某离子型稀土矿采矿活动对地下水的影响分析

陈斌，祝怡斌，翟文龙

（北京矿冶研究总院，北京100160）

某离子型稀土矿采矿活动对地下水的影响分析

陈斌，祝怡斌，翟文龙

（北京矿冶研究总院，北京100160）

离子型稀土原地浸矿工艺原理是用硫酸铵作为浸矿液，把呈吸附态的稀土离子交换浸出并回收稀土元素。该工艺对环境的影响主要是由于浸矿液的渗漏而造成地下水中氨氮浓度增加。针对该种工艺，如何采取有效措施保护地下水质量意义重大。以某稀土矿地下水环境影响评价为例，通过设置两种情景模式，应用数值法来证明地下水水力截获是原地浸矿区地下水质量保护的有效措施。

离子型稀土矿；原地浸矿；基岩风化裂隙水

南方离子型稀土矿开采有池浸、堆浸、原地浸矿三种工艺［1］。目前，池浸和堆浸工艺已明令禁止。相对于池浸和堆浸，原地浸矿工艺对生态影响大大减轻，对环境的破坏主要表现在对地下水质量的影响，部分学者和专家对该种采矿方法对地下水的影响较为担忧［2－3］。本文以某稀土矿地下水环境影响评价为例，在《地下水环境影响评价技术导则》［4］的理论指导下，应用数值法论证了该工艺对地下水的影响程度及采取水力截获措施的有效性。以期为在类似的水文地质条件下进行原地浸矿对地下水的环境影响评价提供参考。

1 矿区概况

1.1 地形地貌及岩性

本区地貌属剥蚀构造地貌，由花岗岩侵入体组成，岩性为黑云母花岗岩及黑云母二长花岗岩。矿区海拔标高350～1 200m，区内侵蚀基准面在320～340m标高，而矿体底板下限高程在380m以上，矿体下限高于地下水位，开采过程中可自然排水。

1.2 矿床水文地质条件

矿块面积约15 514m2，开采标高382～450m，距东部河流110m。矿块所在水文地质单元含水层主要为浅层风化带网状裂隙水和松散岩类孔隙水含水层。风化裂隙含水层分布较普遍，平均厚度30 m。其中强风化花岗岩渗透系数3.0×10－3cm/s，中风化花岗岩渗透系数3.5×10－5cm/s，微风化花岗岩一般风化裂隙不发育，透水性差，可视为相对隔水层。松散岩类孔隙水赋存于第四系冲积、冲洪积砂砾石孔隙中，呈条带状沿沟谷展布，孔隙含水层厚度0.90～3.70m，平均1.5m，水位埋深0.30～0.60m，渗透系数为6×10－3cm/s。

2 地下水流场及溶质运移数值模拟

2.1 地下水流场数值模拟

2.1.1 水文地质概念模型

1）饱和与非饱和概化

注液孔深3.0m，注液的液面位于地表以下0.5 m，由于收液巷道布置于中风化或微风化花岗岩中，母液渗漏透过收液巷道进入其下含水层中，模拟按最不利情况，不考虑包气带的吸附作用，建立饱水带模型，将污染源强赋给收液巷道以下的饱水带。

2）流态概化

模型识别验证阶段：水位统测结果表明，自然条件下，在一个水文年内，评价区内浅层地下水水位动态变化幅度为0.1～2.0m，且大部分监测点水位变幅小于1.0m，表明评价区地下水天然动态相对稳定。因此，模型识别验证采用稳定流模型。

模拟预测阶段：由于注液改变了天然流场，且根据矿体开采计划，每年渗入地下水中的污水量和污染物质的量均不同，因此在模型预测阶段采用非稳定流模型。

3）模型结构

本区地下水为典型山区短径流型，地下水埋深变化幅度较大，风化裂隙往往透水而不含水，未形成统一地下水位。因此模型结构按一层潜水含水层考虑，垂向模拟厚度取强风化和中风化花岗岩平均厚度之和30m。

4）模型底板

模型底板为微风化基岩，微风化基岩渗透系数小于10－7cm/s。

5）边界条件确定

矿区位于山区，边界条件优先利用自然边界，即分水岭和东部河流，西侧为补给流量边界，补给量为评价区所在西边界上游汇水面积范围内的降雨入渗补给量。上边界为降雨入渗补给边界，底边界以未风化基岩顶面为隔水边界。

