李玄昆 陳 菲 付自國

(1.成都大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610106；2.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，成都 610106；3.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065)

井下透水事故是制約礦山發(fā)展的重大安全隱患，其造成的人員傷亡僅次于煤礦瓦斯爆炸[1]。近年來，由于充填采礦法具有諸多優(yōu)點逐漸成為礦山開采的新寵[2-8]。而充填區(qū)脫水是礦山充填技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了充填體的強度及礦山的生產(chǎn)進(jìn)度。同時，脫水工藝某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障可能引發(fā)礦區(qū)水患，造成井下人員大量傷亡。雖然還未出現(xiàn)相關(guān)報道，然而隨著環(huán)保意識的增強，充填礦山的數(shù)量逐年上升。另外，為節(jié)約征地和保護(hù)環(huán)境，尾礦庫中的尾砂將會通過充填管道輸送至井下大體積老采空區(qū)。不管是膠結(jié)或非膠結(jié)充填，輸送至采空區(qū)或采場的料漿會有大量的水濾出。這些“有害水”若不及時處理，極可能誘發(fā)井下水患。因此，探明充填礦山可能誘發(fā)充填區(qū)域水患的致災(zāi)因子，具有重要的工程意義。

以崩落法形成的“懸留”空區(qū)為例，對于厚度為5 m的礦體，走向長約55 m，最大高度可達(dá)60 m，一個采空區(qū)體積可達(dá)1.5萬m3。假設(shè)采用質(zhì)量濃度為55%的尾砂料漿對空區(qū)進(jìn)行充填處理，減去膠凝材料水化反應(yīng)消耗的水(占水泥含量的23%左右)，若按80%的充填率計算，每個采空區(qū)濾出的水量可達(dá)5 500 m3。若該空區(qū)濾出的水匯集在坑洼處，突然直接從巷道涌出，涌水速度相當(dāng)于瓦斯爆炸形成的沖擊波。而對于一個礦區(qū)來說，這樣的“懸留”空區(qū)可能存在多個。例如，因民銅礦據(jù)統(tǒng)計有253個[9]，謝爾塔拉鐵鋅礦“懸留”空區(qū)達(dá)100萬m3[10]?？梢?，對于采用尾砂充填治理采空區(qū)的礦山，水患是礦山需要關(guān)注的最大的安全隱患，必須做好相應(yīng)的防治工作。

采空區(qū)大體積充填水患防治首先需要找出潛在的致災(zāi)因子。本文根據(jù)某礦山老采空區(qū)尾砂充填處理實踐，系統(tǒng)分析整個充填流程，總結(jié)出充填體脫水過程可能誘發(fā)水患的因素，并根據(jù)不同的水患場景給出防治措施。研究可為礦山安全生產(chǎn)管理提供參考。

1 充填區(qū)發(fā)生水患的典型場景及原因分析

近年來國家對環(huán)保提出了新要求，很多礦山出于壓力無法建設(shè)新尾礦庫，而隨著資源的不斷開采，眾多礦山出現(xiàn)尾礦庫庫容不足的現(xiàn)象。另一方面，礦區(qū)存在大量的采空區(qū)對當(dāng)?shù)鼐用裆顓^(qū)構(gòu)成巨大威脅。因此，即使未采用充填采礦法開采的礦山也開始建設(shè)充填系統(tǒng)，目的是將選廠的尾砂排放到地下，以解決礦山存在的這兩大危機。

