河北礬山磷礦采空塌陷、地裂縫和含水層破壞評(píng)估與防治

張玉寶，張 宇

（1.河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050081； 2.國(guó)家海洋局海洋咨詢中心，北京 100860）

河北礬山磷礦采空塌陷、地裂縫和含水層破壞評(píng)估與防治

張玉寶1，張 宇2

（1.河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050081； 2.國(guó)家海洋局海洋咨詢中心，北京 100860）

礬山磷礦是華北地區(qū)大型磷礦生產(chǎn)礦山，為第四系孔隙水及基巖裂隙水充水礦區(qū)。本文在分析地質(zhì)采礦條件基礎(chǔ)上，對(duì)采空塌陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害和含水層破壞的成因進(jìn)行了分析與評(píng)估，并提出了相應(yīng)的防治措施。

采空塌陷；含水層破壞；防治

礬山磷礦是華北地區(qū)大型磷礦生產(chǎn)礦山。受礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件制約，多年來，困擾著礦山的發(fā)展，防治采空塌陷、地裂縫和含水層破壞，是影響礦山發(fā)展和礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)亟待解決的重大問題。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

礬山磷礦區(qū)地處礬山盆地東南緣，東靈山河橫貫礦區(qū)南北，礦床賦存于礬山雜巖體層狀輝石巖帶中上部，受外圍薊縣系白云巖分布制約，呈弧形展布，為向南突出半盆形似層狀磷灰石礦床。Ⅱ、Ⅲ礦體是富磷主礦體，長(zhǎng)2000～2738m，厚度21.53～35.77m，礦體西段傾向北東，中段傾向北西，東段傾向西，傾角20°～45°，礦體賦存標(biāo)高598～32m，埋藏深度180～760m之間。礦體為磷灰石和磁鐵磷灰石，圍巖為軟弱黑云母輝石巖和云斑輝石巖，礦體和圍巖頂部強(qiáng)風(fēng)化帶厚度10～20m，線狀風(fēng)化帶平均厚度30m，最厚約50m。礦體上覆圍巖被多條北北東向、北東向及北西向斷裂切割和煌斑巖脈穿插，節(jié)理裂隙發(fā)育，形成軟弱結(jié)構(gòu)面和軟弱層面。上覆第四系厚度140～260m，覆蓋在風(fēng)化帶頂部的中更新統(tǒng)底部粘土礫石承壓含水層，是礦坑充水主要含水層，孔隙水受礦區(qū)南部薊縣系霧迷山組白云巖巖溶水側(cè)向補(bǔ)給[1～2]。由于4號(hào)勘探線至6號(hào)勘探線之間古地形較高，中更新統(tǒng)底部缺失砂礫石層，形成近南北向粘性土隔水層（帶），將礦區(qū)地下水分為富水性差異很大的東西兩個(gè)單元[4]。第四系承壓含水層孔隙水補(bǔ)給下伏風(fēng)化裂隙含水帶和基巖構(gòu)造裂隙含水帶。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜（見圖1），礦床上覆圍巖穩(wěn)定性差。

2 礦山開采狀況與開采布局

根據(jù)礦體賦存情況，礦床水文地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件[3]，以2號(hào)勘探線為分界線，按60°傾角沿走向留設(shè)20m連續(xù)隔離礦柱，分為東西兩個(gè)采區(qū)。1996年投產(chǎn)以來，主要開采東采區(qū)，采用Ⅱ+Ⅲ礦體合采，采用無底柱分段崩落法開采，采空區(qū)主要分布在0號(hào)～12號(hào)勘探線之間，標(biāo)高+470～+542m。西采區(qū)礦體上部由于含有高承壓水，尚未開采。

2008年礦山開發(fā)利用方案（設(shè)計(jì)）東采區(qū)開采范圍為0號(hào)勘探線以東至12號(hào)勘探線，+425m中段至+245m中段水平，采用無底柱崩落法開采。西采區(qū)開采范圍為0號(hào)勘探線以西至7號(hào)勘探線+500m水平至+245m水平，采用向上水平分層進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法開采。井下礦坑涌水排水泵房設(shè)置在+425m中段，正常排水能力為20000m3/d，最大排水能力約46000m3/d。

