露天矿闭坑环境灾害防治技术研究

895 露天矿闭坑后矿坑利用和环境灾害防治研究5.1 露天矿闭坑环境问题的经验教训海州露天矿闭坑环境问题如此复杂、特殊、多样、敏感，对城市地质环境和生态环境的影响和破坏非常巨大。所沉积的问题和危害在我国老矿区城市之中也是空前的、典型的，因此总结海州矿闭坑环境问题方面的经验教训对防治技术方案研究意义是重大的。(1) 历史遗留问题是露天矿闭坑矿山环境多、危害大、治理难的主要根源。(2) 计划经济体制遗留的某些问题和环保意识的薄弱是露天矿山环境问题日积月累，并逐步严重恶化的重要原因。(3) 传统的地质、采矿、管理学科没有将矿山环境勘查、评价、预测、管理立法、执法与露天矿建设、设计、生产有机的结合起来。(4) 露天矿闭坑环境问题根本上说就是人类采矿工程活动使环境逐步恶化，多种成灾因素长期作用、复杂叠加，而逐步的导致环境地质灾害发生和加剧。这就需要决策者、管理者、生产者有战略眼光和战略胸怀，高度重视预测未来露天矿闭坑后工程地质和水文地质环境可能发生的变化趋势和灾变，列项开展这方面的科学研究和实际综合防治。(5) 摆正近期发展与长远发展，近期建设与长远规划的关系，实现资源开发和环境的协调发展，就能把露天采矿工程和露天矿闭坑可能造成的环境问题在源头上避让或减轻。5.2 露天矿闭坑总体思路与利用方案海州露天矿闭坑环境问题是一个涉及城市环境保护、生态恢复、社会稳定、经济可持续发展；涉及环境地质学、岩体力学、采矿学、环境保护、灾害防治等多学科的庞大的、复杂的、综合的系统工程。需要国家、省、市、各企业各级协同分阶段攻关，经过几代人的努力一步步的实现目标。因此对露天矿闭坑何去何从需要从战略上，总体技术思路上有一个纲领。在这个纲领指导下开展防治。本节主要研究这个总体设想，并对矿坑可能的利用方案做一探讨。5.2.1 露天矿闭坑总体思路90露天矿闭坑环境地质灾变将按工程地质、变形动态、和灾害危险区划的分区，采用现代技术和建立的环境地质信息和预警系统按区动态的跟踪预测。特别是潜在滑移区中的变形危险区，提出相应的防治仿制对策和措施。对于坑期水文地质环境的变化（包括水污染、水质评价治理、水资源利用） ，利用原有的相应的疏干排水系统设施（地表水排水系统、坑内上部浅水排水系统、坑内下部排水系统）建设成为水汇集、水质评价、水污染治理，引水成湖，景观建设，水资源利用等多功能的为水文地质环境治理利用服务的综合设施。对露天矿闭坑边坡的灾害防治、绿化、复垦利用。对于剩余资源的开采，按现行的地质灾害防治条例等矿山环境保护法规进行开采和生态地质环境保护，避免造成新的环境地质灾变。露天矿矿坑环境灾变防治同时，对排土场进行成灾性预测评价、整治和复垦，恢复生态环境。这样，逐渐的形成一个集各种人文景观、工业景观的，能多种经营，实现可持续发展的宝地，形成东、西 50 Km 长、以海州露天矿周围为景观中心、以海州露天矿矸石山、新邱矿矸石山及地采矸石山生态绿化区及孙家弯“万人坑”为辅助景观的立体感强、层次分明的结构体系，满足市民生活、休闲、娱乐、观赏的需要。根据对现状及规划用地的布局，规划构筑“一水、二坑、三山、四区、五休闲”的景观结构。并总结矿山地质环境管理、法规、治理方面的经验教训，成为我国露天矿山环境管理、治理恢复的一个示范。5.3 露天矿闭坑前后环境灾害防治技术研究与建议通过对阜新露天矿闭坑前后环境地质问题的勘查，综合分析，灾变预测和评价，对经过 50 多年露天开采所诱发和积累的各种环境地质灾变的现状、成因、特点、危害和发展趋势的研究，清楚的表明露天矿闭坑环境地质灾害防治本身也是一项综合的、复杂的、庞大的系统工程。