非煤地下礦山采礦工藝在環(huán)境保護(hù)方面的研究與應(yīng)用

閔元波

摘 要：礦山開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，如對(duì)地表污染排放的選礦尾砂，由于采礦留下的地下空區(qū)會(huì)引發(fā)地表的塌陷和位移以及礦山在開(kāi)采過(guò)程中因?yàn)榈貕簬?lái)的危害。而使用的全尾砂充填技術(shù)是利用尾砂充填回采空區(qū)不僅做到了對(duì)廢物的利用，又做到了對(duì)環(huán)境的治理，起到了雙重作用。趙案莊王道行鐵礦采用尾砂膠結(jié)充填工藝，很好地保護(hù)了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，為我國(guó)非煤地下礦山在開(kāi)采中如何保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：尾砂膠結(jié)充填：塌陷；環(huán)境保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD851 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 礦山概況

礦區(qū)位于華北地塊南緣，魯山縣背孜-西平縣出山復(fù)式背斜的東部。區(qū)內(nèi)賦存兩個(gè)礦床，分別為趙案莊礦床和王道行礦床，礦體呈層狀分布，總體產(chǎn)狀為：傾向180°～260°，傾角20°～25°，屬緩傾斜礦體，埋深200m～350m。趙案莊礦床直接充水因素為基巖含水層裂隙水，水文地質(zhì)條件類(lèi)型為中等。王道行礦床直接充水因素有頂板和礦層充水，水文地質(zhì)條件類(lèi)型為復(fù)雜。趙案莊礦床工程地質(zhì)條件為中等，王道行礦床工程地質(zhì)條件為復(fù)雜。礦山所處區(qū)域?yàn)樯角熬弮A斜平原區(qū)，地面均被第四系覆蓋，開(kāi)采范圍內(nèi)地表分布有樹(shù)林、農(nóng)田，河由南向北流經(jīng)礦區(qū)。

2 采礦對(duì)自然環(huán)境的破壞

開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源的同時(shí)產(chǎn)生的“三廢”不僅成為了生態(tài)環(huán)境的污染源還對(duì)生態(tài)的原動(dòng)力造成了破壞。開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)的一系列過(guò)程中，礦山和廠房周?chē)耐寥?、地下水源及江河湖泊都受到“三廢”的污染了。各種傳統(tǒng)采礦方法都會(huì)給環(huán)境造成嚴(yán)重的后果。因?yàn)椴傻V空區(qū)或采地下水的過(guò)度開(kāi)采都會(huì)引發(fā)地面的塌陷、滑坡、沉降、地裂縫等一系列災(zāi)害。

采礦業(yè)對(duì)環(huán)境的破壞主要有以下幾方面：

廢石，全世界每年的礦山都會(huì)有大量的廢石，這些廢石在地表的長(zhǎng)久堆積必然會(huì)對(duì)環(huán)境造成非常大的影響；尾砂，礦業(yè)工業(yè)中較敏感問(wèn)題就是礦山尾礦的排棄。一些礦山直接把尾礦排放到河流湖海中嚴(yán)重污染了水源，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了破壞；地表塌陷，隨著大量礦體的開(kāi)采，在地下形成可空區(qū)，很容易引起地面的大面積塌陷。而進(jìn)行開(kāi)采時(shí)也會(huì)對(duì)礦區(qū)周?chē)牡刭|(zhì)以及地表造成影響；對(duì)地下水的影響。疏干排水為礦山主要防治水手段時(shí)，礦坑即成為所處地下水單元的最低排泄區(qū)，從而改變了天然的地下水。

3 采礦工藝

3.1 礦山采礦工藝方法

眾所周知，礦山開(kāi)采在給人類(lèi)提供原料的同時(shí)，對(duì)人類(lèi)賴(lài)以生存的生態(tài)環(huán)境也造成了極大的破壞。非煤地下礦山采礦方法按地壓管理對(duì)采空區(qū)的處理方法不同，主要分空?qǐng)龇ā⒈缆浞?、充填法三大?lèi)。

（1）空?qǐng)龇ㄖ饕貌蓤?chǎng)內(nèi)所留的礦巖柱支撐圍巖和頂板，以確保作業(yè)空間的安全，但隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力集中造成礦巖柱片幫、垮塌，引起采空區(qū)的垮塌，最終波及到地表，造成地面塌陷，破壞地表植被、景觀、水系。

（2）崩落法是隨著礦石的采出，按照先前設(shè)計(jì)的采礦工藝有計(jì)劃地強(qiáng)制或自然崩落頂盤(pán)圍巖充填采空區(qū)，釋放能量，減小工作面壓力，保證回采安全，但其直接造成地表陷落，對(duì)地表生態(tài)環(huán)境造成破壞。