選廠出來的尾砂質(zhì)量濃度只有30%左右，不具備自流輸送特性。一般需要通過立式砂倉或深錐濃密機進(jìn)行沉降處理，其底流濃度可達(dá)到56%左右。有些礦山需要充填體具有一定的自立強度，會在料漿制備的攪拌桶中加入少量水泥或其他膠凝材料，形成具有良好流動特性的尾砂料漿。料漿的制備過程涉及漿體流變學(xué)與充填體強度設(shè)計的優(yōu)化問題，也是充填設(shè)計的一大難題。充填料漿制備系統(tǒng)一般建在礦區(qū)最高處，漿體通過管道自流進(jìn)入地下采空區(qū)。在尾砂充填之前，需要對井下待充填采空區(qū)出口進(jìn)行封堵，一般采用鋼筋混凝土密閉墻。因此，密閉墻的設(shè)計關(guān)系到充填區(qū)的安全。尾砂料漿進(jìn)入采空區(qū)后，由于重力作用而產(chǎn)生自然沉降。充填體上層的澄清水可以通過溢流管從密閉墻排出，充填體中還含有大量的其他形式的水需要加設(shè)脫水管排出。若這些脫水設(shè)備發(fā)生故障，充填體中的水無法濾出，充填體達(dá)不到自立強度，料漿將壓力持續(xù)作用到密閉墻上，墻體一旦破壞，充填體中的水迅速涌出引發(fā)水患。另外，若采空區(qū)側(cè)壁巖體出現(xiàn)斷層、節(jié)理、裂隙等不良工況，充填體中的水可能進(jìn)一步的侵蝕這些軟弱帶，水一旦沖出可能誘發(fā)水患。最后，從密閉墻排出的水經(jīng)過運輸巷道的積水溝匯集到井下集水坑，若排水泵的設(shè)計不能滿足充填體每天的濾水量，則可能誘發(fā)水患。

經(jīng)以上分析，總結(jié)出誘發(fā)充填區(qū)水患的危險源主要有密閉墻、濾水設(shè)備、排水泵及地質(zhì)條件，下面詳細(xì)的分析這些危險源誘發(fā)水患的場景。

1.1 場景一：封堵工程不嚴(yán)誘發(fā)水患

以崩落法“懸留”采空區(qū)尾砂充填為例，如圖1所示。采空區(qū)封堵工程主要包括進(jìn)路、穿脈巷道、放礦溜井、安全出口及電耙巷道密閉墻的構(gòu)筑。密閉墻的穩(wěn)定性直接決定了充填區(qū)的安全，是充填設(shè)計的重要內(nèi)容[11]。密閉墻應(yīng)盡量選擇在斷面小、易于施工、有喇叭口(即內(nèi)大外小)、且?guī)r石穩(wěn)固的位置。密閉墻一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由設(shè)計擋墻的受力工況確定。另外，根據(jù)井下不同的工況，也可以采用袋式充填擋墻、柔性擋墻或鋼結(jié)構(gòu)木質(zhì)擋墻等。圖2為某礦山充填擋墻配筋設(shè)計，為保證墻體與巖體緊密結(jié)合，擋墻四周巖體需要預(yù)埋錨桿。由于采空區(qū)與巷道相通的出口較多，充填作業(yè)前需要做好調(diào)查，確保每個出口都有擋墻封閉。

1-階段運輸巷道；2-穿脈巷道；3-放漿管；4-布料管；5-天井；6-間柱；7-點柱；8-人行通風(fēng)井；9-安全出口；10-充填體；11-密閉墻；12-放礦漏斗；13-溢流濾水管；14-采空區(qū)；15-斗頸；16-電耙巷道；17-溜井圖1 崩落法“懸留”采空區(qū)尾砂充填示意圖(修改自文獻(xiàn)[9])Fig.1 Schematic diagram of tailings backfill in mine-out area created by the collapse method

