地下采矿活动产生的采空区,严重诱发了地质灾害,造成了生态环境的破坏。如何有效治理采空区,不仅是绿色矿山建设的要求,也是生态文明建设的需要。 在2015中国国际矿业大会绿色矿山论坛上,一直致力于采空区绿色技术研究的北京中色资源环境工程有限公司总经理丁继新,发表了《我国采空区隐患以及绿色治理技术的发展与应用现状》的专题演讲,就如何采用先进绿色治理技术,消除采空区隐患,促进绿色矿山和生态文明等进行了详细讲解。 记者:矿山采空区是如何形成的?有哪些危害? 丁继新:采空区是矿山开采的专业术语,金属矿山开采中称为“空区”、“空场”,煤炭开采中也称“老窿”、“老塘’。采空区概念有广义和狭义之分。广义的采空区概念,即因人为作用在地下采挖出的所有空间;狭义的采空区概念,即因人为开采出矿体而遗留的空间。由于采空区是矿山开采的专业术语,因此,在矿山行业,“因采矿活动而产生”应该是采空区的第一特征。 我国已建成国有矿山1万多个,个体矿山10万多个,每年从地下开采出约50亿吨矿石。在矿产资源开采过程中,由于经历过严重的失控阶段,乱采滥挖一度泛滥,采后又未处理,导致我国众多矿点空区丛生。根据国家安全生产监督管理总局对全国25个省市的457家金属非金属大中型矿山采空区所开展的调查,截至2008年,我国采空区的面积达到4.32亿立方米。大量采空区的存在及其失稳,造成了矿区周边地面塌陷等地质灾害、生态环境破坏及一系列安全事故的发生等。 记者:我国采空区隐患具有哪些特征? 丁继新:一是大型采空区数量比重小,但总体积比重大。根据国家安全生产监督管理总局调查结果,将所调查全国25个省市的457家矿山采空区规模按照小于50万立方米、50万立方米~100万立方米、100万立方米~500万立方米、500万立方米~1000万立方米、大于1000万立方米进行分类和统计分析。由统计图可以看出,从全国范围来看,小于50万立方米的采空区数量最多,占到总数的66.3%。100万立方米至500万立方米的采空区数量占到21.9%,大于500万立方米的采空区数量仅占4.6%。但是从体积规模来看,全国大于100万立方米采空区的总体积规模占到82.5%,大于500万立方米采空区的总体积规模占到40.9%。由此可见,大型矿山开采产生的大型采空区在全国数量上虽相对较少,但其规模却占据了全国采空区规模的大部。因此,需要密切关注这些大型采空区的稳定与安全,防止大型群发性灾害的发生。 二是不同行业采空区数量和规模的结构存在差异性。将调查结果按照黄金、黑色和有色矿山不同行业进行分类和统计分析,从统计结果可以看出,黄金矿山不同采空区的数量以小于50万立方米为主,规模普遍较小,无超过1000万立方米的采空区。与之相似,黑色矿山不同采空区的数量也以小于50万立方米为主,规模普遍较小。但是该行业矿山中500万立方米~1000万立方米和超过1000万立方米的采空区也占据较大比例。与之不同的是,有色矿山不同规模的采空区在数量上差异相对较小,即有色矿山具有多种不同规模类型的采空区。在三个行业的采空区中,除了小于50万立方米的采空区数量最多外,体积规模在100万立方米~500万立方米的采空区数量占据第二(但其总体积在各类采空区中占据第一)。因此,体积规模在100万立方米~500万立方米的采空区特征、危害及防治等需引起更多的关注。 记者:我国采空区塌陷灾害具有哪些特点,对生态环境和安全生产造成了哪些危害? 丁继新:采空区塌陷灾害具有隐蔽性、突发性和危害性大等特点。采空区的失稳将直接造成地面塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡等地质灾害的发生,破坏当地公路、桥梁、建筑物等基础设施;毁坏农田、庄稼和森林等生态系统;改变地下水的水质水量和流动状态等水文系统。近年来,由于采空区塌陷具有隐蔽性和突发性等特点,导致出现了诸多危害性较大的地质环境安全事故。这一点从部分已见诸报道的灾害就可以看出,如2002年5月22日,云南省兰坪县南场铅锌矿因采空区突发地面塌陷,导致5人失踪。2005年12月26日,河南安阳三鑫工贸公司都里铁矿因采空区突发大面积塌陷,形成了长约100米、宽约50米、深约60米的塌陷坑。2006年8月19日,石门县天德石膏矿因采空区大面积冒顶引发了大面积坍塌,塌陷区面积约1.8万平方米,塌陷区中心下沉约15米,造成了9人死亡的灾难。2011年2月13日,鄂州市汀祖镇丁坳村大铜坑矿区突然发生地表塌陷,形成了约5200平方米的大深坑。据不完全统计,全国已发生大规模采空区塌陷灾害200余处,累计塌陷面积70万公顷以上,经济损失超过500亿元。 