要应用环境地质学、系统工程、工程经济学等学科的原理和思路研究防治技术。将露天矿闭坑引起的环境灾变影响降低到最低限度，并探索适合合理开发、利用的实现可持续发展的防治技术和方法。一、建立露天矿闭坑环境地质监测网站在发电厂周围建立长期的露天矿周边环境地表变形、地下位移监测网站，实现长期的地表位移、地下位移检测，积累数据和资料供变形特征分析，变形发展趋势和灾变预测，为防治提供依据。二、水文地质环境监测充分依靠利用省、市地质环境监测站对省市地质环境长期监测和积累的地下水动态、91地下水环境、地质灾变等方面的基础数据和监测手段，拓展监测并将闭坑环境有关监测纳入到市地质环境监测站业务中。三、大气、水体、土壤、岩石和矸石，环境污染等方面的监测然后将以上三部分监测联成网络，组成系统，资料汇总，信息共享。5.4 特殊建筑物区段灾害预测及加固对策露天矿闭坑前后周边地区环境地质灾害的主要问题是地面变形、沉陷、滑坡。其造成的灾害对发电厂、国铁、阜新矿业集团机电修配厂、居民建筑物、将要修建的博物馆影响大，破坏也严重。防治也主要针对这一地区。防治对策立足两点：一是避让原则。在危险区内不要安排、布置工程建设和居民建筑。二是针对性治理原则。对原来已经存在的处在变形区内又不宜搬迁的重要工业设置和建筑物，采取针对性治理。以阜新发电厂为例。5.4.1 阜新发电厂附近断层带残煤回采的必要性阜新发电厂距海州露天矿北帮近 500 m, 这一带主要分布第四冲积层，由粗砂、砾岩、卵石组成，厚度 28 m，埋藏 512 m，该水层底板为风化的透水性很弱的砂岩及砂质页岩组成。即太平东部一号断层底鼓区和坑木场裂缝所影响的范围。该断层规模大，倾向 SSE,倾角约 70 度，落差 50 m，呈 NNE 走向斜穿该区，切断了下盘几个弱层，断层中发育有断层泥和断层角砾岩。太中 1#正断层落差较大，对局部开采造成较大影响。考虑安全、经济、设置运输干线等因素设计在断层区留保安煤壁，其范围走向 E8-E10，倾向-26 以下，断层压煤量总计 30 万吨，如图 5-1 所示。为了保证露天矿安全、正常生产，必须对煤壁进行消火、减震等日常管理。露天矿闭坑后，这部分资源应及时回采，否则经长期风化剥蚀、雨水浸蚀、煤层自燃等因素，致使煤壁失去完整性，最终导致煤壁垮塌、崩落、燃尽，不但造成煤炭资源的极大浪费，而且对周边环境造成严重污染，同时会诱发滑坡。回采煤壁受两个条件限制，其一，煤壁上的铁路干线不再使用，铁路干线完成了它的历史使命；其二，回采煤壁使北邦边坡6#、7 #、8 #、9 #弱层直接失去支撑，诱发滑坡。92图 5-1 F 中 1断层带残煤示意图断层泥含水大，呈塑性变形状态。再加上几个弱面岩体（薄煤层）含页岩较多，受到地下水的浸蚀，岩体变软，缩短了剪切长度，可能从某一弱面发生大型的滑坡。近10 多年来，此地段变形呈均匀发展趋势，在北帮距发电厂 50 m 的地段发现有明显的裂缝，是威胁阜新发电厂重要设施的一大隐患。5.4.2 稳定性分析假设把断层下的煤采出后，由于弱层失去了支撑力，断层上的岩层边坡失去稳定性，此时边坡的临界安全系数为 1.044 小于 1.2，所以必定发生滑坡，滑坡范围标高为-20 -160 之间。即边坡下部不稳定，上部将沿着弱层发生滑坡。又由于此断面的地表有电厂，即需要采取相关的防护措施，才可开采。