白建偉， 王明輝, 孫光華

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 河北 唐山 063210; 2.唐山市遷西縣應(yīng)急管理局， 河北 唐山 064300)

1 前言

地下礦山淹井屬于罕見案例，淹井措施實(shí)施前后涉及諸多問題需要考慮。第一，要考慮經(jīng)濟(jì)損失是否符合礦山可接受范圍以及淹井后恢復(fù)生產(chǎn)所需費(fèi)用是否能為礦山所能承擔(dān)。第二，淹井措施實(shí)施過程中涉及到諸多安全問題，要考慮到生產(chǎn)系統(tǒng)、井下設(shè)備、采空區(qū)及圍巖等因素的安全性和可行性。第三，淹井措施實(shí)施后如何制定相關(guān)安全管理制度及應(yīng)急預(yù)案也十分必要。

本文以高官營鐵礦停產(chǎn)淹井事件為背景，通過對該礦山開采方法、生產(chǎn)系統(tǒng)、井下設(shè)備、采空區(qū)現(xiàn)狀等方面的綜合調(diào)查，分析了地下水對巖體、設(shè)備、充填體等主要易受危害因素的影響，確定淹井方案的合理性，并根據(jù)淹井對礦區(qū)的影響制定相應(yīng)的安全防護(hù)措施，以在最大程度上保證方案的安全性，為礦企淹井方案的實(shí)施提供依據(jù)。

2 可行性分析

2.1 礦區(qū)位置

礦區(qū)位于河北省灤縣新城南5km，位于灤縣灤州鎮(zhèn)境內(nèi)。礦區(qū)南北長1.1km，周邊無其他生產(chǎn)礦山，礦區(qū)西側(cè)有高官營村，該村不在高官營鐵礦錯動范圍之內(nèi)，礦山嚴(yán)格按設(shè)計(jì)采用充填法采礦，不會對高官營村產(chǎn)生明顯影響。地表大部分為農(nóng)田，礦山淹井后不會對周邊環(huán)境產(chǎn)生明顯影響。

2.2 地質(zhì)概況

礦區(qū)南北長1 100m，東西寬400～600m。礦體埋深50～90m，一般70m，該區(qū)礦體為磁鐵石英巖，礦床頂、底板圍巖為黑云變粒巖，巖體巖性單一，除風(fēng)化帶、構(gòu)造破碎帶外，礦體與圍巖為堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬巖石，穩(wěn)定性較好，工程地質(zhì)條件屬中等型，地下水對圍巖破壞作用較弱。

井下實(shí)測總涌水量約4 100m3/d，每天排水8h左右，每年所需費(fèi)用巨大，停產(chǎn)持續(xù)時(shí)間越長成本越高，不符合公司利益。

2.3 生產(chǎn)系統(tǒng)

該礦采用豎井開拓，布置有主井、副井、進(jìn)風(fēng)井、中央回風(fēng)井4條豎井。主、副豎井布置在礦體南端，相距50m，進(jìn)風(fēng)井布置在礦體北端，回風(fēng)井布置在礦體下盤、沿礦體走向的中部。4條豎井均位于地表錯動界線外。

井下溜破系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)以及安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的設(shè)備、設(shè)施均不拆除，由財(cái)務(wù)做出損失統(tǒng)計(jì)，損失在可接受范圍內(nèi)。

3 淹井方案安全影響分析

淹井對礦區(qū)安全的主要影響因素如圖1所示，對圖1所示的影響因素進(jìn)行分析，以確定淹井方案的實(shí)施是否能保證礦區(qū)的安全，具體分析過程如下。

圖1 淹井方案對礦區(qū)安全的影響因素

3.1 采空區(qū)及巷道坍塌安全影響分析

淹井對采空區(qū)和巷道坍塌的影響程度主要由采空區(qū)面積和巖石的穩(wěn)定性決定，通過調(diào)查，該礦區(qū)礦體為磁鐵石英巖，礦床頂、底板圍巖為黑云變粒巖，巖體巖性單一，除風(fēng)化帶、構(gòu)造破碎帶外，礦體與圍巖為堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬巖石，穩(wěn)定性較好，圍巖破壞機(jī)制[1]為軟弱結(jié)構(gòu)面控制加吸水崩解類型，破壞形式為松弛變形散落及局部掉塊崩落，且該礦區(qū)的主要空區(qū)分布見表1。

