qiáng)調(diào)在收集水工環(huán)資料的基礎(chǔ)上，類比同類已開發(fā)的礦床，大致了解開采技術(shù)條件，作出概略評價(jià)，并視水文地質(zhì)條件的復(fù)雜程度確定是否補(bǔ)充適當(dāng)量的水文工作；詳查強(qiáng)調(diào)通過一定量的工程手段基本查明開采技術(shù)條件，初步確定礦床充水的主(次)含水層及其水文地質(zhì)參數(shù)、礦體圍巖巖體質(zhì)量及主要不良層位，一般要求估算涌水量，預(yù)測礦山開采時(shí)可能產(chǎn)生的水工環(huán)問題，進(jìn)而對開采技術(shù)條件的復(fù)雜性作出評價(jià)，初步劃分出礦床的開采技術(shù)條件類型；勘探階段強(qiáng)調(diào)對影響礦床開采的主要水工環(huán)問題進(jìn)行詳細(xì)查明，通過試驗(yàn)獲得相關(guān)參數(shù)，計(jì)算礦區(qū)首采區(qū)、第一開采水平礦坑涌水量，預(yù)測下一開采水平的涌水量，根據(jù)查明的水工環(huán)地質(zhì)條件，準(zhǔn)確劃分出開采技術(shù)條件類型，并對突出的水工環(huán)問題提出相關(guān)防治措施，為礦山建設(shè)提供可靠依據(jù)。

可見，已有的地質(zhì)勘查規(guī)范對于開采技術(shù)條件的勘查要求能較好地適用于普通井工開采和露天開采礦山的需求，但對于原地浸礦工藝開采則總體不適用。原因?yàn)椋孩賹τ谝话愕V床而言，對于是否適合采用原地浸礦工藝開采的判別要求極高，而在判別依據(jù)上也有別于常規(guī)地下開采和露天開采，礦區(qū)底板收液效果和礦床的滲透性能是決定能否使用原地浸礦工藝開采的最主要因素，決定著浸礦工藝的回收性能及效果，相對而言，對于井工開采和露天開采等開采方式的選取通常聚焦于開采可能導(dǎo)致或面臨的常規(guī)技術(shù)問題；②開采易引發(fā)的技術(shù)問題有所不同(表1)，原地浸礦工藝開采主要面臨的是采場滑坡以及地下水體、土壤環(huán)境污染破壞等環(huán)境地質(zhì)問題，一般性水文和工程地質(zhì)問題涉及較小，這對于開采技術(shù)條件勘查工作影響極大。

表1 3種開采方式面臨的主要開采技術(shù)問題

3 礦床開采技術(shù)條件勘查工作要點(diǎn)

3.1 開采技術(shù)條件勘查工作的基本原則

開采技術(shù)條件勘查工作的合理與否主要從法律和技術(shù)經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)。首先，開采技術(shù)條件涉及到礦山生產(chǎn)后的安全以及生態(tài)完整性問題，國家相關(guān)法律法規(guī)對此均有明確規(guī)定；其次，應(yīng)考慮采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，以最少的投入、最短的勘查時(shí)間完成相關(guān)階段的水工環(huán)勘查工作，能夠提供符合要求的成果資料。開采技術(shù)條件勘查工作應(yīng)遵循的原則有：①為礦區(qū)下一步工作提供必需的開采技術(shù)條件基礎(chǔ)資料；②與地質(zhì)勘查工作緊密結(jié)合；③水、工、環(huán)三者作為統(tǒng)一系統(tǒng)進(jìn)行研究；④突出重點(diǎn)和問題導(dǎo)向，不同情況應(yīng)區(qū)別對待；⑤保證成果質(zhì)量；⑥提高環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價(jià)定位。

