采空區大體積尾砂充填水患及防治策略

李玄昆 陳 菲 付自國

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

井下透水事故是制約礦山發展的重大安全隱患，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點逐漸成為礦山開采的新寵[2-8]。而充填區脫水是礦山充填技術的關鍵環節，決定了充填體的強度及礦山的生產進度。同時，脫水工藝某一環節出現故障可能引發礦區水患，造成井下人員大量傷亡。雖然還未出現相關報道，然而隨著環保意識的增強，充填礦山的數量逐年上升。另外，為節約征地和保護環境，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。不管是膠結或非膠結充填，輸送至采空區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，極可能誘發井下水患。因此，探明充填礦山可能誘發充填區域水患的致災因子，具有重要的工程意義。

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

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

1 充填區發生水患的典型場景及原因分析

近年來國家對環保提出了新要求，很多礦山出于壓力無法建設新尾礦庫，而隨著資源的不斷開采，眾多礦山出現尾礦庫庫容不足的現象。另一方面，礦區存在大量的采空區對當地居民生活區構成巨大威脅。因此，即使未采用充填采礦法開采的礦山也開始建設充填系統，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行沉降處理，其底流濃度可達到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與充填體強度設計的優化問題，也是充填設計的一大難題。充填料漿制備系統一般建在礦區最高處，漿體通過管道自流進入地下采空區。在尾砂充填之前，需要對井下待充填采空區出口進行封堵，一般采用鋼筋混凝土密閉墻。因此，密閉墻的設計關系到充填區的安全。尾砂料漿進入采空區后，由于重力作用而產生自然沉降。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脫水管排出。若這些脫水設備發生故障，充填體中的水無法濾出，充填體達不到自立強度，料漿將壓力持續作用到密閉墻上，墻體一旦破壞，充填體中的水迅速涌出引發水患。另外，若采空區側壁巖體出現斷層、節理、裂隙等不良工況，充填體中的水可能進一步的侵蝕這些軟弱帶，水一旦沖出可能誘發水患。最后，從密閉墻排出的水經過運輸巷道的積水溝匯集到井下集水坑，若排水泵的設計不能滿足充填體每天的濾水量，則可能誘發水患。

經以上分析，總結出誘發充填區水患的危險源主要有密閉墻、濾水設備、排水泵及地質條件，下面詳細的分析這些危險源誘發水患的場景。

1.1 場景一：封堵工程不嚴誘發水患

以崩落法“懸留”采空區尾砂充填為例，如圖1所示。采空區封堵工程主要包括進路、穿脈巷道、放礦溜井、安全出口及電耙巷道密閉墻的構筑。密閉墻的穩定性直接決定了充填區的安全，是充填設計的重要內容[11]。密閉墻應盡量選擇在斷面小、易于施工、有喇叭口(即內大外小)、且巖石穩固的位置。密閉墻一般采用鋼筋混凝土結構，由設計擋墻的受力工況確定。另外，根據井下不同的工況，也可以采用袋式充填擋墻、柔性擋墻或鋼結構木質擋墻等。圖2為某礦山充填擋墻配筋設計，為保證墻體與巖體緊密結合，擋墻四周巖體需要預埋錨桿。由于采空區與巷道相通的出口較多，充填作業前需要做好調查，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；15-斗頸；16-電耙巷道；17-溜井圖1 崩落法“懸留”采空區尾砂充填示意圖(修改自文獻[9])Fig.1 Schematic diagram of tailings backfill in mine-out area created by the collapse method

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

由擋墻破壞而引發涌水事故是最可能發生的一種場景。密閉墻一旦破壞出現裂隙或者垮塌，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。由封堵工程不嚴而誘發的水患的原因主要有3個：1)擋墻的強度設計不合理。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合不緊密而出現開裂，水通過裂縫而涌出；3)擋墻不滿足抗震要求，如采空區附近有采場進行爆破作業，爆破地震波通過充填料漿放大沖到墻體，造成密閉墻失穩；4)密閉墻未按照設計要求施工，導致墻體提前破壞或達不到服役時間。

1.2 場景二：濾水設備失效誘發水患

充填區濾水設備主要包括溢流濾水管和滲透脫水管。選用內徑為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，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，將脫水管可以設計成波紋管，提高脫水效率。另外還有如鏈式脫水管?；诜律鷮W設計的脫水管[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：空區地質不良誘發水患

采空區地質不良主要指采空區圍巖存在斷層、節理、裂隙等地質狀態。由于崩落法開采，采空區可能較為破碎，存在片幫。因此，充填體內的水必須及時脫出，不然積存的水會進一步剝蝕圍巖，引發涌水事故。

采空區地質不良誘發水患有如下原因：1)采空區地質調查不徹底，對某些采空區地質摸不清，導致充填區可能存在極為破裂構造裂隙，由于水不斷的侵蝕而出現漏水；2)采空區周圍有爆破作業，爆破振動產生的彈性波使得含不良地質條件的采空區圍巖崩塌，引發涌水事故。

