Slope stability analysis of an ionic rare earth mine
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摘要: 依据某离子型稀土矿原地浸矿施工实例，使用有限差分软件FLAC3D对其边坡稳定性进行了数值模拟渗流分析，得到了该稀土矿边坡在持续大量注入溶浸液后的孔压场、位移场、安全系数等数据.分析结果表明：注液5~20 d内孔压场以大于15 kPa的速度增加，第20 d时孔压增大到93.82 kPa，位移也迅速增大到-24.44 mm，安全系数由施工前的1.74迅速减小到1.31.开挖集液暗沟后，注液第20~30 d的孔压稳定在85.33~85.61 kPa，累积最大位移为-25.26~-26.16 mm，安全系数稳定在1.27，总体来看，边坡能维持长期稳定.Abstract: The Flac3D software, frequently-used finite difference software was used for slope stability transfusion numerical modeling. This modeling operation was based on the practice of In-situ leaching mining in an ionic rare-earth mine. Lots of parameters were obtained after large injecting of leaching solution, such as hole temperature-pressure, displacement field, safety factor and so on. The results show that hole temperature-pressure increases with the speed over 15 Kpa after injected leaching solution 5-20 days, and reaches 93.82 kPa in the final day; the displacement is expanded to -24.44 mm in a fast speed. The safety factor quickly reduces to 1.31 from 1.74 before construction. After the excavation of intercepting drainage, hole temperature-pressure remains at 85.33~85.61 Kpa if leaching solution injection lasting for another 10 days with accumulated maximum displacement being -25.26~-26.16 mm. The safety coefficient of slope achieves a stable level of 1.27 and the slope can maintain long-term stability generally.
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Keywords:
- in-situ leaching mine /
- ionic rare earth mine /
- slope stability /
- numerical simulation /
- transfusion
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离子型稀土富含世界上短缺的中、重稀土元素，具有很高的经济与战略价值，被我国政府列为保护型开采的矿种之一[1-2].含稀土离子的母岩经风化、溶解，产生稀土阳离子，阳离子经黏土矿物吸附富集而形成离子吸附型稀土矿[3-6].离子型稀土矿一般赋存于花岗岩等火成岩的风化壳中，矿体呈层状分布于被风化、剥蚀、冲刷而形成的准丘陵地带中[7-10].该矿种埋藏较浅，所在山体由浅往深部一般是表土层、全风化层、半风化层、微风化层和基岩，稀土离子主要存在全风化层和半风化层中[11].针对离子型稀土矿，目前主要采用地表原地浅井浸出[12].浸矿施工时，由于向山体风化矿层注入大量浸出药剂，使风化矿层含液量增加，同时浸出药剂与稀土矿的置换过程会减小风化矿层的强度参数，使风化矿层稳定性变差，进而发生滑坡[13-14].基于此，本文通过FLAC3D的流固耦合的实例分析，研究某稀土矿山持续注液对山体边坡的孔压场、位移场和安全系数的影响情况.研究结果为离子型稀土矿原地浸矿采场的施工提供理论依据.
1 某稀土矿工程概况
该稀土矿山体浅层为厚约1~10 m的表土层、全风化矿层，为离子型稀土赋存层，下部基岩为完整性好的花岗岩，是山体含水层下隔水体.山体边坡长约50 m，宽约30 m，高约30 m，山体坡度25°~40°；矿区植被多处中幼龄；矿区地表水主要是山间沟谷溪流，平水期水流量约0.5~100 L/s，受季节影响较大.矿山平均每天向山体内部注入约100 m3浸矿药剂，有研究结果表明，当液固比为0.8时能有效控制母液量和母液浓度[15].图 1为该矿山原地浸矿边坡剖面图.
2 数值计算模型及边界条件
2.1 几何模型
建立数值模型时网格的划分影响到计算的效率. FLAC3D的流固耦合分析模型包含流、固体2种模型，FLAC3D在流固耦合问题上需要加倍的计算步，网格划分的疏密程度极大地影响计算的速度，因此在建模时将数值模型含矿层网格划分较密，基岩强度较高，形变小，网格划分相对较疏.本次数值模型建立过程如下：将原地浸矿边坡的左下侧角点定义为原点O（0，0），边坡最右侧边界的X=50 m；数值模型的底部边界的Z=-10 m，顶部边界纵坐标Z=30 m，边坡总面积约为800 m2.为简化计算，将三维边坡稳定分析简化为二维的平面问题，平面应变计算模型如图 2所示，从上往下分别是全风化矿层、半风化层、基岩，模型单元数为10 600，节点数13 131.
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图 2 原地浸矿边坡数值模型平面模型Figure 2. Local dissolving leaching mining numerical model of slope plane model2.2 边界条件及参数
依据数值模型及原地浸矿施工工艺的特点，确定流固体分析的力学边界条件时固定X=-10 m、X=50 m面的水平位移，固定Y轴方向的前后边界的水平位移，固定Z=-10 m面的垂直位移.做流体分析时设置基岩为不渗透材料，设置坡面与坡顶面为透水自由面.
