典型鐵礦嗣后充填法地下開采的地質環境問題及其防治

陳曉梅，楊 超，張建偉，桂思英

(1.臨沂市自然資源和規劃局，山東 臨沂 276001；2.山東金璽泰礦業有限公司，山東 蘭陵 276000；3.自然資源部生態地球化學重點實驗室，北京 100037；4.山東省第七地質礦產勘查院，山東 臨沂 276006)

隨著經濟建設對鐵礦資源需求的不斷增大，礦山開采導致的環境破壞也越加嚴重，尤其是災害隱患威脅人們的生命財產安全[1-2]。開采方式轉為地下開采，也依然會對礦山環境帶來不良影響，還可能產生地面沉降，繼而引發多種社會問題[3]。因此，開采方法和環境保護是制約鐵礦資源價值的重要因素[4]，在礦山開采的同時實施地質環境保護，將有利于促進區域經濟的可持續發展[5]。

嗣后充填法地下開采技術的應用，能夠最大限度地回收礦產資源，保護礦山環境，不僅能夠防止地面沉降，還可以處理同體廢料，實現資源開發與環境保護并重[6]。傳統充填法采礦始于西周末年，發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等方面均已多次改進[7]。尤其是1970年代后逐步發展的尾砂充填和膠結充填技術，不僅膠結充填體強度高、成本低[8]，而且使礦石回采率和貧化率都得到良好改善，礦產資源得到合理開發與集約利用[9]。嗣后充填法體現出了無可替代的優勢，在傳統意義上難以采用充填法的鐵礦山，其應用比重也越來越大[10]。

1 典型鐵礦山概況

1.1 采礦方法

鐵礦山生產規模120萬t/a，采用嗣后充填法地下開采方式。考慮到資源回收、充填對接及投資等因素，采用上向式回采順序，即垂直方向自下而上開采，先開采-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后回采下盤礦體，水平方向上從東、西兩翼向中間退采。其優點是不存在充填對接保留水平礦柱的問題，回收率較高，同時充填體強度要求較低。

1.2 采場參數

采場沿走向布置，在走向方向上劃分礦房，礦房長度為43 m，間柱為7 m；采場寬度為礦體厚度，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 采空區井下充填

回采結束后，進行廢石或尾砂膠結充填。充填后的采空區能夠有效地控制地壓活動、大幅度減少地下開采引起的地表沉降，有利于保護礦區地質環境和地表設施。

2.1 充填料配比

根據嗣后充填法的工藝要求，調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)計算。

(1)

式中：Q年為年生產規模，120萬t/a；δr為礦石體重，3.44 t/m3；T為年工作日數，330 d；Z為采充比，1 m3/m3。經計算，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，1.05；Q0為日均充填量。經計算，礦山日均所需充填料漿量為1 221 m3/d。

2.3 豎井封閉

礦井生產結束后，要井筒進行充填和封閉，按照以下要求進行。

1) 井筒內巷道等支護井壁的所有設施不得拆除，與井筒聯絡的巷道預先施工擋渣墻。擋渣墻采用砼澆灌，砼強度不低于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。擋渣墻墻體加鐵絲網和鋼筋，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) 需進行二次充填，使綜合充填率大于90%。

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

5) 水泥澆灌完成后，進行不低于3個月的養護。

6) 養護3個月后，澆灌體上方覆蓋至少0.8 m厚的土層。

2.4 斜坡道封堵

對礦井斜坡道進行封堵，按照以下要求進行。

1) 與井筒聯絡的巷道預先施工2座擋渣墻。擋渣墻采用砼澆灌，砼強度不低于C25，墻體外緣要接幫接頂，墻厚不少于3 m，墻體內加鐵絲網和鋼筋。

2) 向井筒內回填尾礦，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) 需進行二次充填，使綜合充填率大于90%。

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

5) 水泥澆灌完成后，進行不低于3個月的養護。

6) 養護3個月后，澆灌體上方覆蓋至少0.8 m厚的土層。

7) 井筒上方不得負載重物。

圖1 井筒封閉工程設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of shaft sealing engineering design

圖2 井口回填工程設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of wellhead backfillengineering design

