非煤地下矿山采矿工艺在环境保护方面的研究与应用

闵元波

摘 要：矿山开采对生态环境造成了极大的破坏，如对地表污染排放的选矿尾砂，由于采矿留下的地下空区会引发地表的塌陷和位移以及矿山在开采过程中因为地压带来的危害。而使用的全尾砂充填技术是利用尾砂充填回采空区不仅做到了对废物的利用，又做到了对环境的治理，起到了双重作用。赵案庄王道行铁矿采用尾砂胶结充填工艺，很好地保护了矿区生态环境，为我国非煤地下矿山在开采中如何保护生态环境提供了经验。

关键词：尾砂胶结充填：塌陷；环境保护

中图分类号：TD851 文献标识码：A

1 矿山概况

矿区位于华北地块南缘，鲁山县背孜-西平县出山复式背斜的东部。区内赋存两个矿床，分别为赵案庄矿床和王道行矿床，矿体呈层状分布，总体产状为：倾向180°～260°，倾角20°～25°，属缓倾斜矿体，埋深200m～350m。赵案庄矿床直接充水因素为基岩含水层裂隙水，水文地质条件类型为中等。王道行矿床直接充水因素有顶板和矿层充水，水文地质条件类型为复杂。赵案庄矿床工程地质条件为中等，王道行矿床工程地质条件为复杂。矿山所处区域为山前缓倾斜平原区，地面均被第四系覆盖，开采范围内地表分布有树林、农田，河由南向北流经矿区。

2 采矿对自然环境的破坏

开发矿产资源的同时产生的“三废”不仅成为了生态环境的污染源还对生态的原动力造成了破坏。开发矿产的一系列过程中，矿山和厂房周围的土壤、地下水源及江河湖泊都受到“三废”的污染了。各种传统采矿方法都会给环境造成严重的后果。因为采矿空区或采地下水的过度开采都会引发地面的塌陷、滑坡、沉降、地裂缝等一系列灾害。

采矿业对环境的破坏主要有以下几方面：

废石，全世界每年的矿山都会有大量的废石，这些废石在地表的长久堆积必然会对环境造成非常大的影响；尾砂，矿业工业中较敏感问题就是矿山尾矿的排弃。一些矿山直接把尾矿排放到河流湖海中严重污染了水源，对生态环境造成了破坏；地表塌陷，随着大量矿体的开采，在地下形成可空区，很容易引起地面的大面积塌陷。而进行开采时也会对矿区周围的地质以及地表造成影响；对地下水的影响。疏干排水为矿山主要防治水手段时，矿坑即成为所处地下水单元的最低排泄区，从而改变了天然的地下水。

3 采矿工艺

3.1 矿山采矿工艺方法

众所周知，矿山开采在给人类提供原料的同时，对人类赖以生存的生态环境也造成了极大的破坏。非煤地下矿山采矿方法按地压管理对采空区的处理方法不同，主要分空场法、崩落法、充填法三大类。

（1）空场法主要利用采场内所留的矿岩柱支撑围岩和顶板，以确保作业空间的安全，但随着时间的推移，应力集中造成矿岩柱片帮、垮塌，引起采空区的垮塌，最终波及到地表，造成地面塌陷，破坏地表植被、景观、水系。

（2）崩落法是随着矿石的采出，按照先前设计的采矿工艺有计划地强制或自然崩落顶盘围岩充填采空区，释放能量，减小工作面压力，保证回采安全，但其直接造成地表陷落，对地表生态环境造成破坏。

（3）充填法是随着回采工作面的推进，逐步用充填料充填采空区，或矿房采空后一次事后充填，利用充填体进行地压管理，以控制围岩崩落和地表塌陷，但由于充填质量不过关，仍会引起地表的裂逢或沉陷，同样对环境产生影响。文章以赵案庄王道行铁矿为研究对象，通过其应用的采矿工艺的分析和研究，得出非煤地下矿山在开采中应采用什么样的采矿工艺来保护生态环境。

3.2 采矿方法选择

矿山早期采用空场法采矿，由于矿体顶底板不稳固，采场塌方严重，制约了采矿能力，且开采损失、贫化均较大，实际生产能力仅为30万吨/年。另外矿区所处的地表环境如遭到破坏，其环境治理成本是无法估量的，且难以恢复到原始地貌和原始生态景观。尾砂胶结充填法从根本上解决采矿方法带来的问题。

3.3 矿块布置及构成要素

水平厚度大于15m的矿体，采场垂直走向布置，采场长度为矿体水平厚度，采场宽为8m～10m，中段高度为40m，顶柱高度3m，底柱高度5m。多条平行薄矿体（水平厚度小于15m）或主矿体附近的零星小矿体，多条矿脉联合开采，盘区垂直走向布置，一条矿脉为一个采场，中间的夹石层作永久矿柱，盘区长50m。单条矿脉水平厚度小于15m的矿段，盘区沿走向布置，采用进路式开采，盘区长100m，分层穿脉布置在采场的中央，分成左右两个采场，进路宽为5m，根据矿体厚度确定进路条数。盘区之间留永久性间柱，宽3m～4m，顶柱高度3m，底柱高度5m。

