石膏礦采空區(qū)治理方案設(shè)計(jì)及效果分析

張曉芳

(長治市潞城區(qū)應(yīng)急救援指揮中心，山西 長治 047500)

引 言

石膏普遍應(yīng)用于工業(yè)和建筑行業(yè)，其主要成分為硫酸鈣，可用于模型制作、食品添加劑、水泥緩凝劑等。由于石膏具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值被廣泛開采，從而導(dǎo)致在石膏頂部的巖層、土壤等形成自由空間，這就是所謂的采空區(qū)。采空區(qū)由于破壞了原地表及石膏礦頂板圍巖的平衡狀態(tài)，極易出現(xiàn)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而對正常生產(chǎn)以及居民的正常生活造成影響[1]。故，需采取合理的方式對石膏礦的采空區(qū)進(jìn)行治理。本文將以某石膏礦為例對其采空區(qū)進(jìn)行治理，并對治理效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

該石膏礦所處位置交通發(fā)達(dá)并貫穿有鐵路，礦區(qū)褶皺構(gòu)造的走向?yàn)镹E-SW，褶皺構(gòu)造相對平緩且穩(wěn)定，其傾向?yàn)?35°～149°，傾角值為5°～15°；礦區(qū)次級構(gòu)造主要形式為小斷層，其走向?qū)⒔麰W方向，且傾角為60°～80°。該石膏礦內(nèi)石膏層呈現(xiàn)層疊狀態(tài)，石膏層的整體走向?yàn)镹E方向，傾角為5°～15°，傾斜方向?yàn)?35°～140°。

該石膏礦采空區(qū)的周邊沒有河流、池塘等，且該礦區(qū)所處地區(qū)降雨量很小。因此，該石膏礦的水文條件很簡單。

目前，該石膏礦采用巷道和房柱式相結(jié)合的方式進(jìn)行開采。經(jīng)探測，該石膏礦的開采深度已達(dá)50.2m，開采工作面的斷面形狀為矩形，對應(yīng)矩形的寬度為14 m，高度為2.2 m～6.1 m。由于其采空區(qū)處理不當(dāng)導(dǎo)致周邊居民的房屋、路面等出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，甚至在某些區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌事故[2]。因此，急需對石膏礦的采空區(qū)進(jìn)行治理。

2 石膏礦采空區(qū)治理方案選擇

結(jié)合多年對石膏礦采空區(qū)的治理經(jīng)驗(yàn)，針對石膏礦采空區(qū)治理不當(dāng)導(dǎo)致地面建筑物及土壤出現(xiàn)開裂甚至坍塌的事故可采用的常見治理方案總結(jié)如下：

1)對石膏礦頂部已變形的表層進(jìn)行加固；2)對石膏礦采空區(qū)遺留的房柱進(jìn)行加固，對石膏礦頂部、兩幫采用錨桿錨網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)；3)采用適當(dāng)充填材料對采空區(qū)進(jìn)行充填操作，保證采空區(qū)房柱的支護(hù)強(qiáng)度；4)主動(dòng)對石膏礦采空區(qū)上方的表層進(jìn)行強(qiáng)制崩落處理，崩落產(chǎn)生的巖層將采空區(qū)填滿。

總的來說，針對石膏礦采空區(qū)處理不當(dāng)所產(chǎn)生的各類危險(xiǎn)現(xiàn)象可采用地表加固、采空區(qū)加固、充填采空區(qū)以及主動(dòng)崩落采空區(qū)等手段進(jìn)行治理。上述四種治理方式優(yōu)劣勢對比如表1所示。

表1 采空區(qū)治理方案優(yōu)劣勢對比

如表1所示，通過對比不同治理方案的優(yōu)劣勢，結(jié)合石膏礦的地表層、地質(zhì)以及水文等條件，最終決定采用對采空區(qū)進(jìn)行充填的方式實(shí)現(xiàn)對石膏礦采空區(qū)的治理。

3 采空區(qū)充填治理參數(shù)的設(shè)計(jì)

