礦山塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)研究及應(yīng)用

張鵬 孟航

收稿日期：2019-07-23; 修回日期：2020-02-01

作者簡介：張 鵬（1983—），男，河北深州人，高級工程師，從事非煤礦山企業(yè)安全技術(shù)與管理工作;石家莊市槐安東路162號，河北冀拓應(yīng)急科技有限公司，050000;E-mail：158413248@qq.com

摘要：某礦山地下開采導(dǎo)致地表塌陷，地質(zhì)危害嚴(yán)重，影響礦山的安全生產(chǎn)。通過前期調(diào)研，利用塌陷區(qū)實際測量、塌陷區(qū)穩(wěn)定性分析、尾礦膏體充填體研制、分區(qū)生態(tài)恢復(fù)等技術(shù)手段進行了一系列的分析研究，最終確定對塌陷區(qū)進行尾礦膏體充填和覆土綠化的綜合治理方案。該方案不僅解決了礦山塌陷區(qū)治理和尾礦堆存問題，同時還礦山以綠色的生態(tài)環(huán)境，可為類似礦山生態(tài)恢復(fù)、塌陷區(qū)治理和固廢利用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：塌陷區(qū);生態(tài)恢復(fù);穩(wěn)定性分析;數(shù)值模擬;膏體充填;固廢利用

中圖分類號：TD7 TD88文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）02-0069-04doi：10.11792/hj20200215

某礦山因地下開采形成大面積塌陷區(qū)，不僅給礦山深部生產(chǎn)帶來了潛在的地質(zhì)危害，還嚴(yán)重破壞了礦區(qū)地表生態(tài)環(huán)境。與此同時，礦山尾礦庫即將閉庫，生產(chǎn)產(chǎn)生的大量尾礦將無處堆存，因此解決礦山面臨的以上問題勢在必行。本研究借鑒了煤礦淺塌陷坑煤矸石回填的治理思路[1]，利用尾礦研制膏體在塌陷區(qū)進行回填，并在此基礎(chǔ)上進行生態(tài)環(huán)境恢復(fù)。確定塌陷區(qū)的穩(wěn)定性和膏體充填體的可行性是本研究的重點，是后期生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的基礎(chǔ)。該研究成果有效解決了礦山的實際問題，節(jié)約了建設(shè)資金，為礦山創(chuàng)造了經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

1 工程概況

某礦山開采國內(nèi)典型的河床下賦存的大型金屬礦床，采用無底柱崩落采礦法，設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模180萬t/a。1997年開工建設(shè)，2002年投產(chǎn)試運行，2004年達(dá)產(chǎn)。地下礦體呈西高東低的“長蠕蟲”狀，一期（-50～-110 m水平）回采已于2013年結(jié)束，二期（-110 ～-230 m水平）正在生產(chǎn)中。隨開采時間的推移，一期地表塌陷已趨于穩(wěn)定。地表塌陷區(qū)最終錯動范圍東西長1 250 m，南北寬850 m，總面積1.24 km2，初步估算地表塌陷區(qū)容積為220萬m3。

礦山尾礦庫距選礦廠11 km，設(shè)計總庫容808萬m3，服務(wù)年限13.2 a，屬于四等庫。2004年2月開始建設(shè)并投入使用，目前服務(wù)年限僅剩余約1.5 a，因此解決礦山尾礦堆存問題已刻不容緩。

2 前期調(diào)研工作

2.1 塌陷區(qū)穩(wěn)定性初判

參照GB 51044—2014 《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，以采空區(qū)終采時間為主要因素對礦山塌陷區(qū)進行初步穩(wěn)定性評價。11勘探線以西區(qū)域距終采時間是14 a，9勘探線—11勘探線距終采時間是4 a。8勘探線以東區(qū)域存在地下采礦活動，初步認(rèn)為9勘探線—11勘探線和11勘探線以西塌陷區(qū)域基本穩(wěn)定。

2.2 塌陷區(qū)回填量及回填物料分析

塌陷區(qū)回填量初步估算為220萬m3，采用傳統(tǒng)的黃土、廢石及礦渣等回填料難以滿足需求，且運輸成本也很高。因此，考慮以選礦尾礦作為回填料的主要材料進行回填。該礦山選礦生產(chǎn)工藝中不添加化學(xué)藥劑，尾礦作為回填料不會對回填區(qū)域造成化學(xué)污染，同時具有易獲取、運輸成本低的優(yōu)勢，且可有效解決尾礦堆存的問題，是比較理想的回填料。

