李 伟1 李庆军2
（1.远安县安全生产监督管理局，湖北 远安 442000；2.宜昌国泰注安科技有限公司，湖北 宜昌 443000）
【摘 要】本文针对目前远安县磷矿由于多年开采形成的大面积采空区及磷石膏尾矿库现状分析、影响后果进行计算讨论、并提出了相应的处置措施。
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关键词 采空区；磷石膏尾矿库；处置对策
作者简介：李伟（1968—），男，湖北宜昌人，工程师，主要从事矿山安全监管及安全评价的评审和研究工作。
0 引言
远安自古以来就是山清水秀的地方，但随着磷矿资源大规模开采及磷化工的投产运行，形成了大面积的采空区和大型磷石膏尾矿库，导致远安县环境被破坏，安全发展受到制约。大面积的采空区和大型磷石膏尾矿库像两把悬挂远安人民头上的利剑，时刻威胁着人们，如何消除和控制它们所带来的不利影响，刻不容缓。
1 远安县磷矿采空区和磷石膏总体现状
1.1 采空区现状
不计20世纪80年代已经关闭的矿井所形成的采空区面积，截止2013年6月底，磷矿企业共造成总面积近530万m2，总体积848万m3的采空区，每年还增加至少107万m3体积的采空区，高峰杨柳矿区磷矿投产后，每年增加的采空区将更多。大面积采空区的存在，增加了致灾的可能。
1.2 磷石膏尾矿库现状
目前化工企业产生的磷石膏，已构成3个磷石膏尾矿库，库存的磷石膏总体积约1460万m3， 1个堆积460万m3磷石膏的东圣磷石膏尾矿库已关闭， 1个设计2289万m3，已堆积近1000万m3，年产179.29万m3磷石膏的东圣大湾磷石膏尾矿库正在运行， 1个设计450万m3，年产40万m3磷石膏的西部化工磷石膏尾矿库已完成建设，正申报验收。磷石膏中含有大量的有害物质，且磷石膏尾矿库也构成了重大危险源。
2 采空区和尾矿库致灾后果
2.1 采空区致灾后果
2.1.1 采空区顶板冒落冲击力计算[1]
远安县磷矿采空区顶板由一层厚层状粉晶白云岩构成，厚度在2m多至10m以上，饱和容重2.9kg/cm3左右。以远安恒顺磷矿为例，计算1个正规矿房（空顶面积60×12m2）顶板冒落产生的冲击力F。根据冲量和自由落体定律 F=MV，V=（2×G×H）1/2则F=3.0×60×12×2.9×9.8×（2×9.8×1.8）1/2=36.5万吨
式中M为冒落顶板的质量，V为顶板冒落后的末速度，G为重力加速度，H为采空区高度，这里顶板厚度取3.0m，采空区高度取1.8m。
2.1.2 顶板大面积冒落的后果
一个矿房720m2顶板冒落产生的冲击力36.5万吨左右，而一个矿井有多个采区，一个采区有多个中段，一个中段切割多个矿块，一个矿块布置四个矿房，如果回采保安矿柱或保安矿柱毁坏，导致出现连续空顶，在顶部压力作用下，引起多个矿房或多个中段同时发生冒落，破坏力不可想象，如再引发矿区内危岩体垮塌，则灾难空前。下面案例中1980年6月3日的灾害导致284人伤亡，2008年和2013年的采空区顶板冒落，如果当时井下有人将难以幸免遇难。采空区冒落致灾应成为前车之鉴，更要下定决心，正确应对。
采空区冒落面积S与产生的冲力F之间的关系，遵循图1特征线，冒落面积S越大，则冲击力F越大（K为顶板厚度与饱和容重的积）。
2.1.3 案例
20世纪七八十年代，远安县境内原殷盐磷矿矿务局盐池河磷矿，未按规定留足保安矿柱，导致地表山体出现裂缝，1979年6月以后，一次性将开采近10年的大面积采场矿柱强制崩落，1980年4月又将后来形成空区的几个采场矿柱强制崩落，由于顶板厚度小，松散程度差，冒落顶板不足以填满采空区，强制防顶反而破坏了山体的稳定，从而导致采空区上部岩体移位加快。1980年6月3日山崩发生，摧毁了峡谷内全部建造和284人的生命。
2008年6月某日凌晨2点左右，远安县黄家台磷矿采空区发生局部垮塌，采空区封闭墙被击垮，空区废石被冲击波击出500多米巷道、400多米主平硐，最后落在井口以外100多米处，因为凌晨2点多无人上班，所以未发生伤人事故。
