貴州山區(qū)礦山綜采工藝對地質(zhì)環(huán)境的影響及防治措施探討

（貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550018）

1 貴州山區(qū)礦山常見地質(zhì)環(huán)境條件及特點

1.1 地層特點

貴州省位于高原地區(qū)，山地較多，礦層地處新華夏系第三褶皺帶與沉降帶的南部和南嶺緯向構(gòu)造帶的復合部位，斷層、褶皺構(gòu)造較多，礦層賦存條件復雜，含礦地層系龍?zhí)督M陸屑巖為主，下伏地層為中二疊統(tǒng)茅口組灰?guī)r，上覆下三疊統(tǒng)硬質(zhì)巖，形成軟硬互層、上硬下軟的復雜山體，此種結(jié)構(gòu)具有相對粘結(jié)力差的特點，巖塊整體抗彎性差，在外界采空活動較為頻繁的狀況下，當?shù)氐刭|(zhì)容易受外界作用影響發(fā)生塌落、張裂等狀況。

1.2 地形特點

由于礦層多發(fā)育于緩傾斜層狀結(jié)構(gòu)之下，在自然情況下斜坡一般不易發(fā)生大規(guī)模的整體破壞，其破壞形式多以局部崩塌變形為主，但值得引起注意的是如果地下礦物過度開采后，山體內(nèi)形成大量采空區(qū)，容易引發(fā)頂板彎曲下沉，斜坡巖體移動、變形等問題，當開采面積達到一定范圍、變形累計到一定程度后，起始于采場附近的移動將擴展到地表，引起地表沉降、拉裂、山體崩塌等工程地質(zhì)問題。

1.3 氣象因素

主汛期期間，貴州山區(qū)的氣象特點表現(xiàn)為“時晴時雨”和“高溫暴雨”。晴天晝夜溫差大，巖體被曝曬，體積膨脹，加劇了巖體的碎裂化；而降雨期間雨水進入巖體裂隙形成靜水壓力，并軟化山體中的軟弱巖體，降低山體的穩(wěn)定性；如遇到突發(fā)性大暴雨天氣，在重力和降雨的作用下，容易導致山體失穩(wěn)。

圖1 貴州山區(qū)礦山典型地質(zhì)環(huán)境條件示意圖

2 貴州山區(qū)礦山綜采工藝及產(chǎn)生問題

貴州省多數(shù)礦山地處山區(qū)，礦區(qū)侵蝕切割強烈，地形起伏較大，山高坡陡，溝壑密集，構(gòu)造發(fā)育，巖層多軟弱相間，地質(zhì)環(huán)境條件十分脆弱，在保證開采安全及出產(chǎn)率達到75%～85%的情況下，其開采方式多采用長臂后退式開采、全部跨落式管理頂板及液壓支柱的綜采工藝。

長臂式開采，可分為走向長壁采礦法和傾向長壁采礦法，特點是回采開發(fā)的區(qū)域是沿著礦層走向或者傾斜設置，具有長度大的特點，據(jù)統(tǒng)計一般長度范圍為100m～150m，最大的甚至超過200m，較短長度也不低于30m。一般回采區(qū)域需要及時設置回風平巷、運輸平巷，這對巷道內(nèi)部的通風、運輸和相關作業(yè)人員通行等均具有較大影響。回采方法的差異可能會引起推進度的差異，一般該數(shù)值的范圍為0.6m～1.2m范圍內(nèi)。一般狀況下，可以在回風平巷內(nèi)進行軌道敷設施工，借助平板車、礦車等實現(xiàn)材料等運輸；運輸平巷內(nèi)處理中，可借助刮板輸送機、礦車等進行施工。運輸平巷、回風平巷布置中，一般為單巷布置，也不排除特殊性狀況為雙巷布置。其中后退式開采中，是指回采工作面由采區(qū)邊界向采區(qū)上山（或石門）推進，目前各礦區(qū)大都采用長臂后退式回采方式。

