贵州山区矿山综采工艺对地质环境的影响及防治措施探讨

（贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550018）

1 贵州山区矿山常见地质环境条件及特点

1.1 地层特点

贵州省位于高原地区，山地较多，矿层地处新华夏系第三褶皱带与沉降带的南部和南岭纬向构造带的复合部位，断层、褶皱构造较多，矿层赋存条件复杂，含矿地层系龙潭组陆屑岩为主，下伏地层为中二叠统茅口组灰岩，上覆下三叠统硬质岩，形成软硬互层、上硬下软的复杂山体，此种结构具有相对粘结力差的特点，岩块整体抗弯性差，在外界采空活动较为频繁的状况下，当地地质容易受外界作用影响发生塌落、张裂等状况。

1.2 地形特点

由于矿层多发育于缓倾斜层状结构之下，在自然情况下斜坡一般不易发生大规模的整体破坏，其破坏形式多以局部崩塌变形为主，但值得引起注意的是如果地下矿物过度开采后，山体内形成大量采空区，容易引发顶板弯曲下沉，斜坡岩体移动、变形等问题，当开采面积达到一定范围、变形累计到一定程度后，起始于采场附近的移动将扩展到地表，引起地表沉降、拉裂、山体崩塌等工程地质问题。

1.3 气象因素

主汛期期间，贵州山区的气象特点表现为“时晴时雨”和“高温暴雨”。晴天昼夜温差大，岩体被曝晒，体积膨胀，加剧了岩体的碎裂化；而降雨期间雨水进入岩体裂隙形成静水压力，并软化山体中的软弱岩体，降低山体的稳定性；如遇到突发性大暴雨天气，在重力和降雨的作用下，容易导致山体失稳。

图1 贵州山区矿山典型地质环境条件示意图

2 贵州山区矿山综采工艺及产生问题

贵州省多数矿山地处山区，矿区侵蚀切割强烈，地形起伏较大，山高坡陡，沟壑密集，构造发育，岩层多软弱相间，地质环境条件十分脆弱，在保证开采安全及出产率达到75%～85%的情况下，其开采方式多采用长臂后退式开采、全部跨落式管理顶板及液压支柱的综采工艺。

长臂式开采，可分为走向长壁采矿法和倾向长壁采矿法，特点是回采开发的区域是沿着矿层走向或者倾斜设置，具有长度大的特点，据统计一般长度范围为100m～150m，最大的甚至超过200m，较短长度也不低于30m。一般回采区域需要及时设置回风平巷、运输平巷，这对巷道内部的通风、运输和相关作业人员通行等均具有较大影响。回采方法的差异可能会引起推进度的差异，一般该数值的范围为0.6m～1.2m范围内。一般状况下，可以在回风平巷内进行轨道敷设施工，借助平板车、矿车等实现材料等运输；运输平巷内处理中，可借助刮板输送机、矿车等进行施工。运输平巷、回风平巷布置中，一般为单巷布置，也不排除特殊性状况为双巷布置。其中后退式开采中，是指回采工作面由采区边界向采区上山（或石门）推进，目前各矿区大都采用长臂后退式回采方式。

液压支柱主要是应用于井下巷道掘进施工中，属于超前支护设备，掘进机的作用范围需要与工作空间相一致，具有安全高效、高强度、独立性良好的特点，此外还可保证液压支柱与掘进机协同使用，能够做到边掘进边支护。其主要工作原理为：通过操纵阀控制每根立柱上的液控单向阀，使高压液体进入立柱的下腔，将两侧4根立柱升至所需位置；立柱顶端分别与横梁铰接，各横梁均联接在不同的纵梁下面，通过纵梁支护矿巷顶板，并达到一定的工作阻力。

全部垮落式管理顶板，是指当某一区域的矿物开采完毕后，主动撤除开采工作空间以外的支架，使直接位于矿层上方的一层或几层性质相近的岩层自然垮落，并随着工作面推进，每隔一定距离就按预定计划回柱放顶，及时减少工作面的控顶面积，并且由于顶板垮落后破碎岩石体积膨胀而充填采空区，从而减轻工作面压力和防止对工作面产生不良影响。

随着矿区开采范围的不断扩大，当支护撤离、大面积的采空区顶板垮落后，不可避免的会对矿层上部的地质环境条件产生严重破坏，导致大型―特大型矿区地质灾害的发生，对人民群众的生命财产造成巨大损害。

