廣西大新錳礦地下開采誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的防治

劉文安，段志偉，張麗云

(1. 中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司 大新錳礦分公司，廣西 大新 532315； 2. 中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

0 前 言

礦山地質(zhì)災(zāi)害是由于自然地質(zhì)作用和人為開采因素導(dǎo)致礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境惡化造成的，危及生命財產(chǎn)安全，并能造成重大經(jīng)濟損失的礦區(qū)災(zāi)害，是自然災(zāi)害的重要組成部分，是地質(zhì)災(zāi)害的分支。地下開采產(chǎn)生的或潛在的礦山地質(zhì)災(zāi)害主要有地面變形災(zāi)害和礦井災(zāi)害。地面變形災(zāi)害主要表現(xiàn)為地面塌陷、地面沉降和地裂縫，同時又可能進一步誘發(fā)山體開裂，進而發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害?？v觀全國范圍內(nèi)的礦山開采，礦山地質(zhì)災(zāi)害的防治是個十分嚴(yán)峻的問題，只有科學(xué)、客觀地認(rèn)識礦山地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的原因，才能有效地防治及處理礦山開采過程中所產(chǎn)生的不利因素影響，確保人民群眾的生命財產(chǎn)安全，減少重大的經(jīng)濟損失[1]。

1 礦山開采現(xiàn)狀

大新錳礦經(jīng)過五十多年的露天開采，南翼礦段的露天開采作業(yè)已進入閉坑收尾階段，礦山復(fù)墾工作也在有序地開展，其中，礦區(qū)0～4a線范圍存在已閉坑多年的民采廢棄窿道及采空區(qū)。

大新錳礦南翼礦段地下開采采用膠帶斜井與中央副井(豎井)聯(lián)合開拓，自1999年開工建設(shè)，經(jīng)過多次改造擴能建設(shè)，綜合生產(chǎn)能力達(dá)80～100萬t/a。同時，大新錳礦150萬t/a采礦擴能工程正在建設(shè)當(dāng)中，屆時，地下開采設(shè)計能力150萬t/a。公司生產(chǎn)所需礦石原料全部由地下礦山供應(yīng)。

隨著地下礦山提供礦石原料所占比重愈來愈大，地下開采在公司原料供應(yīng)中逐漸占據(jù)決定性的主導(dǎo)地位。然而，在井巷建設(shè)和地下開采的過程中，誘發(fā)了一些常見的礦山地質(zhì)災(zāi)害：①民采區(qū)域?qū)Φ叵滤磸?fù)疏干，山體地面變形，形成地裂縫，發(fā)展誘發(fā)了山體開裂，最終造成了山體崩塌的災(zāi)害；②近地表區(qū)域因地下開采形成空區(qū)誘發(fā)地面塌陷；③采空區(qū)的存在造成地面塌陷，28線原觀景平臺消失(見圖2)；④采空區(qū)誘發(fā)斷層移動，破壞公路設(shè)施；⑤采空區(qū)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力變化造成邊坡位移，出現(xiàn)地面下沉；⑥在膠帶斜井井巷工程施工過程中，因爆破后發(fā)生溶洞泄水，造成地面沉降，生產(chǎn)車間的構(gòu)筑物不同程度下沉，等等。

這些礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生對我們敲響了警鐘，提醒我們“預(yù)防為上，治理為下”的地質(zhì)災(zāi)害防治指導(dǎo)思想[2]。

2 大新錳礦地下開采誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害

大新錳礦礦區(qū)屬于典型的喀斯特地貌，溶洞發(fā)育，地下水中等偏復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)斷層、褶皺發(fā)育，礦區(qū)位于向斜內(nèi)，這些客觀因素的存在與人為開采活動加劇了誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性。由于礦區(qū)地形對建設(shè)場地造成的限制，生產(chǎn)廠區(qū)大多建設(shè)在受地下開采活動影響的區(qū)域范圍內(nèi)，主要礦區(qū)運輸公路和部分工業(yè)設(shè)施座落于塌陷區(qū)范圍內(nèi)。經(jīng)分析，主要存在的地質(zhì)災(zāi)害和影響表現(xiàn)有以下幾點。