1.04-200+160-160图 5-2 E8 煤开采后边坡稳定性分析断层 弱层1.91图 5-3 E10 煤开采后边坡稳定性分析Y-DisplacemntDistance-0.2-0.4-0.6-0.8-0.10-0.12-0.14-0.16-0.18-0.200.02040608010120图 5-4 地表垂直位移随距离变化曲线93此时的安全系数为 1.19 小于 1.2，所以有可能发生滑坡，滑坡范围标高为+40-120 之间。从图 5-4 可看出水平距离 0m 处，下沉 17mm，和模拟试验结果基本一致，对照海州矿岩移监测和实际勘查地表裂缝，结论一致，故北帮变形区范围为：距坡顶水平距离 0500m 为不均匀沉降，500 米以外均匀沉降。其中由于材料的属性不同，在大约320 米处弱层带和砂页岩相互挤压导致弱层有凸起现象。通过对该地段基底稳定性和变形安全性分析，认为该裂缝是由于北帮边坡整体缓慢下滑所致。因而为了保护发电厂建筑物，必须通过整治措施，使基底保持稳定。依据以往工程经验，采用两排桩体截面为 3.0 m4.0 m 的钢筋混凝土挖孔灌注桩来保护重要建筑物。 5.5 自燃火灾综合防治措施自燃火灾综合防治措施有以下措施：灭火性措施根据可燃物自然发火临界温度值,划出内排土场的燃烧区、高温区、安全区。全矿共有上百个燃烧区、若干个高温区。可采取综合治理措施,采用了注浆法、清除火根法、水消降温法、隔绝空气掩埋法、隔离带法等。（1）水消降温法水消降温法就是把水作为消火剂,水进入火区能起到冷却、降温的作用,同时阻止了矿物氧化反应的进行。其工艺可分为两种,一是用管路输水,即泵站管路水枪火区;另一种是水车运水,即水源水车水带火区。适用于消灭明火或火根在 2m 以内的火区。优点是取材方便,成本低,见效快。缺点是当水量较小消火时,易造成加氧,缩短发94火期,加剧自燃,并且经水消过的火区易复燃。（2）挖掘清除火根法灭火清除火根法就是把已燃物料用机械设备运走, 或爆破法挖除，直至剥除火根进行灭火的方法。此方法适合于消灭火根浅、面积小、水不易到达的火区。优点是消火彻底,不复发。缺点是工作量大,成本高,还要二次消灭,占场地,还容易引起别处着火。（3）喷浆堵漏、隔绝空气掩埋法为减少漏风，从而减少散热带和可能自燃带的宽度，及时进行填埋，填堵漏风通道，减少漏风。对露天矿着火的一帮进行喷浆，目的主要是加固煤体，封堵漏风通道，提高破裂围岩的整体稳定性。隔绝空气法就是在火区上部覆盖 23的绿色泥岩、软质凝灰岩、黄土等阻火的细碎物料,达到隔绝氧气、灭火的目的。适合于小面积的火区。缺点是消火不彻底易造成火区向四周发展,且该方法消火成本较高。（4）隔离带法隔离带法就是切断火区与周围可燃物的联系,防止火区蔓延的方法,用于内排防火较理想。（5）注浆灭火法注浆灭火法就是把岩石的空隙用高压泵或自然方法注入一种或几种能够凝结沉积的浆液,待浆液发生凝结,便可堵塞岩石的裂隙,起到屏蔽的作用。是大规模排土场防灭火行之有效的方法。按燃烧区域的大小及燃烧中心的深度可以分为:表面浇灌法和钻孔注浆法。（6）凝胶灭火法打钻孔注水、注凝胶的防灭火机理是水、凝胶进入自燃火区，起降温、阻化作用，包裹浮煤，杜绝漏风。水、凝胶能对下部火点发挥作用。采用多种形式灌浆。利用灌浆惰化煤的氧化性，同时灌入的泥浆水将遗煤氧化产生的热量带走，降低了矿坑煤体的温度。打钻孔灌浆。开孔时用 127 mm 岩芯钻头施工 6 m，然后换 91 mm 复合片钻头带上导向一直施工到孔底。若钻孔岩性较差时，在灌浆孔内下套管，以保证灌浆时不垮孔。灌浆方式均为三班进行灌浆，每小班灌浆量 30 m3 左右，水土比为 51。