非煤地下礦山采礦工藝在環境保護方面的研究與應用

摘 要：礦山開采對生態環境造成了極大的破壞，趙案莊王道行鐵礦采用尾砂膠結充填工藝，很好地保護了礦區生態環境，為我國非煤地下礦山在開采中如何保護生態環境提供了經驗。

關鍵詞：尾砂膠結充填：塌陷；環境保護

1 概述

眾所周知，礦山開采在給人類提供原料的同時，對人類賴以生存的生態環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采空區的處理方法不同，主要分空場法、崩落法、充填法三大類。空場法主要利用采場內所留的礦巖柱支撐圍巖和頂板，以確保作業空間的安全，但隨著時間的推移，應力集中造成礦巖柱片幫、垮塌，引起采空區的垮塌，最終波及到地表，造成地面塌陷，破壞地表植被、景觀、水系。崩落法是隨著礦石的采出，按照先前設計的采礦工藝有計劃地強制或自然崩落頂盤圍巖充填采空區，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，對地表生態環境造成破壞。充填法是隨著回采工作面的推進，逐步用充填料充填采空區，或礦房采空后一次事后充填，利用充填體進行地壓管理，以控制圍巖崩落和地表塌陷，但由于充填質量不過關，仍會引起地表的裂逢或沉陷，同樣對環境產生影響。文章以趙案莊王道行鐵礦為研究對象，通過其應用的采礦工藝的分析和研究，得出非煤地下礦山在開采中應采用什么樣的采礦工藝來保護生態環境。

2 礦山概況

礦區位于華北地塊南緣，魯山縣背孜-西平縣出山復式背斜的東部。區內賦存兩個礦床，分別為趙案莊礦床和王道行礦床，礦體呈層狀分布，總體產狀為：傾向180～260°，傾角20～25°，屬緩傾斜礦體，埋深200～350m。趙案莊礦床直接充水因素為基巖含水層裂隙水，水文地質條件類型為中等。王道行礦床直接充水因素有頂板和礦層充水，水文地質條件類型為復雜。趙案莊礦床工程地質條件為中等，王道行礦床工程地質條件為復雜。礦山所處區域為山前緩傾斜平原區，地面均被第四系覆蓋，開采范圍內地表分布有樹林、農田， 河由南向北流經礦區。

3 采礦工藝

3.1 采礦方法選擇

礦山早期采用空場法采礦，由于礦體頂底板不穩固，采場塌方嚴重，制約了采礦能力，且開采損失、貧化均較大，實際生產能力僅為30萬噸/年。另外礦區所處的地表環境如遭到破壞，其環境治理成本是無法估量的，且難以恢復到原始地貌和原始生態景觀。為從根本上解決采礦方法帶來的問題，礦山聯合設計研究單位對尾砂膠結充填法進行了實險研究，最終確定選用上向水平分層盤區間柱式充填法，充填骨料為選礦產生的尾礦砂，膠結材料為新型尾砂固結材料。

3.2 礦塊布置及構成要素

水平厚度大于15m的礦體，采場垂直走向布置，采場長度為礦體水平厚度，采場寬為8～10m，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，多條礦脈聯合開采，盤區垂直走向布置，一條礦脈為一個采場，中間的夾石層作永久礦柱，盤區長50m。單條礦脈水平厚度小于15m的礦段，盤區沿走向布置，采用進路式開采，盤區長100m，分層穿脈布置在采場的中央，分成左右兩個采場，進路寬為5m，根據礦體厚度確定進路條數。盤區之間留永久性間柱，寬3～4m，頂柱高度3m，底柱高度5m。