3.2 礦床開采技術(shù)條件勘查階段劃分及類型

3.2.1 勘查階段劃分

適用于原地浸礦工藝開采的礦床，其成礦地質(zhì)條件相對簡單，勘查周期短、相對容易，如我國南方離子型稀土礦山，采選工藝簡單，礦山建設(shè)投資少，除了對原地浸礦工藝選擇判定要求較嚴(yán)苛以外，開發(fā)面臨的開采技術(shù)問題相對不復(fù)雜，而且比較固定，因此，針對開采技術(shù)條件勘查階段的劃分可不必拘泥于預(yù)查、普查、詳查、勘探4個(gè)環(huán)節(jié)，可以適當(dāng)簡化或者合并，建議僅劃分為預(yù)—普查、詳查2個(gè)階段[7-8]。預(yù)—普查階段的工作重點(diǎn)是對礦區(qū)天然底板完整程度、礦床滲透性開展相關(guān)工作，對礦區(qū)是否適合采用原地浸礦工藝開采作出基本評價(jià)；詳查階段的工作重點(diǎn)是對礦山開發(fā)可能引發(fā)的主要開采技術(shù)問題進(jìn)行評價(jià)和預(yù)測，并提出切實(shí)可行的防治措施，為礦山建設(shè)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價(jià)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供可靠依據(jù)。

3.2.2 勘查類型確定

對于采用原地浸礦工藝開采的礦床，礦體首先須位于侵蝕基準(zhǔn)面以上(否則不適用于原地浸礦工藝開采)，并且不存在礦坑涌水現(xiàn)象，此外，由于浸取液注入礦床不可避免地會污染礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境，并且改變了山體巖土力學(xué)性能，加大了節(jié)理裂隙的發(fā)育程度，在降雨或浸取液大量注入的情況下，可能導(dǎo)致山體滑坡和崩塌，因此，采用原地浸礦工藝開采的礦床，其開采技術(shù)條件宜確定為以環(huán)境地質(zhì)條件為主的中等類型礦床(Ⅱ-3)或復(fù)雜類型礦床(Ⅲ-3)。本研究統(tǒng)計(jì)了采用原地浸礦工藝開采的7個(gè)我國南方離子型稀土礦床勘查時(shí)確定的開采技術(shù)條件勘查類型(表2)，可見，7個(gè)礦床中沒有以水文地質(zhì)問題和工程地質(zhì)問題為主的礦床，同時(shí)也不存在開采技術(shù)條件簡單的礦床(Ⅰ型)。

表2 7個(gè)離子型稀土礦床開采技術(shù)條件勘查類型

3.3 主要勘查內(nèi)容及重點(diǎn)

根據(jù)原地浸礦工藝特點(diǎn)，結(jié)合開采技術(shù)條件勘查原則，針對原地浸礦工藝開采主要面臨的開采技術(shù)問題，在勘查階段應(yīng)切實(shí)查明礦床(包括礦體)滲透性、浸礦山體穩(wěn)定性、地下收液工程穩(wěn)定性以及浸取可能產(chǎn)生的環(huán)境問題等[7-8]。

3.3.1 滲透性評價(jià)

查明浸出液滲透規(guī)律的工作重點(diǎn)有：

(1)收集區(qū)域內(nèi)相關(guān)氣象水文資料，理清礦區(qū)氣象規(guī)律，雨水季節(jié)一般不適合采用原地浸礦工藝開采；查明浸礦礦床地下水文地質(zhì)條件，了解地下水活動狀況和地下水通道，對于低于潛水面的礦體或地下水文條件復(fù)雜的礦區(qū)不宜采用原地浸礦工藝開采。

(2)強(qiáng)化對礦床底板性質(zhì)的評價(jià)。首先應(yīng)查清底板位置，明確底板屬于出露式還是深潛式(圖2)。出露式需查清基巖出露的分布情況，摸清基巖的節(jié)理、劈理和斷裂構(gòu)造特征，評價(jià)底板的完整程度、透(滲)水性能、產(chǎn)狀、起伏情況、結(jié)構(gòu)狀況等，進(jìn)而評判底板是否可以作為回收浸出液的天然收液界面，若底板存在規(guī)模較大構(gòu)造破碎帶或斷裂、裂隙較發(fā)育，注液后則易發(fā)生浸取液泄漏，既影響收液效果，又會破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，故而不適合采用原地浸礦工藝開采。深潛式底板類礦床若進(jìn)行開采，需要制造人工假底。

圖2 采用原地礦工藝開采的礦床底板類型

(3)需對礦床風(fēng)化層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、砂土層(礦層)的黏土含量、滲透率、含水飽和度、塑限、液限以及礦石中Fe、Al、Mg等離子含量進(jìn)行分析研究，以評價(jià)礦段、礦體或局部區(qū)域是否適合采用原地浸礦工藝開采，為后期浸礦工藝設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)。一般而言，滲透速率小于0.25 m/d的礦區(qū)或其局部區(qū)域，不適合采用原地浸礦工藝開采。

