石膏礦采空區(qū)治理方案設(shè)計(jì)及效果分析

張曉芳

(長(zhǎng)治市潞城區(qū)應(yīng)急救援指揮中心，山西 長(zhǎng)治 047500)

引 言

石膏普遍應(yīng)用于工業(yè)和建筑行業(yè)，其主要成分為硫酸鈣，可用于模型制作、食品添加劑、水泥緩凝劑等。由于石膏具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值被廣泛開(kāi)采，從而導(dǎo)致在石膏頂部的巖層、土壤等形成自由空間，這就是所謂的采空區(qū)。采空區(qū)由于破壞了原地表及石膏礦頂板圍巖的平衡狀態(tài)，極易出現(xiàn)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而對(duì)正常生產(chǎn)以及居民的正常生活造成影響[1]。故，需采取合理的方式對(duì)石膏礦的采空區(qū)進(jìn)行治理。本文將以某石膏礦為例對(duì)其采空區(qū)進(jìn)行治理，并對(duì)治理效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

該石膏礦所處位置交通發(fā)達(dá)并貫穿有鐵路，礦區(qū)褶皺構(gòu)造的走向?yàn)镹E-SW，褶皺構(gòu)造相對(duì)平緩且穩(wěn)定，其傾向?yàn)?35°～149°，傾角值為5°～15°；礦區(qū)次級(jí)構(gòu)造主要形式為小斷層，其走向?qū)⒔麰W方向，且傾角為60°～80°。該石膏礦內(nèi)石膏層呈現(xiàn)層疊狀態(tài)，石膏層的整體走向?yàn)镹E方向，傾角為5°～15°，傾斜方向?yàn)?35°～140°。

該石膏礦采空區(qū)的周邊沒(méi)有河流、池塘等，且該礦區(qū)所處地區(qū)降雨量很小。因此，該石膏礦的水文條件很簡(jiǎn)單。

目前，該石膏礦采用巷道和房柱式相結(jié)合的方式進(jìn)行開(kāi)采。經(jīng)探測(cè)，該石膏礦的開(kāi)采深度已達(dá)50.2m，開(kāi)采工作面的斷面形狀為矩形，對(duì)應(yīng)矩形的寬度為14 m，高度為2.2 m～6.1 m。由于其采空區(qū)處理不當(dāng)導(dǎo)致周邊居民的房屋、路面等出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象，甚至在某些區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌事故[2]。因此，急需對(duì)石膏礦的采空區(qū)進(jìn)行治理。

2 石膏礦采空區(qū)治理方案選擇

結(jié)合多年對(duì)石膏礦采空區(qū)的治理經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)石膏礦采空區(qū)治理不當(dāng)導(dǎo)致地面建筑物及土壤出現(xiàn)開(kāi)裂甚至坍塌的事故可采用的常見(jiàn)治理方案總結(jié)如下：

1)對(duì)石膏礦頂部已變形的表層進(jìn)行加固；2)對(duì)石膏礦采空區(qū)遺留的房柱進(jìn)行加固，對(duì)石膏礦頂部、兩幫采用錨桿錨網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)；3)采用適當(dāng)充填材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填操作，保證采空區(qū)房柱的支護(hù)強(qiáng)度；4)主動(dòng)對(duì)石膏礦采空區(qū)上方的表層進(jìn)行強(qiáng)制崩落處理，崩落產(chǎn)生的巖層將采空區(qū)填滿(mǎn)。

總的來(lái)說(shuō)，針對(duì)石膏礦采空區(qū)處理不當(dāng)所產(chǎn)生的各類(lèi)危險(xiǎn)現(xiàn)象可采用地表加固、采空區(qū)加固、充填采空區(qū)以及主動(dòng)崩落采空區(qū)等手段進(jìn)行治理。上述四種治理方式優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比如表1所示。

表1 采空區(qū)治理方案優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

如表1所示，通過(guò)對(duì)比不同治理方案的優(yōu)劣勢(shì)，結(jié)合石膏礦的地表層、地質(zhì)以及水文等條件，最終決定采用對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)石膏礦采空區(qū)的治理。

3 采空區(qū)充填治理參數(shù)的設(shè)計(jì)

