采空区大体积尾砂充填水患及防治策略

李玄昆 陈 菲 付自国

(1.成都大学 机械工程学院，成都 610106；2.成都大学 建筑与土木工程学院，成都 610106；3.四川大学 水利水电学院，成都 610065)

井下透水事故是制约矿山发展的重大安全隐患，其造成的人员伤亡仅次于煤矿瓦斯爆炸[1]。近年来，由于充填采矿法具有诸多优点逐渐成为矿山开采的新宠[2-8]。而充填区脱水是矿山充填技术的关键环节，决定了充填体的强度及矿山的生产进度。同时，脱水工艺某一环节出现故障可能引发矿区水患，造成井下人员大量伤亡。虽然还未出现相关报道，然而随着环保意识的增强，充填矿山的数量逐年上升。另外，为节约征地和保护环境，尾矿库中的尾砂将会通过充填管道输送至井下大体积老采空区。不管是胶结或非胶结充填，输送至采空区或采场的料浆会有大量的水滤出。这些“有害水”若不及时处理，极可能诱发井下水患。因此，探明充填矿山可能诱发充填区域水患的致灾因子，具有重要的工程意义。

以崩落法形成的“悬留”空区为例，对于厚度为5 m的矿体，走向长约55 m，最大高度可达60 m，一个采空区体积可达1.5万m3。假设采用质量浓度为55%的尾砂料浆对空区进行充填处理，减去胶凝材料水化反应消耗的水(占水泥含量的23%左右)，若按80%的充填率计算，每个采空区滤出的水量可达5 500 m3。若该空区滤出的水汇集在坑洼处，突然直接从巷道涌出，涌水速度相当于瓦斯爆炸形成的冲击波。而对于一个矿区来说，这样的“悬留”空区可能存在多个。例如，因民铜矿据统计有253个[9]，谢尔塔拉铁锌矿“悬留”空区达100万m3[10]。可见，对于采用尾砂充填治理采空区的矿山，水患是矿山需要关注的最大的安全隐患，必须做好相应的防治工作。

采空区大体积充填水患防治首先需要找出潜在的致灾因子。本文根据某矿山老采空区尾砂充填处理实践，系统分析整个充填流程，总结出充填体脱水过程可能诱发水患的因素，并根据不同的水患场景给出防治措施。研究可为矿山安全生产管理提供参考。

1 充填区发生水患的典型场景及原因分析

近年来国家对环保提出了新要求，很多矿山出于压力无法建设新尾矿库，而随着资源的不断开采，众多矿山出现尾矿库库容不足的现象。另一方面，矿区存在大量的采空区对当地居民生活区构成巨大威胁。因此，即使未采用充填采矿法开采的矿山也开始建设充填系统，目的是将选厂的尾砂排放到地下，以解决矿山存在的这两大危机。

选厂出来的尾砂质量浓度只有30%左右，不具备自流输送特性。一般需要通过立式砂仓或深锥浓密机进行沉降处理，其底流浓度可达到56%左右。有些矿山需要充填体具有一定的自立强度，会在料浆制备的搅拌桶中加入少量水泥或其他胶凝材料，形成具有良好流动特性的尾砂料浆。料浆的制备过程涉及浆体流变学与充填体强度设计的优化问题，也是充填设计的一大难题。充填料浆制备系统一般建在矿区最高处，浆体通过管道自流进入地下采空区。在尾砂充填之前，需要对井下待充填采空区出口进行封堵，一般采用钢筋混凝土密闭墙。因此，密闭墙的设计关系到充填区的安全。尾砂料浆进入采空区后，由于重力作用而产生自然沉降。充填体上层的澄清水可以通过溢流管从密闭墙排出，充填体中还含有大量的其他形式的水需要加设脱水管排出。若这些脱水设备发生故障，充填体中的水无法滤出，充填体达不到自立强度，料浆将压力持续作用到密闭墙上，墙体一旦破坏，充填体中的水迅速涌出引发水患。另外，若采空区侧壁岩体出现断层、节理、裂隙等不良工况，充填体中的水可能进一步的侵蚀这些软弱带，水一旦冲出可能诱发水患。最后，从密闭墙排出的水经过运输巷道的积水沟汇集到井下集水坑，若排水泵的设计不能满足充填体每天的滤水量，则可能诱发水患。

经以上分析，总结出诱发充填区水患的危险源主要有密闭墙、滤水设备、排水泵及地质条件，下面详细的分析这些危险源诱发水患的场景。

1.1 场景一：封堵工程不严诱发水患

以崩落法“悬留”采空区尾砂充填为例，如图1所示。采空区封堵工程主要包括进路、穿脉巷道、放矿溜井、安全出口及电耙巷道密闭墙的构筑。密闭墙的稳定性直接决定了充填区的安全，是充填设计的重要内容[11]。密闭墙应尽量选择在断面小、易于施工、有喇叭口(即内大外小)、且岩石稳固的位置。密闭墙一般采用钢筋混凝土结构，由设计挡墙的受力工况确定。另外，根据井下不同的工况，也可以采用袋式充填挡墙、柔性挡墙或钢结构木质挡墙等。图2为某矿山充填挡墙配筋设计，为保证墙体与岩体紧密结合，挡墙四周岩体需要预埋锚杆。由于采空区与巷道相通的出口较多，充填作业前需要做好调查，确保每个出口都有挡墙封闭。

