典型鐵礦嗣后充填法地下開(kāi)采的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題及其防治

陳曉梅，楊 超，張建偉，桂思英

(1.臨沂市自然資源和規(guī)劃局，山東 臨沂 276001；2.山東金璽泰礦業(yè)有限公司，山東 蘭陵 276000；3.自然資源部生態(tài)地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；4.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 臨沂 276006)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)鐵礦資源需求的不斷增大，礦山開(kāi)采導(dǎo)致的環(huán)境破壞也越加嚴(yán)重，尤其是災(zāi)害隱患威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。開(kāi)采方式轉(zhuǎn)為地下開(kāi)采，也依然會(huì)對(duì)礦山環(huán)境帶來(lái)不良影響，還可能產(chǎn)生地面沉降，繼而引發(fā)多種社會(huì)問(wèn)題[3]。因此，開(kāi)采方法和環(huán)境保護(hù)是制約鐵礦資源價(jià)值的重要因素[4]，在礦山開(kāi)采的同時(shí)實(shí)施地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，將有利于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

嗣后充填法地下開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用，能夠最大限度地回收礦產(chǎn)資源，保護(hù)礦山環(huán)境，不僅能夠防止地面沉降，還可以處理同體廢料，實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)并重[6]。傳統(tǒng)充填法采礦始于西周末年，發(fā)展至今的嗣后充填法，在充填材料、充填工藝、管道輸送裝備和技術(shù)等方面均已多次改進(jìn)[7]。尤其是1970年代后逐步發(fā)展的尾砂充填和膠結(jié)充填技術(shù)，不僅膠結(jié)充填體強(qiáng)度高、成本低[8]，而且使礦石回采率和貧化率都得到良好改善，礦產(chǎn)資源得到合理開(kāi)發(fā)與集約利用[9]。嗣后充填法體現(xiàn)出了無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)意義上難以采用充填法的鐵礦山，其應(yīng)用比重也越來(lái)越大[10]。

1 典型鐵礦山概況

1.1 采礦方法

鐵礦山生產(chǎn)規(guī)模120萬(wàn)t/a，采用嗣后充填法地下開(kāi)采方式?？紤]到資源回收、充填對(duì)接及投資等因素，采用上向式回采順序，即垂直方向自下而上開(kāi)采，先開(kāi)采-300 m中段，后按順序回采-235 m和-170 m中段。傾斜方向上先采上盤(pán)后回采下盤(pán)礦體，水平方向上從東、西兩翼向中間退采。其優(yōu)點(diǎn)是不存在充填對(duì)接保留水平礦柱的問(wèn)題，回收率較高，同時(shí)充填體強(qiáng)度要求較低。

1.2 采場(chǎng)參數(shù)

采場(chǎng)沿走向布置，在走向方向上劃分礦房，礦房長(zhǎng)度為43 m，間柱為7 m；采場(chǎng)寬度為礦體厚度，一般6～10 m；為保證出礦效率，首采中段留有底柱，其高度為10 m，階段高度為65 m。

2 采空區(qū)井下充填

回采結(jié)束后，進(jìn)行廢石或尾砂膠結(jié)充填。充填后的采空區(qū)能夠有效地控制地壓活動(dòng)、大幅度減少地下開(kāi)采引起的地表沉降，有利于保護(hù)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境和地表設(shè)施。

2.1 充填料配比

根據(jù)嗣后充填法的工藝要求，調(diào)配的充填料灰砂比為1∶6～1∶10(平均1∶8)，充填料漿體重量濃度為72.1%～73.3%(平均72.6%)。

表1 充填料配比及濃度Table 1 Ratio and concentration of filling materials

2.2 充填能力

1) 日均充填量。日均充填量按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：Q年為年生產(chǎn)規(guī)模，120萬(wàn)t/a；δr為礦石體重，3.44 t/m3；T為年工作日數(shù)，330 d；Z為采充比，1 m3/m3。經(jīng)計(jì)算，礦山日均充填量為1 057 m3/d。

2) 日均所需充填料漿量。 日均所需充填料漿量按式(2)計(jì)算。

Q1=K1×K2×Q0

(2)

式中：K1為充填材料的原體積與初次沉淀后的體積之比，1.1；K2為充填料的流失系數(shù)，1.05；Q0為日均充填量。經(jīng)計(jì)算，礦山日均所需充填料漿量為1 221 m3/d。