3 采空塌陷、地裂縫和含水層破壞影響評(píng)估

近15年來，東采區(qū)地下開采6～12線（勘探線）之間的主礦體形成標(biāo)高+525m、+475m、+425m3個(gè)中段采空區(qū)，各中段采空區(qū)面積為315m2，累計(jì)開采厚度達(dá)100～110m，采空區(qū)總面積4252500m2。采空區(qū)上部采空塌陷和地裂縫帶長(zhǎng)度1000m，寬度200～400m，總面積約200000m2。23個(gè)塌陷坑呈串珠狀展布，塌陷坑直徑8.0～60.0m，平均深度16m，最大深度30m，塌陷坑總面積10306m2。塌陷坑周圍發(fā)育有14條臺(tái)階式弧形地裂縫，地裂縫長(zhǎng)度50～300m，寬度0.1～0.5m，最大寬度達(dá)3m，可見深度0.8～2.5m，最大深度達(dá)12m，地裂縫兩側(cè)落差0.1～0.5m，最大達(dá)4.3m[5][6]。采空塌陷和地裂縫尚未穩(wěn)定，直接威脅到井下安全生產(chǎn)和地面工程活動(dòng)安全。（見圖2、圖3）

圖3 地裂縫

采動(dòng)和礦坑疏排水造成斷層破碎帶和導(dǎo)水裂隙帶溝通了上覆第四系含水層，成為第四系孔隙水滲入采區(qū)礦坑的導(dǎo)水通道，正常礦井涌水量為8600m3/d。第四系孔隙水形成以礦坑疏排水為中心的地下水水位降落漏斗，面積約20萬(wàn)m2，漏斗中心水位標(biāo)高425m，龍王塘泉泉水流量減少，影響著礦區(qū)周圍生活生產(chǎn)用水安全。對(duì)礦區(qū)含（隔）水層（帶）影響破壞嚴(yán)重。

根據(jù)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方案和遠(yuǎn)景開采規(guī)劃，開采東采區(qū)6～12勘探線采空區(qū)下伏標(biāo)高+425m～+245m或+389m中段深部礦體，將導(dǎo)致采空區(qū)復(fù)活，地應(yīng)力調(diào)整，地下水的軟化、泥化作用，引發(fā)或加劇采空塌陷及地裂縫。開采6～12勘探線外的主礦體，根據(jù)地質(zhì)采礦條件和采空塌陷、地裂縫發(fā)生的臨界條件，采用類比法預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)，采空塌陷、地裂縫的范圍和程度將遠(yuǎn)大于采空塌陷地裂縫地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀，預(yù)計(jì)最終采空區(qū)面積約401623m2，采空區(qū)體積約7503900m3，采空塌陷地裂縫帶面積擴(kuò)大到510750m2。尤其是開采0～2勘探線地下水高水頭壓力區(qū)，承壓水頭為150～160m。若采用無底柱分段崩落法開采，將面臨含水層破壞，礦坑大量充水，涌水量將達(dá)到10000～20000m3/d，不僅會(huì)發(fā)生大規(guī)模采空塌陷及地裂縫，對(duì)將對(duì)含水層造成破壞。

西采區(qū)0～7勘探線地下水高水頭壓力區(qū)，采用上向水平分層進(jìn)路式膠結(jié)充填法開采，標(biāo)高+470m中段以上設(shè)有護(hù)頂?shù)V柱，護(hù)頂?shù)V柱厚約100m。主要開采+475m、+425m、+380m3個(gè)中段，正常排水能力為20000m3/d，最大排水能力約46000m3/d。采用膠結(jié)充填生產(chǎn)工藝，能減輕爆破采動(dòng)對(duì)頂板圍巖的破壞，有效預(yù)防采空塌陷和地裂縫的發(fā)生，但切割礦床圍巖的斷層破碎帶等不利結(jié)構(gòu)面，存在溝通第四系孔隙水的通道，造成含（隔）水層（帶）破壞，導(dǎo)致礦區(qū)周圍地下水位大幅度下降，影響區(qū)域生活生產(chǎn)用水，并可同時(shí)發(fā)生小規(guī)模采空塌陷及地裂縫災(zāi)害。

