矿山塌陷区生态环境恢复研究及应用

张鹏 孟航

收稿日期：2019-07-23; 修回日期：2020-02-01

作者简介：张 鹏（1983—），男，河北深州人，高级工程师，从事非煤矿山企业安全技术与管理工作;石家庄市槐安东路162号，河北冀拓应急科技有限公司，050000;E-mail：158413248@qq.com

摘要：某矿山地下开采导致地表塌陷，地质危害严重，影响矿山的安全生产。通过前期调研，利用塌陷区实际测量、塌陷区稳定性分析、尾矿膏体充填体研制、分区生态恢复等技术手段进行了一系列的分析研究，最终确定对塌陷区进行尾矿膏体充填和覆土绿化的综合治理方案。该方案不仅解决了矿山塌陷区治理和尾矿堆存问题，同时还矿山以绿色的生态环境，可为类似矿山生态恢复、塌陷区治理和固废利用提供依据。

关键词：塌陷区;生态恢复;稳定性分析;数值模拟;膏体充填;固废利用

中图分类号：TD7 TD88文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2020）02-0069-04doi：10.11792/hj20200215

某矿山因地下开采形成大面积塌陷区，不仅给矿山深部生产带来了潜在的地质危害，还严重破坏了矿区地表生态环境。与此同时，矿山尾矿库即将闭库，生产产生的大量尾矿将无处堆存，因此解决矿山面临的以上问题势在必行。本研究借鉴了煤矿浅塌陷坑煤矸石回填的治理思路[1]，利用尾矿研制膏体在塌陷区进行回填，并在此基础上进行生态环境恢复。确定塌陷区的稳定性和膏体充填体的可行性是本研究的重点，是后期生态环境恢复的基础。该研究成果有效解决了矿山的实际问题，节约了建设资金，为矿山创造了经济效益和环境效益。

1 工程概况

某矿山开采国内典型的河床下赋存的大型金属矿床，采用无底柱崩落采矿法，设计生产规模180万t/a。1997年开工建设，2002年投产试运行，2004年达产。地下矿体呈西高东低的“长蠕虫”状，一期（-50～-110 m水平）回采已于2013年结束，二期（-110 ～-230 m水平）正在生产中。随开采时间的推移，一期地表塌陷已趋于稳定。地表塌陷区最终错动范围东西长1 250 m，南北宽850 m，总面积1.24 km2，初步估算地表塌陷区容积为220万m3。

矿山尾矿库距选矿厂11 km，设计总库容808万m3，服务年限13.2 a，属于四等库。2004年2月开始建设并投入使用，目前服务年限仅剩余约1.5 a，因此解决矿山尾矿堆存问题已刻不容缓。

2 前期调研工作

2.1 塌陷区稳定性初判

参照GB 51044—2014 《煤矿采空区岩土工程勘察规范》，以采空区终采时间为主要因素对矿山塌陷区进行初步稳定性评价。11勘探线以西区域距终采时间是14 a，9勘探线—11勘探线距终采时间是4 a。8勘探线以东区域存在地下采矿活动，初步认为9勘探线—11勘探线和11勘探线以西塌陷区域基本稳定。

2.2 塌陷区回填量及回填物料分析

塌陷区回填量初步估算为220万m3，采用传统的黄土、废石及矿渣等回填料难以满足需求，且运输成本也很高。因此，考虑以选矿尾矿作为回填料的主要材料进行回填。该矿山选矿生产工艺中不添加化学药剂，尾矿作为回填料不会对回填区域造成化学污染，同时具有易获取、运输成本低的优势，且可有效解决尾矿堆存的问题，是比较理想的回填料。

2.3 塌陷区生态环境恢复初步方案

矿山塌陷区稳定区域的远景利用以农业为主，向精细农业、生态农业方向发展。根据当地主要种植农作物小麦、玉米、棉花、花生等实情，回填作业区域各个分段（田块）达到最终设计标高后即进行平整及复垦工作，采用外运耕殖土覆盖，并采取物理土壤改良、化学土壤改良和生物土壤改良相结合的方法，增强土地地力。