液壓支柱主要是應用于井下巷道掘進施工中，屬于超前支護設備，掘進機的作用范圍需要與工作空間相一致，具有安全高效、高強度、獨立性良好的特點，此外還可保證液壓支柱與掘進機協(xié)同使用，能夠做到邊掘進邊支護。其主要工作原理為：通過操縱閥控制每根立柱上的液控單向閥，使高壓液體進入立柱的下腔，將兩側(cè)4根立柱升至所需位置；立柱頂端分別與橫梁鉸接，各橫梁均聯(lián)接在不同的縱梁下面，通過縱梁支護礦巷頂板，并達到一定的工作阻力。

全部垮落式管理頂板，是指當某一區(qū)域的礦物開采完畢后，主動撤除開采工作空間以外的支架，使直接位于礦層上方的一層或幾層性質(zhì)相近的巖層自然垮落，并隨著工作面推進，每隔一定距離就按預定計劃回柱放頂，及時減少工作面的控頂面積，并且由于頂板垮落后破碎巖石體積膨脹而充填采空區(qū)，從而減輕工作面壓力和防止對工作面產(chǎn)生不良影響。

隨著礦區(qū)開采范圍的不斷擴大，當支護撤離、大面積的采空區(qū)頂板垮落后，不可避免的會對礦層上部的地質(zhì)環(huán)境條件產(chǎn)生嚴重破壞，導致大型―特大型礦區(qū)地質(zhì)災害的發(fā)生，對人民群眾的生命財產(chǎn)造成巨大損害。

3 采礦活動對礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的破壞機制

長期的地下開采活動打破原有巖體的應力平衡，導致巖體變形加劇，使山體出現(xiàn)大面積開裂、巖體破碎，并形成“內(nèi)傷”，從而對其穩(wěn)定性構(gòu)成擾動。在不斷的地下開采過程中，巖體內(nèi)部裂縫進一步發(fā)展貫通，貫通裂縫的存在為雨水入滲、物理及化學風化提供了重要的通道，導致崩塌區(qū)巖體力學強度不斷降低，當?shù)V山的采空區(qū)頂板垮塌時，巨大的沖擊會對采空區(qū)圍巖造成破壞，地表移動并改變原始地形地貌，隨著時間的推移，在很大程度上會衍生、并發(fā)出更多的反應，逐漸形成一系列次生災害，甚至造成存在因果關系的災害鏈的形成，導致地裂縫－地面塌陷，地裂縫－滑坡及崩塌－滑坡等諸多并發(fā)反應、連鎖反應。

例如納雍縣鬃嶺礦區(qū)左家營崩塌、水城支那礦區(qū)后山崩塌、盤縣土城礦區(qū)二井崩塌、興義市超級礦區(qū)主井口崩塌等都是這種由于軟弱基座先產(chǎn)生塑性變形，導致上覆巖體產(chǎn)生拉裂，擴大自身軟弱結(jié)構(gòu)面，在自重及斜坡荷載作用下產(chǎn)生坡體破壞而形成的礦區(qū)地質(zhì)災害，其破壞變形模式屬于塑流-拉裂模式。

圖2 礦區(qū)開采造成上部山體裂隙持續(xù)發(fā)育

圖3 采空區(qū)頂板垮落后造成上部山體裂隙貫通

礦區(qū)周邊地質(zhì)災害均為采空區(qū)失穩(wěn)變形的演化產(chǎn)物,其在時間發(fā)育方面主要呈現(xiàn)出以下兩個特征：

其一，相較于礦物的開采時間，地質(zhì)災害的形成時間具有明顯滯后性，在進行礦產(chǎn)開采的過程中，采空區(qū)上覆巖(土)體的變形破壞需要一定時間，所以地質(zhì)災害往往會在采空區(qū)形成后才會出現(xiàn)，而且地質(zhì)災害滯后的時間受諸多因素的影響，比如采空區(qū)上覆巖（土）體的各種組合關系、力學性質(zhì)、厚度等。

