遠(yuǎn)安縣磷礦采空區(qū)和磷石膏尾礦庫現(xiàn)狀分析及處置對策

李 偉 李慶軍

（1.遠(yuǎn)安縣安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，湖北 遠(yuǎn)安 442000；2.宜昌國泰注安科技有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

遠(yuǎn)安自古以來就是山清水秀的地方，但隨著磷礦資源大規(guī)模開采及磷化工的投產(chǎn)運行，形成了大面積的采空區(qū)和大型磷石膏尾礦庫，導(dǎo)致遠(yuǎn)安縣環(huán)境被破壞，安全發(fā)展受到制約。大面積的采空區(qū)和大型磷石膏尾礦庫像兩把懸掛遠(yuǎn)安人民頭上的利劍，時刻威脅著人們，如何消除和控制它們所帶來的不利影響，刻不容緩。

1 遠(yuǎn)安縣磷礦采空區(qū)和磷石膏總體現(xiàn)狀

1.1 采空區(qū)現(xiàn)狀

不計20 世紀(jì)80 年代已經(jīng)關(guān)閉的礦井所形成的采空區(qū)面積，截止2013 年6 月底，磷礦企業(yè)共造成總面積近530 萬m2，總體積848 萬m3的采空區(qū)，每年還增加至少107 萬m3體積的采空區(qū)，高峰楊柳礦區(qū)磷礦投產(chǎn)后，每年增加的采空區(qū)將更多。大面積采空區(qū)的存在，增加了致災(zāi)的可能。

1.2 磷石膏尾礦庫現(xiàn)狀

目前化工企業(yè)產(chǎn)生的磷石膏，已構(gòu)成3 個磷石膏尾礦庫，庫存的磷石膏總體積約1460 萬m3，1 個堆積460 萬m3磷石膏的東圣磷石膏尾礦庫已關(guān)閉，1 個設(shè)計2289 萬m3，已堆積近1000 萬m3，年產(chǎn)179.29 萬m3磷石膏的東圣大灣磷石膏尾礦庫正在運行，1 個設(shè)計450 萬m3，年產(chǎn)40 萬m3磷石膏的西部化工磷石膏尾礦庫已完成建設(shè)，正申報驗收。磷石膏中含有大量的有害物質(zhì)，且磷石膏尾礦庫也構(gòu)成了重大危險源。

2 采空區(qū)和尾礦庫致災(zāi)后果

2.1 采空區(qū)致災(zāi)后果

2.1.1 采空區(qū)頂板冒落沖擊力計算[1]

遠(yuǎn)安縣磷礦采空區(qū)頂板由一層厚層狀粉晶白云巖構(gòu)成，厚度在2m 多至10m 以上，飽和容重2.9kg/cm3左右。以遠(yuǎn)安恒順磷礦為例，計算1 個正規(guī)礦房（空頂面積60×12m2）頂板冒落產(chǎn)生的沖擊力F。根據(jù)沖量和自由落體定律F=MV，V=（2×G×H）1/2 則F=3.0×60×12×2.9×9.8×（2×9.8×1.8）1/2=36.5 萬噸

式中M 為冒落頂板的質(zhì)量，V 為頂板冒落后的末速度，G 為重力加速度，H 為采空區(qū)高度，這里頂板厚度取3.0m，采空區(qū)高度取1.8m。

2.1.2 頂板大面積冒落的后果

一個礦房720m2頂板冒落產(chǎn)生的沖擊力36.5 萬噸左右，而一個礦井有多個采區(qū)，一個采區(qū)有多個中段，一個中段切割多個礦塊，一個礦塊布置四個礦房，如果回采保安礦柱或保安礦柱毀壞，導(dǎo)致出現(xiàn)連續(xù)空頂，在頂部壓力作用下，引起多個礦房或多個中段同時發(fā)生冒落，破壞力不可想象，如再引發(fā)礦區(qū)內(nèi)危巖體垮塌，則災(zāi)難空前。下面案例中1980 年6 月3 日的災(zāi)害導(dǎo)致284 人傷亡，2008 年和2013 年的采空區(qū)頂板冒落，如果當(dāng)時井下有人將難以幸免遇難。采空區(qū)冒落致災(zāi)應(yīng)成為前車之鑒，更要下定決心，正確應(yīng)對。

采空區(qū)冒落面積S 與產(chǎn)生的沖力F 之間的關(guān)系，遵循圖1 特征線，冒落面積S 越大，則沖擊力F 越大（K 為頂板厚度與飽和容重的積）。