3.4 采准工程

采准工程主要包括充填回风井、分段巷道、溜矿井、人行井、出矿巷道等。根据该矿礦体比围岩稳固的特点，采准工程位置优先考虑施工于脉内。

分段巷道：布置在矿体下盘，通过分段联络巷道与斜坡道相通，通过分层联络巷与盘区内运输巷相通，无轨设备经过斜坡道、分段巷道、盘区运输巷进入盘区内。

充填回风井：开口布置于穿脉内，底柱段垂直掘进，上部根据矿体倾角和厚度按一定角度施工至上中段穿脉。充填回风井内架设充填管路，用于采场的充填和回风。盘区内4个采场共用2条充填回风井，施工时应考虑充填回风井和盘区运输巷的相对位置，保证盘区运输巷片帮压顶时，能够和充填回风井贯通，减少盘区内采矿、充填作业的相互影响。

溜矿井：矿体厚度较大，垂直走向布置的矿块，采用钢溜井顺路架设。溜矿井架设于充填回风井底柱段之上，下口安装放矿闸门。钢溜井用σ10钢板焊制，钢溜井直径φ1.1m；矿体厚度较薄，沿走向布置的矿块，溜井布置在下盘脉外，采用喷锚网支护。

出矿巷道：布置于采场下盘端部，与溜矿井、充填回风井、人行井相通。泄水联巷和人行泄水井：泄水联巷垂直于穿脉施工，人行泄水井布置于穿脉或泄水联巷中，采场内采用钢井筒顺路架设，井筒内焊制人行梯子间。

3.5 回采工艺

3.5.1 切割拉底

盘区采场采准工程完毕后，进行切割拉底工作。拉底工作从出矿巷道开始。首先在施工有设备井的采场内由下盘向上盘掘进2.2m×2.2m的拉底巷道，完成后，铲运机进入采场。

3.5.2 凿岩爆破

凿岩采用7655型风动气腿式凿岩机，水平孔落矿，炮眼深度为2.1m。落矿眼交错布置，排距0.7m～0.8m，孔距0.8m～1.0m。起爆采用非电导爆管起爆。盘区内各采场第一分层回采高度为4.5m，其它分层回采高度为2.5m。

3.5.3 采场通风

新鲜风流经中段运输巷、穿脉、人行井进入采场，清洗工作面后的污风经采场充填回风井排到上中段回风平巷内，最终由风井风机抽出地表。

3.5.4 采场出矿

采场出矿采用XYWJD-1型电动铲运机。每个盘区配备一台铲运机，采场落下的矿石，由铲运机铲装，经盘区运输巷运至溜矿井卸载。

3.5.5 采场充填

盘区内采场分层回采结束后，按设计架设溜矿井和人行泄水井。采场与出矿巷道相邻处架设木板墙，板墙内挂土工布。充填管路从充填回风井经出矿巷道架至采场，用支架固定在采场中央。采场每分层充填高度为2.5m，采用尾砂胶结充填，灰砂比为1∶8，充填体上表面抗压强度为0.8MPa～1MPa。每分层充填后，留有2.0m的控顶距，作为下分层回采的爆破自由面和通风的通道。充填体养护7天后，方可进行下分层的回采工作。

3.5.6 矿柱回采

盘区内采场间留有3.0m～4.0m宽的矿石间柱，后采采场回采时，回采相邻间柱，间柱保留长度不小于4m。间柱回采时，每隔4m回采5m，各分层应保证保留间柱在垂直方向上的连续性，盘区与盘区间的矿柱不回采。采场顶、底柱采用进路式充填采矿法回采。采场最后分层回采结束后，进行充填接顶工作。

4 生态环境保护效果

矿山经过十多年的开采，同时对以往空场法遗留的采空区采用尾砂胶结注浆处理，區内地表未发生裂缝、塌陷及河流干涸现象，地表生态环境未遭到破坏。矿山通过采用尾砂胶结充填采矿工艺，选用合适的充填体强度，对空区进行充填接顶处理，避免了空区顶板塌落引发地表沉陷的可能性，从根本上保护了地表生态环境。初步估算，虽然采用充填法开采使吨矿成本增加25元左右，但由于减小了贫化和损失，节省了环境治理成本，实际为企业每年带来近亿元的经济效益，多方面均取得了较好的效果。

结语

矿山开采中，如果采用的采矿工艺不合适，就会造成地表塌陷，致使开采区域生态退化、环境破坏，严重时会造成沙化现象。赵案庄王道行矿区采用尾砂胶结充填法很好的保护了矿区生态环境。为了保护生态环境，非煤地下矿山应加大对充填法的研究和应用，采用科学的采矿工艺，从根本上保护矿区生态环境。

参考文献

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