2013年8月1日夷陵区樟村坪镇柳树沟磷矿采空区发生局部垮塌（估计5000-6000m2），3米多厚的采空区封堵墙被冲击波击穿，冲击波拐弯后，将距采空区400米外的1.4吨设备冲出6米多远，1000多米外挂在巷道壁上的牌板被击落，矿井因为放假，无人伤亡。
2.2 磷石膏尾矿库致灾后果
2.2.1 磷石膏的危害
磷石膏中危害成分主要是可溶性磷酸根离子、氟离子和砷、铬等重金属离子，同时磷石膏还呈强酸性。如果人体长期摄入氟过量，会导致关节变硬不能直立、骨质疏松、牙齿脱落、神经系统损伤；长期摄入磷过量会导致骨质疏松易碎、牙齿脱落、神经系统损伤、钙缺乏症、精神崩溃、体内其它电解质失衡；砷、铬容易在人体内积蓄，当砷在人体内砷过量时，会导致心血管、神经系统、血液系统病变，还能致癌和使胎儿畸形。当铬在人体内过量时，会导致贫血、神经炎、肾炎、内分泌失调；当磷石膏浸出的酸流入农田后，会使土壤板结。
2.2.2 磷石膏尾矿库溃坝后果
一旦磷石膏尾矿库溃坝，下游的生命财产就会遭受损失，环境就会被破坏，造成生态灾难。
2.2.3 案例
2008年9月8日山西省襄汾县新塔矿业有限公司塔儿山铁矿的一座尾矿库发生溃坝事故，倾泄出来的共26.8万立方米的带矿渣的泥水波及下游500米处的矿区办公室、集贸市场与民宅等，造成265人死亡。事故导致山西省省长孟学农引咎辞职，分管安全的副省长被免职，8名党、政、安全监管人员被刑拘。
尾矿库事故的后果谁也承担不起，得当处置迫在眉睫。
3 远安县磷矿采空区、化工企业磷石膏尾矿库处置方法的选择
3.1 采空区处理方法选择
3.1.1 崩落围岩法
崩落围岩法适用于围岩稳定性差、地面允许崩落，崩落后不影响地表安全。由于远安县磷矿采空区围岩稳定性好，顶板岩石松散系数小，如果强制崩落顶板，采空区填充效果差，同时也可能影响矿区内危岩体的稳定，因此不选用此方法。
3.1.2 充填料充填法
贵州开磷集团委托湖南中南大学、南华大学、长沙矿山设计研究院进行了利用磷石膏当充填料填充采空区的实验研究，充填料充填法在贵州开磷集团被认为取得了成功，并获得国家科技进步二等奖。如果有实验能证明充填胶结物浸出的有害物质对地下水和地表水没有影响或影响很小，则在有足够多的磷石膏可以利用的远安县，充填料充填法处理采空区是合适的方法，就算采空区不能被完全填满，也可以大大减轻采空区大面积冒落产生的破坏性，因为充填后空区高度有限，顶板冒落落地时间短，势能转动能的能量转换少，因此破坏性就小。采空区的高度H与顶板冒落产生的冲力F之间的关系，遵循图2曲线特征,H趋近于0，则F趋近于0。
远安东圣公司磷石膏浸出试验结果统计表（除pH值外其余为mg/L）[2]
通过东圣公司的磷石膏浸出试验可以看出pH值、F-、PO34-均已超GB8979-1996标准多倍,而远安县桃郁溪矿区距宜昌市饮用水源天福庙水库500m，桃郁溪的水直接汇入天福庙水库，如果磷石膏填充采空区之后有害物质被地下水浸出，渗透出地表，流入宜昌市饮用水源天福庙水库，就会污染饮用水。因此，必须有科研单位的有害物质浸出实验及浸出的有害物质对周边河流、水库及环境影响实验的权威结论，才能确定充填料充填法是否适合处理远安县磷矿采空区或适合处理哪些采空区。
3.1.3 顶板支护法
此方法一般适用于缓倾斜中厚以下矿体，房柱法、全面法开采，顶板相当稳定，连续空区面积不太大。
3.1.4 封堵隔离法
此方法多应用于空区围岩稳定，空区冒落也不会影响周围矿体的生产。
3.1.5 联合法
选取以上两种或两种以上方法处理采空区。
远安县磷矿采空区围岩稳定，顶板抗剪强度较大，底板抗压强度较差，近些年没有发生采空区大面积冒落，局部冒落的次数少，说明保安矿柱还没有完全被破坏，大的连续空顶区不多或没有，底板应该因保安矿柱的压力而充填了一部分采空区。因此，选择联合法是远安县处置磷矿采空区的最佳方法。
3.2 采空区处置对策
（１）在连续空顶面积较大的地方支护顶板，如构筑合理的人工石柱，进行锚杆支护、锚杆加锚网支护等；
（2）请科研院所根据远安实际，设计采空区封堵隔离墙，并对影响地表危岩体稳定的采空区进行充填或构筑合理的人工石柱；
（3）邀请权威科研单位论证充填料充填法适合处理哪些采空区；
（4）加强采空区顶板位移视频监测系统的预警功能；
（5）加强地表危岩体位移监测的预警功能；
