基于優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的離子型稀土礦床節(jié)理構(gòu)造研究

張賢平

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

目前，原地浸礦工藝已廣泛應(yīng)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(yán)重流失、廢渣難以處理以及生態(tài)難以恢復(fù)等重大生態(tài)問題，被稱為綠色開采工藝。但在該工藝實(shí)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(fā)生交換，銨根離子被吸附在土體內(nèi)，稀土陽離子進(jìn)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(tǒng)進(jìn)行收集。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每獲取1 t氧化物稀土，需要注入7～8 t硫酸銨[1]。若稀土母液發(fā)生滲漏，就會(huì)浪費(fèi)寶貴的稀土資源，更嚴(yán)重的是重金屬和氨氮會(huì)污染水資源，給人們的生產(chǎn)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(qū)出現(xiàn)了農(nóng)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(xiàn)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(shù)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(guī)模裂隙滲漏污染了地下水，繼而污染地表水，如圖1所示。

圖1 礦體裂隙滲入示意圖

由此看來，原地浸礦僅適用于底板完整的礦體，而據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，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(qiáng)，對底板不完整的礦體，原地浸礦時(shí)沿底板裂隙容易產(chǎn)生滲漏，特別是當(dāng)?shù)V體底板存在大規(guī)模導(dǎo)水裂隙時(shí)，滲漏會(huì)很嚴(yán)重[5]。

為了減少母液流失，提高采礦回收率，相關(guān)學(xué)者開展了大量的原地浸礦采礦工藝的改進(jìn)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(rèn)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(xiàn)有礦山開采企業(yè)或?qū)Φ装辶严稘B漏認(rèn)識不足，或?yàn)楣?jié)約成本，僅在大致探明地質(zhì)儲(chǔ)量而未查明礦體底板構(gòu)造的情況下就盲目開采，導(dǎo)致一些開采礦區(qū)水體受到嚴(yán)重污染，有的礦區(qū)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(shí)施中急需解決的問題，開展離子型稀土礦體底板優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的研究對保護(hù)水資源具有重要意義。

1 巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論應(yīng)用概況

巖體結(jié)構(gòu)控制論最初由中國科學(xué)院地質(zhì)研究所工程地質(zhì)研究室提出。巖體結(jié)構(gòu)控制論認(rèn)為，巖體是不完整的，它被各種各樣的結(jié)構(gòu)面所切割，這些結(jié)構(gòu)面是具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質(zhì)界面，包括節(jié)理面、斷層面、劈理面、軟弱層等[6]。巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面就是在上述各種結(jié)構(gòu)面中按一定的優(yōu)勢指標(biāo)找出的對區(qū)域穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性起控制作用的結(jié)構(gòu)面，以及對氣、液介質(zhì)起控制作用的結(jié)構(gòu)面[7]。巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論在工程地質(zhì)、巖土工程、災(zāi)害地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了重要成果[8]。

目前，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論還未應(yīng)用于離子型稀土礦的開采中。離子型稀土礦產(chǎn)蘊(yùn)藏于含稀土的花崗巖類巖石及其變質(zhì)巖的風(fēng)化殼中，花崗巖巖體內(nèi)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(fēng)化作用過程中形成的風(fēng)化裂隙和地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中形成的構(gòu)造裂隙（節(jié)理和斷層）。由于風(fēng)化裂隙僅限于地表風(fēng)化帶內(nèi)，因而離子型稀土礦體底板只存在原生裂隙和構(gòu)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(gòu)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(guī)模的構(gòu)造裂隙，由于地下水的長期滲流，其成為一個(gè)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(guī)模的構(gòu)造裂隙。

我國南方氣候濕潤，雨水充沛，化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)烈，花崗巖風(fēng)化殼厚度較大，一般為5～20 m，少數(shù)達(dá)30 m，給查明離子型稀土礦床底板構(gòu)造帶來一定困難[9]。基于巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論，看似雜亂分布的構(gòu)造裂隙，實(shí)際上都存在著對巖體穩(wěn)定性起控制作用以及對氣、液介質(zhì)起控制作用的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。通過對離子型稀土礦床節(jié)理構(gòu)造進(jìn)行研究，可以找出節(jié)理的分布特征和分布規(guī)律，確定含礦花崗巖巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的方位，這對指導(dǎo)礦體底板規(guī)模裂隙勘查、科學(xué)布置采礦工程和預(yù)防原地浸礦可能誘發(fā)的山體滑坡具有重要的作用。

2 礦區(qū)節(jié)理構(gòu)造研究

2.1 礦區(qū)地質(zhì)背景

礦區(qū)處于一斷陷盆地內(nèi)，盆地內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，大面積分布燕山期黑云母花崗巖和火山巖；盆地內(nèi)具有NE～NNE、EW和NW～NWW三組區(qū)域斷裂構(gòu)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(guī)模較小；礦床產(chǎn)于中粗粒黑云母花崗巖的風(fēng)化殼中，為離子型吸附性稀土礦床，風(fēng)化殼平均厚度12 m，礦體形態(tài)受風(fēng)化殼所控制，產(chǎn)狀隨地形起伏變化，長840 m，寬800 m，礦體厚度2.50～10.00 m，平均厚度4.60 m，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(fēng)化、半風(fēng)化層和基巖，各層界線呈漸變過渡關(guān)系[10]。礦區(qū)花崗巖風(fēng)化嚴(yán)重，風(fēng)化殼大面積覆蓋，很少有基巖出露。