3 地質環境問題

3.1 含水層破壞

鐵礦區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，地下水補給來源主要為大氣降水，降水通過基巖裂隙，直接補給基巖裂隙水。第四系含水層分布于地形低凹處及河流兩側，接受大氣降水和河流補給。礦區斷裂發育，斷裂破碎帶內充填有黏土礦物及硅質、鈣質，透水性較差。

1) 含水層破壞現狀。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，變質巖類裂隙含水層水位埋深0.18～21.77 m不等。鐵礦前期開采疏干地下水，疏干層位為變質巖類裂隙含水層，造成水位下降，形成疏干漏斗區。采用式(3)估算現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，取0.005 8 m/d。

疏干漏斗區含水層水位降深202.312 m，影響半徑為0.154 km，面積1.097 km2，現狀對含水層結構破壞嚴重。對地表水、礦井水、地下水等取樣分析，其水質符合國家Ⅲ類水質標準，現狀對含水層水質影響較輕。

2) 含水層破壞預測。地下開采對含水層的結構破壞是不可逆的，仍然采用上述降落漏斗影響半徑公式估算，疏干漏斗區預測含水層水位降深206.879 m，影響半徑為0.362 km，面積2.923 km2，預測對含水層結構破壞嚴重。結合現狀對含水層水質影響，考慮到礦山已開采多年，預測對含水層水質影響較輕。

3.2 礦山地質災害

礦區地勢較平坦，礦床均被第四系地層覆蓋，巖溶不發育，不具備發生泥石流、滑坡、巖溶塌陷的基本條件，歷史上也未發生采空塌陷、地裂縫等災害。開采過程中，+25 m標高以上礦體不采作為永久礦柱留置(其范圍長度約740 m，距地表厚度75 m)；同時，嚴格按照嗣后充填法開采規范，采坑進行及時全尾砂膠結充填，充填后的采空區能夠有效地控制地壓活動、大幅度減少地下采礦引起的地面沉降，將有效避免發生采空塌陷和伴生地裂縫。因此，發生礦山地質災害的可能性較小。

4 地質環境問題防治

對礦山地下開采引發的環境問題，要結合嗣后充填法的開采工藝和施工特點，從多方面采取積極的防治措施，尤其要預防和治理各種水文地質問題及引起的水害。

4.1 含水層及水害問題防治

1) 根據礦山開采情況，巷道揭露和采礦活動對含水層結構的破壞是不可逆的，修復難度大，可以通過地下水位、水質監測分析，為含水層保護和水環境污染治理提供數據支持。

2) 做好地下水探水設計，摸清地下水活動規律，及時治理礦坑充水通道，掘進中如發現導水裂隙、斷層、松散地段等涌水跡象立即停止掘進，進行注漿封堵和礦巖加固。

3) 為防井口灌水，設計所采用的井口標高均高于礦區歷年最高洪水位1 m以上，同時在井口工業場地周邊設置截水溝，攔截匯水并將其引出礦區。

4) 為防地面積水，對礦區內的洼地、水池等易于積水滲水地區，采取填平或開鑿疏水溝排水等措施。

5) 建立礦山突水預報系統，對礦山薄弱環節采用專人和儀器檢測兩套措施監控，防止突水事故的發生。所有涉水環節，均安設排水設備隨時排除積水。

4.2 礦山地質災害防治

1) 嚴格按照開發利用方案和技術規范開采，對采空區應及時充填，對豎井及時封閉，防止采空塌陷及伴生地裂縫災害發生。

2) 所布置的工程盡量避開地質條件不良地段，若無法避開，要及時留設保安礦柱或對頂板進行預先支護(長錨索、鉆孔注漿等)。

3) 開展地面變形監測，并及時巡查地表有無沉降、斑裂現象，一旦發現立即進行處理，消除地質災害隱患。

5 結 論

1) 嗣后充填法用于鐵礦地下開采，對采空區及時充填、豎井封閉、斜坡道封堵等，使礦產資源得到合理開發與集約利用，保障了礦山生產安全，保護了礦區地質環境。

2) 嗣后充填法開采鐵礦帶來的主要地質環境問題是含水層破壞和礦山地質災害，其中，現狀和預測對含水層結構破壞均為嚴重，現狀和預測對含水層水質影響均為較輕，現狀和預測發生礦山地質災害的可能性較小。

3) 應從含水層和地質災害的多方面采取積極的措施進行地質環境問題防治。