2.3 塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)初步方案

礦山塌陷區(qū)穩(wěn)定區(qū)域的遠(yuǎn)景利用以農(nóng)業(yè)為主，向精細(xì)農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)方向發(fā)展。根據(jù)當(dāng)?shù)刂饕N植農(nóng)作物小麥、玉米、棉花、花生等實情，回填作業(yè)區(qū)域各個分段（田塊）達(dá)到最終設(shè)計標(biāo)高后即進行平整及復(fù)墾工作，采用外運耕殖土覆蓋，并采取物理土壤改良、化學(xué)土壤改良和生物土壤改良相結(jié)合的方法，增強土地地力。

2.4 安全預(yù)案

井下廢舊巷道需進行封堵，并增設(shè)排水設(shè)施，防止在未完成回填前水量過多積蓄，造成第四系黃土沿大裂縫向下灌注和巖石沖出巷道，引起巖層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)二次破壞。同時，在地表進行實時監(jiān)測，了解地表變形情況。加強充填施工和環(huán)境治理施工過程中的安全管理，將塌陷區(qū)劃分為工業(yè)試驗場地、膠結(jié)尾礦回填作業(yè)一區(qū)和膠結(jié)尾礦回填作業(yè)二區(qū)3個區(qū)域，并進行分步回填，分步綠化還林還田。前期充填治理經(jīng)驗不僅可為后期充填積累經(jīng)驗，也利于礦山提前獲得環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益。

3 總體技術(shù)路線及研究成果

礦山塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)研究屬于礦山綜合治理研究，涉及內(nèi)容較多，學(xué)科較廣，其主要包括：

1）分析礦山各項資料，現(xiàn)場考察礦山塌陷區(qū)和固體廢料實際情況。

2）現(xiàn)場測繪塌陷區(qū)的實際情況，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并佐證數(shù)值模擬結(jié)果[2]。

3）對塌陷區(qū)域的各層巖石進行取樣試驗，測定其巖石物理力學(xué)參數(shù)，利用力學(xué)軟件構(gòu)建塌陷區(qū)三維立體應(yīng)力模型，分析塌陷區(qū)穩(wěn)定性。

4）對固體廢料進行分析，通過試驗制備符合回填條件的膏體材料。

5）綜合考慮礦山井下安全、地表變形等，分析問題并給出合理的解決方案。

6）初步建立地表生態(tài)環(huán)境修復(fù)方案。

3.1 地下礦體開采和地表塌陷情況分析

地下礦體呈西高東低的“長蠕蟲”狀，采用無底柱崩落采礦開采法。礦山-110 m水平、-125 m水平已回采完畢;-140 m水平于2017年底回采結(jié)束。-110 m水平以下礦體主要集中在9勘探線以東區(qū)域。從現(xiàn)場情況來看，塌陷區(qū)11勘探線以西區(qū)域地勢呈現(xiàn)為整體下沉式盆地，未出現(xiàn)大的塌陷坑。特別是該區(qū)域北部生長了雜草及小型灌木，下沉基本穩(wěn)定。11勘探線以東區(qū)域為主要塌陷區(qū)域，最大的塌陷坑邊界出現(xiàn)在該區(qū)域。依據(jù)2013年地形圖，最大塌陷坑深度約50 m（坑底標(biāo)高約231.2 m，附近地表標(biāo)高281.3 m）。地下礦體開采和地表塌陷情況對照見圖1。

3.2 塌陷區(qū)地表實測和穩(wěn)定性分析

3.2.1 塌陷區(qū)地表實測

采用GPS-RTK測量方法進行了數(shù)字化地形圖測量，坐標(biāo)系統(tǒng)為2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)，并采用1985國家高程基準(zhǔn)。面積計算方法采用南方CASS7.0軟件的面積計算方法，計算結(jié)果為173 612.9 m2。體積計算方法采用南方CASS7.0軟件的三角網(wǎng)法，計算結(jié)果為2 601 434.7 m3。

3.2.2 塌陷區(qū)穩(wěn)定性分析

1）采空區(qū)自然冒落[3]情況分析。該礦山礦巖不穩(wěn)固—中等穩(wěn)固;頂板為奧陶紀(jì)馬家溝組中統(tǒng)灰?guī)r，中等穩(wěn)固—不穩(wěn)固;底板為燕山期閃長巖，中等穩(wěn)固;在礦體與閃長巖之間，有一層厚5～10 m矽卡巖蝕變帶，極不穩(wěn)固。根據(jù)誘導(dǎo)冒落原理和礦山相關(guān)參數(shù)，計算出空區(qū)的最大跨度為11～13 m，對應(yīng)的臨界冒落面積為380～530 m2。礦山按照15 m分段高度從-50 m水平向上劃出3個分段，每一分段礦體面積均遠(yuǎn)超過530 m2。因此，無論先開采哪一分段，其回采面積都足以誘導(dǎo)上部礦體自然冒落。