2.1 采空區(qū)塌陷

根據(jù)設(shè)計和現(xiàn)場開采施工實際，目前礦山地下開采主要采礦方法是空場采礦法中的留礦法及房柱法。此類采礦方法在井下形成巨大的采空區(qū)，當(dāng)其達(dá)到一定空間規(guī)模后，采空區(qū)上覆頂板巖層無法承載自身重力、覆蓋巖層及建筑物等壓力作用，會產(chǎn)生向下的彎曲和移動，超過其極限強度時，頂板發(fā)生斷裂，上層覆蓋巖層相繼向下彎曲、移動，直至發(fā)生斷裂以及離層等現(xiàn)象，最終波及地表而形成盆地類型的塌陷坑。一旦發(fā)生此類事故，會造成井下生產(chǎn)設(shè)施和地表工業(yè)建筑設(shè)施破壞，危及人身、財產(chǎn)安全。

2.2 地面沉降

地下開采活動形成流水通道，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的地下水逐漸疏干，巖層間失去了水的浮力，造成地下松散地層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地面局部不均勻降低，地下水疏干周而復(fù)始的作用，會使部分泥土顆粒不同步地流失，從而加劇地面沉降，溶洞的泄水更為嚴(yán)重，會造成地表直接塌陷，最終導(dǎo)致地面構(gòu)筑物被破壞。如硫酸錳廠、一氧化錳廠、中試廠和電解金屬錳廠等都在受地面沉降影響范圍區(qū)域內(nèi)。

2.3 地裂縫及山體崩塌

礦區(qū)為喀斯特地貌，巖溶發(fā)育，斷層、褶皺發(fā)育，進而巖層節(jié)理發(fā)育，采空區(qū)的變化使得巖層應(yīng)力發(fā)生很大變化，地表水的滲透，地下水的疏干也使得巖層裂隙水反復(fù)被疏干，加劇地裂縫的發(fā)展，達(dá)到一定極限后會形成山體崩塌。山體崩塌受自然環(huán)境及地質(zhì)條件的影響較大，隨著地采開采大片空區(qū)的形成，邊坡巖體受地表不均勻沉降影響，在自身重力及外界應(yīng)力的作用下，達(dá)到一定程度后，會形成一定范圍內(nèi)的巖體破壞結(jié)構(gòu)面，進而發(fā)生山體崩塌[3]。

2.4 礦井突水

隨著地采深度的不斷增加，井下涌水量日益增多。礦井突水是錳礦地下開采一種較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。井下突水來勢兇猛，具有瞬時涌水量并造成重大損失的特點，井下冒水災(zāi)害已然成為影響井下安全開采的重大關(guān)鍵問題。目前，大新錳礦地下開采掘進面涌水量變化較大，為了保證安全掘進，始終堅持“有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，采用物探(瞬變電磁儀)、鉆探等探水手段對掘進面做好超前探放水工作，及時探明周邊的地層含水情況，杜絕突水事件的發(fā)生。

3 大新錳礦地質(zhì)災(zāi)害的勘察方法

1)地球信息技術(shù)綜合法

目前，大新錳礦對于地下開采誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害觀測方法主要有GPS、RS及GIS等技術(shù)。這些地球信息綜合技術(shù)方法可以直觀的反應(yīng)各種情況，有效的提高工作效率，對于礦山地質(zhì)災(zāi)害的勘察及預(yù)測有重要參考作用。

2)水文地質(zhì)與巖土力學(xué)試驗法

當(dāng)前，水文地質(zhì)與巖土力學(xué)試驗法是礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控最為常見的方法之一，該方法可以有效直觀的監(jiān)控、分析礦山地質(zhì)災(zāi)害問題，主要通過現(xiàn)場調(diào)查獲取數(shù)據(jù)資料，結(jié)合巖土力學(xué)水質(zhì)、浸泡等試驗分析地質(zhì)災(zāi)害問題，該方法相對地球信息技術(shù)優(yōu)勢較低，但卻能更本質(zhì)的體現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害問題[4]。

