高官营铁矿停产淹井安全影响分析

白建伟， 王明辉, 孙光华

(1.华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063210; 2.唐山市迁西县应急管理局， 河北 唐山 064300)

1 前言

地下矿山淹井属于罕见案例，淹井措施实施前后涉及诸多问题需要考虑。第一，要考虑经济损失是否符合矿山可接受范围以及淹井后恢复生产所需费用是否能为矿山所能承担。第二，淹井措施实施过程中涉及到诸多安全问题，要考虑到生产系统、井下设备、采空区及围岩等因素的安全性和可行性。第三，淹井措施实施后如何制定相关安全管理制度及应急预案也十分必要。

本文以高官营铁矿停产淹井事件为背景，通过对该矿山开采方法、生产系统、井下设备、采空区现状等方面的综合调查，分析了地下水对岩体、设备、充填体等主要易受危害因素的影响，确定淹井方案的合理性，并根据淹井对矿区的影响制定相应的安全防护措施，以在最大程度上保证方案的安全性，为矿企淹井方案的实施提供依据。

2 可行性分析

2.1 矿区位置

矿区位于河北省滦县新城南5km，位于滦县滦州镇境内。矿区南北长1.1km，周边无其他生产矿山，矿区西侧有高官营村，该村不在高官营铁矿错动范围之内，矿山严格按设计采用充填法采矿，不会对高官营村产生明显影响。地表大部分为农田，矿山淹井后不会对周边环境产生明显影响。

2.2 地质概况

矿区南北长1 100m，东西宽400～600m。矿体埋深50～90m，一般70m，该区矿体为磁铁石英岩，矿床顶、底板围岩为黑云变粒岩，岩体岩性单一，除风化带、构造破碎带外，矿体与围岩为坚硬、较坚硬岩石，稳定性较好，工程地质条件属中等型，地下水对围岩破坏作用较弱。

井下实测总涌水量约4 100m3/d，每天排水8h左右，每年所需费用巨大，停产持续时间越长成本越高，不符合公司利益。

2.3 生产系统

该矿采用竖井开拓，布置有主井、副井、进风井、中央回风井4条竖井。主、副竖井布置在矿体南端，相距50m，进风井布置在矿体北端，回风井布置在矿体下盘、沿矿体走向的中部。4条竖井均位于地表错动界线外。

井下溜破系统、运输系统、通风系统、排水系统、供电系统、供气系统以及安全避险“六大系统”的设备、设施均不拆除，由财务做出损失统计，损失在可接受范围内。

3 淹井方案安全影响分析

淹井对矿区安全的主要影响因素如图1所示，对图1所示的影响因素进行分析，以确定淹井方案的实施是否能保证矿区的安全，具体分析过程如下。

图1 淹井方案对矿区安全的影响因素

3.1 采空区及巷道坍塌安全影响分析

淹井对采空区和巷道坍塌的影响程度主要由采空区面积和岩石的稳定性决定，通过调查，该矿区矿体为磁铁石英岩，矿床顶、底板围岩为黑云变粒岩，岩体岩性单一，除风化带、构造破碎带外，矿体与围岩为坚硬、较坚硬岩石，稳定性较好，围岩破坏机制[1]为软弱结构面控制加吸水崩解类型，破坏形式为松弛变形散落及局部掉块崩落，且该矿区的主要空区分布见表1。

表1 现有采空区分布情况表

通过上述矿区地质资料可知淹井事故的发生会使大部分井巷围岩出现软岩崩解现象[2]，使其强度大幅度降低，围岩、支架、护顶材料支护强度减小，会出现锚喷巷道片帮、冒顶、锚杆折断等支护失效现象。此外局部构造破碎地段可能会出现吸水崩解现象，但在一般情况下，不会发生大面积垮落，且矿山最上部中段距地表约150m，巷道高度为3m，故即使发生了巷道垮塌，也不会对地表造成影响。

考虑到采空区顶板冒落可能会对地表产生一定的影响，需要对其影响程度进行确定。由表1可知现有采空区高度基本在10m左右，且采空区顶板属较坚硬岩石，假设岩石碎胀系数为1.5，按采空区顶板冒落充满整个采空区计算，冒落高度为20m，即顶板冒落20m即可充满整个采空区，不会对地表造成较大影响。