3.3.2 工程地質(zhì)災(zāi)害以及環(huán)境問題預(yù)測評價(jià)

(1)重點(diǎn)查明礦巖構(gòu)造，包括斷層、裂隙、結(jié)構(gòu)面，尤其是中型以上結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)弱面、工程巖體穩(wěn)定性、潛在的地下工程不穩(wěn)定體等。根據(jù)礦區(qū)地形坡度、巖土力學(xué)性質(zhì)、礦石黏土含量及含水飽和度三者之間的關(guān)系，研究確定發(fā)生山體崩塌或滑坡以及地下收液工程破壞的理論臨界點(diǎn)。

(2)對于環(huán)境問題，一方面須強(qiáng)化對礦床原生地質(zhì)環(huán)境的評價(jià)，尤其是對于開采可能導(dǎo)致環(huán)境污染破壞的相關(guān)指標(biāo)的原始值應(yīng)進(jìn)行測試和分析，在資料收集和實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，對地表山林情況、地下天然水化學(xué)狀態(tài)、地表土壤化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行測試和研究，查明相關(guān)背景值，如采用原地浸礦工藝開采的我國南方離子型稀土礦，由于存在浸出液滲漏的可能性，極易造成地下水和地表水稀土、氨、氮含量超標(biāo)，導(dǎo)致水體污染，但該類污染是否確實(shí)由于稀土開采浸出液滲漏所致，需要比較(與背景值相比)評判，否則無端放大原地浸礦工藝開采的危害，不利于工藝提高和礦山生產(chǎn)；另一方面需要評估原地浸礦工藝開采對環(huán)境天然狀態(tài)的影響，重點(diǎn)預(yù)測可能對原生環(huán)境造成破壞的組分種類、數(shù)量、分布狀況，明確環(huán)境治理與恢復(fù)的可能性，另外，勘查過程中須明確劃出不適宜采用原地浸礦工藝開采的礦床范圍，對于生產(chǎn)過程中強(qiáng)化監(jiān)管、監(jiān)控工作的重要性和必要性，勘查報(bào)告也應(yīng)予以明確。

4 結(jié) 論

(1)由于對礦床是否適合采用原地浸礦工藝開采的判別要求極高，且原地浸礦工藝開采易引發(fā)的開采技術(shù)問題與井工開采和露天開采有明顯區(qū)別，導(dǎo)致以《稀土金屬地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0204—2002)為代表的地質(zhì)勘查規(guī)范對開采技術(shù)條件勘查工作的要求基本不適用于采用原地浸礦工藝開采的礦山。

(2)對于擬采用原地浸礦工藝開采的礦山，礦床開采技術(shù)條件勘查階段宜劃分為預(yù)—普查、詳查2個(gè)階段。預(yù)—普查階段的工作重點(diǎn)是對礦區(qū)天然底板完整程度、礦床滲透性開展相關(guān)工作，對礦區(qū)是否適合采用原地浸礦工藝開采進(jìn)行評價(jià)；詳查階段的工作重點(diǎn)是對礦山開發(fā)可能引發(fā)的主要開采技術(shù)問題進(jìn)行評價(jià)和預(yù)測，并提出切實(shí)可行的防治措施。

(3)適宜采用原地浸礦工藝開采的礦床，其開采技術(shù)條件一般僅可以確定為以環(huán)境地質(zhì)條件為主的中等類型礦床(Ⅱ-3)或復(fù)雜類型礦床(Ⅲ-3)。

(4)對于擬采用原地浸礦工藝開采的礦床，在勘查階段應(yīng)切實(shí)查明礦床(包括礦體)的滲透性、浸礦山體的穩(wěn)定性、地下收液工程的穩(wěn)定性以及浸取可能導(dǎo)致的環(huán)境問題等，尤其強(qiáng)化對礦床底板性質(zhì)的評價(jià)、礦床風(fēng)化層結(jié)構(gòu)滲透規(guī)律的研究、山體崩塌或滑坡及地下收液工程破壞的理論臨界點(diǎn)的分析、礦床原生地質(zhì)環(huán)境的評價(jià)以及原地浸礦工藝開采對環(huán)境天然狀態(tài)的影響評估。

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