1-阶段运输巷道；2-穿脉巷道；3-放浆管；4-布料管；5-天井；6-间柱；7-点柱；8-人行通风井；9-安全出口；10-充填体；11-密闭墙；12-放矿漏斗；13-溢流滤水管；14-采空区；15-斗颈；16-电耙巷道；17-溜井图1 崩落法“悬留”采空区尾砂充填示意图(修改自文献[9])Fig.1 Schematic diagram of tailings backfill in mine-out area created by the collapse method

图2 某矿山充填挡墙设计图(单位：mm)Fig.2 Design of the filling retaining wall of a mine

由挡墙破坏而引发涌水事故是最可能发生的一种场景。密闭墙一旦破坏出现裂隙或者垮塌，水随着充填体一起冲出，淹没巷道，造成巨大的人员伤亡事故。由封堵工程不严而诱发的水患的原因主要有3个：1)挡墙的强度设计不合理。随着充填高度的增加，挡墙承受不住充填料浆施加的静水压力而垮塌；2)密闭墙与周围岩体结合不紧密而出现开裂，水通过裂缝而涌出；3)挡墙不满足抗震要求，如采空区附近有采场进行爆破作业，爆破地震波通过充填料浆放大冲到墙体，造成密闭墙失稳；4)密闭墙未按照设计要求施工，导致墙体提前破坏或达不到服役时间。

1.2 场景二：滤水设备失效诱发水患

充填区滤水设备主要包括溢流滤水管和渗透脱水管。选用内径为0.1 m的普通薄壁焊接钢管，然后在管壁上钻孔，钻孔的原则是钻孔的面积要尽量大、数量尽量多，但必须要保证管子的强度。溢流滤水管从密闭墙伸出，充填体中的水从溢流滤水管排到水沟，如图3所示。待充填体上层澄清水排出后，充填料中的相对粗颗粒和细颗粒中还富存大量重力水和其他形式的水，需要安装渗透脱水管。脱水管竖直布设，可以在充填之前先将脱水管用专用的连接装置固定在顶板位置，并用连接口将管口封闭，避免接顶充填时料浆灌入脱水管[12]、同时为了进一步增加脱水管与充填料浆的接触面积，更有利于充填脱水，将脱水管可以设计成波纹管，提高脱水效率。另外还有如链式脱水管。基于仿生学设计的脱水管[13]等提高脱水效率的类型。脱水管外圈需要钻一些脱水孔，在脱水管外套一层滤水布或土工布，避免充填料浆通过脱水孔进入脱水管。

图3 某矿山脱水管安装示意图Fig.3 Schematic diagram of the installation of a dehydration pipe in a mine

1.3 场景三：空区地质不良诱发水患

采空区地质不良主要指采空区围岩存在断层、节理、裂隙等地质状态。由于崩落法开采，采空区可能较为破碎，存在片帮。因此，充填体内的水必须及时脱出，不然积存的水会进一步剥蚀围岩，引发涌水事故。

采空区地质不良诱发水患有如下原因：1)采空区地质调查不彻底，对某些采空区地质摸不清，导致充填区可能存在极为破裂构造裂隙，由于水不断的侵蚀而出现漏水；2)采空区周围有爆破作业，爆破振动产生的弹性波使得含不良地质条件的采空区围岩崩塌，引发涌水事故。

1.4 场景四：排水设计不当诱发水患

充填区排水设计主要包括水沟的设计、井下积水坑的设计和水泵的设计等。从充填体脱出的水通过伸出密闭墙的滤水管引至水沟，汇集到最低中段积水坑，最后通过水泵排送至地表循环使用。井下所有平巷都设有水沟，主巷道水沟深度不小于0.3 m，宽度不小于0.5 m，并保持畅通。靠近挡墙外部排水管的水沟深度可以根据滤水量适当加大，水平巷道应根据涌水情况设圈水池，其规格根据涌水量设计。水泵设计主要包括泵的选型和泵数量及布局[13]。

因为排水设计不当而诱发水患的原因有：1)水沟设计不满足排水要求，导致积水过多；2)水泵数量不满足排水要求或者抽水系统故障。

2 充填区水患的防治策略

2.1 场景一的防治措施

1)重视密闭墙的设计与施工工作。充填挡墙的强度设计要考虑诸如抗压、抗剪切、抗渗透、抗冲击等条件，采用实验和数值模拟相结合的方法对充填挡墙的配合比和配筋进行设计。根据采空区充填实际情况，充填挡墙的受力分析和计算一般分两种情况来进行：充填料面高度低于或等于隔墙高度时的受力分析和充填料面高度高于或等于隔墙高度时的受力分析。当密闭工程须预留观察孔时，观察孔位置应设置在适合进出的位置。观察孔必须是内喇叭口型，以便封堵时能确保封闭观察孔处的强度。密闭工程必须严格按照要求进行施工。锚杆眼布置、深度必须符合要求，钢筋绑扎必须符合规范，混凝土标号必须严格按设计要求执行，混凝土浇灌必须合格。

