矿山采空区地质环境恢复治理模式创新研究

石增红，郝晓宇

（1.中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，陕西 西安 710003；2.西安地质矿产勘查开发院有限公司，陕西 西安 710100）

我国矿产资源开发为工业发展和城市建设提供了有力保障，对经济发展做出巨大贡献。但是在带来经济效益的同时，也引发了矿山和周边地区地质环境问题。矿山勘探和开采中破坏了原生地形地貌，随着开采程度和开发深度的不断增加，在矿山地表下面形成采空区，采空区不仅会导致地面塌陷影响矿山安全生产，还会破坏地下水资源平衡和土壤植被环境，对矿山和周边地区人民财产安全和生活质量造成损害，因此需要对采空区地质环境进行恢复治理，在追求资源经济效益的同时，必须注重地质环境的保护与治理，追求矿产开发与环境的协调发展[1]。基于此本文对矿山采空区地质环境恢复治理进行研究，提出创新恢复治理模式，还原矿山采空区原有生态功能，为矿产资源开发活动的可持续发展提供理论指导，促进绿色矿山行业发展。

1 矿山采空区地质环境现状

1.1 诱发地质灾害

因矿山采空区地质环境被破坏而导致的首要问题就是诱发不稳定边坡、崩塌和地面塌陷等地质灾害问题。大部分采空区顶板都没有支撑和防护措施，顶板与底板的间距很大，空区内基本没有填充物，因此很容易出现矿区地面塌陷的问题，采空区塌陷见图1，容易造成矿山工作人员被困和伤亡情况。

不稳定边坡是在修建矿山道路过程中，挖开的岩体沿坡堆放形成的滑动面，由碎石和基岩接触形成坡体，因此较为不稳定，容易出现滑塌，发生安全事故；崩塌主要是由于人工开采形成的大量垂直边坡，坡面整体表现为上缓下陡，常发育有节理，节理与岩层相交形成危岩，垂直于裂隙的部位容易造成崩塌隐患，整体稳定性很差，崩塌岩风化后形成大小不一的石块，浮石坠落会产生安全风险。

图1 采空区塌陷

1.2 破坏矿山地下水环境

矿山采空区直接影响地下水环境，打破水循环的自然平衡，导致水量下降和水质恶化。矿山地区由于地层覆盖厚度较小，基岩发育裂隙构造较多，因此是大气降雨的地下水补给区。首先造成水资源量的损失，由于采空区的开采沉陷导致地面变形和疏水排水工作打乱了地表和地下水循环平衡，引起大面积的干涸或泄漏，影响矿区生态环境。其次是对水质造成污染，矿产采空区开采出的固体和液体废弃物会对污染水质，同时还影响土壤的净化能力，由于地表植被被破坏进一步加剧了水分蒸发[2]。采空区附近的水文环境遭到破坏后，随着水循环的流动作用，污染物随着地下水流动扩散到更大的范围，进而对当地水资源造成一定程度的负面影响。

1.3 破坏土地资源与生态平衡

矿山开采形成采空区，挖掘出的固体废弃物，主要是废弃矿渣和岩体随意堆积在矿区内，以及采矿工作的各种设施设备占用了大量的土地，造成矿区大量土地植被和森林耕地被破坏。采空区对土地资源的破坏主要表现为物理和化学损害两方面，物理损害是地下采矿引起的地面开裂、塌陷和大范围沉降等问题，化学损害是矿产开发产生的有害物质对土地的污染，导致矿区附近土地肥力下降。采空区岩体裸露和崩塌使自然景观遭到严重破坏，尤其是地面塌陷对生态平衡的影响更加不容忽视。因此必须采取相应措施，治理采空区沉陷造成的水土流失和荒漠化等生态环境破坏问题。

2 地质环境恢复治理创新模式

为了改善矿山采空区地质环境，需要进行生态恢复治理工作。采空区恢复治理的首要目标是消除灾害隐患，保证治理区安全；其次是防止生态环境进一步恶化，改善周边环境；最后是保护土地资源，确保矿山后续开发工作正常进行。因此为恢复治理矿山采空区地质环境，本文提出以下创新治理模式。

2.1 设计采空区底部围岩保护层

采空区由于长时间反复受到爆破震动的影响，在未经处理的情况下抽取矿柱，会进一步增大暴露面积，经过长时间地压活动，会造成安全事故，因此设计采空区底部围岩保护层。采空区底部保护层主要是利用爆破崩落周围围岩和矿柱，对采空区底部进行填充，形成缓冲保护，防止地压活动造成的岩体突然掉落和气浪伤害。使用围岩爆破填充的恢复治理方式成本较低，操作方法相对简单，可以有效消除采空区安全隐患；对于大量矿柱支撑的采空区，可以有效回收矿柱，节约了回收成本。

