呂寶平，劉海平，王經

(1.山東省地質環境監測總站，山東 濟南 250014；2.煙臺市國土資源局，山東 煙臺 264003)

0 引言

膠東地區金礦資源位列全國之首，礦山開采歷史悠久。據記載，自春秋時期即有開采活動，其后歷代不斷，目前年產量已高達100t以上[1]。由于20世紀70—90年代礦山管理粗放，開采混亂，產生了大量穩定性差的采空區，留下嚴重的地面塌陷隱患[2]。

近年來，國家對礦山地質環境保護日益重視，各級各部門對采空區治理工作的資金投入不斷加大。在治理過程中，一般習慣于把采空區作為災害體，采取注漿充填以確保治理效果。這一思路雖然消除了安全隱患，但與將采空區作為空間資源進行改造和利用等先進理念相比，則存在較大差距。膠東地區水資源貧乏，廢棄金礦采空區是非常好的地下水蓄水空間，且礦脈與斷裂關系密切，在水文地質上具有很好的導水或蓄水意義。如何在保證地面穩定性的前提下進行采空區改造，變廢為寶，實現采空區蓄水功能是深入思考的治理方向[3-7]。現以文登市大時家廢棄銀金礦采空塌陷隱患地質災害治理工程為例，探討采空區改造含水層方法的可行性。

1 廢棄采空區形成歷史

文登市大時家銀金礦區20世紀80年代開始小規模的民采。1991年，礦區開始由大侯家鎮鎮辦企業開采，后期出現亂采、盜采現象，1999年停采后盜采情況仍時有發生，開采過程中沒有留下任何文字與圖紙資料。據調查，鎮辦企業時期開采規模最大，采用豎井開采，通過巷道挖掘進入礦體，礦體內采用崩落法，沿礦體上山方向開采至設計預留礦體底面標高。豎井設計在礦體下盤，井口距礦體露頭走向垂直距離約5m。豎井深度80m，共2個中段開采礦石。所有采空區均未進行充填，開采頂板也未進行防護。

2 地質環境背景

2.1 地形地貌

治理區屬低緩丘陵區，海拔高程30.00～37.00m，相對高差7.00m，地形比較平緩，坡度一般5°～10°。

2.2 地質條件

地層較簡單，僅局部分布新生代第四系殘、坡積物，厚度小于1m。侵入巖為元古代文登混合花崗巖。礦體長223m，厚度1.64m，延深100m，走向300°，傾向NE，傾角65°～70°，金平均品位4.05×10-6，銀品位30.2×10-6，呈透鏡體狀。礦床成因為中低溫熱液石英脈金礦床。

2.3 水文地質條件

治理區地下水類型為基巖構造裂隙水。根據工程地質勘察資料，采空區處于完全充水狀態，穩定水位埋深為3.10～6.30m，穩定水位標高30.28～30.46m。

2.4 工程地質條件

第一層素填土厚度約1.5m。γ平均值為18.5kN/m3，根據工程經驗取值C=2kPa，Φ=30°(下同)。

第二層強風化混合花崗巖厚度3～5m，RQD<25，天然重度平均值20.4kN/m3。Ra平均值4.0MPa，標準值3.8MPa。C=20kPa，Φ=35°，fak=400kPa。

第三層中風化混合花崗巖厚度5～10m，RQD=30.9～60.8，天然重度平均值23.3kN/m3。Ra平均值52.2MPa，標準值50.1MPa。C=200kPa，Φ=40°，fak=5000kPa。

第四層微風化混合花崗巖RQD=78.2～93.1，屬堅硬巖，巖石完整程度為較完整—完整(采空區頂板1～2m范圍內為破碎—較破碎)，天然重度平均值24.8kN/m3。Ra平均值98.2MPa，標準值92.1MPa。C=400kPa，Φ=45°，fak=9200kPa。

3 礦山地質環境問題特征

3.1 地面形變特征

2010年擴建、改造16縣道時曾發生塌陷，但未留下資料，其位置、范圍、塌陷深度等不詳。2013年進行治理設計時現場觀測，16縣道路面與附近民房沒有明顯的開裂現象，未發現較明顯的塌陷坑(帶)。擴建、改造縣道時，殘留的民采井(硐)絕大多數被回填。在礦區開采范圍的西部、16縣道南側，民采井(硐)分布比較密集，其位置、井(硐)直徑與深度等不詳。僅有的2個殘留民采井見表1。