表1 現(xiàn)有采空區(qū)分布情況表

通過上述礦區(qū)地質(zhì)資料可知淹井事故的發(fā)生會使大部分井巷圍巖出現(xiàn)軟巖崩解現(xiàn)象[2]，使其強(qiáng)度大幅度降低，圍巖、支架、護(hù)頂材料支護(hù)強(qiáng)度減小，會出現(xiàn)錨噴巷道片幫、冒頂、錨桿折斷等支護(hù)失效現(xiàn)象。此外局部構(gòu)造破碎地段可能會出現(xiàn)吸水崩解現(xiàn)象，但在一般情況下，不會發(fā)生大面積垮落，且礦山最上部中段距地表約150m，巷道高度為3m，故即使發(fā)生了巷道垮塌，也不會對地表造成影響。

考慮到采空區(qū)頂板冒落可能會對地表產(chǎn)生一定的影響，需要對其影響程度進(jìn)行確定。由表1可知現(xiàn)有采空區(qū)高度基本在10m左右，且采空區(qū)頂板屬較堅(jiān)硬巖石，假設(shè)巖石碎脹系數(shù)為1.5，按采空區(qū)頂板冒落充滿整個采空區(qū)計(jì)算，冒落高度為20m，即頂板冒落20m即可充滿整個采空區(qū)，不會對地表造成較大影響。

由上述分析可知，淹井方案的實(shí)施，雖會對采空區(qū)和巷道造成一定的影響，但影響程度不大，不會因空區(qū)及巷道的坍塌而使地表產(chǎn)生大規(guī)模沉降。

3.2 充填體安全影響分析

實(shí)施淹井方案之后，充填體將長期處于地下水的包圍之下，充填體的強(qiáng)度會產(chǎn)生一定程度的下降。通過對該礦區(qū)的充填情況進(jìn)行了調(diào)查，由調(diào)查結(jié)果可知該礦充填工藝為高濃度分級尾砂膠結(jié)充填，設(shè)計(jì)充填主料為重量濃度73%的充填料漿，灰砂比例為1∶5水泥砂漿占總充填料漿的16.7%，1∶10水泥砂漿占總充填料漿的83.3%，且由充填體試樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告可知，該礦充填料漿實(shí)際濃度為65%左右，大部分充填體強(qiáng)度為2MPa左右，部分空區(qū)充填強(qiáng)度可達(dá)4～6MPa，且該礦所有充填體均已脫水凝固，達(dá)到了一定的強(qiáng)度，故地下水對其影響相對較小，一般不會出現(xiàn)充填體的失穩(wěn)垮塌，但若使其長期浸泡在地下水之中，也會在一定程度上影響其強(qiáng)度，因此有必要分析充填體發(fā)生垮塌后對地表的影響程度，根據(jù)該礦區(qū)的充填資料可知，該礦區(qū)充填的采空區(qū)高度基本在8m左右，最高不超過10m，此外該礦自投產(chǎn)以來礦石采出量很少(共計(jì)采出100多萬t)，因此即使充填體發(fā)生垮塌破壞，也不會造成地表的突然沉降，故淹井方案實(shí)施后，不會出現(xiàn)因充填體問題而造成礦山安全事故的現(xiàn)象。

3.3 井下設(shè)備設(shè)施安全影響分析

礦山淹井后對井下設(shè)施設(shè)備的破壞主要是腐蝕作用，主要的損失就是財(cái)產(chǎn)損失，且為一次性財(cái)務(wù)損失，但若不采取淹井措施，進(jìn)行排水的花費(fèi)將遠(yuǎn)超過對損耗設(shè)備的財(cái)務(wù)損失，因此實(shí)施淹井方案能在一定程度上減少礦山的開支，具有一定的實(shí)際意義。