3.3 采準工程

采準工程主要包括充填回風井、分段巷道、溜礦井、人行井、出礦巷道等。根據該礦礦體比圍巖穩固的特點，采準工程位置優先考慮施工于脈內。

分段巷道：布置在礦體下盤，通過分段聯絡巷道與斜坡道相通，通過分層聯絡巷與盤區內運輸巷相通，無軌設備經過斜坡道、分段巷道、盤區運輸巷進入盤區內。充填回風井：開口布置于穿脈內，底柱段垂直掘進，上部根據礦體傾角和厚度按一定角度施工至上中段穿脈。充填回風井內架設充填管路，用于采場的充填和回風。盤區內4個采場共用2條充填回風井，施工時應考慮充填回風井和盤區運輸巷的相對位置，保證盤區運輸巷片幫壓頂時，能夠和充填回風井貫通，減少盤區內采礦、充填作業的相互影響。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。溜礦井架設于充填回風井底柱段之上，下口安裝放礦閘門。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，溜井布置在下盤脈外，采用噴錨網支護。出礦巷道：布置于采場下盤端部，與溜礦井、充填回風井、人行井相通。泄水聯巷和人行泄水井：泄水聯巷垂直于穿脈施工，人行泄水井布置于穿脈或泄水聯巷中，采場內采用鋼井筒順路架設，井筒內焊制人行梯子間。

3.4 回采工藝

3.4.1 切割拉底。盤區采場采準工程完畢后，進行切割拉底工作。拉底工作從出礦巷道開始。首先在施工有設備井的采場內由下盤向上盤掘進2.2m×2.2m的拉底巷道，完成后，鏟運機進入采場。

3.4.2 鑿巖爆破。鑿巖采用7655型風動氣腿式鑿巖機，水平孔落礦，炮眼深度為2.1m。落礦眼交錯布置，排距0.7-0.8m，孔距0.8-1.0m。起爆采用非電導爆管起爆。盤區內各采場第一分層回采高度為4.5m，其它分層回采高度為2.5m。

3.4.3 采場通風。新鮮風流經中段運輸巷、穿脈、人行井進入采場，清洗工作面后的污風經采場充填回風井排到上中段回風平巷內，最終由風井風機抽出地表。

3.4.4 采場出礦。采場出礦采用XYWJD-1型電動鏟運機。每個盤區配備一臺鏟運機，采場落下的礦石，由鏟運機鏟裝，經盤區運輸巷運至溜礦井卸載。

3.4.5 采場充填。盤區內采場分層回采結束后，按設計架設溜礦井和人行泄水井。采場與出礦巷道相鄰處架設木板墻，板墻內掛土工布。充填管路從充填回風井經出礦巷道架至采場，用支架固定在采場中央。采場每分層充填高度為2.5m，采用尾砂膠結充填，灰砂比為1：8，充填體上表面抗壓強度為0.8～1MPa。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的通道。充填體養護7天后，方可進行下分層的回采工作。

3.4.6 礦柱回采。盤區內采場間留有3.0～4.0m寬的礦石間柱，后采采場回采時，回采相鄰間柱，間柱保留長度不小于4m。間柱回采時，每隔4m回采5m，各分層應保證保留間柱在垂直方向上的連續性，盤區與盤區間的礦柱不回采。采場頂、底柱采用進路式充填采礦法回采。采場最后分層回采結束后，進行充填接頂工作。

4 生態環境保護效果

礦山經過十多年的開采，同時對以往空場法遺留的采空區采用尾砂膠結注漿處理，區內地表未發生裂縫、塌陷及河流干涸現象，地表生態環境未遭到破壞。礦山通過采用尾砂膠結充填采礦工藝，選用合適的充填體強度，對空區進行充填接頂處理，避免了空區頂板塌落引發地表沉陷的可能性，從根本上保護了地表生態環境。初步估算，雖然采用充填法開采使噸礦成本增加25元左右，但由于減小了貧化和損失，節省了環境治理成本，實際為企業每年帶來近億元的經濟效益，多方面均取得了較好的效果。

5 結束語

礦山開采中，如果采用的采礦工藝不合適，就會造成地表塌陷，致使開采區域生態退化、環境破壞，嚴重時會造成沙化現象。趙案莊王道行礦區采用尾砂膠結充填法很好的保護了礦區生態環境。為了保護生態環境，非煤地下礦山應加大對充填法的研究和應用，采用科學的采礦工藝，從根本上保護礦區生態環境。

參考文獻

[1]張興，王凌云.礦產資源開發與環境保護協調發展的技術支撐[J].科技與經濟，2012（3）.

[2]張富民，等.采礦設計手冊（2）（下）[M].中國建筑工業出版社，1987.

作者簡介：李學宏（1973-），男，于1996年畢業于西安建筑科技大學，工作單位：河南天泰工程技術有限公司。