2.1.3 案例

20 世紀(jì)七八十年代，遠(yuǎn)安縣境內(nèi)原殷鹽磷礦礦務(wù)局鹽池河磷礦，未按規(guī)定留足保安礦柱，導(dǎo)致地表山體出現(xiàn)裂縫，1979 年6 月以后，一次性將開采近10 年的大面積采場礦柱強制崩落，1980 年4 月又將后來形成空區(qū)的幾個采場礦柱強制崩落，由于頂板厚度小，松散程度差，冒落頂板不足以填滿采空區(qū)，強制防頂反而破壞了山體的穩(wěn)定，從而導(dǎo)致采空區(qū)上部巖體移位加快。1980 年6 月3 日山崩發(fā)生，摧毀了峽谷內(nèi)全部建造和284 人的生命。

2008 年6 月某日凌晨2 點左右，遠(yuǎn)安縣黃家臺磷礦采空區(qū)發(fā)生局部垮塌，采空區(qū)封閉墻被擊垮，空區(qū)廢石被沖擊波擊出500 多米巷道、400 多米主平硐，最后落在井口以外100 多米處，因為凌晨2 點多無人上班，所以未發(fā)生傷人事故。

2013 年8 月1 日夷陵區(qū)樟村坪鎮(zhèn)柳樹溝磷礦采空區(qū)發(fā)生局部垮塌（估計5000-6000m2），3 米多厚的采空區(qū)封堵墻被沖擊波擊穿，沖擊波拐彎后，將距采空區(qū)400 米外的1.4 噸設(shè)備沖出6 米多遠(yuǎn)，1000 多米外掛在巷道壁上的牌板被擊落，礦井因為放假，無人傷亡。

2.2 磷石膏尾礦庫致災(zāi)后果

2.2.1 磷石膏的危害

磷石膏中危害成分主要是可溶性磷酸根離子、氟離子和砷、鉻等重金屬離子，同時磷石膏還呈強酸性。如果人體長期攝入氟過量，會導(dǎo)致關(guān)節(jié)變硬不能直立、骨質(zhì)疏松、牙齒脫落、神經(jīng)系統(tǒng)損傷；長期攝入磷過量會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松易碎、牙齒脫落、神經(jīng)系統(tǒng)損傷、鈣缺乏癥、精神崩潰、體內(nèi)其它電解質(zhì)失衡；砷、鉻容易在人體內(nèi)積蓄，當(dāng)砷在人體內(nèi)砷過量時，會導(dǎo)致心血管、神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)病變，還能致癌和使胎兒畸形。當(dāng)鉻在人體內(nèi)過量時，會導(dǎo)致貧血、神經(jīng)炎、腎炎、內(nèi)分泌失調(diào)；當(dāng)磷石膏浸出的酸流入農(nóng)田后，會使土壤板結(jié)。

2.2.2 磷石膏尾礦庫潰壩后果

一旦磷石膏尾礦庫潰壩，下游的生命財產(chǎn)就會遭受損失，環(huán)境就會被破壞，造成生態(tài)災(zāi)難。

2.2.3 案例

2008 年9 月8 日山西省襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司塔兒山鐵礦的一座尾礦庫發(fā)生潰壩事故，傾泄出來的共26.8 萬立方米的帶礦渣的泥水波及下游500 米處的礦區(qū)辦公室、集貿(mào)市場與民宅等，造成265人死亡。事故導(dǎo)致山西省省長孟學(xué)農(nóng)引咎辭職，分管安全的副省長被免職，8 名黨、政、安全監(jiān)管人員被刑拘。

尾礦庫事故的后果誰也承擔(dān)不起，得當(dāng)處置迫在眉睫。

3 遠(yuǎn)安縣磷礦采空區(qū)、化工企業(yè)磷石膏尾礦庫處置方法的選擇

3.1 采空區(qū)處理方法選擇

3.1.1 崩落圍巖法

崩落圍巖法適用于圍巖穩(wěn)定性差、地面允許崩落，崩落后不影響地表安全。由于遠(yuǎn)安縣磷礦采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性好，頂板巖石松散系數(shù)小，如果強制崩落頂板，采空區(qū)填充效果差，同時也可能影響礦區(qū)內(nèi)危巖體的穩(wěn)定，因此不選用此方法。

3.1.2 充填料充填法

貴州開磷集團委托湖南中南大學(xué)、南華大學(xué)、長沙礦山設(shè)計研究院進(jìn)行了利用磷石膏當(dāng)充填料填充采空區(qū)的實驗研究，充填料充填法在貴州開磷集團被認(rèn)為取得了成功，并獲得國家科技進(jìn)步二等獎。如果有實驗?zāi)茏C明充填膠結(jié)物浸出的有害物質(zhì)對地下水和地表水沒有影響或影響很小，則在有足夠多的磷石膏可以利用的遠(yuǎn)安縣，充填料充填法處理采空區(qū)是合適的方法，就算采空區(qū)不能被完全填滿，也可以大大減輕采空區(qū)大面積冒落產(chǎn)生的破壞性，因為充填后空區(qū)高度有限，頂板冒落落地時間短，勢能轉(zhuǎn)動能的能量轉(zhuǎn)換少，因此破壞性就小。采空區(qū)的高度H 與頂板冒落產(chǎn)生的沖力F 之間的關(guān)系，遵循圖2曲線特征,H 趨近于0，則F 趨近于0。