2.2 含礦巖體節(jié)理調(diào)查與統(tǒng)計(jì)

本次節(jié)理調(diào)查所選露頭均為離子型稀土礦區(qū)周邊修路開挖的人工露頭，出露良好，節(jié)理清晰。根據(jù)節(jié)理調(diào)查規(guī)范，選擇在露頭良好、出露面積至少有幾個(gè)平方米、有幾十條節(jié)理可供觀測的地段進(jìn)行節(jié)理調(diào)查，共選擇8個(gè)觀測點(diǎn)，測得節(jié)理239條。通過對每個(gè)測點(diǎn)的節(jié)理進(jìn)行歸類并組，計(jì)算出了巖體中各觀測點(diǎn)內(nèi)不同節(jié)理組的節(jié)理密度、各觀測點(diǎn)的節(jié)理密度、各觀測點(diǎn)巖體的RQD值，如表1所示。

表1 黑云母花崗巖節(jié)理統(tǒng)計(jì)與計(jì)算

巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）是美國伊利斯諾大學(xué)Deere（1964）提出的作為反映巖體穩(wěn)定程度的重要參數(shù)，幾十年來，RQD指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于工程巖體的穩(wěn)定性評價(jià)，同時(shí)對預(yù)防和預(yù)測礦體滑坡具有重要的參考價(jià)值。根據(jù)節(jié)理統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，采用節(jié)理密度換算來計(jì)算巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD，即采用Palmstrom給出的體積節(jié)理數(shù)JV與RQD指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系RQD=115-3.3JV來計(jì)算RQD值。當(dāng)JV小于4.5時(shí)，RQD=100；當(dāng)JV大于35時(shí)，RQD=0[11]。按照RQD的高低，將巖石質(zhì)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(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位分析

為了簡明、清晰地反映黑云母花崗巖巖體內(nèi)不同性質(zhì)節(jié)理的分布特征和發(fā)育規(guī)律，根據(jù)黑云母花崗巖節(jié)理調(diào)查數(shù)據(jù)和節(jié)理分組統(tǒng)計(jì)結(jié)果，筆者繪制了黑云母花崗巖節(jié)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(jié)理走向主要有兩組，分別為345°～355°和85°左右。節(jié)理傾向玫瑰圖（見圖3）顯示的是節(jié)理傾向方向，它能將走向相同但傾向相反的共軛節(jié)理顯示出來，克服了走向玫瑰圖的不足。節(jié)理傾向玫瑰圖顯示有三組主要節(jié)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(jié)理實(shí)際上為一組共軛節(jié)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(jié)理的走向與走向玫瑰圖相同。

圖2 節(jié)理走向玫瑰圖

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(jié)理組的走向或傾向，但仍可從錯(cuò)綜復(fù)雜的節(jié)理分布中提供了一個(gè)直觀的基本判斷，最終確定主要節(jié)理組的產(chǎn)狀還需要通過節(jié)理等密度圖（見圖4）求得。節(jié)理等密度圖中放射線代表節(jié)理傾向方位角，同心園代表節(jié)理傾角，自圓心至圓周為0°～90°。根據(jù)花崗巖節(jié)理等密度圖并結(jié)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(jié)理，其中一組為共軛節(jié)理，產(chǎn)狀分別為81°∠73°和261°∠23°～62°，另一組節(jié)理產(chǎn)狀為353°∠67°。

圖4 等密度圖

圖5 傾角分布直方圖

從以上分析數(shù)據(jù)可知，礦區(qū)黑云母花崗巖具有兩組主要節(jié)理，分別為81°∠73°和353°∠67°，它們代表了黑云母花崗巖的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位，與NW～NWW向和EW區(qū)域構(gòu)造完全吻合。傾角直方圖（見圖5）顯示大多數(shù)節(jié)理的傾角較陡，多在65°～85°，與兩組主要節(jié)理的傾角相吻合。

