礦山塌陷區生態環境恢復研究及應用

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，從事非煤礦山企業安全技術與管理工作;石家莊市槐安東路162號，河北冀拓應急科技有限公司，050000;E-mail：158413248@qq.com

摘要：某礦山地下開采導致地表塌陷，地質危害嚴重，影響礦山的安全生產。通過前期調研，利用塌陷區實際測量、塌陷區穩定性分析、尾礦膏體充填體研制、分區生態恢復等技術手段進行了一系列的分析研究，最終確定對塌陷區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治理和尾礦堆存問題，同時還礦山以綠色的生態環境，可為類似礦山生態恢復、塌陷區治理和固廢利用提供依據。

關鍵詞：塌陷區;生態恢復;穩定性分析;數值模擬;膏體充填;固廢利用

中圖分類號：TD7 TD88文獻標志碼：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，不僅給礦山深部生產帶來了潛在的地質危害，還嚴重破壞了礦區地表生態環境。與此同時，礦山尾礦庫即將閉庫，生產產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進行回填，并在此基礎上進行生態環境恢復。確定塌陷區的穩定性和膏體充填體的可行性是本研究的重點，是后期生態環境恢復的基礎。該研究成果有效解決了礦山的實際問題，節約了建設資金，為礦山創造了經濟效益和環境效益。

1 工程概況

某礦山開采國內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，設計生產規模180萬t/a。1997年開工建設，2002年投產試運行，2004年達產。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年結束，二期（-110 ～-230 m水平）正在生產中。隨開采時間的推移，一期地表塌陷已趨于穩定。地表塌陷區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容積為220萬m3。

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

2 前期調研工作

2.1 塌陷區穩定性初判

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

2.2 塌陷區回填量及回填物料分析

塌陷區回填量初步估算為220萬m3，采用傳統的黃土、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。該礦山選礦生產工藝中不添加化學藥劑，尾礦作為回填料不會對回填區域造成化學污染，同時具有易獲取、運輸成本低的優勢，且可有效解決尾礦堆存的問題，是比較理想的回填料。

2.3 塌陷區生態環境恢復初步方案

礦山塌陷區穩定區域的遠景利用以農業為主，向精細農業、生態農業方向發展。根據當地主要種植農作物小麥、玉米、棉花、花生等實情，回填作業區域各個分段（田塊）達到最終設計標高后即進行平整及復墾工作，采用外運耕殖土覆蓋，并采取物理土壤改良、化學土壤改良和生物土壤改良相結合的方法，增強土地地力。

2.4 安全預案

井下廢舊巷道需進行封堵，并增設排水設施，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，引起巖層穩定結構二次破壞。同時，在地表進行實時監測，了解地表變形情況。加強充填施工和環境治理施工過程中的安全管理，將塌陷區劃分為工業試驗場地、膠結尾礦回填作業一區和膠結尾礦回填作業二區3個區域，并進行分步回填，分步綠化還林還田。前期充填治理經驗不僅可為后期充填積累經驗，也利于礦山提前獲得環境效益、經濟效益和社會效益。

3 總體技術路線及研究成果

礦山塌陷區生態環境恢復研究屬于礦山綜合治理研究，涉及內容較多，學科較廣，其主要包括：

1）分析礦山各項資料，現場考察礦山塌陷區和固體廢料實際情況。

2）現場測繪塌陷區的實際情況，形成基礎數據，并佐證數值模擬結果[2]。

3）對塌陷區域的各層巖石進行取樣試驗，測定其巖石物理力學參數，利用力學軟件構建塌陷區三維立體應力模型，分析塌陷區穩定性。

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）初步建立地表生態環境修復方案。

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年底回采結束。-110 m水平以下礦體主要集中在9勘探線以東區域。從現場情況來看，塌陷區11勘探線以西區域地勢呈現為整體下沉式盆地，未出現大的塌陷坑。特別是該區域北部生長了雜草及小型灌木，下沉基本穩定。11勘探線以東區域為主要塌陷區域，最大的塌陷坑邊界出現在該區域。依據2013年地形圖，最大塌陷坑深度約50 m（坑底標高約231.2 m，附近地表標高281.3 m）。地下礦體開采和地表塌陷情況對照見圖1。

3.2 塌陷區地表實測和穩定性分析

3.2.1 塌陷區地表實測

采用GPS-RTK測量方法進行了數字化地形圖測量，坐標系統為2000國家大地坐標系統，并采用1985國家高程基準。面積計算方法采用南方CASS7.0軟件的面積計算方法，計算結果為173 612.9 m2。體積計算方法采用南方CASS7.0軟件的三角網法，計算結果為2 601 434.7 m3。