表1 廢采井(硐)調查、觀測統計

1號采井被回填，后期被當地村民保護，用作農田灌溉。2號采井被回填處理至井口，目前沉降深度約6m。

3.2 采空區探測

選擇高密度電法、瞬變電磁法、天然電場選頻法和電阻率測深法進行采空區探測[8-10]。共完成瞬變電磁測線10條，物理點115個，其中探測物理點110個，檢查點5個；完成高密度測線8條，物理點480個；完成天然電場選頻測線6條，物理點116個。依據地質調查資料和礦產資料將高密度電法、瞬變電磁法、天然電場選頻法和電阻率測深法所獲得的電性資料經過反復對比，認真分析研究確定，四種方法所反映的異常平面位置基本一致(圖1)。

1—瞬變電磁法測點;2—瞬變電磁法質量檢測點;3—設計鉆孔位置;4—高密度電法測線;5—推斷采空區投影圖1 大時家治理區物探成果推斷平面示意圖

共布置4個鉆孔對工程物探工作進行了驗證。驗證情況詳見表2。

表2 采空區驗證情況

3.3 采空區分布特征

結合地面調查、物探、鉆探驗證等工作，可以看出，治理區的地下采空區主要為侯家鎮鎮辦企業采礦形成的采空區，規模較小，形態特征比較規則。采空區分布于I-1號礦脈以北約5～35m范圍，東西長約170m。

采空區垂直投影的平面范圍界線根據調查資料、物探解譯資料與驗證資料綜合分析適當外推，圈定采空區垂直投影總面積約4341m2，采空區容積約19793m3，見圖2。

1—驗證孔及編號；2—中段采空區推測范圍；3—二中段采空區推測范圍；4—巷道和水倉范圍；5—耕地；6—草地；7—林地；8—果園；9—墳地；10—金礦脈及編號圖2 大時家治理區采空區分布垂直投影范圍示意圖

1—注砂孔及編號；2—耕地；3—草地；4—林地；5—果園；6—墳地；7—金礦脈及編號圖3 注砂孔平面布置示意圖

4 改造工程方案

4.1 總體思路

按照當地政府要求和改造原則，在廣泛搜集有關治理經驗的基礎上，根據大時家金礦采空區的規模、形態特征，經過認真分析、研究、論證，采空區改造采用充填級配較好的中粗砂方案。該治理方案尚無先例，更沒有規范、手冊遵循，設計、施工、質量檢驗都具有很強的挑戰性，難度大，完全是在理論指導下，參照已有的相關經驗進行突破。施工過程中要求進行準確、詳細的施工記錄，為以后的工程積累寶貴經驗。

4.1.1 注砂孔設計

根據充填材料的特點和采空區的形態特征，每中段采空區的上部各布設一排注砂孔、沿巷道軸線布設一排注砂孔。結合實際情況、參照相關經驗，設計孔距7～8m，共布設注砂孔40孔，孔徑200mm，孔深17～75m，其中C2，C3，C21，C22孔位于16縣道路面上，如后期施工無法進行，可進行調整，注砂孔平面布置見圖3。

4.1.2 注砂孔施工流程

鉆孔定位→平整場地→設備就位→校正垂直度→測量孔口標高→校正鉆具直徑→鉆進→丈量孔深→量測孔斜→掃孔→壓水沖洗→安放注砂管→固定注砂管。

4.1.3 注砂孔施工工藝

采用潛孔錘鉆沖擊鉆進至設計孔深3m處，改用同一孔徑的回轉鉆進工藝，防止采空區沖擊掉塊。

若施工單位采用潛孔錘沖擊鉆進工藝，有豐富的施工經驗，確保采空區頂板不發生大的塌落，可采用潛孔錘出沖擊孔到底。

4.1.4 注砂管安裝

根據各注砂孔揭露采空區頂板埋深，注砂管下端安放在采空區頂板處；上端露出地面的高度以施工方便為準，并采用托架焊接或螺栓固定；孔、管之間的環狀間隙采用水泥漿或水泥砂漿密封。