2.3 豎井封閉

礦井生產(chǎn)結(jié)束后，要井筒進(jìn)行充填和封閉，按照以下要求進(jìn)行。

1) 井筒內(nèi)巷道等支護(hù)井壁的所有設(shè)施不得拆除，與井筒聯(lián)絡(luò)的巷道預(yù)先施工擋渣墻。擋渣墻采用砼澆灌，砼強(qiáng)度不低于C30，墻厚2 m。施工前，先在擋渣墻施工處四周剔出深度為0.5 m、寬度1 m的槽，使擋渣墻嵌入周圍巖體內(nèi)。擋渣墻墻體加鐵絲網(wǎng)和鋼筋，每道擋墻需用鋼筋約210 m(0.127 t)、混凝土15 m3。

2) 向井筒內(nèi)回填尾礦，直到尾礦填至距井口約35 m后，每回填10 m尾礦，注入水泥漿5 m，如此交替充填至井口3.8 m處。

3) 需進(jìn)行二次充填，使綜合充填率大于90%。

4) 井筒經(jīng)尾砂充填后，井口采用鋼筋混凝土澆筑頂蓋進(jìn)行密閉，厚度3 m(圖1)。

5) 水泥澆灌完成后，進(jìn)行不低于3個(gè)月的養(yǎng)護(hù)。

6) 養(yǎng)護(hù)3個(gè)月后，澆灌體上方覆蓋至少0.8 m厚的土層。

2.4 斜坡道封堵

對(duì)礦井斜坡道進(jìn)行封堵，按照以下要求進(jìn)行。

1) 與井筒聯(lián)絡(luò)的巷道預(yù)先施工2座擋渣墻。擋渣墻采用砼澆灌，砼強(qiáng)度不低于C25，墻體外緣要接幫接頂，墻厚不少于3 m，墻體內(nèi)加鐵絲網(wǎng)和鋼筋。

2) 向井筒內(nèi)回填尾礦，直到尾礦填至距井口約35 m后，每回填10 m尾礦，注入水泥漿5 m，如此交替充填至井口3.8 m處。

3) 需進(jìn)行二次充填，使綜合充填率大于90%。

4) 井筒經(jīng)尾砂充填后，井口采用鋼筋混凝土澆筑頂蓋進(jìn)行密閉，厚度3 m(圖1)。

5) 水泥澆灌完成后，進(jìn)行不低于3個(gè)月的養(yǎng)護(hù)。

6) 養(yǎng)護(hù)3個(gè)月后，澆灌體上方覆蓋至少0.8 m厚的土層。

7) 井筒上方不得負(fù)載重物。

圖1 井筒封閉工程設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of shaft sealing engineering design

圖2 井口回填工程設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of wellhead backfillengineering design

3 地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題

3.1 含水層破壞

鐵礦區(qū)含水層自上而下為第四系孔隙含水層、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層、變質(zhì)巖類裂隙含水層。地下水流與地表水系的流向基本一致，地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，降水通過(guò)基巖裂隙，直接補(bǔ)給基巖裂隙水。第四系含水層分布于地形低凹處及河流兩側(cè)，接受大氣降水和河流補(bǔ)給。礦區(qū)斷裂發(fā)育，斷裂破碎帶內(nèi)充填有黏土礦物及硅質(zhì)、鈣質(zhì)，透水性較差。

1) 含水層破壞現(xiàn)狀。第四系孔隙含水層水位埋深2.84～7.44 m，碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層水位埋深2.02～12.7 m，變質(zhì)巖類裂隙含水層水位埋深0.18～21.77 m不等。鐵礦前期開(kāi)采疏干地下水，疏干層位為變質(zhì)巖類裂隙含水層，造成水位下降，形成疏干漏斗區(qū)。采用式(3)估算現(xiàn)狀降落漏斗影響半徑。

(3)

式中：S為水位降深，m；K為滲透系數(shù)，取0.005 8 m/d。

疏干漏斗區(qū)含水層水位降深202.312 m，影響半徑為0.154 km，面積1.097 km2，現(xiàn)狀對(duì)含水層結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。對(duì)地表水、礦井水、地下水等取樣分析，其水質(zhì)符合國(guó)家Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)狀對(duì)含水層水質(zhì)影響較輕。

2) 含水層破壞預(yù)測(cè)。地下開(kāi)采對(duì)含水層的結(jié)構(gòu)破壞是不可逆的，仍然采用上述降落漏斗影響半徑公式估算，疏干漏斗區(qū)預(yù)測(cè)含水層水位降深206.879 m，影響半徑為0.362 km，面積2.923 km2，預(yù)測(cè)對(duì)含水層結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。結(jié)合現(xiàn)狀對(duì)含水層水質(zhì)影響，考慮到礦山已開(kāi)采多年，預(yù)測(cè)對(duì)含水層水質(zhì)影響較輕。