2.4 安全预案

井下废旧巷道需进行封堵，并增设排水设施，防止在未完成回填前水量过多积蓄，造成第四系黄土沿大裂缝向下灌注和岩石冲出巷道，引起岩层稳定结构二次破坏。同时，在地表进行实时监测，了解地表变形情况。加强充填施工和环境治理施工过程中的安全管理，将塌陷区划分为工业试验场地、胶结尾矿回填作业一区和胶结尾矿回填作业二区3个区域，并进行分步回填，分步绿化还林还田。前期充填治理经验不仅可为后期充填积累经验，也利于矿山提前获得环境效益、经济效益和社会效益。

3 总体技术路线及研究成果

矿山塌陷区生态环境恢复研究属于矿山综合治理研究，涉及内容较多，学科较广，其主要包括：

1）分析矿山各项资料，现场考察矿山塌陷区和固体废料实际情况。

2）现场测绘塌陷区的实际情况，形成基础数据，并佐证数值模拟结果[2]。

3）对塌陷区域的各层岩石进行取样试验，测定其岩石物理力学参数，利用力学软件构建塌陷区三维立体应力模型，分析塌陷区稳定性。

4）对固体废料进行分析，通过试验制备符合回填条件的膏体材料。

5）综合考虑矿山井下安全、地表变形等，分析问题并给出合理的解决方案。

6）初步建立地表生態环境修复方案。

3.1 地下矿体开采和地表塌陷情况分析

地下矿体呈西高东低的“长蠕虫”状，采用无底柱崩落采矿开采法。矿山-110 m水平、-125 m水平已回采完毕;-140 m水平于2017年底回采结束。-110 m水平以下矿体主要集中在9勘探线以东区域。从现场情况来看，塌陷区11勘探线以西区域地势呈现为整体下沉式盆地，未出现大的塌陷坑。特别是该区域北部生长了杂草及小型灌木，下沉基本稳定。11勘探线以东区域为主要塌陷区域，最大的塌陷坑边界出现在该区域。依据2013年地形图，最大塌陷坑深度约50 m（坑底标高约231.2 m，附近地表标高281.3 m）。地下矿体开采和地表塌陷情况对照见图1。

3.2 塌陷区地表实测和稳定性分析

3.2.1 塌陷区地表实测

采用GPS-RTK测量方法进行了数字化地形图测量，坐标系统为2000国家大地坐标系统，并采用1985国家高程基准。面积计算方法采用南方CASS7.0软件的面积计算方法，计算结果为173 612.9 m2。体积计算方法采用南方CASS7.0软件的三角网法，计算结果为2 601 434.7 m3。

3.2.2 塌陷区稳定性分析

1）采空区自然冒落[3]情况分析。该矿山矿岩不稳固—中等稳固;顶板为奥陶纪马家沟组中统灰岩，中等稳固—不稳固;底板为燕山期闪长岩，中等稳固;在矿体与闪长岩之间，有一层厚5～10 m矽卡岩蚀变带，极不稳固。根据诱导冒落原理和矿山相关参数，计算出空区的最大跨度为11～13 m，对应的临界冒落面积为380～530 m2。矿山按照15 m分段高度从-50 m水平向上划出3个分段，每一分段矿体面积均远超过530 m2。因此，无论先开采哪一分段，其回采面积都足以诱导上部矿体自然冒落。

2）塌陷区整体稳定性分析。收集塌陷区内不同岩层的岩石样本，在实验室进行试验，获取不同类型岩石的密度、单轴抗压强度、变形模量等物理力学参数。根据对上下盘围岩岩层分析结果，结合矿体开采的实际情况，构建三维立体应力模型，并基于數值模拟软件有限元法进行分析。通过计算分析，确定了塌陷区周围岩层的稳定性情况，得到了三维空间应力、应变分布图和塌陷区垂直下沉位移等值线图（见图2），并出具了分析报告。结果表明，矿山9勘探线—15勘探线塌陷区地表沉降已基本稳定，可逐步实施生态环境恢复工程。