对岩土工程数值分析影响较大的是材料的物理力学参数，其取值的准确性与合理性直接关系到计算结果的准确性.参考类似矿山及岩土质材料强度参数，本次数值分析材料物理力学参数见表 1所示.
表 1 模型材料物理力学参数Table 1. Material physical and mechanical parameters
3 注液边坡稳定性数值分析
根据基岩在山脚出露与否，集液时采用明沟和暗沟来集液.明沟集液的集液明沟设置在山脚沟谷部位，紧挨矿体一侧，浸出液能沿基岩斜面向山体坡面渗出，进入集液明沟.暗沟网集液的暗集液沟是由地表的坡脚处向山体内打高1.6 m、宽0.6 m的倾斜梯形暗沟，浸出液沿暗沟流出地表.本研究的稀土矿实例中基岩在山体坡脚处出露，浸出液能沿基岩渗出到地表，因此采用明沟集液的原地浅井浸出法采矿.
本次数值分析计算设置为岩土的干密度，由FLAC3D软件自动计算每个单元的饱和重度.流固耦合分析计算过程为：① 计算含矿山体边坡的原始应力；② FLAC3D流固耦合排水分析中，孔压场不与应力场耦合，可以加快运算速率.计算中先单渗流计算，后单力学计算.
3.1 孔隙水分析
浸矿注液使山体坡含液量迅速增加，溶浸液沿基岩斜面向下渗流，并在基岩斜面最先达到饱和，形成有一定厚度的饱和体.注液施工持续时，前期注液量大于渗出的集液量，饱和体厚度增大，液面逐渐接近山体坡面.中期注液量与集液量相当，饱和体厚度将不变，后期注液量减小或停止注液时，饱和体厚度减小.注液量为100 m3/d的不同时刻坡体孔隙水压力云图如图 3所示.因FLAC3D渗流计算中默认未饱和体的孔隙水压力为0，因此认为图 3中蓝色区域均未饱和.由图 3（a）~图 3（d）可以看出，饱和体厚度迅速增大，在坡脚位置增大最快，说明注液5~20 d内的溶浸液注入速度大于浸出液渗出速度.由图 3（d）~图 3（f）可知，饱和体厚度基本不变，说明注液20~30 d内溶浸液注入速度与浸出液渗出速度持平，且注液20 d时饱和矿层与近地表风化层（注液孔区域先受注液渗流浸润作用）都能受到浸矿液浸润. 图 4是孔隙水压力随注液时间变化的折线图.由图 4可以看出，注液5 d、10 d、15 d、20 d、25 d、30 d的孔隙水压力为37.75 kPa、53.11 kPa、69.57 kPa、93.82 kPa、96.51 kPa、97.36 kPa.这些数据可以说明，注液5~20 d的孔隙水压力每5 d最少增大15.36 kPa，20 d后每5 d最大增加2.69 kPa，说明注液20 d后，浸矿边坡每天的注液量比收液量略大.
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图 3 注液期每隔5 d的孔隙水压力云图Figure 3. Pore water pressure graphics of liquid injection every 5 d![]()
图 4 最大孔隙水压力随注液时间变化图Figure 4. Graphics of maximum pore water pressure with liquid injection time variation3.2 位移分析
原地浅井浸出法的施工过程中，浸矿药剂从注液孔注入，使风化矿层岩土的黏结力降低.文献[15]的研究表明，原地浸矿使风化矿层的黏结力在15 d内会减小50 %，因此在模拟分析中需对边坡材料参数进行折减.本次模拟分析中的参数折减方案是：在注液中的第5 d、10 d、15 d，将风化矿层的内聚力折减为注液前的0.85、0.7、0.5倍.
在FLAC3D渗流模式下的原地浅井浸出分析表明，随着注液施工的进行，使原本稳定的边坡发生了较大位移.图 5为注液达20 d的边坡垂直位移云图，图 6为边坡最大垂直位移随注液时间累积折线图.从图 5~图 6可以看出，注液后边坡产生较大位移，边坡注液5 d、10 d、15 d、20 d的最大位移分别是-2.79 mm、-4.66 mm、-10.33 mm、-24.44 mm（文中位移为负，表示位移方向与坐标正轴方向相反，），注液期前期山体内部溶液相对较少，溶浸液与稀土离子的交换反映较缓慢，对岩土边坡的总体强度影响较小，边坡是稳定的.当注液时间达15~20 d时，坡体含液量大，大部分风化矿层都受到溶浸液的浸润作用，离子交换反映剧烈，加上溶液自重的影响，边坡稳定性变差，发生较大位移.当注液时间超过20 d时，计算不收敛，坡脚位置全风化层全部为剪应力屈服状态，表明已经发生滑坡，滑面为全风化矿层沿半风化层滑移.分析表明：连续注液超过20 d时，边坡越来越趋近滑坡临界点，应采取维护措施防止滑坡.