由上述分析可知，淹井方案的实施，虽会对采空区和巷道造成一定的影响，但影响程度不大，不会因空区及巷道的坍塌而使地表产生大规模沉降。

3.2 充填体安全影响分析

实施淹井方案之后，充填体将长期处于地下水的包围之下，充填体的强度会产生一定程度的下降。通过对该矿区的充填情况进行了调查，由调查结果可知该矿充填工艺为高浓度分级尾砂胶结充填，设计充填主料为重量浓度73%的充填料浆，灰砂比例为1∶5水泥砂浆占总充填料浆的16.7%，1∶10水泥砂浆占总充填料浆的83.3%，且由充填体试样抗压强度试验报告可知，该矿充填料浆实际浓度为65%左右，大部分充填体强度为2MPa左右，部分空区充填强度可达4～6MPa，且该矿所有充填体均已脱水凝固，达到了一定的强度，故地下水对其影响相对较小，一般不会出现充填体的失稳垮塌，但若使其长期浸泡在地下水之中，也会在一定程度上影响其强度，因此有必要分析充填体发生垮塌后对地表的影响程度，根据该矿区的充填资料可知，该矿区充填的采空区高度基本在8m左右，最高不超过10m，此外该矿自投产以来矿石采出量很少(共计采出100多万t)，因此即使充填体发生垮塌破坏，也不会造成地表的突然沉降，故淹井方案实施后，不会出现因充填体问题而造成矿山安全事故的现象。

3.3 井下设备设施安全影响分析

矿山淹井后对井下设施设备的破坏主要是腐蚀作用，主要的损失就是财产损失，且为一次性财务损失，但若不采取淹井措施，进行排水的花费将远超过对损耗设备的财务损失，因此实施淹井方案能在一定程度上减少矿山的开支，具有一定的实际意义。

3.4 地表沉降安全影响分析

根据矿山的地质资料可知，矿山围岩稳定性较好，工程地质条件中等，采用尾砂胶结充填法采矿，可有效控制地压，降低开采对地表的影响[3-4]。

为确定淹井方案的实施对地表产生的最大影响程度，假设采空区全部坍塌填实，计算得出采空区的垮塌不会造成地表的大幅度沉降，但随着时间的推移，采空区及巷道围岩、充填体等长期经地下水浸泡会使其发生软化，可能会继续造成小幅度沉降，但不会出现大幅度的沉降现象，只要矿山加强监测，淹井方案实施之后并不会对地表造成较大的影响。

4 安全防护对策

通过对淹井方案安全影响的分析可知该方案具有较高的安全性，且能将每日的排水支出转化为损坏设备的一次性支出，从长远角度来讲具有较高的经济性，故淹井方案的实施对矿山实现经济安全的开采具有十分重要的作用，但为充分保证淹井方案的安全性，把发生危险的可能性降至最低，制定以下安全防护对策。

(1)淹井方案实施后，矿山应对井上、井下人员进行一次全面的核查，确保撤出井下所有人员，然后切断井下一切电源，以确保工作人员的安全。

(2)应在淹井前对所有采空区充填挡墙进行全面检查，对不牢固的位置进行加固，尽可能减小充填尾砂逸出的可能性。

(3)淹井后对主井、副井、入风井、回风井井口封闭，并在其周围设置警示标志，防止无关人员靠近。

(4)对井下水面进行监测，以便对异常情况进行及时分析和处理。

(5)安排专业人员对矿区地表进行定期巡视，确保第一时间发现地表变动情况，并及时实施应对措施。

(6)移除井下所有可能对地下水水质造成污染的物品，定期对周边村民饮水进行化验检测，以防井下水泥、尾砂等对地下水水质造成影响。

(7)矿山停产淹井应制定详细的实施方案，并制定相关安全措施。

5 结论

以高官营铁矿停产淹井事件为背景，通过对该矿山开采方法、生产系统、井下设备、采空区现状等方面的综合调查，分析了地下水对岩体、设备、充填体等主要易受危害因素的影响，得出结论如下：

(1)淹井方案的实施，虽会对采空区和巷道造成一定的影响，但影响程度不大，不会因采空区及巷道的坍塌而使地表产生大规模沉降。

(2)该矿区充填体已脱水凝固，强度受地下水的影响较小，且因该矿区矿石开采量较小，故即使出现充填体失稳垮塌，也不会出现大规模的地表沉降现象。

(3)此外淹井方案的实施可将每日的排水量支出转化为设备损坏的一次性支出，具有较高的经济性，且根据淹井方案对矿区的影响制定了相应的安全防护措施，最大程度的保证了矿区的安全，在一定程度上证明了方案的合理性，具有一定的借鉴意义。