2.2 实施采空区内部物料填充

矿山采空区内岩体破坏严重，形成复杂的空间结构，会形成透水和地压性质的灾害隐患，可以采用矿石开采后的尾砂和废石等废弃物流进行填充，减少矿区灾害。在内部物料回填的过程中，首先将大块石料放置于底部，按土质含量高低依次向上进行填充。通过尾砂和废石对采空区进行回填，可以减少围岩的移动，防止岩体大面积脱落，减少地表的沉陷[3]。在回填过程中，采用混凝土构建底部层，尾砂废石结合水泥砂浆一同进行填充，有利于矿区的稳定和安全。使用这种治理方式不但提升了采空区的稳定性，还对矿山固体废弃物进行回收，减少了施工成本。经过物料回填的采空区围岩应力变化不大，并且无明显的地压活动，有利于矿山环境的稳定。

2.3 留设矿柱支撑采空区

如果矿山采空区地表上部存在后续工程设备或其他建筑物，采空区内围岩较为稳固、采矿规模不大的情况下，则可留设合适尺寸矿柱或人工假柱用于支撑采空区，维持采空区域整体稳定。这种恢复治理方式还使用于矿石回采，可以保证残矿回采安全。为了永久消除采空区安全隐患，则可采用水泥砂浆人工堆砌石垛，结合锚杆联合支撑采空区，可以达到良好的恢复治理效果。

2.4 隔离并封闭采空区

随着采矿工程的逐年进行，采空区体积不断增大，周围矿岩的塑形变形越来越强烈，如果已经引起地面下陷、开裂和位移的情况，为防止诱发大范围的采空区坍塌对周围地区环境和人身安全造成危害，需要对采空区采取隔离和封闭措施。主要是对采空区和井下巷道、采场之间的通道进行封闭，避免采空区塌陷产生岩体下落和冲击气浪对矿山井下工作人员造成伤害和机械设备造成损毁。首先需要在地表圈定可能出现大规模陷落的区域范围，增加防护围栏和警示牌，起到预警作用；对正在进行采矿工程的采空区，在顶板暴露面积大的危险区域，安装人工矿柱和支架；对于不再使用的采空区，需要进行永久的封闭，留设一定厚度的隔离层，构造混凝土墙隔绝主要相连通道，利用废石封闭采空区出口，间断与采矿工作区域的联系，保证开采施工正常进行。

2.5 生态环境修复治理

针对矿山采空区水资源污染的问题，可采用物理法、化学法和生物方法等改善水质。物理方法主要为利用金属吸附和还原能力去除废水中的污染化合物，减少重金属在水中迁移，避免在生物体内富集；化学方法主要是利用化学物质对废水中的有害离子进行沉淀和点解；生物方法是利用动植物和微生物的代谢作用来改善水质，其中微生物吸附和絮凝被广泛使用，操作方便简洁，不会产生二次污染，适合工业化生产使用。除此之外，还可以使用集成技术，回收水中有用的重金属，提升资源的利用价值。对于矿山采空区出现的土地资源污染问题，根据污染的严重程度，分别进行恢复治理。污染较轻的土壤采用深耕翻土的方式，依靠土壤自行修复能力完成土质恢复；污染较为严重的土壤则可采用化学修复和生物修复实现土质的恢复。其中化学修复方式是添加土壤改良剂，提高生物有效性；生物方法是利用植物和微生物的作用，来改善土壤现状。种植植被还可以预防水土流失，对恢复矿山采空区生态系统具有促进作用，因此可被广泛使用与生态环境的恢复治理中。

由于矿山开采情况不同，因而采空区规模也有所差别。在实际对地质环境进行恢复治理时，需要因地制宜，考虑具体环境特征和地质构造结构，综合利用各种恢复治理手段，从而取得更好的恢复治理效果。

3 结语

本文通过对矿山采空区地质环境现状进行分析，提出恢复治理的创新模式，以促进矿产资源开发活动的可持续发展。本文虽然提出了治理模式，但研究和分析的内容并不全面，还存在很多不足的地方。矿山采空区地质环境的恢复治理具有社会、经济和环境效益三方面的内涵，因此在未来研究中，可从社会、经济和环境三方面对恢复治理模式进行创新，以提高环境恢复治理的可靠性和可行性，促进矿山地区的经济和环境共同发展。