圖2 某礦山充填擋墻設(shè)計圖(單位：mm)Fig.2 Design of the filling retaining wall of a mine

由擋墻破壞而引發(fā)涌水事故是最可能發(fā)生的一種場景。密閉墻一旦破壞出現(xiàn)裂隙或者垮塌，水隨著充填體一起沖出，淹沒巷道，造成巨大的人員傷亡事故。由封堵工程不嚴(yán)而誘發(fā)的水患的原因主要有3個：1)擋墻的強度設(shè)計不合理。隨著充填高度的增加，擋墻承受不住充填料漿施加的靜水壓力而垮塌；2)密閉墻與周圍巖體結(jié)合不緊密而出現(xiàn)開裂，水通過裂縫而涌出；3)擋墻不滿足抗震要求，如采空區(qū)附近有采場進(jìn)行爆破作業(yè)，爆破地震波通過充填料漿放大沖到墻體，造成密閉墻失穩(wěn)；4)密閉墻未按照設(shè)計要求施工，導(dǎo)致墻體提前破壞或達(dá)不到服役時間。

1.2 場景二：濾水設(shè)備失效誘發(fā)水患

充填區(qū)濾水設(shè)備主要包括溢流濾水管和滲透脫水管。選用內(nèi)徑為0.1 m的普通薄壁焊接鋼管，然后在管壁上鉆孔，鉆孔的原則是鉆孔的面積要盡量大、數(shù)量盡量多，但必須要保證管子的強度。溢流濾水管從密閉墻伸出，充填體中的水從溢流濾水管排到水溝，如圖3所示。待充填體上層澄清水排出后，充填料中的相對粗顆粒和細(xì)顆粒中還富存大量重力水和其他形式的水，需要安裝滲透脫水管。脫水管豎直布設(shè)，可以在充填之前先將脫水管用專用的連接裝置固定在頂板位置，并用連接口將管口封閉，避免接頂充填時料漿灌入脫水管[12]、同時為了進(jìn)一步增加脫水管與充填料漿的接觸面積，更有利于充填脫水，將脫水管可以設(shè)計成波紋管，提高脫水效率。另外還有如鏈?zhǔn)矫撍??；诜律鷮W(xué)設(shè)計的脫水管[13]等提高脫水效率的類型。脫水管外圈需要鉆一些脫水孔，在脫水管外套一層濾水布或土工布，避免充填料漿通過脫水孔進(jìn)入脫水管。

圖3 某礦山脫水管安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of the installation of a dehydration pipe in a mine

1.3 場景三：空區(qū)地質(zhì)不良誘發(fā)水患

采空區(qū)地質(zhì)不良主要指采空區(qū)圍巖存在斷層、節(jié)理、裂隙等地質(zhì)狀態(tài)。由于崩落法開采，采空區(qū)可能較為破碎，存在片幫。因此，充填體內(nèi)的水必須及時脫出，不然積存的水會進(jìn)一步剝蝕圍巖，引發(fā)涌水事故。

采空區(qū)地質(zhì)不良誘發(fā)水患有如下原因：1)采空區(qū)地質(zhì)調(diào)查不徹底，對某些采空區(qū)地質(zhì)摸不清，導(dǎo)致充填區(qū)可能存在極為破裂構(gòu)造裂隙，由于水不斷的侵蝕而出現(xiàn)漏水；2)采空區(qū)周圍有爆破作業(yè)，爆破振動產(chǎn)生的彈性波使得含不良地質(zhì)條件的采空區(qū)圍巖崩塌，引發(fā)涌水事故。

1.4 場景四：排水設(shè)計不當(dāng)誘發(fā)水患

充填區(qū)排水設(shè)計主要包括水溝的設(shè)計、井下積水坑的設(shè)計和水泵的設(shè)計等。從充填體脫出的水通過伸出密閉墻的濾水管引至水溝，匯集到最低中段積水坑，最后通過水泵排送至地表循環(huán)使用。井下所有平巷都設(shè)有水溝，主巷道水溝深度不小于0.3 m，寬度不小于0.5 m，并保持暢通?？拷鼡鯄ν獠颗潘艿乃疁仙疃瓤梢愿鶕?jù)濾水量適當(dāng)加大，水平巷道應(yīng)根據(jù)涌水情況設(shè)圈水池，其規(guī)格根據(jù)涌水量設(shè)計。水泵設(shè)計主要包括泵的選型和泵數(shù)量及布局[13]。