其二，當初期地裂、沉降等現(xiàn)象形成之后，受降雨影響，容易因為降雨作用而進一步加劇，產(chǎn)生沖刷、淋濾等次生作用，使其在原有規(guī)模的基礎上有所擴大。

4 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護及防治對策

由于貴州山區(qū)脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件及其特殊的工程地質(zhì)特征，現(xiàn)行的礦山綜采工藝對山體穩(wěn)定性帶來的破壞是顯而易見的，特別是位于陡巖、陡崖下的礦區(qū)，其上部基本伴有地裂縫、崩塌等地質(zhì)災害，且具有范圍廣、規(guī)模大、突發(fā)性強等特點，對周邊群眾的生命財產(chǎn)造成了極大的威脅。為最大限度的降低此類災害造成的損失，必須堅持預防為主、防治結(jié)合的原則，進一步研究、調(diào)整和完善礦山開采工藝，不能盲目、無原則的為達到《國土資源部關于煤炭資源合理開發(fā)利用“三率”指標要求（試行）的公告》（2012年第23號）文件（以下簡稱“三率”指標文件）要求，而恣意對采區(qū)原有地質(zhì)環(huán)境進行破壞。為確保經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，可對山區(qū)特殊地質(zhì)條件下的礦區(qū)采取留設保安礦柱、采空區(qū)條帶式充填等具體措施。

4.1 留設保安礦柱

合理的礦柱留設對采場的圍巖變形控制起決定性作用，在礦層開采完畢后不使用地板垮落法，可以有效避免由于放頂產(chǎn)生的各種災害，但由于“三率”指標要求，對井工礦山采區(qū)的開采率有不低于75%～85%的嚴格規(guī)定，若留設保安礦礦，則開采率達不到國家標準。因此，對于山區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境條件下的礦區(qū)，應從管理層面立法，在保證一定開采率及經(jīng)濟效益的同時，保護好礦區(qū)周邊的地質(zhì)環(huán)境。

4.2 充填開采技術

開采原理為：在礦山采空區(qū)上方鉆一個孔，通到采空區(qū)，然后將洗矸廠洗選出的矸石，經(jīng)過破碎、篩分，與電廠的粉煤灰混合，投入投料孔，之后轉(zhuǎn)入充填區(qū)，用壓實機搗實，讓充填物形成新的支撐體，實現(xiàn)對上覆巖層變形的有效抑制，避免頂板破壞和地面下沉發(fā)生，盡量保持地形地貌以及地表建筑物的原樣，最終實現(xiàn)解放建筑物下礦產(chǎn)儲量和不遷村采礦的目標。

充填開采技術具有較高的回采率，可以有效的保證在填充區(qū)作業(yè)的安全性，而且能夠有效的保護自然生態(tài)資源，最大限度的減少對其破壞，但是其同樣具有一定的弊端，比如施工工藝可操作性不強，而且需要根據(jù)開采環(huán)境以及巖石層屬性的變化，進行充填方案的調(diào)整，對于圍巖硬度較低的開采區(qū)，該技術的經(jīng)濟性有待于進一步提高。

5 結(jié)語

貴州山區(qū)礦山企業(yè)以小型為主，由于缺乏專業(yè)技術指導，采礦方法不當，工藝技術落后，未按規(guī)定留設保安礦柱，廢棄坑道未及時封閉、回填等不合理的礦山生產(chǎn)活動現(xiàn)象較普遍。而處在“上硬下軟”等特殊地質(zhì)環(huán)境條件下的礦區(qū)，在“三率”指標的硬性規(guī)定下，對開采率的盲目追求使現(xiàn)行開采工藝得到廣泛使用，并導致礦區(qū)周邊地質(zhì)災害的頻繁發(fā)生。要對礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進行保護，則需要對現(xiàn)行開采工藝進行調(diào)整，解決頂板垮落所造成的地表沉陷、地形地貌破壞等環(huán)境問題，實現(xiàn)礦山綠色開采的最終目的。

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