遠(yuǎn)安東圣公司磷石膏浸出試驗結(jié)果統(tǒng)計表（除pH 值外其余為mg/L）[2]

表1

通過東圣公司的磷石膏浸出試驗可以看出pH 值、F-、PO34-均已超GB8979-1996 標(biāo)準(zhǔn)多倍,而遠(yuǎn)安縣桃郁溪礦區(qū)距宜昌市飲用水源天福廟水庫500m，桃郁溪的水直接匯入天福廟水庫，如果磷石膏填充采空區(qū)之后有害物質(zhì)被地下水浸出，滲透出地表，流入宜昌市飲用水源天福廟水庫，就會污染飲用水。因此，必須有科研單位的有害物質(zhì)浸出實驗及浸出的有害物質(zhì)對周邊河流、水庫及環(huán)境影響實驗的權(quán)威結(jié)論，才能確定充填料充填法是否適合處理遠(yuǎn)安縣磷礦采空區(qū)或適合處理哪些采空區(qū)。

3.1.3 頂板支護(hù)法

此方法一般適用于緩傾斜中厚以下礦體，房柱法、全面法開采，頂板相當(dāng)穩(wěn)定，連續(xù)空區(qū)面積不太大。

3.1.4 封堵隔離法

此方法多應(yīng)用于空區(qū)圍巖穩(wěn)定，空區(qū)冒落也不會影響周圍礦體的生產(chǎn)。

3.1.5 聯(lián)合法

選取以上兩種或兩種以上方法處理采空區(qū)。

遠(yuǎn)安縣磷礦采空區(qū)圍巖穩(wěn)定，頂板抗剪強度較大，底板抗壓強度較差，近些年沒有發(fā)生采空區(qū)大面積冒落，局部冒落的次數(shù)少，說明保安礦柱還沒有完全被破壞，大的連續(xù)空頂區(qū)不多或沒有，底板應(yīng)該因保安礦柱的壓力而充填了一部分采空區(qū)。因此，選擇聯(lián)合法是遠(yuǎn)安縣處置磷礦采空區(qū)的最佳方法。

3.2 采空區(qū)處置對策

（1）在連續(xù)空頂面積較大的地方支護(hù)頂板，如構(gòu)筑合理的人工石柱，進(jìn)行錨桿支護(hù)、錨桿加錨網(wǎng)支護(hù)等；

（2）請科研院所根據(jù)遠(yuǎn)安實際，設(shè)計采空區(qū)封堵隔離墻，并對影響地表危巖體穩(wěn)定的采空區(qū)進(jìn)行充填或構(gòu)筑合理的人工石柱；

（3）邀請權(quán)威科研單位論證充填料充填法適合處理哪些采空區(qū)；

（4）加強采空區(qū)頂板位移視頻監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警功能；

（5）加強地表危巖體位移監(jiān)測的預(yù)警功能；

（6）鼓勵和扶持企業(yè)對礦山采空區(qū)隱患治理、監(jiān)測監(jiān)控等先進(jìn)技術(shù)研發(fā)與推廣應(yīng)用。

同時，對于那些資源枯竭的礦井，給予優(yōu)惠的扶持政，策鼓勵他們盡快關(guān)閉。

3.3 尾礦庫處置及后期磷石膏利用方法的選擇

3.3.1 尾礦庫處置對策

處理磷石膏尾礦庫實質(zhì)上是處理尾礦庫中的磷石膏，磷石膏處理了，尾礦庫的威脅也就消除了。現(xiàn)階段，遠(yuǎn)安縣需要嚴(yán)密關(guān)注的尾礦庫有3 個，其一，東圣磷石膏尾礦庫，因已關(guān)閉，安全方面威脅減輕，但對環(huán)境污染的威脅仍然存在，需要加強管理；其二，東圣大灣磷石膏尾礦庫，在安全、環(huán)保兩方面威脅都很大，安全方面，需要關(guān)注壩體的穩(wěn)定和壩區(qū)防洪系統(tǒng)的可靠，因此應(yīng)加強壩體的監(jiān)測預(yù)警和防洪系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)，環(huán)保方面應(yīng)加強廢水的處理與應(yīng)急管理；其三，西部化工尾礦庫，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計建設(shè)、驗收、運行、管理。待后期完成磷石膏再利用后，尾礦庫警報可以解除。