4.1.5 充填材料要求

充填材料采用級配較好的中粗砂，最大粒徑≤20mm，雜質含量≤3%，粘性土團塊應剔除。

4.1.6 注砂工藝流程與方法

(1)注砂工藝流程

空壓機就位→安裝通風管(通風管末端安放在采空區頂板處)→料斗就位→送壓、注砂→停機、量測→拔出通風管→安裝砂泵→充填→封堵孔口。

(2)注砂方法

設計注砂方法選用干注法+水注法。主要是考慮采空區注砂將排出大量的空區內積水，若采用濕法注砂，排出的水量更多，施工現場將發生水患，既會影響施工，又將增加工程造價。如采用干注法，不能保證注砂管下端端口以上空區完全被充填。故選用干注法+水注法相結合的注砂方法。首先采用干注法充填采空區，將空壓機產生的高壓氣流釋放至采空區底板處，通過反力使水產生劇烈涌動，通過注砂管注入的砂料呈懸浮狀態向四周擴散、沉淀，在采空區底板處形成堆積，由于采空區底板傾角較大，砂料堆積到一定程度，將形成水下滑坡，逐步向下方空區充填。當充填物標高穩定后，改用水注法充填，彌補干注法充填不到的部位。根據分析，采用干注法與水注法相結合的注砂方法比較科學、經濟、合理，應可以達到充填目的。

實際施工過程中，在成孔后采用干法用通風管往孔內鼓風擾動孔內地下水，然后用料斗往孔內注砂，砂全部卡在管道中，難以下到地下空區，反復試驗三個鉆孔效果均不佳。后采用濕法工藝，水泵就位后，用水管從豎井中抽水通到要注砂的井口，同時人工往料斗內注砂，砂同水一起注入井中，抽水使巷道內的水進行內循環，把砂帶到未充滿的區域，從而使采空區逐漸得以充滿。

4.1.7 封孔

停止采空區注砂后，拔出注砂管，繼續向注砂孔內注砂至地表，采用振動棒將孔內砂料振搗密實后，采用水泥砂漿封堵注砂孔。

4.2 廢棄采井治理

考慮采空區充填施工需要排壓孔，2個采井先用作排壓孔，待采空區充填穩定后，采用級配較好的中粗砂對2個采井回填治理，用振動棒將回填深度內的砂料振搗密實。考慮2個采井較深，先期充填的不規范，治理后還有繼續塌陷的可能，井口暫不封堵，采用鋼筋混凝土蓋板保護，根據塌陷情況，隨時回填處理。待塌陷完全穩定后，再用毛石混凝土封堵井口(圖4)。

圖4 采井封堵治理剖面示意圖

4.3 水井設計

應當地政府要求，為當地施工水井一眼。根據分析論證，井位設計在巷道垂直投影范圍內。設計井深75m，井徑425mm。

5 改造效果

5.1 地面穩定性效果

充填工作完成后，根據設計要求鉆探取心驗證工作共鉆孔2眼，總進尺78.6m。鉆孔布設充分考慮到兩充填孔銜接處充填效果，鉆探過程未發生掉鉆現象，巖心采取率91.4%(取心區域平均值)，RQD指標80%(取心區域平均值)，填充物高度2.6m和2.8m，巖層與充填物銜接處較好，充填率可達75%以上，說明治理采空區采取中粗砂處理的方法工藝可行，空洞基本被填充物充填，充填治理效果良好，達到了設計要求。項目實施后地面穩定得到保證，消除了采空塌陷地質災害隱患，保障了當地人民群眾的生命財產安全。

5.2 含水層改造效果

采空區充填后形成含水介質為中粗砂的含水層，圍巖具有隔水作用。地下水的主要補給來源為大氣降水，滲入地下部分沿基巖構造裂隙發育方向，匯集到中粗砂中，其排泄方式主要為人工開采。經估算，采空區蓄置的含水層，調節資源量約為1.3萬m3，單井涌水量大于1000m3/d，成為花崗巖基巖裂隙水貧水區中的富水地段。

2014—2017年，膠東地區持續干旱，降水量較常年偏少30%以上，治理區周邊多處水井干涸。但治理區內所施工水井因構造導水作用和充足的蓄水空間保障，在農灌抗旱過程中為當地村民提供了持續可靠的穩定水源，使周邊近6.67hm2農田得到有效灌溉。

可見，該次采空區治理工作既消除了災害體的安全隱患，又實現了災害體的空間利用，可對膠東地區其他金礦采空區充填工作提供借鑒。但需要指出，該次工作是在小型石英脈型金礦區進行采空區治理，充填方法和物料的確定主要考慮傾角陡、空間小的特點，此前未曾開展類似工作，無規范、手冊可循，今后在相關工作中仍需進一步完善。特別是對于蝕變巖型金礦及其他緩傾礦體采空區治理，需要更進一步開展深入研究。