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图 5 注液20 d边坡垂直位移云图Figure 5. Graphics of adding liquid 20 d vertical slope displacement![]()
图 6 边坡最大位移随时间累积折线图Figure 6. Line chart with largest slope displacement accumulated over time3.3 安全系数计算
使用FLAC3D对边坡稳定性安全系数进行求解，得到边坡持续注液20 d内不同时间点的安全系数. 图 7为安全系数变化折线图.由图 7可以看出：未浸矿施工时的安全系数是1.74；施工5 d后边坡安全系数是1.71，与未施工时的安全系数相比变化较小，边坡较稳定；施工10 d、15 d对应的安全系数是1.64、1.56，可以看出浸矿药剂开始发挥作用，减小了坡体岩土强度，对边坡稳定性影响较大；当施工时间达20 d时对应边坡安全系数是1.31，是因为浸矿药剂使边坡的黏结力大幅度减小，而大量药剂存于坡体内增大坡体自重.根据图 7折线曲率变化，以及注液量依旧偏大，当注液达到20~25 d，边坡安全系数将越来越趋近于1.上述分析表明：随着浸矿注液量及浸矿时间的增加，土体含液量大幅增加，黏结力不断减小，使得边坡从稳定状态趋于不稳定状态.
3.4 暗沟集液
根据以上对边坡浸矿的数值分析可知，边坡在注液20 d后的每天浸出母液量比注液量略小，孔隙水压力虽缓慢增大，但位移迅速增大，说明边坡处于不稳定状态.认为20 d后100 m3/d的注液量过大，应适当减小.
为使浸矿施工能持续进行，且不影响浸矿效率，注液量的减小应适当，另可通过在坡脚处开挖暗沟，增加浸出液渗出通道，让坡脚处及附近区域的浸出母液快速流出，以减小坡体的含液量，维持边坡稳定.参考类似暗沟开挖工艺，认为暗沟的布置为高1.6 m，宽0.6 m左右的倾斜梯形暗沟，暗沟间距8 m，每米沟的渗液面积达到4 m2，可以达到很好的收液效果.
为不影响前期注液，暗沟从注液的第20 d开始向外导出浸出液为最佳，则暗沟的开挖时间应该在注液第20 d左右，考虑施工的安全，可根据现场实际情况，将暗沟用密集的倒流管代替.注液第20 d将注液量减小到80 m3/d.图 8~图 9为注液第30 d的孔隙水压力云图和位移云图.图 8中黑色网格为暗沟位置，暗沟延伸至基岩面，计算中设置暗沟为自由透水边界.从图 8可以看出暗沟起到了截流的作用.计算结果表明，注液25 d、30 d的最大孔隙水压力分别为85.33 kPa、85.61 kPa，说明25~30 d内的孔隙水压力变化很小.和开挖暗沟前相比较，第20 d的孔隙水压力明显更小.由图 8可知边坡坡脚处溶液大部分释放出来，边坡最大位移为-26.16 mm. 图 10为30 d内边坡最大位移累积折线图，由图 10可知开挖暗沟后边坡位移变化很小.继续对边坡安全系数求解可得第25 d、30 d的安全系数均为1.27，也说明暗沟对维持边坡稳定起到重要作用.
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图 9 注液30 d边坡垂直位移云图Figure 9. Graphics of vertical slope displacement after 30 d adding liquid![]()
图 10 边坡最大位移随时间累积折线图Figure 10. Line chart with largest slope displacement accumulated over time4 结论
运用FLAC3D软件可以有效模拟计算离子型稀土原地浸矿边坡孔隙水压力、位移、安全系数随注液时间的变化.模拟分析结果表明：
1）注液20 d后，坡体内部饱和液面能覆盖大部分风化矿层.注液持续到5 d、10 d、15 d、20 d时，边坡最大孔隙水压力分别为37.75 kPa、53.11 kPa、69.57 kPa、93.82 kPa，变化较大，20 d、25 d时边坡最大孔压为96.51 kPa、97.36 kPa，变化较小，说明注液0~20 d平均每天注液量远大于集液量，开挖暗沟后5 d内平均每天注液量极为接近集液量.
2）边坡在注液0~20 d内位移不断增大，第20 d时最大位移达-24.44 mm.开挖集液暗沟后，第5 d、10 d（即注液第25 d、30 d）边坡最大位移值为-25.26 mm、-26.16 mm，相比第20 d的位移值变化较小，边坡是稳定的.
3）随着注液施工的进行，边坡安全系数在注液的第0 d、5 d、10 d、15 d、20 d分别为1.74、1.71、1.64、1.56、1.31，开挖暗沟后5 d内边坡的安全系数稳定在1.27，表明边坡能维持稳定，集液暗沟起到重要作用.
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图 2 原地浸矿边坡数值模型平面模型
Fig 2. Local dissolving leaching mining numerical model of slope plane model
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图 3 注液期每隔5 d的孔隙水压力云图
Fig 3. Pore water pressure graphics of liquid injection every 5 d
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图 4 最大孔隙水压力随注液时间变化图
Fig 4. Graphics of maximum pore water pressure with liquid injection time variation
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图 6 边坡最大位移随时间累积折线图
Fig 6. Line chart with largest slope displacement accumulated over time
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图 9 注液30 d边坡垂直位移云图
Fig 9. Graphics of vertical slope displacement after 30 d adding liquid
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图 10 边坡最大位移随时间累积折线图
Fig 10. Line chart with largest slope displacement accumulated over time
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