因為排水設(shè)計不當(dāng)而誘發(fā)水患的原因有：1)水溝設(shè)計不滿足排水要求，導(dǎo)致積水過多；2)水泵數(shù)量不滿足排水要求或者抽水系統(tǒng)故障。

2 充填區(qū)水患的防治策略

2.1 場景一的防治措施

1)重視密閉墻的設(shè)計與施工工作。充填擋墻的強度設(shè)計要考慮諸如抗壓、抗剪切、抗?jié)B透、抗沖擊等條件，采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對充填擋墻的配合比和配筋進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)采空區(qū)充填實際情況，充填擋墻的受力分析和計算一般分兩種情況來進(jìn)行：充填料面高度低于或等于隔墻高度時的受力分析和充填料面高度高于或等于隔墻高度時的受力分析。當(dāng)密閉工程須預(yù)留觀察孔時，觀察孔位置應(yīng)設(shè)置在適合進(jìn)出的位置。觀察孔必須是內(nèi)喇叭口型，以便封堵時能確保封閉觀察孔處的強度。密閉工程必須嚴(yán)格按照要求進(jìn)行施工。錨桿眼布置、深度必須符合要求，鋼筋綁扎必須符合規(guī)范，混凝土標(biāo)號必須嚴(yán)格按設(shè)計要求執(zhí)行，混凝土澆灌必須合格。

2)定期安排技術(shù)人員井下檢查。礦山充填過程一般會持續(xù)7年以上，在此期間必須安排技術(shù)人員定期下井做好密閉墻的檢修工作。及時發(fā)現(xiàn)密閉墻可能存在的安全隱患，對出現(xiàn)裂縫的擋墻及時上報并做好維修工作。巡查的范圍包括管路、放漿口、濾水管、密閉墻、充填區(qū)域、斷層、水溝等。

3)采空區(qū)中段運輸巷道修建一堵主密閉墻。當(dāng)某些采空區(qū)發(fā)生涌水事故后，提前修建在采空區(qū)階段運輸巷道的密閉墻可以防止水進(jìn)一步涌入其他中段。

4)做好井下避難路線規(guī)劃。將避難路線做成標(biāo)牌放置于井下充填區(qū)域，加強充填作業(yè)人員的安全防范意識。

2.2 場景二的防治措施

1)確保脫水管鉆孔后濾水布包裹扎實。先包一層麻布，接著包三層土工布，第五層再包一層麻布，并用鋼絲包扎牢固。麻布的主要作用是保護(hù)土工布不受到損傷，第一層的作用是防止因礦漿壓力過大，導(dǎo)致土工布被鋼管上的透水孔內(nèi)壁損傷，最外一層麻布的作用是防止坑道或漏斗的積渣滑落沖擊濾水管，損傷土工布，導(dǎo)致濾水管跑砂結(jié)果發(fā)生。土工布的主要作用是隔砂、隔泥和透水。

2)確保脫水設(shè)施安裝穩(wěn)固，包括脫水管連接可靠，脫水管固定牢固，沒有松動。為保證濾水管的支撐和固定點的強度，支撐和固定點必須選擇在兩段管子的接頭處，不得有滑動或變形的現(xiàn)象發(fā)生，最好保持一個坡度，杜絕管子產(chǎn)生波浪型。

3)從密閉墻伸出的濾水管都必須配有排水管，每根排水管都必須安裝相應(yīng)的閘閥，以控制濾水流量，在發(fā)生事故時可密閉濾水管，避免事故的擴大。

4)確保脫水設(shè)施設(shè)計合理?？梢圆捎檬覂?nèi)試驗或半工業(yè)試驗進(jìn)行脫水管脫水效率試驗，優(yōu)選出合理的脫水設(shè)備及脫水管布置。

