石膏矿采空区治理方案设计及效果分析

张晓芳

(长治市潞城区应急救援指挥中心，山西 长治 047500)

引 言

石膏普遍应用于工业和建筑行业，其主要成分为硫酸钙，可用于模型制作、食品添加剂、水泥缓凝剂等。由于石膏具有非常重要的应用价值被广泛开采，从而导致在石膏顶部的岩层、土壤等形成自由空间，这就是所谓的采空区。采空区由于破坏了原地表及石膏矿顶板围岩的平衡状态，极易出现坍塌的风险，进而对正常生产以及居民的正常生活造成影响[1]。故，需采取合理的方式对石膏矿的采空区进行治理。本文将以某石膏矿为例对其采空区进行治理，并对治理效果进行验证。

1 工程概况

该石膏矿所处位置交通发达并贯穿有铁路，矿区褶皱构造的走向为NE-SW，褶皱构造相对平缓且稳定，其倾向为135°～149°，倾角值为5°～15°；矿区次级构造主要形式为小断层，其走向将近EW方向，且倾角为60°～80°。该石膏矿内石膏层呈现层叠状态，石膏层的整体走向为NE方向，倾角为5°～15°，倾斜方向为135°～140°。

该石膏矿采空区的周边没有河流、池塘等，且该矿区所处地区降雨量很小。因此，该石膏矿的水文条件很简单。

目前，该石膏矿采用巷道和房柱式相结合的方式进行开采。经探测，该石膏矿的开采深度已达50.2m，开采工作面的断面形状为矩形，对应矩形的宽度为14 m，高度为2.2 m～6.1 m。由于其采空区处理不当导致周边居民的房屋、路面等出现开裂的现象，甚至在某些区域出现严重坍塌事故[2]。因此，急需对石膏矿的采空区进行治理。

2 石膏矿采空区治理方案选择

结合多年对石膏矿采空区的治理经验，针对石膏矿采空区治理不当导致地面建筑物及土壤出现开裂甚至坍塌的事故可采用的常见治理方案总结如下：

1)对石膏矿顶部已变形的表层进行加固；2)对石膏矿采空区遗留的房柱进行加固，对石膏矿顶部、两帮采用锚杆锚网的联合支护；3)采用适当充填材料对采空区进行充填操作，保证采空区房柱的支护强度；4)主动对石膏矿采空区上方的表层进行强制崩落处理，崩落产生的岩层将采空区填满。

总的来说，针对石膏矿采空区处理不当所产生的各类危险现象可采用地表加固、采空区加固、充填采空区以及主动崩落采空区等手段进行治理。上述四种治理方式优劣势对比如表1所示。

表1 采空区治理方案优劣势对比

如表1所示，通过对比不同治理方案的优劣势，结合石膏矿的地表层、地质以及水文等条件，最终决定采用对采空区进行充填的方式实现对石膏矿采空区的治理。

3 采空区充填治理参数的设计

基于充填采空区的方式对石膏矿采空区的治疗效果和加固质量在很大程度上受制于充填材料的性能。因此，需根据矿区实际情况选择最佳充填材料，并在实际充填操作之前进行黏土固化强度试验，从而充分掌握黏土固化体强度和固化剂之间的关系，为充填材料的各个原材料的配比比例的选择提供指导，在达到充填强度的同时实现节约成本的目的[3]。

固化剂为影响充填材料最终充填强度的主要因素，本文将以石膏、水泥、石灰、水玻璃为基料开展单一固化剂和混合固化剂的充填效果的对比研究。具体研究步骤如下：

1)在石膏矿矿区取样，对其黏土的含水量、化学成分以及石膏的化学成分进行测定；

2)对比研究不同固化剂及其在不同组合下所配比的充填材料对最终充填强度的影响，最终确定最佳固化剂；

3)研究石膏矿充填材料浓度预期对应塌落度的关系，从而得出在充填的两个阶段(自流充填和和泵送充填)下对应的最佳浓度值，保证充填强度的同时达到节约成本的目的[4]。

结合以往充填材料固化剂的配制经验，混合固化剂对黏土固化的强度优于单一固化剂的固化强度。因此，将分别以石灰、石膏、水泥以及水玻璃为基料，并按照不同比例加入其他三种外加剂所配制的混合固化剂对黏土的固化强度进行对比分析。

经试验对比可知，当以水泥为基料，以石膏、石灰以及水玻璃为外加剂时其所配制而成的混合固化剂的抗压强度最大，不同外加剂比例与水泥比例对应的抗压强度值如表2所示。

表2 以水泥为基料，石膏、石灰、水玻璃为外加剂的混合固化剂试验结果

如表2所示，当水泥为60%，石膏为30%，石灰为10%，水玻璃为0%时所配制的混合固化剂对黏土的固化强度最大，约为1.6 MPa。

在实际充填操作中需经历自流充填和泵送充填，当自流充填至距离石膏顶板1 m～1.5 m的位置时开始进行泵送充填。其中，自流充填阶段是对应充填材料由水泥(8%)、石膏(4%)和黏土(88%)组成；泵送充填阶段对应充填材料由水泥(10%)、石膏(5%)和黏土(85%)组成。

4 充填效果分析

针对不同充填阶段在不同充填材料中加入同一混合固化剂对该石膏矿的采空区进行治理，具体充填工艺如下：采用自流充填材料充填距离石膏矿采空区顶板1 m～1.5 m后，停止充填操作，并静置15 d后开始泵送充填[5]。该石膏矿采空区充填完成后，其治理效果总结如下：

1)经对充填完成后采空区进行探测可知，采用自流与泵送的联合充填方式可实现对采空区95%的充填率；

2)经探测，采用上述充填材料和固化剂的共同作用后可所得充填体的强度可达0.2MPa，能够有效对充填体上方的岩层起到加固的作用。

5 结语

石膏矿开采完成后的采空区治理不当存在极大的安全隐患，因此需对石膏矿采空区采取岩层永久加固的同时还需对其房柱进行加固。在实际加固过程中所选择的最佳固化剂应以水泥为主要成分，石膏和石灰为配料，并分自流充填阶段和泵送充填阶段完成对采空区的治理。经实践表明，采取上述方案治理后对应采空区的强度可达0.2 MPa，具有显著的治理效果。