3)地球物理勘探方法

地球物理勘探方法也是大新錳礦地下開采勘探地質(zhì)災(zāi)害破壞情況的一種方式。該方法主要通過對巖土導(dǎo)電性能的差異進行對比的一種勘探方法。目前，使用較多的主要為瞬變電磁儀器的超前探測法，該方法通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)巖層體周區(qū)物質(zhì)的導(dǎo)電性差異來判別裂隙及巖溶水情況，后續(xù)通過數(shù)據(jù)繪制剖面圖件，綜合分析后給以現(xiàn)場掘進工作提供參考依據(jù)。瞬變電磁地球物理勘探法有效的避免了井下突水災(zāi)害的發(fā)生。

4)地球化學(xué)勘探方法

地球化學(xué)勘探法主要通過對破壞區(qū)內(nèi)巖土體的取樣化驗進而判斷地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的環(huán)境污染問題。通過對污染因素和污染源頭的取樣分析，準(zhǔn)確的控制巖土體污染情況，該方法對于礦山地質(zhì)災(zāi)害污染機制的研制具有重大參考依據(jù)。

4 大新錳礦地下開采地質(zhì)災(zāi)害的防治措施

在進行地下開采的同時，為減少、降低誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能，確保地面構(gòu)建物、人身及財產(chǎn)安全，在工程施工過程中對地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)判，采取預(yù)防和治理措施是極為必要的。

1)采用科學(xué)有效的生產(chǎn)體制

在礦山開采設(shè)計時，結(jié)合地層巖性、礦體的賦存條件，采用合理、科學(xué)的采礦方法，必要時采用適當(dāng)?shù)闹ёo方式；加強礦井開采工作管理，嚴(yán)禁違規(guī)操作和非正常開采，做好井下突水的防治措施。其次，運用科學(xué)有效的管理體制，對礦區(qū)范圍內(nèi)人員及環(huán)境的科學(xué)管理，完善地質(zhì)環(huán)境治理規(guī)程，充分發(fā)揮因地制宜的治理方案，加快礦區(qū)綠色礦山建設(shè)。

2)采空區(qū)回填及隱患排查

采取充填開采技術(shù)和減災(zāi)的采礦方法，達(dá)到減輕塌陷災(zāi)害的預(yù)防目的，如有選擇性的充填關(guān)鍵位置的采空區(qū)；為防止地表大面積塌陷，可以對采空區(qū)人為地崩落圍巖、充填部分采空區(qū)，對地表塌陷區(qū)及時充填、復(fù)墾。同時有針對性對廠區(qū)車間地質(zhì)條件進行排查，容易受地下水變化影響的區(qū)域地層或存在溶洞位置，應(yīng)進行注漿固結(jié)或充填，避免發(fā)生不均勻沉降或塌陷；對人員集居、廠區(qū)構(gòu)筑物和主要交通公路周邊山體進行排查、監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)排除險體或加固處理，采空區(qū)的存在會使巖體應(yīng)力發(fā)生很大變化，從而產(chǎn)生裂隙，地下水疏干、滲透周而復(fù)始的作用促使地質(zhì)條件惡化,引發(fā)嚴(yán)重后果。

3)積極進行開采沉降監(jiān)測預(yù)報

礦區(qū)開采的沉陷問題具有一定的規(guī)律，沉陷區(qū)形成與地質(zhì)采礦因素息息相關(guān)，如礦層的傾角、開采厚度、采區(qū)布置及采礦方法等。大新錳礦不同片區(qū)地質(zhì)采礦條件差異較大，開采導(dǎo)致的沉陷分布規(guī)律也有區(qū)別。因此，大新錳礦地采開采工程應(yīng)積極進行開采沉陷的監(jiān)測及預(yù)報，可在已開采的區(qū)域布置地表移動觀測站點，定期安排人員對不同時期內(nèi)站點的空間位置變化進行觀測，通過前后數(shù)據(jù)的對比分析，總結(jié)出每個片區(qū)因開采問題而導(dǎo)致的地表移動、沉陷及變形的變化規(guī)律，從而有效的預(yù)計和預(yù)報各采區(qū)因沉陷問題而導(dǎo)致的設(shè)施破壞問題。預(yù)計所得的結(jié)果可作為因沉陷影響而導(dǎo)致的設(shè)施破壞維修及地表預(yù)回填的工作依據(jù)[5]。