记者:治理未动,基础先行。在治理采空区塌陷之前应该做好哪些基础性工作? 丁继新:一是对采空区进行调查识别。为消除采空区的安全隐患,必须开展采空区的调查工作,查明采空区的分布、范围、规模等。只有对采空区的空间分布状态有了充分的了解,治理才能有的放矢。 对于采空区的识别,目前主要是以工程地质和采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主,辅以变形观测和水文试验等。在识别过程中,应首先进行详细的工程地质和采矿情况调查,大概确定采空区部位、范围及其周边的工程地质特征;然后根据测区地形、地质条件,选择适宜的地球物理探测方法进行探测。随着科学技术的发展和计算机技术的应用,许多新方法、新技术不断地被引入物探领域,为地球物理方法的进一步发展开辟了广阔的空间。如常用的地球物理探测方法有:重力勘探方法,即利用地下采空区质量亏损或盈余,在地表观测他们所引起的重力异常特征,从而确定地下采空区的分布、大小、边界等。电磁方法,即根据地质体导电性和导磁性的不同,利用电磁感应原理进行采空区的探测,具体包括高密度电阻率层析成像法、瞬变电磁勘探法、甚低频电磁法和地质雷达法等方法。地震勘探,即利用地下介质弹性和密度的差异来进行采空区的探测。最后再根据调查及物探结果,布设钻孔进行验证,从而综合分析地质、物探和钻探资料,圈定采空区的分布、范围、规模等。 二是采空区稳定性分析评价。在识别了采空区之后,对于其稳定性如何,是否进行及如何采取有效的治理方法等,需要进行计算分析。当前对采空区稳定性评价多以定性评价为主,定量评价方法正在逐步发展和应用,如可采用理论经验公式法、预计法、块体理论法、数值模拟方法和安全评价法等。理论经验公式法通过计算采空区最大冒落带高度和最大导水裂隙带高度,以最大导水裂隙带高度作为评价采空区是否会形成地面塌陷、地表发生裂隙变形的判定指标。当采空区顶板埋深小于最大导水裂隙带高度时,对应的采空区地表水平投影范围属破坏性影响区,为不稳定的采空区范围。预计法主要对顶板承载力、剩余地表变形量及残留空硐的稳定性、地表破坏范围等进行计算。计算机技术的发展推动了数值模拟方法在采空区稳定性计算中的应用。如可使用有限单元法(如ANSYS)、有限差分法(如FLAC)及离散单元法(如UDEC)等,这为地质及采矿工程分析提供了有效的工具。 记者:我国采空区绿色治理技术发展及应用情况如何? 丁继新:对于采空区的治理,应构建“灾前预防、灾后治理”的防治体系。在灾前预防中,应充分遵循“避开”原则:一方面,编制采空区治理布骤,合理避让村庄、乡镇等重要工程设施区;另一方面,在建筑选址时,以尽量避开采空区为宜,尤其是矿层急倾斜的矿区。 在已有建筑物的地下开采,或建筑物要通过正开采的矿区以及无法避开采空区时,可采取多种治理技术进行处理。目前,国内外采空区治理技术主要有崩落法、充填法、支撑法和封闭隔离法以及这4个基本方法的组合方法。这几种方法各有优缺点,在具体应用时,应根据采空区及其周边具体情况,选择适宜的方法,充分发挥其优越性,克服其局限性。下面就其中主要和常用的方法进行说明: 采空区顶板崩落法是崩落上方围岩,对采空区进行充填,从而充满采空区或形成缓冲垫层,可以防止采空区突然垮落造成的气浪等。这种方法操作简单,治理费用较低,能有效防止采空区大面积突然塌陷,在矿山充填中得到了广泛的应用。 采空区充填法是最有效和环保效果最好的空区处理方法。它用充填材料充满采空区,支撑采空区围岩,防止顶板发生位移和失稳,达到控制塌陷的目的。常规的充填材料有膏体、矸石、风积沙、发泡水泥和高水材料等,以及近年来的多种人造特殊材料,如瑞米充填材料等。按照充填位置、充填量、充填动力和充填物质等,充填法可以分为多种类型。在充填过程中,如何消除充填剩余采空区,使充填料与顶板结顶,是施工工艺中的关键,也是目前国内外矿山广泛关注并亟待解决的技术难题。 采空区注浆治理技术则是属于部分充填方法。根据施工工艺,可将其分为采空区条带充填技术、冒落区注浆充填技术和分区隔离注浆充填技术等。目前,在有地表高速公路、铁路及其他重要建筑物通过采空区时,许多工程都采用了采空区注浆充填加固的方法。 总之,采空区治理应充分重视灾前预防,充分遵循“避开”原则进行规划设计。目前我国的采空区防治工作正朝着定量化分析,空区处理和资源开采协同进行,绿色环保无害化的方向发展。随着科学技术的发展,采空区的防治手段必将越来越丰富、科学和经济。

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