（6）鼓励和扶持企业对矿山采空区隐患治理、监测监控等先进技术研发与推广应用。
同时，对于那些资源枯竭的矿井，给予优惠的扶持政，策鼓励他们尽快关闭。
3.3 尾矿库处置及后期磷石膏利用方法的选择
3.3.1 尾矿库处置对策
处理磷石膏尾矿库实质上是处理尾矿库中的磷石膏，磷石膏处理了，尾矿库的威胁也就消除了。现阶段，远安县需要严密关注的尾矿库有3个，其一，东圣磷石膏尾矿库，因已关闭，安全方面威胁减轻，但对环境污染的威胁仍然存在，需要加强管理；其二，东圣大湾磷石膏尾矿库，在安全、环保两方面威胁都很大，安全方面，需要关注坝体的稳定和坝区防洪系统的可靠，因此应加强坝体的监测预警和防洪系统的维护保养，环保方面应加强废水的处理与应急管理；其三，西部化工尾矿库，应严格按设计建设、验收、运行、管理。待后期完成磷石膏再利用后，尾矿库警报可以解除。
3.3.2 磷石膏利用方法的选择
现实中磷石膏的存在对我们构成了威胁，但如果磷石膏利用好了，就能变废为宝，它的利用可以减少工业废渣对环境的污染和对土地占用，可以带动物流运输和其它产业，可以增加税收，可以促进就业，可以节约天然矿产资源，同时也能避免建设尾矿库占用资金和因尾矿库垮塌而带来的安全风险。
（1）磷石膏的利用现状
目前，世界年产磷石膏1亿吨以上，平均利用率15％左右，中国占世界总量的1/3左右，利用率达到20％，日本、德国利用率较高，日本达到95％，在我国，磷石膏综合利用较好的地区有贵州、重庆等地。磷石膏主要利用在以下几个方面：（a）改良盐碱地；（b）工业制酸联产水泥、石灰等；（c）填充采空区；（d）制造建造材料。
（2）磷石膏处置方法的选择
（a）改良盐碱地
远安没有盐碱地需要改良，不作选择。
（b）工业制酸联产水泥、石灰等
工业制酸联产水泥、石灰等项目，投资大，回报率低，技术也不是很成熟，同时有些工艺也造成污染环境，因此此方法不应被选择。
（c）填充采空区
填充量验算
按贵州开磷集团的填充料（水泥∶粉煤灰∶磷石膏）配比1∶1∶6-8加1.3～2.5％的硫酸钠添加剂,以远安县现存的和即将产生的磷石膏总量,计算填充料胶结后的体积（不计加入水后因胶结增大的部分）为
V1=（1460+1460÷8×2）×（1+0.025）=1871万m3;
V2=【40+179.28+(40+179.28)÷8×2】×（1+0.025）=274万m3
1460为远安县现存磷石膏量，40+179.28为年产磷石膏量
远安县现有空区总体积为848万m3，即将产生的空区总体积为每年107万m3，不考虑污染水源，就算采空区在理论上能被完全填满，也消耗不完远安县所有磷石膏，再加上填充采空区虽然在技术上可行，但实施难度大，因此填充采空区不作最佳选择。
（d）制造建造材料
磷石膏在建材方面的利用，主要是制造磷石膏砖、板及水泥缓凝剂等。目前国内外生产磷石膏砖、板及水泥缓凝剂等项目技术成熟，回报率高，环境污染小，产品用量大，因此利用磷石膏制造建筑材料，是远安县处置磷石膏尾矿库的最好选择。
3.3.3 促进磷石膏合理利用的对策
（1）政府把制造磷石膏砖、板及水泥缓凝剂等作为招商项目向外推介；
（2）在项目建设、技术引进时给予资金扶持；
（3）收取化工企业处理磷石膏的费用作为补贴资金，在磷石膏产品销售后补贴给制造企业（以东圣大湾磷石膏尾矿库为例，尾矿库建设投资1410万元，每年运行费用350万元，服务年限为12.5年，年产磷石膏179.28万m3，则处理磷石膏的成本为2.58元∕m3）。
（4）政府从安全、环保等因素考虑，给制造企业在税费方面予以减免。
4 结束语
通过对远安县大面积采空区和磷石膏尾矿库的现状及影响分析，我们亟待采取对策措施消除和控制它们所带来的不利局面，选择合适的处理方法，落实资金、落实技术、将处置措施真正落到实处。确保远安磷矿安全生产和尾矿库生态环境得到改善，实现远安人与自然和谐发展，促进远安经济可持续、健康发展。
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参考文献
［１］新编矿山采矿设计手册[M].中国矿业大学出版社,2006.
［２］环境科学与管理.宜昌市磷石膏综合利用与探讨[J].2011(7).
［责任编辑：汤静］