3.3 尾矿及膏体性能

该矿山采用磁选工艺进行选矿，其尾矿不含化学药剂，不会对塌陷区稳定区域土地产生化学污染而引起附近土壤和水体的污染。试验对尾矿进行了组分分析、物相分析和粒级分析等。尾矿密度为2.75 t/m3，尾矿中-0.038 mm粒级产率为43.98 %，-0.02 mm粒级产率为30.96 %，说明该尾矿中细粒级含量较多。尾矿组分分析结果见表1。

在基本分析的基础上，相继做了沉降试验、浓度试验、流变试验、黏度试验、泌水试验、泵送试验、固结试验、单轴压缩试验、泥化试验等一系列试验[4]。通过系列试验得到以下结论：

1）浓缩模型试验中，尾矿在模型内的极限浓度可达到80 %，说明通过浓缩方式，只要浓缩设备设计有合理的絮凝工艺、扭矩、结构、排矿方式及足够的压缩时间等，底流浓度<80 %是完全能够获得的。

2）从抗压强度试验来看，将浓度70 %左右尾矿添加2 %胶凝材料后泵送至塌陷区固化，抗压强度0.3 MPa左右，能够满足塌陷区沉降的要求。

3）从环管试验可知，添加胶凝材料后的高浓度尾矿，已基本属于准膏体或膏体。浓度68 %的尾矿，添加2 %胶凝材料后，泌水较少，基本不离析、不沉积，已属于准膏体的范畴;而浓度为71 %的尾矿，添加2 %胶凝材料后，已经不泌水、不离析、不沉积，在管道内静置14 h后，仍然能够顺利泵送，已是一种真正意义上的膏体。由此可见，加入胶凝材料的尾矿膏体具备充填塌陷区的条件，用其进行塌陷区回填是可行的。

浓度72 %的尾矿，加入2 %胶凝材料的试样小型泵送试验效果见图3。浓度70 %、72 %、75 %的尾矿，加入2 %胶凝材料，养护1 d，并在水中浸泡≥24 h 的泥化试验效果见图4，浸泡结果为无泥化。

3.4 井下安全措施和地表沉降监测

1）井下安全性。对井下通往采空区的废旧巷道进行封堵处理，并设置排水设施，防止局部压力过大，引发岩石冲出或泥石流;在-122 m、-110 m水平工程性质稳定的穿脉向上钻凿系列泄水孔，用于疏导尾矿渗水和地表降水。

2）地表沉降监测及现场防护。通过分析确定9勘探线—15勘探线塌陷区已趋于稳定，为进一步保证回填作业时人员和设备安全，通过采集场地变形数据，建立场地变形监测系统[5]。根据现场实际回填情况制定安全管理办法，包括设置围栏，防止无关人员进入充填区域，以及施工人员进入回填场应系安全绳等。

3.5 分区域充填

矿山塌陷区的稳定区域（9勘探线—15勘探线）占地面积为41.01万m3。根据矿山塌陷区稳定区现状，将胶结尾矿回填作业区分为工业试验场地、胶结尾矿回填作业一区和胶结尾矿回填作业二区。工业试验场地主要为废石堆场;对于工业试验场地北部塌陷区的稳定区域以11勘探线为界线分为胶结尾矿回填作业一区和胶结尾矿回填作业二区。

首先进行胶结尾矿排放作业平台的平整作业，然后进行工业试验场地的胶结尾矿回填作业，最后自西向东逐步进行胶结尾矿回填作业一区和胶结尾矿回填作业二区的回填作业。对废石堆场地势较高区域进行平整后作为胶结尾矿排放作业平台使用。根据作业及安全要求，塌陷区稳定区域胶结尾矿排放作业平台顶宽为10 m，两侧平均坡比不大于1∶2。