注浆方法为：注浆钻孔注浆。在勘测的边坡火区边缘，打注浆钻孔，施工采用- 钻机，开孔直径为 127 mm，终孔直径不小于 73 mm，必要时孔内下 50 mm 注浆管，终孔煤层内 12 m。在火区内，每隔 5 m 施工 1 个注浆孔。地面浆池内加95入 20%阻化剂进行混合注浆。为使泥浆有效地将其覆盖，一般采用多层立体式钻孔，每组钻孔 2 个(或 2 个以上)，沿台阶平面和侧面上下布置。每组相邻钻孔间的间距一般为 58 m，钻孔的深度和角度应能使浆液将丢煤带全部覆盖为宜。泥浆可采用一般的阻化黄泥浆，即在黄泥浆中掺入一定比例的氯化镁(一般为 2.5%)。为使泥浆更好地沉淀凝固，最好使用胶体泥浆，即在黄泥中掺入水玻璃和碳酸氢氨。对煤岩体松动区域，主要是压注凝胶并配合注水进行治理。对岩石松动范围大的地点，要分别向顶板打长短钻孔，二者沿巷道纵向间隔布置，长短钻孔间距一般为23 m 长钻孔深度以达煤层深处 20 m 为宜，短钻孔深度一般为长孔的一半，且每组为 2 个。先使长钻孔注水冷却煤体，之后用短钻孔压注凝胶，直至煤岩体裂隙凝胶凝固为止，目的使凝胶充满顶板裂隙，阻止煤层氧化。对小范围松动地点，只打短钻孔压注凝胶即可。压注凝胶浆液方法：向煤层注浆。在材料巷每隔 5 m 打一钻孔，插管压注。使浆液流入氧化带、自燃带，从而阻止采空区浮煤的氧化、自燃。实践表明，以复合胶体泥浆固水降温快速灭火的综合防灭火技术，是适合于防治露天矿松散煤体遗煤自燃的行之有效的途径，值得借鉴和大力推广。过去，常用注浆泵注射泥浆以及注阻化剂等办法来防止煤炭的自燃，由于泥浆及阻化剂的流动性和填充效果不如气体，以及一旦发生明火，泥浆中的水有可能会和灼热的煤体起反应，生成可以爆炸的水煤气。因此注浆注水防灭火时，应注意防止产生大量的水气、或水煤气，以避免爆炸事故的发生。只要“采得净” 、 “灌得好” 、 “封得严”就可以完全避免可燃煤层的自然发火。（7）阻化剂灭火、惰气泡沫灭火、雾状阻化剂灭火、粉状惰化阻化剂灭火用气雾阻化剂防火。采用喷雾泵、喷雾器从进风口处喷洒浓度为(#/以上的阻化液，借助漏风风流将雾化剂微粒带到煤中，落在浮煤上，从而延长浮煤的自燃期，起到一定的阻化作用，防止煤炭的自燃。必须采取喷洒阻化剂等防火措施。加强的封闭质量。（8）注氮露天矿矿坑表面存在大量的裂隙，构成了漏风通道和漏风系统，注氮无法保证氮气在煤层中的浓度，势必造成氮气外逸，因此露天矿自燃火灾不能采用注氮的方式灭火。96（9）对台阶实行锚网支护对台阶采用高强度组合锚杆支护，树脂锚杆剂锚固，锚固形式为全长锚固，并铺设菱形金属网、W 钢带，以主动加固煤岩体。锚网支护使煤岩体变形量大大降低，减少了煤岩体的裂隙，使漏风量大大减少，对控制煤炭自燃十分有利。针对内排土场(电铁排土场和汽车排土场)自然发火速度快、面积大、火根深、危害大的特点,采用一般的方法进行消防火,投入的人力、物力、精力很大,效果不明显。内排土场可采用以下的防火措施：为使内排土场避免自然发火,除了采取以上有效的治理措施之外,最重要的是要在排土工艺方面加强预防措施,达到防患于未然的目的。杜绝将带火物排入排土场; 排弃前将基底带火物清除; 加强检查排弃物温度,将火消灭在萌芽状态,以免扩散,给灭火增加难度; 按发火期确定内排强度,并建立隔离带。5.6 闭坑前后水文地质环境灾变防治技术方案水文地质环境灾害主要在两方面：一是当坑内水位升高时，岩体强度因水浸下降，可能诱发滑坡，塌陷等灾；二是在径流条件下，地面的发电厂等企业及周围居民群居的工业、生活污水大部分排入冲击层，成为降雨和河流补给以外的充水补给源，水质将严重的受到污染。