2）塌陷區(qū)整體穩(wěn)定性分析。收集塌陷區(qū)內(nèi)不同巖層的巖石樣本，在實驗室進行試驗，獲取不同類型巖石的密度、單軸抗壓強度、變形模量等物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)對上下盤圍巖巖層分析結(jié)果，結(jié)合礦體開采的實際情況，構(gòu)建三維立體應(yīng)力模型，并基于數(shù)值模擬軟件有限元法進行分析。通過計算分析，確定了塌陷區(qū)周圍巖層的穩(wěn)定性情況，得到了三維空間應(yīng)力、應(yīng)變分布圖和塌陷區(qū)垂直下沉位移等值線圖（見圖2），并出具了分析報告。結(jié)果表明，礦山9勘探線—15勘探線塌陷區(qū)地表沉降已基本穩(wěn)定，可逐步實施生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工程。

3.3 尾礦及膏體性能

該礦山采用磁選工藝進行選礦，其尾礦不含化學(xué)藥劑，不會對塌陷區(qū)穩(wěn)定區(qū)域土地產(chǎn)生化學(xué)污染而引起附近土壤和水體的污染。試驗對尾礦進行了組分分析、物相分析和粒級分析等。尾礦密度為2.75 t/m3，尾礦中-0.038 mm粒級產(chǎn)率為43.98 %，-0.02 mm粒級產(chǎn)率為30.96 %，說明該尾礦中細(xì)粒級含量較多。尾礦組分分析結(jié)果見表1。

在基本分析的基礎(chǔ)上，相繼做了沉降試驗、濃度試驗、流變試驗、黏度試驗、泌水試驗、泵送試驗、固結(jié)試驗、單軸壓縮試驗、泥化試驗等一系列試驗[4]。通過系列試驗得到以下結(jié)論：

1）濃縮模型試驗中，尾礦在模型內(nèi)的極限濃度可達(dá)到80 %，說明通過濃縮方式，只要濃縮設(shè)備設(shè)計有合理的絮凝工藝、扭矩、結(jié)構(gòu)、排礦方式及足夠的壓縮時間等，底流濃度<80 %是完全能夠獲得的。

2）從抗壓強度試驗來看，將濃度70 %左右尾礦添加2 %膠凝材料后泵送至塌陷區(qū)固化，抗壓強度0.3 MPa左右，能夠滿足塌陷區(qū)沉降的要求。

3）從環(huán)管試驗可知，添加膠凝材料后的高濃度尾礦，已基本屬于準(zhǔn)膏體或膏體。濃度68 %的尾礦，添加2 %膠凝材料后，泌水較少，基本不離析、不沉積，已屬于準(zhǔn)膏體的范疇;而濃度為71 %的尾礦，添加2 %膠凝材料后，已經(jīng)不泌水、不離析、不沉積，在管道內(nèi)靜置14 h后，仍然能夠順利泵送，已是一種真正意義上的膏體。由此可見，加入膠凝材料的尾礦膏體具備充填塌陷區(qū)的條件，用其進行塌陷區(qū)回填是可行的。

濃度72 %的尾礦，加入2 %膠凝材料的試樣小型泵送試驗效果見圖3。濃度70 %、72 %、75 %的尾礦，加入2 %膠凝材料，養(yǎng)護1 d，并在水中浸泡≥24 h 的泥化試驗效果見圖4，浸泡結(jié)果為無泥化。

3.4 井下安全措施和地表沉降監(jiān)測

1）井下安全性。對井下通往采空區(qū)的廢舊巷道進行封堵處理，并設(shè)置排水設(shè)施，防止局部壓力過大，引發(fā)巖石沖出或泥石流;在-122 m、-110 m水平工程性質(zhì)穩(wěn)定的穿脈向上鉆鑿系列泄水孔，用于疏導(dǎo)尾礦滲水和地表降水。

2）地表沉降監(jiān)測及現(xiàn)場防護。通過分析確定9勘探線—15勘探線塌陷區(qū)已趨于穩(wěn)定，為進一步保證回填作業(yè)時人員和設(shè)備安全，通過采集場地變形數(shù)據(jù)，建立場地變形監(jiān)測系統(tǒng)[5]。根據(jù)現(xiàn)場實際回填情況制定安全管理辦法，包括設(shè)置圍欄，防止無關(guān)人員進入充填區(qū)域，以及施工人員進入回填場應(yīng)系安全繩等。