为保障胶结尾矿回填作业安全，胶结尾矿回填采用池填法作业[6]，初步确定池子东西方向围埝间距为160 m，南北方向围埝间距为90 m。池填法围埝采用分期堆筑的方式，每次堆筑高度3.0 m左右，胶结尾矿回填高度低于围埝顶0.5 m。

3.6 作业区域覆土及绿化

1）覆土。胶结尾矿回填作业区域各个分段（田块）达到最终设计标高后即进行平整及复垦工作。覆土厚度为0.5 m，其中杂填土0.3 m，表层耕土0.2 m。所需各类土壤可从附近选取[7]。

2）覆土平整。对已充填完成的区块进行覆土后，对场地进行平整，平整坡度要求沿水流方向（大致为自南向北）平整为1/500，使水沿着坡度均匀地前进，既保证了地表植被所需水分，又确保了大量水渗透至地下回填层。

3）道路规划。治理区内道路分为田间道路和生产道路两级。田间道路是居民点到田间的通道，主要是为货物运输、作业机械向田间转移及为机器加水、加油等生产服务的道路;生产道路是指联系不同田块、通往田间的道路，主要起到田间货物运输的作用，为人工田间作业和收获农产品服务。

4）绿化。覆土后选择本地植物进行生物生态环境绿化。采用灌木和草进行全覆盖种植，为后期农作物种植蓄积肥力。

4 结 论

1）以某矿山塌陷区为研究对象，利用膏体充填技术进行治理，为类似矿山生态恢复、塌陷区治理和固废利用提供了参考。

2）矿山尾矿库即将达到总库容，本研究在节省新建尾矿库投资的同时，也能避免因新建尾矿库产生新的重大危险源，从本质上提升了安全程度。

3）在塌陷区上部进行生态环境恢复，消除了潜在的地质灾害，增加了农业用地，绿化了矿山环境，有利于矿山的绿色可持续发展。

4）该矿山已建成尾矿胶结充填站并进行了充填，通过沉降监测证实充填效果良好，達到了治理目的。

[参考文献]

[1] 庞乃勇.煤矿地表沉陷综合治理研究[J].科技情报开发与经济，2009，19（17）：204-205.

[2] 黄彬.基于实测的采空区稳定性分析[D].赣州：江西理工大学，2013.

[3] 程国华.诱导冒落技术在无底柱分段崩落法放顶中的应用[J].山西冶金，2010（5）：58-59.

[4] 肖旭峰，陈维，郑剑洪.全尾砂似膏体充填参数优化及设备优选研究[J].采矿技术，2014，14（1）：69-71.

[5] 史华.大冶铁矿塌陷区位移监测系统[D].武汉：武汉工程大学，2013.

[6] 王俊，伍红强.池填法在背阴山冲尾矿库筑坝中的应用[J].现代矿业，2018（2）：222-225.

[7] 黄丹勇.矿区土地复垦与生态环境恢复综述[J].湖南有色金属，2011（6）：45-48.

Study on ecological environment restoration in mine subsidence area and its application

Zhang Peng，Meng Hang

（Hebei Jituo Emergency Technology Co.，Ltd.）

Abstract：Due to underground mining of a mine，the ground surface subsides，geological hazards are severe and safe production is jeopardized.A series of analyses were carried out based on survey，using field measurement in subsidence area，stability analysis of subsidence area，tailings paste filling body development，subzone ecological restoration，and finally reached the comprehensive treatment plan of tailings paste filling and earthing vegetation.The plan not only solves subsidence area treatment and tailings stockpiling，but also reclaims an ecologically friendly environment for mines.Besides，it can provide reference for ecological restoration，subsidence area treatment and solid waste utilization for similar mines.

Keywords：subsidence area;ecological restoration;stability analysis;numerical simulation;paste filling;solid waste utilization