基于充填采空區(qū)的方式對(duì)石膏礦采空區(qū)的治療效果和加固質(zhì)量在很大程度上受制于充填材料的性能。因此，需根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況選擇最佳充填材料，并在實(shí)際充填操作之前進(jìn)行黏土固化強(qiáng)度試驗(yàn)，從而充分掌握黏土固化體強(qiáng)度和固化劑之間的關(guān)系，為充填材料的各個(gè)原材料的配比比例的選擇提供指導(dǎo)，在達(dá)到充填強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的目的[3]。

固化劑為影響充填材料最終充填強(qiáng)度的主要因素，本文將以石膏、水泥、石灰、水玻璃為基料開(kāi)展單一固化劑和混合固化劑的充填效果的對(duì)比研究。具體研究步驟如下：

1)在石膏礦礦區(qū)取樣，對(duì)其黏土的含水量、化學(xué)成分以及石膏的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定；

2)對(duì)比研究不同固化劑及其在不同組合下所配比的充填材料對(duì)最終充填強(qiáng)度的影響，最終確定最佳固化劑；

3)研究石膏礦充填材料濃度預(yù)期對(duì)應(yīng)塌落度的關(guān)系，從而得出在充填的兩個(gè)階段(自流充填和和泵送充填)下對(duì)應(yīng)的最佳濃度值，保證充填強(qiáng)度的同時(shí)達(dá)到節(jié)約成本的目的[4]。

結(jié)合以往充填材料固化劑的配制經(jīng)驗(yàn)，混合固化劑對(duì)黏土固化的強(qiáng)度優(yōu)于單一固化劑的固化強(qiáng)度。因此，將分別以石灰、石膏、水泥以及水玻璃為基料，并按照不同比例加入其他三種外加劑所配制的混合固化劑對(duì)黏土的固化強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。

經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比可知，當(dāng)以水泥為基料，以石膏、石灰以及水玻璃為外加劑時(shí)其所配制而成的混合固化劑的抗壓強(qiáng)度最大，不同外加劑比例與水泥比例對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度值如表2所示。

表2 以水泥為基料，石膏、石灰、水玻璃為外加劑的混合固化劑試驗(yàn)結(jié)果

如表2所示，當(dāng)水泥為60%，石膏為30%，石灰為10%，水玻璃為0%時(shí)所配制的混合固化劑對(duì)黏土的固化強(qiáng)度最大，約為1.6 MPa。

在實(shí)際充填操作中需經(jīng)歷自流充填和泵送充填，當(dāng)自流充填至距離石膏頂板1 m～1.5 m的位置時(shí)開(kāi)始進(jìn)行泵送充填。其中，自流充填階段是對(duì)應(yīng)充填材料由水泥(8%)、石膏(4%)和黏土(88%)組成；泵送充填階段對(duì)應(yīng)充填材料由水泥(10%)、石膏(5%)和黏土(85%)組成。

4 充填效果分析

針對(duì)不同充填階段在不同充填材料中加入同一混合固化劑對(duì)該石膏礦的采空區(qū)進(jìn)行治理，具體充填工藝如下：采用自流充填材料充填距離石膏礦采空區(qū)頂板1 m～1.5 m后，停止充填操作，并靜置15 d后開(kāi)始泵送充填[5]。該石膏礦采空區(qū)充填完成后，其治理效果總結(jié)如下：

1)經(jīng)對(duì)充填完成后采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)可知，采用自流與泵送的聯(lián)合充填方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)95%的充填率；

2)經(jīng)探測(cè)，采用上述充填材料和固化劑的共同作用后可所得充填體的強(qiáng)度可達(dá)0.2MPa，能夠有效對(duì)充填體上方的巖層起到加固的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

石膏礦開(kāi)采完成后的采空區(qū)治理不當(dāng)存在極大的安全隱患，因此需對(duì)石膏礦采空區(qū)采取巖層永久加固的同時(shí)還需對(duì)其房柱進(jìn)行加固。在實(shí)際加固過(guò)程中所選擇的最佳固化劑應(yīng)以水泥為主要成分，石膏和石灰為配料，并分自流充填階段和泵送充填階段完成對(duì)采空區(qū)的治理。經(jīng)實(shí)踐表明，采取上述方案治理后對(duì)應(yīng)采空區(qū)的強(qiáng)度可達(dá)0.2 MPa，具有顯著的治理效果。