岩体中的有害元素也可能污染水体。这一问题将影响长远的生态环境和水资源的利用与开发。露天矿生产中，建有一套完整的疏干排水系统。为了防止地表径流流入露天影响生产和边坡稳定，于露天外围修建四条永久性的排水沟。其中七号水沟主要拦截难帮西部外围地表径流，二矿联合水沟拦截南帮东部外围地表径流，三号水沟拦截东帮地表径流，二号水沟拦截西帮地表径流，各水沟汇水后全部流入细河。露天坑内排水主要排除露天坑内大气降水。其排水方法是在露天已到边界平盘设置永久性纵向水沟，并每隔 500-800 m 距离设置一条横向水沟，雨期各平盘纵向水沟汇入横向水沟流入露天深部坑底煤沟，通过煤沟至-200 的排水上山，流入-200 疏干巷道，最后进入-200 水仓，然后用水泵抽水排至地表，以保证雨期露天边坡稳定性。结合这一具体情况，最佳最经济的防治对策为充分利用闭坑前的疏干排水系统设置，完善成闭坑后的水质评价、水污染防治和水资源利用的系统设置。地表水经水沟汇集后需水质分析、水污染防治后方允许流入坑内。975.7 闭坑前后坑内边坡、塌陷等灾害防治技术方案研究滑坡规律的目的在于有效的预防和整治滑坡，以减少其对生活和生产设施的危害，并保持人类赖以生存的自然环境不遭其污染。滑坡防治的对策则以预防为主，整治时要针对其原因采取有效的消除、抑制和控制其发展的措施；按不同设施的性质确定防治原则与规划、兼顾经济条件与客观需要。 危险边坡的整治有三大途径：一是终止或减轻各种形成因素的作用；二是改变边坡内部力学特征，增大强度使变形终止；三是直接阻止滑坡起动发生。滑动面是滑坡的关键要素。滑动面的深浅直接控制滑坡的规模，其形状直接控制着滑坡的稳定状态，是滑坡研究、勘测、稳定性分析、灾害预测预报以及整治工程设计的对象或依据。所以滑坡勘测主要是探明其滑动面的状态极其力学性质。整治滑坡的工程措施主要是削方减载、抗滑挡墙、各类抗滑桩、抗滑锚索以及各种排水工程等等。各种措施都有其使用条件，对于不同滑面形态和不同的滑面地段，工程效果和施工难度均不相同。整治滑坡大体原则上分为两种情况：一是为针对病因采取的措施，以制止滑坡或控制滑坡发展为主；一是为针对危害采取的措施，要经受住滑坡的作用或避开危害。两者均须对滑坡变形产生的基本条件、主要原因和变形过程弄清楚，然后才能针对病因采取整治措施。5.7.1 削方减重法滑坡之所以发生，是因为坡体的力学平衡条件遭到破坏，滑动力大于抗滑力，增大抗滑力的办法，使坡体从新达到力学平衡条件。削方减重是将滑坡体（变形体）上部驱滑部分的岩、土挖除一部分，压在前缘阻滑部分滑动面剪出口附近，这样就可达到减小滑体的下滑力，增大滑体抗滑力的作用。使滑坡稳定下来（变形斜坡停止变形） ，达到新的力学平衡。在滑坡防治中最常用的工程治理方法。具有投资少，施工简单等特点。加上中国劳动力丰富而价廉，更为广泛使用。但仍需对清除后的坡体进行地面排水、整平、绿化等工作，并修建相应的防止坡面风化及日后可能生成岩土溜滑危害的工程措施。由于海州矿非工作帮煤层底板下赋存有多个弱层，其内摩擦角往往小于岩层的倾角；有的弱层与煤层相交，故原设计沿煤层底板设置边坡的方案已被证明是不可行的。因次对整个非工作帮必须采取缓坡清理措施。按清帮设计，应将原设计非工作帮边坡角 1820削坡减缓到 1618。清帮总量为 5.216107m3。显然，削坡减荷对98非工作帮整体稳定起到重要作用。为保证整体边坡稳定和防止局部不稳定区滑坡，