1.4 場景四：排水設計不當誘發水患

充填區排水設計主要包括水溝的設計、井下積水坑的設計和水泵的設計等。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使用。井下所有平巷都設有水溝，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V水量適當加大，水平巷道應根據涌水情況設圈水池，其規格根據涌水量設計。水泵設計主要包括泵的選型和泵數量及布局[13]。

因為排水設計不當而誘發水患的原因有：1)水溝設計不滿足排水要求，導致積水過多；2)水泵數量不滿足排水要求或者抽水系統故障。

2 充填區水患的防治策略

2.1 場景一的防治措施

1)重視密閉墻的設計與施工工作。充填擋墻的強度設計要考慮諸如抗壓、抗剪切、抗滲透、抗沖擊等條件，采用實驗和數值模擬相結合的方法對充填擋墻的配合比和配筋進行設計。根據采空區充填實際情況，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。當密閉工程須預留觀察孔時，觀察孔位置應設置在適合進出的位置。觀察孔必須是內喇叭口型，以便封堵時能確保封閉觀察孔處的強度。密閉工程必須嚴格按照要求進行施工。錨桿眼布置、深度必須符合要求，鋼筋綁扎必須符合規范，混凝土標號必須嚴格按設計要求執行，混凝土澆灌必須合格。

2)定期安排技術人員井下檢查。礦山充填過程一般會持續7年以上，在此期間必須安排技術人員定期下井做好密閉墻的檢修工作。及時發現密閉墻可能存在的安全隱患，對出現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、充填區域、斷層、水溝等。

3)采空區中段運輸巷道修建一堵主密閉墻。當某些采空區發生涌水事故后，提前修建在采空區階段運輸巷道的密閉墻可以防止水進一步涌入其他中段。

4)做好井下避難路線規劃。將避難路線做成標牌放置于井下充填區域，加強充填作業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，導致土工布被鋼管上的透水孔內壁損傷，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，導致濾水管跑砂結果發生。土工布的主要作用是隔砂、隔泥和透水。

2)確保脫水設施安裝穩固，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象發生，最好保持一個坡度，杜絕管子產生波浪型。

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的閘閥，以控制濾水流量，在發生事故時可密閉濾水管，避免事故的擴大。

4)確保脫水設施設計合理?？梢圆捎檬覂仍囼灮虬牍I試驗進行脫水管脫水效率試驗，優選出合理的脫水設備及脫水管布置。

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

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

2.3 場景三的防治措施

1)采用探測技術對采空區大小、圍巖的水文地質特征進行確定，找出有斷層穿過的采空區，對地質不良的采空區可以先不充填。

2)若存在大斷層穿過多個采空區，可以采用注漿技術對其進行封堵。

3)對地質條件極差的巖體外側可以修建擋水墻。

4)采用微震監測技術對充填區脫出過程進行監測，對采空區失穩區域進行定位，及時給出應急措施。

2.4 場景四的防治措施

1)水溝的設計嚴格根據待脫水量設計，水平巷道積水深時，需使用潛水泵排水，嚴禁使用立泵排水，防止人員入水導致危險。

2)積水坑水泵設計應根據每日濾水量設計，并且要有備用的抽水設備，設備發生生產故障或損壞要及時更換。

3)排水設備要有專職人員操作和看護。水泵工每班要對設備、設施進行巡回檢查，發現問題及時通過有關人員解決處理，保證排水系統正常運行。車間每周要組織一次檢查，及時發現和解決排水隱患。

3 應用實例

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，需要對采空區進行尾砂充填治理。據統計，礦山5個礦區的采空區容積達到267萬m3，空區主要由淺孔留礦法形成。礦山現建設了一套最大尾砂處理量為2 500 t/d 的充填系統，設計充填底流濃度達到70%，采用加壓泵送方式管輸到空區(具體充填工藝可參考文獻[9])。若礦山按照設計充填濃度充填，且假設充填體中80%的水可以濾出(部分水參與水化反應等)，礦山空區每日最大排水量為600 t。水主要通過擋土墻上的排水管經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利用。礦山進行充填工業試驗過程中，針對不同的場景按照本文提出的治理策略進行充填管理，沒有出現水患事故，且排水暢通，水患防治效果良好。

4 結論

本文根據某礦山采空區大體積尾砂充填實踐，認為充填體濾水量大，極易引發井下水患，礦山需特別引起重視。系統分析了由崩落法形成的采空區大體積充填過程可能出現的水患場景，同時也適用于其他采空區或采場充填?？偨Y得出，誘發充填區涌水事故的因素主要有封堵工程不嚴、濾水設備失效、地質條件不良以及排水設計不當等四大類。針對這四個主要的致災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。