基于充填采空區(qū)的方式對石膏礦采空區(qū)的治療效果和加固質(zhì)量在很大程度上受制于充填材料的性能。因此，需根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況選擇最佳充填材料，并在實(shí)際充填操作之前進(jìn)行黏土固化強(qiáng)度試驗(yàn)，從而充分掌握黏土固化體強(qiáng)度和固化劑之間的關(guān)系，為充填材料的各個(gè)原材料的配比比例的選擇提供指導(dǎo)，在達(dá)到充填強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的目的[3]。

固化劑為影響充填材料最終充填強(qiáng)度的主要因素，本文將以石膏、水泥、石灰、水玻璃為基料開展單一固化劑和混合固化劑的充填效果的對比研究。具體研究步驟如下：

1)在石膏礦礦區(qū)取樣，對其黏土的含水量、化學(xué)成分以及石膏的化學(xué)成分進(jìn)行測定；

2)對比研究不同固化劑及其在不同組合下所配比的充填材料對最終充填強(qiáng)度的影響，最終確定最佳固化劑；

3)研究石膏礦充填材料濃度預(yù)期對應(yīng)塌落度的關(guān)系，從而得出在充填的兩個(gè)階段(自流充填和和泵送充填)下對應(yīng)的最佳濃度值，保證充填強(qiáng)度的同時(shí)達(dá)到節(jié)約成本的目的[4]。

結(jié)合以往充填材料固化劑的配制經(jīng)驗(yàn)，混合固化劑對黏土固化的強(qiáng)度優(yōu)于單一固化劑的固化強(qiáng)度。因此，將分別以石灰、石膏、水泥以及水玻璃為基料，并按照不同比例加入其他三種外加劑所配制的混合固化劑對黏土的固化強(qiáng)度進(jìn)行對比分析。

經(jīng)試驗(yàn)對比可知，當(dāng)以水泥為基料，以石膏、石灰以及水玻璃為外加劑時(shí)其所配制而成的混合固化劑的抗壓強(qiáng)度最大，不同外加劑比例與水泥比例對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度值如表2所示。

表2 以水泥為基料，石膏、石灰、水玻璃為外加劑的混合固化劑試驗(yàn)結(jié)果

如表2所示，當(dāng)水泥為60%，石膏為30%，石灰為10%，水玻璃為0%時(shí)所配制的混合固化劑對黏土的固化強(qiáng)度最大，約為1.6 MPa。

在實(shí)際充填操作中需經(jīng)歷自流充填和泵送充填，當(dāng)自流充填至距離石膏頂板1 m～1.5 m的位置時(shí)開始進(jìn)行泵送充填。其中，自流充填階段是對應(yīng)充填材料由水泥(8%)、石膏(4%)和黏土(88%)組成；泵送充填階段對應(yīng)充填材料由水泥(10%)、石膏(5%)和黏土(85%)組成。

4 充填效果分析

針對不同充填階段在不同充填材料中加入同一混合固化劑對該石膏礦的采空區(qū)進(jìn)行治理，具體充填工藝如下：采用自流充填材料充填距離石膏礦采空區(qū)頂板1 m～1.5 m后，停止充填操作，并靜置15 d后開始泵送充填[5]。該石膏礦采空區(qū)充填完成后，其治理效果總結(jié)如下：

1)經(jīng)對充填完成后采空區(qū)進(jìn)行探測可知，采用自流與泵送的聯(lián)合充填方式可實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)95%的充填率；

2)經(jīng)探測，采用上述充填材料和固化劑的共同作用后可所得充填體的強(qiáng)度可達(dá)0.2MPa，能夠有效對充填體上方的巖層起到加固的作用。

5 結(jié)語

石膏礦開采完成后的采空區(qū)治理不當(dāng)存在極大的安全隱患，因此需對石膏礦采空區(qū)采取巖層永久加固的同時(shí)還需對其房柱進(jìn)行加固。在實(shí)際加固過程中所選擇的最佳固化劑應(yīng)以水泥為主要成分，石膏和石灰為配料，并分自流充填階段和泵送充填階段完成對采空區(qū)的治理。經(jīng)實(shí)踐表明，采取上述方案治理后對應(yīng)采空區(qū)的強(qiáng)度可達(dá)0.2 MPa，具有顯著的治理效果。