3.3.2 磷石膏利用方法的選擇

現(xiàn)實中磷石膏的存在對我們構(gòu)成了威脅，但如果磷石膏利用好了，就能變廢為寶，它的利用可以減少工業(yè)廢渣對環(huán)境的污染和對土地占用，可以帶動物流運輸和其它產(chǎn)業(yè)，可以增加稅收，可以促進(jìn)就業(yè)，可以節(jié)約天然礦產(chǎn)資源，同時也能避免建設(shè)尾礦庫占用資金和因尾礦庫垮塌而帶來的安全風(fēng)險。

（1）磷石膏的利用現(xiàn)狀

目前，世界年產(chǎn)磷石膏1 億噸以上，平均利用率15%左右，中國占世界總量的1/3 左右，利用率達(dá)到20%，日本、德國利用率較高，日本達(dá)到95%，在我國，磷石膏綜合利用較好的地區(qū)有貴州、重慶等地。磷石膏主要利用在以下幾個方面：（a）改良鹽堿地；（b）工業(yè)制酸聯(lián)產(chǎn)水泥、石灰等；（c）填充采空區(qū)；（d）制造建造材料。

（2）磷石膏處置方法的選擇

（a）改良鹽堿地

遠(yuǎn)安沒有鹽堿地需要改良，不作選擇。

（b）工業(yè)制酸聯(lián)產(chǎn)水泥、石灰等

工業(yè)制酸聯(lián)產(chǎn)水泥、石灰等項目，投資大，回報率低，技術(shù)也不是很成熟，同時有些工藝也造成污染環(huán)境，因此此方法不應(yīng)被選擇。

（c）填充采空區(qū)

填充量驗算

按貴州開磷集團的填充料（水泥∶粉煤灰∶磷石膏）配比1∶1∶6-8 加1.3～2.5%的硫酸鈉添加劑,以遠(yuǎn)安縣現(xiàn)存的和即將產(chǎn)生的磷石膏總量,計算填充料膠結(jié)后的體積（不計加入水后因膠結(jié)增大的部分）為

V1=（1460+1460÷8×2）×（1+0.025）=1871 萬m3;

V2=【40+179.28+(40+179.28)÷8×2】×（1+0.025）=274 萬m3

1460 為遠(yuǎn)安縣現(xiàn)存磷石膏量，40+179.28 為年產(chǎn)磷石膏量

遠(yuǎn)安縣現(xiàn)有空區(qū)總體積為848 萬m3，即將產(chǎn)生的空區(qū)總體積為每年107 萬m3，不考慮污染水源，就算采空區(qū)在理論上能被完全填滿，也消耗不完遠(yuǎn)安縣所有磷石膏，再加上填充采空區(qū)雖然在技術(shù)上可行，但實施難度大，因此填充采空區(qū)不作最佳選擇。

（d）制造建造材料

磷石膏在建材方面的利用，主要是制造磷石膏磚、板及水泥緩凝劑等。目前國內(nèi)外生產(chǎn)磷石膏磚、板及水泥緩凝劑等項目技術(shù)成熟，回報率高，環(huán)境污染小，產(chǎn)品用量大，因此利用磷石膏制造建筑材料，是遠(yuǎn)安縣處置磷石膏尾礦庫的最好選擇。

3.3.3 促進(jìn)磷石膏合理利用的對策

（1）政府把制造磷石膏磚、板及水泥緩凝劑等作為招商項目向外推介；

（2）在項目建設(shè)、技術(shù)引進(jìn)時給予資金扶持；

（3）收取化工企業(yè)處理磷石膏的費用作為補貼資金，在磷石膏產(chǎn)品銷售后補貼給制造企業(yè)（以東圣大灣磷石膏尾礦庫為例，尾礦庫建設(shè)投資1410 萬元，每年運行費用350 萬元，服務(wù)年限為12.5 年，年產(chǎn)磷石膏179.28 萬m3，則處理磷石膏的成本為2.58 元∕m3）。

（4）政府從安全、環(huán)保等因素考慮，給制造企業(yè)在稅費方面予以減免。

4 結(jié)束語

通過對遠(yuǎn)安縣大面積采空區(qū)和磷石膏尾礦庫的現(xiàn)狀及影響分析，我們亟待采取對策措施消除和控制它們所帶來的不利局面，選擇合適的處理方法，落實資金、落實技術(shù)、將處置措施真正落到實處。確保遠(yuǎn)安磷礦安全生產(chǎn)和尾礦庫生態(tài)環(huán)境得到改善，實現(xiàn)遠(yuǎn)安人與自然和諧發(fā)展，促進(jìn)遠(yuǎn)安經(jīng)濟可持續(xù)、健康發(fā)展。

［1］新編礦山采礦設(shè)計手冊[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006.

［2］環(huán)境科學(xué)與管理.宜昌市磷石膏綜合利用與探討[J].2011(7).