5)采用間歇式充填方案進(jìn)行作業(yè)。一個采空區(qū)充填到一定高度后可以轉(zhuǎn)移到另一個采空區(qū)充填，可以提高每個采空區(qū)的濾水效率。

6)安全員定期檢查脫水設(shè)備及排水設(shè)備正常運行情況，排查滲漏情況，一旦有堵管現(xiàn)象，及時反映，并停工維修。

2.3 場景三的防治措施

1)采用探測技術(shù)對采空區(qū)大小、圍巖的水文地質(zhì)特征進(jìn)行確定，找出有斷層穿過的采空區(qū)，對地質(zhì)不良的采空區(qū)可以先不充填。

2)若存在大斷層穿過多個采空區(qū)，可以采用注漿技術(shù)對其進(jìn)行封堵。

3)對地質(zhì)條件極差的巖體外側(cè)可以修建擋水墻。

4)采用微震監(jiān)測技術(shù)對充填區(qū)脫出過程進(jìn)行監(jiān)測，對采空區(qū)失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行定位，及時給出應(yīng)急措施。

2.4 場景四的防治措施

1)水溝的設(shè)計嚴(yán)格根據(jù)待脫水量設(shè)計，水平巷道積水深時，需使用潛水泵排水，嚴(yán)禁使用立泵排水，防止人員入水導(dǎo)致危險。

2)積水坑水泵設(shè)計應(yīng)根據(jù)每日濾水量設(shè)計，并且要有備用的抽水設(shè)備，設(shè)備發(fā)生生產(chǎn)故障或損壞要及時更換。

3)排水設(shè)備要有專職人員操作和看護(hù)。水泵工每班要對設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行巡回檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時通過有關(guān)人員解決處理，保證排水系統(tǒng)正常運行。車間每周要組織一次檢查，及時發(fā)現(xiàn)和解決排水隱患。

3 應(yīng)用實例

因民銅礦一方面為緩解尾礦庫庫容壓力，另一方面為回收部分遺留礦柱，需要對采空區(qū)進(jìn)行尾砂充填治理。據(jù)統(tǒng)計，礦山5個礦區(qū)的采空區(qū)容積達(dá)到267萬m3，空區(qū)主要由淺孔留礦法形成。礦山現(xiàn)建設(shè)了一套最大尾砂處理量為2 500 t/d 的充填系統(tǒng)，設(shè)計充填底流濃度達(dá)到70%，采用加壓泵送方式管輸?shù)娇諈^(qū)(具體充填工藝可參考文獻(xiàn)[9])。若礦山按照設(shè)計充填濃度充填，且假設(shè)充填體中80%的水可以濾出(部分水參與水化反應(yīng)等)，礦山空區(qū)每日最大排水量為600 t。水主要通過擋土墻上的排水管經(jīng)過排水溝匯集至各個中段水池，然后通過水泵輸送至地表充填站循環(huán)利用。礦山進(jìn)行充填工業(yè)試驗過程中，針對不同的場景按照本文提出的治理策略進(jìn)行充填管理，沒有出現(xiàn)水患事故，且排水暢通，水患防治效果良好。

4 結(jié)論

本文根據(jù)某礦山采空區(qū)大體積尾砂充填實踐，認(rèn)為充填體濾水量大，極易引發(fā)井下水患，礦山需特別引起重視。系統(tǒng)分析了由崩落法形成的采空區(qū)大體積充填過程可能出現(xiàn)的水患場景，同時也適用于其他采空區(qū)或采場充填。總結(jié)得出，誘發(fā)充填區(qū)涌水事故的因素主要有封堵工程不嚴(yán)、濾水設(shè)備失效、地質(zhì)條件不良以及排水設(shè)計不當(dāng)?shù)人拇箢悺ａ槍@四個主要的致災(zāi)因子給出了不同的水患防治策略，為礦山充填水患治理提供參考。