4)礦井突水防治措施

對于井下突水災(zāi)害，必須做好超前探水工作，了解開采礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，通過研究巖體內(nèi)斷裂構(gòu)造的分布規(guī)律，做好疏水降壓、溶洞泄水方案，有準(zhǔn)備、有目的泄水，避免因泄水造成地表塌陷，危及地面工程或井下工程。必要時對溶洞提前充填，通過地面注漿站集中造漿、注漿，井下施工注漿孔向巖溶裂隙破碎帶注漿可以有效防治井下突水事件的發(fā)生。

5)建立健全地質(zhì)災(zāi)害管理制度

大新錳礦地下開采隨著采區(qū)的不斷擴大，地表沉降、邊坡坍塌等問題日益增多，為了有效的把礦山地質(zhì)災(zāi)害控制在合理范圍內(nèi)，建立健全地質(zhì)災(zāi)害管理制度刻不容緩。通過建立各項規(guī)章管理制度，健全大新錳礦生態(tài)風(fēng)險評價體制及安裝災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)預(yù)警系統(tǒng)，加強環(huán)境保護觀念，因地制宜治理各項地質(zhì)災(zāi)害。在進行地下開采工作時，必須明確礦山企業(yè)保護環(huán)境的責(zé)任，通過引進先進的采礦技術(shù)，減少因采礦不合理而產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害問題。對于已產(chǎn)生的災(zāi)害問題，治理合理的環(huán)境恢復(fù)措施，定期對環(huán)境的恢復(fù)情況進行監(jiān)督檢查。同時，積極推行地質(zhì)環(huán)境保證金制度，設(shè)立防治基金來完善投入機制，減少礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

5 塌陷區(qū)域環(huán)境災(zāi)害治理

隨著大新錳礦地下開采深度及范圍的增大，礦區(qū)土地的坍塌及開裂問題時有發(fā)生。近期中央副井部分工業(yè)設(shè)施因地面沉降導(dǎo)致的墻體開裂和副井周區(qū)邊坡的滑塌等問題都強烈說明著塌陷災(zāi)害治理的必要性。因此，必須采取合理措施對地表塌陷區(qū)進行全面治理。地表塌陷的治理應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的塌陷情況及礦區(qū)生產(chǎn)條件進行規(guī)劃，通過科學(xué)有效的治理措施因地制宜的開展。首先，對于塌陷區(qū)內(nèi)無積水的情況且易出現(xiàn)大量裂痕、塌陷坑等不連續(xù)破壞形態(tài)可使用推土機填土進行修補和平整。對于有積水的塌陷區(qū)，可采用疏水法建立排水系統(tǒng)，通過排水渠把水排入附近河流，后續(xù)再使用推土機填土整平。其次，對于較深的塌陷區(qū)，可采用挖深墊淺法，即將塌陷深的區(qū)域再挖深，挖出的土方用于回填淺的塌陷區(qū)，使塌陷深區(qū)改造成魚塘，塌陷淺區(qū)恢復(fù)成耕地。塌陷區(qū)域的改造治理不僅可以有效的恢復(fù)原有的生態(tài)地貌，也可促進當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。

6 結(jié) 語

地下開采引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的條件是必然存在的，隨著大新錳礦地下開采工程的不斷擴大，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的幾率隨之增大，我們一定要防范于未然，充分分析地質(zhì)災(zāi)害存在的類型，有針對性地對已發(fā)生和潛在的地質(zhì)災(zāi)害采取治理和預(yù)防措施，將地質(zhì)災(zāi)害可能造成的損失降到最低。在今后的地下開采工作中，必須對礦體的變化情況進行核實，在充分了解礦體空間形態(tài)下采取合理的采礦方法，減少因不合理的采礦工藝而產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害問題。同時提高地質(zhì)災(zāi)害的防治水平，確保資源開采與環(huán)境保護協(xié)同發(fā)展，促進區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的好轉(zhuǎn)，為大新錳礦建設(shè)新型綠色礦山奠定堅實的基礎(chǔ)。