3.5 分區(qū)域充填

礦山塌陷區(qū)的穩(wěn)定區(qū)域（9勘探線—15勘探線）占地面積為41.01萬m3。根據(jù)礦山塌陷區(qū)穩(wěn)定區(qū)現(xiàn)狀，將膠結(jié)尾礦回填作業(yè)區(qū)分為工業(yè)試驗場地、膠結(jié)尾礦回填作業(yè)一區(qū)和膠結(jié)尾礦回填作業(yè)二區(qū)。工業(yè)試驗場地主要為廢石堆場;對于工業(yè)試驗場地北部塌陷區(qū)的穩(wěn)定區(qū)域以11勘探線為界線分為膠結(jié)尾礦回填作業(yè)一區(qū)和膠結(jié)尾礦回填作業(yè)二區(qū)。

首先進行膠結(jié)尾礦排放作業(yè)平臺的平整作業(yè)，然后進行工業(yè)試驗場地的膠結(jié)尾礦回填作業(yè)，最后自西向東逐步進行膠結(jié)尾礦回填作業(yè)一區(qū)和膠結(jié)尾礦回填作業(yè)二區(qū)的回填作業(yè)。對廢石堆場地勢較高區(qū)域進行平整后作為膠結(jié)尾礦排放作業(yè)平臺使用。根據(jù)作業(yè)及安全要求，塌陷區(qū)穩(wěn)定區(qū)域膠結(jié)尾礦排放作業(yè)平臺頂寬為10 m，兩側(cè)平均坡比不大于1∶2。

為保障膠結(jié)尾礦回填作業(yè)安全，膠結(jié)尾礦回填采用池填法作業(yè)[6]，初步確定池子?xùn)|西方向圍埝間距為160 m，南北方向圍埝間距為90 m。池填法圍埝采用分期堆筑的方式，每次堆筑高度3.0 m左右，膠結(jié)尾礦回填高度低于圍埝頂0.5 m。

3.6 作業(yè)區(qū)域覆土及綠化

1）覆土。膠結(jié)尾礦回填作業(yè)區(qū)域各個分段（田塊）達(dá)到最終設(shè)計標(biāo)高后即進行平整及復(fù)墾工作。覆土厚度為0.5 m，其中雜填土0.3 m，表層耕土0.2 m。所需各類土壤可從附近選取[7]。

2）覆土平整。對已充填完成的區(qū)塊進行覆土后，對場地進行平整，平整坡度要求沿水流方向（大致為自南向北）平整為1/500，使水沿著坡度均勻地前進，既保證了地表植被所需水分，又確保了大量水滲透至地下回填層。

3）道路規(guī)劃。治理區(qū)內(nèi)道路分為田間道路和生產(chǎn)道路兩級。田間道路是居民點到田間的通道，主要是為貨物運輸、作業(yè)機械向田間轉(zhuǎn)移及為機器加水、加油等生產(chǎn)服務(wù)的道路;生產(chǎn)道路是指聯(lián)系不同田塊、通往田間的道路，主要起到田間貨物運輸?shù)淖饔茫瑸槿斯ぬ镩g作業(yè)和收獲農(nóng)產(chǎn)品服務(wù)。

4）綠化。覆土后選擇本地植物進行生物生態(tài)環(huán)境綠化。采用灌木和草進行全覆蓋種植，為后期農(nóng)作物種植蓄積肥力。

4 結(jié) 論

1）以某礦山塌陷區(qū)為研究對象，利用膏體充填技術(shù)進行治理，為類似礦山生態(tài)恢復(fù)、塌陷區(qū)治理和固廢利用提供了參考。

2）礦山尾礦庫即將達(dá)到總庫容，本研究在節(jié)省新建尾礦庫投資的同時，也能避免因新建尾礦庫產(chǎn)生新的重大危險源，從本質(zhì)上提升了安全程度。

3）在塌陷區(qū)上部進行生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，消除了潛在的地質(zhì)災(zāi)害，增加了農(nóng)業(yè)用地，綠化了礦山環(huán)境，有利于礦山的綠色可持續(xù)發(fā)展。

4）該礦山已建成尾礦膠結(jié)充填站并進行了充填，通過沉降監(jiān)測證實充填效果良好，達(dá)到了治理目的。

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Study on ecological environment restoration in mine subsidence area and its application

Zhang Peng，Meng Hang

（Hebei Jituo Emergency Technology Co.，Ltd.）

Abstract：Due to underground mining of a mine，the ground surface subsides，geological hazards are severe and safe production is jeopardized.A series of analyses were carried out based on survey，using field measurement in subsidence area，stability analysis of subsidence area，tailings paste filling body development，subzone ecological restoration，and finally reached the comprehensive treatment plan of tailings paste filling and earthing vegetation.The plan not only solves subsidence area treatment and tailings stockpiling，but also reclaims an ecologically friendly environment for mines.Besides，it can provide reference for ecological restoration，subsidence area treatment and solid waste utilization for similar mines.

Keywords：subsidence area;ecological restoration;stability analysis;numerical simulation;paste filling;solid waste utilization