3.2 礦山地質(zhì)災(zāi)害

礦區(qū)地勢(shì)較平坦，礦床均被第四系地層覆蓋，巖溶不發(fā)育，不具備發(fā)生泥石流、滑坡、巖溶塌陷的基本條件，歷史上也未發(fā)生采空塌陷、地裂縫等災(zāi)害。開(kāi)采過(guò)程中，+25 m標(biāo)高以上礦體不采作為永久礦柱留置(其范圍長(zhǎng)度約740 m，距地表厚度75 m)；同時(shí)，嚴(yán)格按照嗣后充填法開(kāi)采規(guī)范，采坑進(jìn)行及時(shí)全尾砂膠結(jié)充填，充填后的采空區(qū)能夠有效地控制地壓活動(dòng)、大幅度減少地下采礦引起的地面沉降，將有效避免發(fā)生采空塌陷和伴生地裂縫。因此，發(fā)生礦山地質(zhì)災(zāi)害的可能性較小。

4 地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題防治

對(duì)礦山地下開(kāi)采引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題，要結(jié)合嗣后充填法的開(kāi)采工藝和施工特點(diǎn)，從多方面采取積極的防治措施，尤其要預(yù)防和治理各種水文地質(zhì)問(wèn)題及引起的水害。

4.1 含水層及水害問(wèn)題防治

1) 根據(jù)礦山開(kāi)采情況，巷道揭露和采礦活動(dòng)對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的破壞是不可逆的，修復(fù)難度大，可以通過(guò)地下水位、水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析，為含水層保護(hù)和水環(huán)境污染治理提供數(shù)據(jù)支持。

2) 做好地下水探水設(shè)計(jì)，摸清地下水活動(dòng)規(guī)律，及時(shí)治理礦坑充水通道，掘進(jìn)中如發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水裂隙、斷層、松散地段等涌水跡象立即停止掘進(jìn)，進(jìn)行注漿封堵和礦巖加固。

3) 為防井口灌水，設(shè)計(jì)所采用的井口標(biāo)高均高于礦區(qū)歷年最高洪水位1 m以上，同時(shí)在井口工業(yè)場(chǎng)地周邊設(shè)置截水溝，攔截匯水并將其引出礦區(qū)。

4) 為防地面積水，對(duì)礦區(qū)內(nèi)的洼地、水池等易于積水滲水地區(qū)，采取填平或開(kāi)鑿疏水溝排水等措施。

5) 建立礦山突水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)礦山薄弱環(huán)節(jié)采用專人和儀器檢測(cè)兩套措施監(jiān)控，防止突水事故的發(fā)生。所有涉水環(huán)節(jié)，均安設(shè)排水設(shè)備隨時(shí)排除積水。

4.2 礦山地質(zhì)災(zāi)害防治

1) 嚴(yán)格按照開(kāi)發(fā)利用方案和技術(shù)規(guī)范開(kāi)采，對(duì)采空區(qū)應(yīng)及時(shí)充填，對(duì)豎井及時(shí)封閉，防止采空塌陷及伴生地裂縫災(zāi)害發(fā)生。

2) 所布置的工程盡量避開(kāi)地質(zhì)條件不良地段，若無(wú)法避開(kāi)，要及時(shí)留設(shè)保安礦柱或?qū)敯暹M(jìn)行預(yù)先支護(hù)(長(zhǎng)錨索、鉆孔注漿等)。

3) 開(kāi)展地面變形監(jiān)測(cè)，并及時(shí)巡查地表有無(wú)沉降、斑裂現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)立即進(jìn)行處理，消除地質(zhì)災(zāi)害隱患。

5 結(jié) 論

1) 嗣后充填法用于鐵礦地下開(kāi)采，對(duì)采空區(qū)及時(shí)充填、豎井封閉、斜坡道封堵等，使礦產(chǎn)資源得到合理開(kāi)發(fā)與集約利用，保障了礦山生產(chǎn)安全，保護(hù)了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境。

2) 嗣后充填法開(kāi)采鐵礦帶來(lái)的主要地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題是含水層破壞和礦山地質(zhì)災(zāi)害，其中，現(xiàn)狀和預(yù)測(cè)對(duì)含水層結(jié)構(gòu)破壞均為嚴(yán)重，現(xiàn)狀和預(yù)測(cè)對(duì)含水層水質(zhì)影響均為較輕，現(xiàn)狀和預(yù)測(cè)發(fā)生礦山地質(zhì)災(zāi)害的可能性較小。

3) 應(yīng)從含水層和地質(zhì)災(zāi)害的多方面采取積極的措施進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題防治。