3 采矿活动对矿区地质环境的破坏机制

长期的地下开采活动打破原有岩体的应力平衡，导致岩体变形加剧，使山体出现大面积开裂、岩体破碎，并形成“内伤”，从而对其稳定性构成扰动。在不断的地下开采过程中，岩体内部裂缝进一步发展贯通，贯通裂缝的存在为雨水入渗、物理及化学风化提供了重要的通道，导致崩塌区岩体力学强度不断降低，当矿山的采空区顶板垮塌时，巨大的冲击会对采空区围岩造成破坏，地表移动并改变原始地形地貌，随着时间的推移，在很大程度上会衍生、并发出更多的反应，逐渐形成一系列次生灾害，甚至造成存在因果关系的灾害链的形成，导致地裂缝－地面塌陷，地裂缝－滑坡及崩塌－滑坡等诸多并发反应、连锁反应。

例如纳雍县鬃岭矿区左家营崩塌、水城支那矿区后山崩塌、盘县土城矿区二井崩塌、兴义市超级矿区主井口崩塌等都是这种由于软弱基座先产生塑性变形，导致上覆岩体产生拉裂，扩大自身软弱结构面，在自重及斜坡荷载作用下产生坡体破坏而形成的矿区地质灾害，其破坏变形模式属于塑流-拉裂模式。

图2 矿区开采造成上部山体裂隙持续发育

图3 采空区顶板垮落后造成上部山体裂隙贯通

矿区周边地质灾害均为采空区失稳变形的演化产物,其在时间发育方面主要呈现出以下两个特征：

其一，相较于矿物的开采时间，地质灾害的形成时间具有明显滞后性，在进行矿产开采的过程中，采空区上覆岩(土)体的变形破坏需要一定时间，所以地质灾害往往会在采空区形成后才会出现，而且地质灾害滞后的时间受诸多因素的影响，比如采空区上覆岩（土）体的各种组合关系、力学性质、厚度等。

其二，当初期地裂、沉降等现象形成之后，受降雨影响，容易因为降雨作用而进一步加剧，产生冲刷、淋滤等次生作用，使其在原有规模的基础上有所扩大。

4 矿区地质环境保护及防治对策

由于贵州山区脆弱的地质环境条件及其特殊的工程地质特征，现行的矿山综采工艺对山体稳定性带来的破坏是显而易见的，特别是位于陡岩、陡崖下的矿区，其上部基本伴有地裂缝、崩塌等地质灾害，且具有范围广、规模大、突发性强等特点，对周边群众的生命财产造成了极大的威胁。为最大限度的降低此类灾害造成的损失，必须坚持预防为主、防治结合的原则，进一步研究、调整和完善矿山开采工艺，不能盲目、无原则的为达到《国土资源部关于煤炭资源合理开发利用“三率”指标要求（试行）的公告》（2012年第23号）文件（以下简称“三率”指标文件）要求，而恣意对采区原有地质环境进行破坏。为确保经济与环境协调发展，可对山区特殊地质条件下的矿区采取留设保安矿柱、采空区条带式充填等具体措施。

4.1 留设保安矿柱

合理的矿柱留设对采场的围岩变形控制起决定性作用，在矿层开采完毕后不使用地板垮落法，可以有效避免由于放顶产生的各种灾害，但由于“三率”指标要求，对井工矿山采区的开采率有不低于75%～85%的严格规定，若留设保安矿矿，则开采率达不到国家标准。因此，对于山区特殊地质环境条件下的矿区，应从管理层面立法，在保证一定开采率及经济效益的同时，保护好矿区周边的地质环境。

4.2 充填开采技术

开采原理为：在矿山采空区上方钻一个孔，通到采空区，然后将洗矸厂洗选出的矸石，经过破碎、筛分，与电厂的粉煤灰混合，投入投料孔，之后转入充填区，用压实机捣实，让充填物形成新的支撑体，实现对上覆岩层变形的有效抑制，避免顶板破坏和地面下沉发生，尽量保持地形地貌以及地表建筑物的原样，最终实现解放建筑物下矿产储量和不迁村采矿的目标。

充填开采技术具有较高的回采率，可以有效的保证在填充区作业的安全性，而且能够有效的保护自然生态资源，最大限度的减少对其破坏，但是其同样具有一定的弊端，比如施工工艺可操作性不强，而且需要根据开采环境以及岩石层属性的变化，进行充填方案的调整，对于围岩硬度较低的开采区，该技术的经济性有待于进一步提高。

5 结语

贵州山区矿山企业以小型为主，由于缺乏专业技术指导，采矿方法不当，工艺技术落后，未按规定留设保安矿柱，废弃坑道未及时封闭、回填等不合理的矿山生产活动现象较普遍。而处在“上硬下软”等特殊地质环境条件下的矿区，在“三率”指标的硬性规定下，对开采率的盲目追求使现行开采工艺得到广泛使用，并导致矿区周边地质灾害的频繁发生。要对矿区的地质环境进行保护，则需要对现行开采工艺进行调整，解决顶板垮落所造成的地表沉陷、地形地貌破坏等环境问题，实现矿山绿色开采的最终目的。

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