3.4 地表沉降安全影響分析

根據(jù)礦山的地質(zhì)資料可知，礦山圍巖穩(wěn)定性較好，工程地質(zhì)條件中等，采用尾砂膠結(jié)充填法采礦，可有效控制地壓，降低開采對地表的影響[3-4]。

為確定淹井方案的實(shí)施對地表產(chǎn)生的最大影響程度，假設(shè)采空區(qū)全部坍塌填實(shí)，計(jì)算得出采空區(qū)的垮塌不會造成地表的大幅度沉降，但隨著時(shí)間的推移，采空區(qū)及巷道圍巖、充填體等長期經(jīng)地下水浸泡會使其發(fā)生軟化，可能會繼續(xù)造成小幅度沉降，但不會出現(xiàn)大幅度的沉降現(xiàn)象，只要礦山加強(qiáng)監(jiān)測，淹井方案實(shí)施之后并不會對地表造成較大的影響。

4 安全防護(hù)對策

通過對淹井方案安全影響的分析可知該方案具有較高的安全性，且能將每日的排水支出轉(zhuǎn)化為損壞設(shè)備的一次性支出，從長遠(yuǎn)角度來講具有較高的經(jīng)濟(jì)性，故淹井方案的實(shí)施對礦山實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)安全的開采具有十分重要的作用，但為充分保證淹井方案的安全性，把發(fā)生危險(xiǎn)的可能性降至最低，制定以下安全防護(hù)對策。

(1)淹井方案實(shí)施后，礦山應(yīng)對井上、井下人員進(jìn)行一次全面的核查，確保撤出井下所有人員，然后切斷井下一切電源，以確保工作人員的安全。

(2)應(yīng)在淹井前對所有采空區(qū)充填擋墻進(jìn)行全面檢查，對不牢固的位置進(jìn)行加固，盡可能減小充填尾砂逸出的可能性。

(3)淹井后對主井、副井、入風(fēng)井、回風(fēng)井井口封閉，并在其周圍設(shè)置警示標(biāo)志，防止無關(guān)人員靠近。

(4)對井下水面進(jìn)行監(jiān)測，以便對異常情況進(jìn)行及時(shí)分析和處理。

(5)安排專業(yè)人員對礦區(qū)地表進(jìn)行定期巡視，確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)地表變動情況，并及時(shí)實(shí)施應(yīng)對措施。

(6)移除井下所有可能對地下水水質(zhì)造成污染的物品，定期對周邊村民飲水進(jìn)行化驗(yàn)檢測，以防井下水泥、尾砂等對地下水水質(zhì)造成影響。

(7)礦山停產(chǎn)淹井應(yīng)制定詳細(xì)的實(shí)施方案，并制定相關(guān)安全措施。

5 結(jié)論

以高官營鐵礦停產(chǎn)淹井事件為背景，通過對該礦山開采方法、生產(chǎn)系統(tǒng)、井下設(shè)備、采空區(qū)現(xiàn)狀等方面的綜合調(diào)查，分析了地下水對巖體、設(shè)備、充填體等主要易受危害因素的影響，得出結(jié)論如下：

(1)淹井方案的實(shí)施，雖會對采空區(qū)和巷道造成一定的影響，但影響程度不大，不會因采空區(qū)及巷道的坍塌而使地表產(chǎn)生大規(guī)模沉降。

(2)該礦區(qū)充填體已脫水凝固，強(qiáng)度受地下水的影響較小，且因該礦區(qū)礦石開采量較小，故即使出現(xiàn)充填體失穩(wěn)垮塌，也不會出現(xiàn)大規(guī)模的地表沉降現(xiàn)象。

(3)此外淹井方案的實(shí)施可將每日的排水量支出轉(zhuǎn)化為設(shè)備損壞的一次性支出，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，且根據(jù)淹井方案對礦區(qū)的影響制定了相應(yīng)的安全防護(hù)措施，最大程度的保證了礦區(qū)的安全，在一定程度上證明了方案的合理性，具有一定的借鑒意義。