（3）充填法是隨著回采工作面的推進(jìn)，逐步用充填料充填采空區(qū)，或礦房采空后一次事后充填，利用充填體進(jìn)行地壓管理，以控制圍巖崩落和地表塌陷，但由于充填質(zhì)量不過(guò)關(guān)，仍會(huì)引起地表的裂逢或沉陷，同樣對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。文章以趙案莊王道行鐵礦為研究對(duì)象，通過(guò)其應(yīng)用的采礦工藝的分析和研究，得出非煤地下礦山在開(kāi)采中應(yīng)采用什么樣的采礦工藝來(lái)保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

3.2 采礦方法選擇

礦山早期采用空?qǐng)龇ú傻V，由于礦體頂?shù)装宀环€(wěn)固，采場(chǎng)塌方嚴(yán)重，制約了采礦能力，且開(kāi)采損失、貧化均較大，實(shí)際生產(chǎn)能力僅為30萬(wàn)噸/年。另外礦區(qū)所處的地表環(huán)境如遭到破壞，其環(huán)境治理成本是無(wú)法估量的，且難以恢復(fù)到原始地貌和原始生態(tài)景觀。尾砂膠結(jié)充填法從根本上解決采礦方法帶來(lái)的問(wèn)題。

3.3 礦塊布置及構(gòu)成要素

水平厚度大于15m的礦體，采場(chǎng)垂直走向布置，采場(chǎng)長(zhǎng)度為礦體水平厚度，采場(chǎng)寬為8m～10m，中段高度為40m，頂柱高度3m，底柱高度5m。多條平行薄礦體（水平厚度小于15m）或主礦體附近的零星小礦體，多條礦脈聯(lián)合開(kāi)采，盤(pán)區(qū)垂直走向布置，一條礦脈為一個(gè)采場(chǎng)，中間的夾石層作永久礦柱，盤(pán)區(qū)長(zhǎng)50m。單條礦脈水平厚度小于15m的礦段，盤(pán)區(qū)沿走向布置，采用進(jìn)路式開(kāi)采，盤(pán)區(qū)長(zhǎng)100m，分層穿脈布置在采場(chǎng)的中央，分成左右兩個(gè)采場(chǎng)，進(jìn)路寬為5m，根據(jù)礦體厚度確定進(jìn)路條數(shù)。盤(pán)區(qū)之間留永久性間柱，寬3m～4m，頂柱高度3m，底柱高度5m。

3.4 采準(zhǔn)工程

采準(zhǔn)工程主要包括充填回風(fēng)井、分段巷道、溜礦井、人行井、出礦巷道等。根據(jù)該礦礦體比圍巖穩(wěn)固的特點(diǎn)，采準(zhǔn)工程位置優(yōu)先考慮施工于脈內(nèi)。

分段巷道：布置在礦體下盤(pán)，通過(guò)分段聯(lián)絡(luò)巷道與斜坡道相通，通過(guò)分層聯(lián)絡(luò)巷與盤(pán)區(qū)內(nèi)運(yùn)輸巷相通，無(wú)軌設(shè)備經(jīng)過(guò)斜坡道、分段巷道、盤(pán)區(qū)運(yùn)輸巷進(jìn)入盤(pán)區(qū)內(nèi)。

充填回風(fēng)井：開(kāi)口布置于穿脈內(nèi)，底柱段垂直掘進(jìn)，上部根據(jù)礦體傾角和厚度按一定角度施工至上中段穿脈。充填回風(fēng)井內(nèi)架設(shè)充填管路，用于采場(chǎng)的充填和回風(fēng)。盤(pán)區(qū)內(nèi)4個(gè)采場(chǎng)共用2條充填回風(fēng)井，施工時(shí)應(yīng)考慮充填回風(fēng)井和盤(pán)區(qū)運(yùn)輸巷的相對(duì)位置，保證盤(pán)區(qū)運(yùn)輸巷片幫壓頂時(shí)，能夠和充填回風(fēng)井貫通，減少盤(pán)區(qū)內(nèi)采礦、充填作業(yè)的相互影響。

溜礦井：礦體厚度較大，垂直走向布置的礦塊，采用鋼溜井順路架設(shè)。溜礦井架設(shè)于充填回風(fēng)井底柱段之上，下口安裝放礦閘門(mén)。鋼溜井用σ10鋼板焊制，鋼溜井直徑φ1.1m；礦體厚度較薄，沿走向布置的礦塊，溜井布置在下盤(pán)脈外，采用噴錨網(wǎng)支護(hù)。

出礦巷道：布置于采場(chǎng)下盤(pán)端部，與溜礦井、充填回風(fēng)井、人行井相通。泄水聯(lián)巷和人行泄水井：泄水聯(lián)巷垂直于穿脈施工，人行泄水井布置于穿脈或泄水聯(lián)巷中，采場(chǎng)內(nèi)采用鋼井筒順路架設(shè)，井筒內(nèi)焊制人行梯子間。