3.2.2 塌陷區穩定性分析

1）采空區自然冒落[3]情況分析。該礦山礦巖不穩固—中等穩固;頂板為奧陶紀馬家溝組中統灰巖，中等穩固—不穩固;底板為燕山期閃長巖，中等穩固;在礦體與閃長巖之間，有一層厚5～10 m矽卡巖蝕變帶，極不穩固。根據誘導冒落原理和礦山相關參數，計算出空區的最大跨度為11～13 m，對應的臨界冒落面積為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上部礦體自然冒落。

2）塌陷區整體穩定性分析。收集塌陷區內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參數。根據對上下盤圍巖巖層分析結果，結合礦體開采的實際情況，構建三維立體應力模型，并基于數值模擬軟件有限元法進行分析。通過計算分析，確定了塌陷區周圍巖層的穩定性情況，得到了三維空間應力、應變分布圖和塌陷區垂直下沉位移等值線圖（見圖2），并出具了分析報告。結果表明，礦山9勘探線—15勘探線塌陷區地表沉降已基本穩定，可逐步實施生態環境恢復工程。

3.3 尾礦及膏體性能

該礦山采用磁選工藝進行選礦，其尾礦不含化學藥劑，不會對塌陷區穩定區域土地產生化學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粒級產率為43.98 %，-0.02 mm粒級產率為30.96 %，說明該尾礦中細粒級含量較多。尾礦組分分析結果見表1。

在基本分析的基礎上，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論：

1）濃縮模型試驗中，尾礦在模型內的極限濃度可達到80 %，說明通過濃縮方式，只要濃縮設備設計有合理的絮凝工藝、扭矩、結構、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固化，抗壓強度0.3 MPa左右，能夠滿足塌陷區沉降的要求。

3）從環管試驗可知，添加膠凝材料后的高濃度尾礦，已基本屬于準膏體或膏體。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，已屬于準膏體的范疇;而濃度為71 %的尾礦，添加2 %膠凝材料后，已經不泌水、不離析、不沉積，在管道內靜置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的條件，用其進行塌陷區回填是可行的。

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，養護1 d，并在水中浸泡≥24 h 的泥化試驗效果見圖4，浸泡結果為無泥化。

3.4 井下安全措施和地表沉降監測

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

2）地表沉降監測及現場防護。通過分析確定9勘探線—15勘探線塌陷區已趨于穩定，為進一步保證回填作業時人員和設備安全，通過采集場地變形數據，建立場地變形監測系統[5]。根據現場實際回填情況制定安全管理辦法，包括設置圍欄，防止無關人員進入充填區域，以及施工人員進入回填場應系安全繩等。

3.5 分區域充填

礦山塌陷區的穩定區域（9勘探線—15勘探線）占地面積為41.01萬m3。根據礦山塌陷區穩定區現狀，將膠結尾礦回填作業區分為工業試驗場地、膠結尾礦回填作業一區和膠結尾礦回填作業二區。工業試驗場地主要為廢石堆場;對于工業試驗場地北部塌陷區的穩定區域以11勘探線為界線分為膠結尾礦回填作業一區和膠結尾礦回填作業二區。

首先進行膠結尾礦排放作業平臺的平整作業，然后進行工業試驗場地的膠結尾礦回填作業，最后自西向東逐步進行膠結尾礦回填作業一區和膠結尾礦回填作業二區的回填作業。對廢石堆場地勢較高區域進行平整后作為膠結尾礦排放作業平臺使用。根據作業及安全要求，塌陷區穩定區域膠結尾礦排放作業平臺頂寬為10 m，兩側平均坡比不大于1∶2。

為保障膠結尾礦回填作業安全，膠結尾礦回填采用池填法作業[6]，初步確定池子東西方向圍埝間距為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，膠結尾礦回填高度低于圍埝頂0.5 m。

3.6 作業區域覆土及綠化

1）覆土。膠結尾礦回填作業區域各個分段（田塊）達到最終設計標高后即進行平整及復墾工作。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）道路規劃。治理區內道路分為田間道路和生產道路兩級。田間道路是居民點到田間的通道，主要是為貨物運輸、作業機械向田間轉移及為機器加水、加油等生產服務的道路;生產道路是指聯系不同田塊、通往田間的道路，主要起到田間貨物運輸的作用，為人工田間作業和收獲農產品服務。

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

4 結 論

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

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

3）在塌陷區上部進行生態環境恢復，消除了潛在的地質災害，增加了農業用地，綠化了礦山環境，有利于礦山的綠色可持續發展。

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

[參考文獻]

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[3] 程國華.誘導冒落技術在無底柱分段崩落法放頂中的應用[J].山西冶金，2010（5）：58-59.

[4] 肖旭峰，陳維，鄭劍洪.全尾砂似膏體充填參數優化及設備優選研究[J].采礦技術，2014，14（1）：69-71.

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[6] 王俊，伍紅強.池填法在背陰山沖尾礦庫筑壩中的應用[J].現代礦業，2018（2）：222-225.

[7] 黃丹勇.礦區土地復墾與生態環境恢復綜述[J].湖南有色金屬，2011（6）：45-48.

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