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：礦山開采對生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞，如對地表污染排放的選礦尾砂，由于采礦留下的地下空區(qū)會引發(fā)地表的塌陷和位移以及礦山在開采過程中因為地壓帶來的危害。而使用的全尾砂充填技術(shù)是利用尾砂充填回采空區(qū)不僅做到了對廢物的利用，又做到了對環(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，為我國非煤地下礦山在開采中如何保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供了經(jīng)驗。

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

中圖分類號：TD851 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)域為山前緩傾斜平原區(qū)，地面均被第四系覆蓋，開采范圍內(nèi)地表分布有樹林、農(nóng)田，河由南向北流經(jīng)礦區(qū)。

2 采礦對自然環(huán)境的破壞

開發(fā)礦產(chǎn)資源的同時產(chǎn)生的“三廢”不僅成為了生態(tài)環(huán)境的污染源還對生態(tài)的原動力造成了破壞。開發(fā)礦產(chǎn)的一系列過程中，礦山和廠房周圍的土壤、地下水源及江河湖泊都受到“三廢”的污染了。各種傳統(tǒng)采礦方法都會給環(huán)境造成嚴(yán)重的后果。因為采礦空區(qū)或采地下水的過度開采都會引發(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有大量的廢石，這些廢石在地表的長久堆積必然會對環(huán)境造成非常大的影響；尾砂，礦業(yè)工業(yè)中較敏感問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，對生態(tài)環(huán)境造成了破壞；地表塌陷，隨著大量礦體的開采，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)行開采時也會對礦區(qū)周圍的地質(zhì)以及地表造成影響；對地下水的影響。疏干排水為礦山主要防治水手段時，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，礦山開采在給人類提供原料的同時，對人類賴以生存的生態(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采空區(qū)的處理方法不同，主要分空場法、崩落法、充填法三大類。

（1）空場法主要利用采場內(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(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)量不過關(guān)，仍會引起地表的裂逢或沉陷，同樣對環(huán)境產(chǎn)生影響。文章以趙案莊王道行鐵礦為研究對象，通過其應(yīng)用的采礦工藝的分析和研究，得出非煤地下礦山在開采中應(yīng)采用什么樣的采礦工藝來保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

3.2 采礦方法選擇

礦山早期采用空場法采礦，由于礦體頂?shù)装宀环€(wěn)固，采場塌方嚴(yán)重，制約了采礦能力，且開采損失、貧化均較大，實際生產(chǎn)能力僅為30萬噸/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的問題。

3.3 礦塊布置及構(gòu)成要素

水平厚度大于15m的礦體，采場垂直走向布置，采場長度為礦體水平厚度，采場寬為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)合開采，盤區(qū)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(qū)長50m。單條礦脈水平厚度小于15m的礦段，盤區(qū)沿走向布置，采用進(jìn)路式開采，盤區(qū)長100m，分層穿脈布置在采場的中央，分成左右兩個采場，進(jìn)路寬為5m，根據(jù)礦體厚度確定進(jìn)路條數(shù)。盤區(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，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，通過分段聯(lián)絡(luò)巷道與斜坡道相通，通過分層聯(lián)絡(luò)巷與盤區(qū)內(nèi)運輸巷相通，無軌設(shè)備經(jīng)過斜坡道、分段巷道、盤區(qū)運輸巷進(jìn)入盤區(qū)內(nèi)。

充填回風(fēng)井：開口布置于穿脈內(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，用于采場的充填和回風(fēng)。盤區(qū)內(nèi)4個采場共用2條充填回風(fēng)井，施工時應(yīng)考慮充填回風(fēng)井和盤區(qū)運輸巷的相對位置，保證盤區(qū)運輸巷片幫壓頂時，能夠和充填回風(fēng)井貫通，減少盤區(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。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(wǎng)支護(hù)。

出礦巷道：布置于采場下盤端部，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

盤區(qū)采場采準(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始。首先在施工有設(shè)備井的采場內(nèi)由下盤向上盤掘進(jìn)2.2m×2.2m的拉底巷道，完成后，鏟運機進(jìn)入采場。

3.5.2 鑿巖爆破

鑿巖采用7655型風(fēng)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0.7m～0.8m，孔距0.8m～1.0m。起爆采用非電導(dǎo)爆管起爆。盤區(qū)內(nèi)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。

3.5.3 采場通風(fēng)

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

3.5.4 采場出礦

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

3.5.5 采場充填

盤區(qū)內(nèi)采場分層回采結(jié)束后，按設(shè)計架設(shè)溜礦井和人行泄水井。采場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，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(jié)充填，灰砂比為1∶8，充填體上表面抗壓強度為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

盤區(qū)內(nèi)采場間留有3.0m～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(yīng)保證保留間柱在垂直方向上的連續(xù)性，盤區(qū)與盤區(qū)間的礦柱不回采。采場頂、底柱采用進(jìn)路式充填采礦法回采。采場最后分層回采結(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)過十多年的開采，同時對以往空場法遺留的采空區(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。礦山通過采用尾砂膠結(jié)充填采礦工藝，選用合適的充填體強度，對空區(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，實際為企業(yè)每年帶來近億元的經(jīng)濟(jì)效益，多方面均取得了較好的效果。

結(jié)語

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(qū)域生態(tài)退化、環(huán)境破壞，嚴(yán)重時會造成沙化現(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。

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