3.5 回采工藝

3.5.1 切割拉底

盤(pán)區(qū)采場(chǎng)采準(zhǔn)工程完畢后，進(jìn)行切割拉底工作。拉底工作從出礦巷道開(kāi)始。首先在施工有設(shè)備井的采場(chǎng)內(nèi)由下盤(pán)向上盤(pán)掘進(jìn)2.2m×2.2m的拉底巷道，完成后，鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)入采場(chǎng)。

3.5.2 鑿巖爆破

鑿巖采用7655型風(fēng)動(dòng)氣腿式鑿巖機(jī)，水平孔落礦，炮眼深度為2.1m。落礦眼交錯(cuò)布置，排距0.7m～0.8m，孔距0.8m～1.0m。起爆采用非電導(dǎo)爆管起爆。盤(pán)區(qū)內(nèi)各采場(chǎng)第一分層回采高度為4.5m，其它分層回采高度為2.5m。

3.5.3 采場(chǎng)通風(fēng)

新鮮風(fēng)流經(jīng)中段運(yùn)輸巷、穿脈、人行井進(jìn)入采場(chǎng)，清洗工作面后的污風(fēng)經(jīng)采場(chǎng)充填回風(fēng)井排到上中段回風(fēng)平巷內(nèi)，最終由風(fēng)井風(fēng)機(jī)抽出地表。

3.5.4 采場(chǎng)出礦

采場(chǎng)出礦采用XYWJD-1型電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)。每個(gè)盤(pán)區(qū)配備一臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)，采場(chǎng)落下的礦石，由鏟運(yùn)機(jī)鏟裝，經(jīng)盤(pán)區(qū)運(yùn)輸巷運(yùn)至溜礦井卸載。

3.5.5 采場(chǎng)充填

盤(pán)區(qū)內(nèi)采場(chǎng)分層回采結(jié)束后，按設(shè)計(jì)架設(shè)溜礦井和人行泄水井。采場(chǎng)與出礦巷道相鄰處架設(shè)木板墻，板墻內(nèi)掛土工布。充填管路從充填回風(fēng)井經(jīng)出礦巷道架至采場(chǎng)，用支架固定在采場(chǎng)中央。采場(chǎng)每分層充填高度為2.5m，采用尾砂膠結(jié)充填，灰砂比為1∶8，充填體上表面抗壓強(qiáng)度為0.8MPa～1MPa。每分層充填后，留有2.0m的控頂距，作為下分層回采的爆破自由面和通風(fēng)的通道。充填體養(yǎng)護(hù)7天后，方可進(jìn)行下分層的回采工作。

3.5.6 礦柱回采

盤(pán)區(qū)內(nèi)采場(chǎng)間留有3.0m～4.0m寬的礦石間柱，后采采場(chǎng)回采時(shí)，回采相鄰間柱，間柱保留長(zhǎng)度不小于4m。間柱回采時(shí)，每隔4m回采5m，各分層應(yīng)保證保留間柱在垂直方向上的連續(xù)性，盤(pán)區(qū)與盤(pán)區(qū)間的礦柱不回采。采場(chǎng)頂、底柱采用進(jìn)路式充填采礦法回采。采場(chǎng)最后分層回采結(jié)束后，進(jìn)行充填接頂工作。

4 生態(tài)環(huán)境保護(hù)效果

礦山經(jīng)過(guò)十多年的開(kāi)采，同時(shí)對(duì)以往空?qǐng)龇ㄟz留的采空區(qū)采用尾砂膠結(jié)注漿處理，區(qū)內(nèi)地表未發(fā)生裂縫、塌陷及河流干涸現(xiàn)象，地表生態(tài)環(huán)境未遭到破壞。礦山通過(guò)采用尾砂膠結(jié)充填采礦工藝，選用合適的充填體強(qiáng)度，對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填接頂處理，避免了空區(qū)頂板塌落引發(fā)地表沉陷的可能性，從根本上保護(hù)了地表生態(tài)環(huán)境。初步估算，雖然采用充填法開(kāi)采使噸礦成本增加25元左右，但由于減小了貧化和損失，節(jié)省了環(huán)境治理成本，實(shí)際為企業(yè)每年帶來(lái)近億元的經(jīng)濟(jì)效益，多方面均取得了較好的效果。

結(jié)語(yǔ)

礦山開(kāi)采中，如果采用的采礦工藝不合適，就會(huì)造成地表塌陷，致使開(kāi)采區(qū)域生態(tài)退化、環(huán)境破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成沙化現(xiàn)象。趙案莊王道行礦區(qū)采用尾砂膠結(jié)充填法很好的保護(hù)了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，非煤地下礦山應(yīng)加大對(duì)充填法的研究和應(yīng)用，采用科學(xué)的采礦工藝，從根本上保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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