3 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面在離子型稀土礦開采中的應(yīng)用

3.1 指導(dǎo)離子型稀土礦體底板規(guī)模裂隙勘查

開采礦體底板有兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位，沿優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位可能存在對稀土母液和巖體的穩(wěn)定性起控制作用的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面（規(guī)模裂隙），而礦體底板規(guī)模裂隙隱伏在花崗巖風(fēng)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(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位為科學(xué)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(qū)，大大減少了物探工作量，節(jié)約了物探成本，提高了物探效率；在垂直優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面走向的方向上布置物探線，才能更真實(shí)、更準(zhǔn)確地揭示風(fēng)化殼下隱伏的規(guī)模裂隙，提高物探效果。同時(shí)，由于物探成本的明顯減少，礦山開采企業(yè)積極主動(dòng)地投入少量資金開展礦體底板構(gòu)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(qū)花崗巖體兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)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(fēng)化殼各層及基巖密度的差異，采用高密度電法。物探數(shù)據(jù)顯示，在A1勘探線上發(fā)現(xiàn)低密度帶，初步判定為隱伏斷層所致，在B1勘探線上未發(fā)現(xiàn)明顯低密度帶。在此基礎(chǔ)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(jié)果均發(fā)現(xiàn)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(fēng)化層中采用沿脈和穿脈地下坑道相結(jié)合的方式進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果實(shí)地發(fā)現(xiàn)了一條寬約2.5 m的斷層，斷層內(nèi)部分已被石英脈充填，測得其準(zhǔn)確產(chǎn)狀為356°∠73°，與花崗巖353°∠67°優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位吻合。沿此斷層通過人工注漿的方式進(jìn)行封堵，構(gòu)建人工防滲底板，大大減少了母液滲漏。該礦現(xiàn)正在開采，稀土回收率在88%左右，就水質(zhì)檢查結(jié)果來看，在正常范圍之內(nèi)，附近農(nóng)田未受影響，原地浸礦效果好。

圖6 物探線布置圖

3.2 指導(dǎo)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(guī)模裂隙的離子型稀土礦床，除對規(guī)模裂隙進(jìn)行注漿封堵、構(gòu)建人工防滲底板外，在布置集液巷道時(shí)應(yīng)盡量避開規(guī)模裂隙，盡可能沿規(guī)模裂隙的走向布置；對礦體底板未發(fā)現(xiàn)規(guī)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(guī)模裂隙，這些看似雜亂分布的裂隙依然存在優(yōu)勢結(jié)構(gòu)方位，沿優(yōu)勢結(jié)構(gòu)方位產(chǎn)生的滲漏相對更多，集液巷道應(yīng)盡可能沿優(yōu)勢結(jié)構(gòu)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(yù)防原地浸礦過程中可能誘發(fā)的山體滑坡

原地浸礦過程誘發(fā)的山體滑坡除對人民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失外，亦會(huì)對水資源產(chǎn)生嚴(yán)重污染，而優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面或優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位的確定，為預(yù)防滑坡提供了重要依據(jù)。

3.3.1 土體滑坡的預(yù)防

在花崗巖風(fēng)化殼中，殘坡積層與全風(fēng)化層、全風(fēng)化層與半風(fēng)化層、半風(fēng)化層與基巖界面就是優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，在原地浸礦時(shí)，易誘發(fā)沿優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的土體滑坡。因礦體內(nèi)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(jié)構(gòu)的性質(zhì)和穩(wěn)定性，特別是在暴雨季節(jié)，土體重量明顯加大，當(dāng)?shù)匦纹露容^大時(shí)，由于礦體形態(tài)與地形正相關(guān)，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的傾角亦較大，易產(chǎn)生土體滑坡。開采礦體坡度角約25°，坡度較小，產(chǎn)生土體滑坡的可能性很小。

3.3.2 巖體滑坡的預(yù)防

在原地浸礦過程中，除存在土體滑坡的風(fēng)險(xiǎn)外，還存在沿巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面或優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。由于浸礦液的大量注入，特別是在暴雨季節(jié)，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(shí)，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(wěn)定性好，但當(dāng)巖體內(nèi)存在規(guī)模斷層，特別是斷層傾向與坡面一致且傾角小于坡度角時(shí)，就有可能沿巖體斷裂面產(chǎn)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(zhì)巖等RQD較小的巖體，沿?cái)鄬踊驇r體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)方位產(chǎn)生巖體滑坡的可能性更大。開采礦體沿NE30°方向展布，斷層產(chǎn)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(yuǎn)大于坡面坡度角（見圖7），不會(huì)產(chǎn)生巖體滑坡。

圖7 礦體滑坡示意圖

4 結(jié)論

通過對離子型稀土礦區(qū)花崗巖體節(jié)理構(gòu)造進(jìn)行研究，人們可確定花崗巖體的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位。垂直花崗巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位布置物探線，能更真實(shí)、更客觀地反映和揭示礦體底板規(guī)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(jié)約了物探成本。將花崗巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位與高密度電法有機(jī)結(jié)合，為查明離子型稀土礦體底板規(guī)模裂隙提供了一條便捷有效的途徑，使稀土礦山開采企業(yè)積極投入少量資金加強(qiáng)礦體底板規(guī)模裂隙的勘查。同時(shí)，為原地浸礦集液巷道的合理布置提供了依據(jù)。

采用巖體體積節(jié)理數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法計(jì)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(zhì)巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，并結(jié)合巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面（或優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方位）預(yù)測和預(yù)防原地浸礦可能誘發(fā)的山體滑坡。首次將巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面理論應(yīng)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(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型稀土礦山開發(fā)和原地浸礦工藝的推廣應(yīng)用具有一定的理論價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境價(jià)值。