2.1.2 地下水流数值模型

将模拟区概化为非均质、各向同性的二维潜水稳定饱和地下水流系统，利用GMS软件，构建矿块所在水文地质单元地下水渗流数值模型。

经识别验证后，模型渗透系数分区情况见图1和表1，流场拟合效果见图2。

2.1.3 溶质运移数值模拟

1）仅淋洗情景下地下水中氨氮污染晕运移

表1 渗透系数Table 1 Permeability coefficient/（m·d－1）

图1 渗透系数分区图Fig.1 Zone map of permeability coefficient

图2 地下水位拟合情况Fig.2 The fitting of groundwater level

①地下水污染源强确定

在淋洗措施工况下，包括开采期和人工淋洗期。开采期，在采取收液巷道＋收液导流孔＋收液沟并防渗等措施后，母液渗漏率为10%；人工淋洗期，可淋洗出矿体中可溶出氨氮的90%并回收用于下一矿块的开采，剩余的10%将进入地下水中。每天进入地下水中的污染源强计算结果详见表2。

②预测结果

氨氮污染晕运移结果见图3。

图3 淋洗情景下污染晕Fig.3 Pollution plume in the cleaning scenario

表2 进入含水层中的污染物源强Table 2 Contaminants source strength into the aquifer

2）淋洗＋水力截获情景下地下水中氨氮污染晕运移

此情景下，污染物源强与仅采取淋洗措施时相同。为阻止地下水中的氨氮快速向下游迁移，在矿块下游设置水力截获井，水力截获井位置如图4所示，效果如图5所示。根据模拟结果，各井抽水量设为20m3/d时，氨氮污染晕即可控制在水力截获线以内。此情况下地下水污染晕运移结果见图6。

3）截获前后氨氮超标情况对比结果

图4 水力截获井位置图Fig.4 Location of hydraulic capture well

①截获前后地下水中氨氮峰值浓度对比见表3。

②截获前后地下水中氨氮最大超标面积及污染晕消失时间对比见表4。

可见截获措施有效降低了地下水氨氮最大超标范围和氨氮污染晕的存在时间。

3 结论

风化壳淋积型稀土矿是我国特有的稀土矿种［5］，原地浸矿工艺为鼓励工艺［2］。该工艺对环境的破坏主要是注液过程中渗漏的母液对地下水质的影响。本文结合某稀土矿区的具体情况，用数值法预测了稀土原地浸矿开采相关污染因子污染晕的运移情况。证明在采取人工淋洗与水力截获措施后，在抽水井布局合理和抽取适当水量条件下，开采后地下水的污染物浓度显著减低，污染晕不超出水力截获井的位置，地下水污染可控，对矿区下游的地下水影响较小。模型的概化方法及水力截获措施可以为类似矿区地下水环境影响评价提供参考。

表4 采取措施前后氨氮最大超标面积对比Table 4 The maximum area comparison of ammonia exceeding standard values before and after taking measures

图6 淋洗＋水力截获情景下的污染晕Fig.6 Pollution plume in the cleaning and capturing scenario

［1］赵靖，汤洵忠，吴超.我国离子吸附型稀土矿开采技术现状综述［J］.新疆有色金属，2001（3）：17－20，24.

［2］祝怡斌，周连碧，李青.离子型稀土原地浸矿水污染控制措施［J］.有色金属（选矿部分），2011（6）：46－49.

［3］李春.原地浸矿新工艺在离子型稀土矿的推广应用［J］.有色金属科学与工程，2011，2（1）：63－67.

［4］环境保护部.HJ610－2011环境影响评价技术导则—地下水环境［S］.北京：中国环境科学出版社，2011.

［5］池汝安，田君.风化壳淋积型稀土矿评述［J］.中国稀土学报，2007，25（6）：641－650.

Analysis for impact of mining activities on groundwater in a ion－absorbed rare earth mine

CHEN Bin，ZHU Yibin，ZHAI Wenlong
（Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

In order to collect rare earth elements from ion－absorbed rare earth mineral，ammonium sulfate has been widely used as a leaching liquid for in－situ leach mining.Inevitably，the concentration of ammoniacal nitrogen in groundwater system may be elevated due to leaking of leachate.Therefore，how to protect the groundwater quality with effective measures is a significant issue.Taking a rare earth mineral as example，by comparing the groundwater EIA results on two different conditions using numerical methods，this paper verifies that the groundwater hydraulic capture method is an effective measure to protect the groundwater quality of in－situ leach mining area.

ion－absorbed rare earth mine；in－situ leach mining；weatheringfissure water in bedrock

X751.03

Α

1671－4172（2015）02－0063－04

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.014

陈斌（1986－），女，工程师，硕士，地下水科学与工程专业，主要从事地下水环境影响评价工作。