4 采空塌陷、地裂縫和含水層破壞防治

針對(duì)影響礬山磷礦礦山建設(shè)和開采過程中發(fā)生采空塌陷、地裂縫和含水層破壞的不利因素，提出以下防治措施：

（1）礦體圍巖軟弱巖層和軟弱結(jié)構(gòu)面穩(wěn)固性差地段的預(yù)防措施：巷道掘進(jìn)中，對(duì)軟弱礦巖層需進(jìn)行支護(hù)加固；對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面須采取噴漿、錨桿和金屬網(wǎng)支護(hù)，極破碎地段，鋪設(shè)可縮性金屬支架或采用混凝土磚、石板砌筑，巷道設(shè)計(jì)應(yīng)避開地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大的地段。

（2）采空塌陷、地裂縫和含水層破壞的預(yù)防措施：根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)估結(jié)果和井上井下對(duì)照?qǐng)D，應(yīng)留設(shè)足夠的基巖護(hù)頂?shù)V柱和防水礦柱，隔斷上部含水層地下水滲入。嚴(yán)格控制爆破采動(dòng)影響和充填接頂效果，減輕采空塌陷、地裂縫發(fā)生和含水層破壞程度。地面開挖截、排水溝，攔截地面徑流，堵漏防滲。修建高位蓄水池，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后，可作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水水源，科學(xué)利用礦井水資源。

（3）開展礦山地質(zhì)環(huán)境問題專項(xiàng)勘查：查清礦區(qū)內(nèi)斷層空間分布、規(guī)模、性質(zhì)、產(chǎn)狀及導(dǎo)水性能，為預(yù)防采空塌陷、地裂縫和含水層破壞提供科學(xué)依據(jù)；查清歷史遺留的鉆孔、廢棄礦井、老采空區(qū)和采空塌陷、地裂縫及含水層破壞隱患區(qū)，為科學(xué)預(yù)防有效治理提供基礎(chǔ)資料。

（4）開展采空塌陷、地裂縫和含水層破壞監(jiān)測(cè)預(yù)警：建立礦區(qū)地面變形和地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；建立井下采區(qū)巷道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（5）預(yù)防強(qiáng)震破壞：礬山磷礦地處礬山盆地北緣，是構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)，屬區(qū)域地殼不穩(wěn)定區(qū)。抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.20g，礦山生產(chǎn)設(shè)計(jì)和采礦活動(dòng)都應(yīng)考慮地震影響破壞，防患于未然。

[1]《河北省涿鹿縣礬山磷鐵礦水文地質(zhì)勘探報(bào)告》.華北冶金地質(zhì)勘探公司五一七隊(duì).1977年4月.

[2]《河北省礬山磷礦水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件》.河北省礬山磷礦.1998年12月.

[3] 《河北省礬山磷礦120萬(wàn)t/a優(yōu)化項(xiàng)目工程初步設(shè)計(jì)》.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司.2008年9月.

[4]《河北省涿鹿縣礬山磷礦區(qū)（西區(qū)）水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告》.華北冶金工程勘察院有限公司.2010年3月.

[5]《張家口市礬山磷礦礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工程設(shè)計(jì)》.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院.2010年5月.

[6]《河北省礬山磷礦有限公司河北省礬山磷礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)方案》.河北省礬山磷礦有限公司.2010年7月.

Evaluation and Prevention of Mined-out Collapse, Ground Fissure and Aquifer Breakage in Fanshan Phosphate Mine, Hebei Province

ZHANG Yubao1, ZHANG Yu2

（1.Hebei Institute of Geological Survey, Shijiazhuang 050081; 2.National Oceanic Consultation Center, State Oceanic Administration, Beijing 100000）

Fanshan phosphate mine, located at the Quaternary pore water and fi ssure water fi lling area, is a largescale productive mine in North China. Based on analysis of the geological and mining condition, formation of mined-out collapse, ground fi ssure and aquifer breakage is evaluated. As a result, some prevention and control measures are put forward.

Mined-out collapse；Aquifer breakage；Prevention and control

TD327

A

1007-1903（2013）02-0031-03

∶ 張玉寶（1957－ ），男，大專，水文工程專業(yè)，高級(jí)工程師，主要從事水工環(huán)和礦山地質(zhì)環(huán)境工作研究。E-mail：zybxgzzy@vip.163.com