2)定期安排技术人员井下检查。矿山充填过程一般会持续7年以上，在此期间必须安排技术人员定期下井做好密闭墙的检修工作。及时发现密闭墙可能存在的安全隐患，对出现裂缝的挡墙及时上报并做好维修工作。巡查的范围包括管路、放浆口、滤水管、密闭墙、充填区域、断层、水沟等。

3)采空区中段运输巷道修建一堵主密闭墙。当某些采空区发生涌水事故后，提前修建在采空区阶段运输巷道的密闭墙可以防止水进一步涌入其他中段。

4)做好井下避难路线规划。将避难路线做成标牌放置于井下充填区域，加强充填作业人员的安全防范意识。

2.2 场景二的防治措施

1)确保脱水管钻孔后滤水布包裹扎实。先包一层麻布，接着包三层土工布，第五层再包一层麻布，并用钢丝包扎牢固。麻布的主要作用是保护土工布不受到损伤，第一层的作用是防止因矿浆压力过大，导致土工布被钢管上的透水孔内壁损伤，最外一层麻布的作用是防止坑道或漏斗的积渣滑落冲击滤水管，损伤土工布，导致滤水管跑砂结果发生。土工布的主要作用是隔砂、隔泥和透水。

2)确保脱水设施安装稳固，包括脱水管连接可靠，脱水管固定牢固，没有松动。为保证滤水管的支撑和固定点的强度，支撑和固定点必须选择在两段管子的接头处，不得有滑动或变形的现象发生，最好保持一个坡度，杜绝管子产生波浪型。

3)从密闭墙伸出的滤水管都必须配有排水管，每根排水管都必须安装相应的闸阀，以控制滤水流量，在发生事故时可密闭滤水管，避免事故的扩大。

4)确保脱水设施设计合理。可以采用室内试验或半工业试验进行脱水管脱水效率试验，优选出合理的脱水设备及脱水管布置。

5)采用间歇式充填方案进行作业。一个采空区充填到一定高度后可以转移到另一个采空区充填，可以提高每个采空区的滤水效率。

6)安全员定期检查脱水设备及排水设备正常运行情况，排查渗漏情况，一旦有堵管现象，及时反映，并停工维修。

2.3 场景三的防治措施

1)采用探测技术对采空区大小、围岩的水文地质特征进行确定，找出有断层穿过的采空区，对地质不良的采空区可以先不充填。

2)若存在大断层穿过多个采空区，可以采用注浆技术对其进行封堵。

3)对地质条件极差的岩体外侧可以修建挡水墙。

4)采用微震监测技术对充填区脱出过程进行监测，对采空区失稳区域进行定位，及时给出应急措施。

2.4 场景四的防治措施

1)水沟的设计严格根据待脱水量设计，水平巷道积水深时，需使用潜水泵排水，严禁使用立泵排水，防止人员入水导致危险。

2)积水坑水泵设计应根据每日滤水量设计，并且要有备用的抽水设备，设备发生生产故障或损坏要及时更换。

3)排水设备要有专职人员操作和看护。水泵工每班要对设备、设施进行巡回检查，发现问题及时通过有关人员解决处理，保证排水系统正常运行。车间每周要组织一次检查，及时发现和解决排水隐患。

3 应用实例

因民铜矿一方面为缓解尾矿库库容压力，另一方面为回收部分遗留矿柱，需要对采空区进行尾砂充填治理。据统计，矿山5个矿区的采空区容积达到267万m3，空区主要由浅孔留矿法形成。矿山现建设了一套最大尾砂处理量为2 500 t/d 的充填系统，设计充填底流浓度达到70%，采用加压泵送方式管输到空区(具体充填工艺可参考文献[9])。若矿山按照设计充填浓度充填，且假设充填体中80%的水可以滤出(部分水参与水化反应等)，矿山空区每日最大排水量为600 t。水主要通过挡土墙上的排水管经过排水沟汇集至各个中段水池，然后通过水泵输送至地表充填站循环利用。矿山进行充填工业试验过程中，针对不同的场景按照本文提出的治理策略进行充填管理，没有出现水患事故，且排水畅通，水患防治效果良好。

4 结论

本文根据某矿山采空区大体积尾砂充填实践，认为充填体滤水量大，极易引发井下水患，矿山需特别引起重视。系统分析了由崩落法形成的采空区大体积充填过程可能出现的水患场景，同时也适用于其他采空区或采场充填。总结得出，诱发充填区涌水事故的因素主要有封堵工程不严、滤水设备失效、地质条件不良以及排水设计不当等四大类。针对这四个主要的致灾因子给出了不同的水患防治策略，为矿山充填水患治理提供参考。