大汶口石膏礦區(qū)石膏礦房地下空間特征和利用對策探析

李文孟，楊樹杰，趙赫，周良

(1 .泰安市自然資源和規(guī)劃局，山東 泰安 271000；2.中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 泰安 271000；3 .山東省第五地質礦產勘查院，山東 泰安 271000；4 .泰安市岱岳區(qū)自然資源局，山東 泰安 271000)

近幾年，隨著生態(tài)文明的推進和國土空間管制的加強，對采空區(qū)地下空間資源認識不斷深化，開發(fā)利用水平不斷提高，其潛在的開發(fā)價值，得到社會各界的普遍重視。大汶口礦區(qū)內探明石膏資源儲量約337億t[1]，經過近30年的開采利用[2]，形成了一定數量規(guī)模、結構相對穩(wěn)定的石膏礦房空間，各礦山企業(yè)為了實現資源的安全開發(fā)和合理利用，為了防止礦柱失穩(wěn)，除了留設合適的礦柱外[3]，每年投入大量的人力、物力對石膏礦房地下空間進行監(jiān)控、維護，維護任務艱巨復雜，工作成本高。目前國內能夠適合開發(fā)利用的石膏礦房空間稀少，開展石膏礦房空間利用研究和事例較少，石膏礦房地下空間是大汶口礦區(qū)石膏礦產地獨有的空間資源，具有許多開發(fā)利用的優(yōu)勢和條件，圍繞石膏礦房地下空間特征開展相關研究，探討有效利用形式和途徑，對促進石膏礦產資源開發(fā)利用的轉型升級，推動區(qū)域經濟發(fā)展具有重要的現實意義和戰(zhàn)略意義。

1 大汶口盆地石膏礦地質概況

1.1 區(qū)域地質概況

大汶口盆地位于泰安市西南約25km處，是山東省著名的石膏、自然硫、巖鹽、鉀鹽等礦產聚集地[4]。其所處大地構造位置為華北板塊，魯西隆起區(qū)，魯中隆起，蒙山-蒙陰斷隆西端的汶口凹陷[5]。區(qū)域地層主要發(fā)育有新太古代泰山巖群、寒武-奧陶紀長清群、九龍群、馬家溝群、石炭-二疊紀月門溝群、古近紀官莊群、新近紀黃驊群及第四系等。區(qū)域內斷裂構造發(fā)育，斷裂構造不僅控制著盆地的形成和發(fā)展，也控制著成膏、成鹽作用。大汶口盆地是由南留斷裂(Fn)、王莊斷裂(Fw)和故縣斷裂控制形成的北斷南超的單斷箕狀盆地[6](圖1)。大汶口盆地內斷裂還有2組，一組是NW—NWW向的F1，F2，F3，F9；另一組是NE—NEE向的F4,F5,F6,F8,F11。這些斷層在盆地發(fā)展的不同階段有不同程度的活動，切割了盆地，形成了次一級的構造洼地和構造凸起(表1)。本區(qū)地處地震少發(fā)區(qū)域，地震烈度為Ⅵ度，屬于穩(wěn)定區(qū)域。

1—砂巖、砂礫巖相區(qū)；2—泥巖、泥質碳酸鹽相區(qū)；3—膏巖相區(qū)；4—巖鹽相區(qū)；5—鈉鎂巖相區(qū)；6—鉀鎂巖相區(qū)圖1 大汶口盆地構造地質圖

1.2 石膏礦體特征

石膏礦層賦存于古近紀官莊群大汶口組[7]。分布在盆地的大部分地區(qū)，巖性為石膏夾泥灰?guī)r、泥巖、頁巖。

聚源石膏礦礦層埋深128～351m，共有七層礦，礦層厚度為29.44～50.27m，平均厚度41.37m。礦石礦物主要為石膏、硬石膏，脈石礦物主要為方解石、粘土質礦物，極少量的石英及微量黃鐵礦。

魯能石膏礦礦層埋深75.00 ～256.62m，共有七層礦，礦帶厚度一般50.00～59.00m，最大102.44m，最小39.04m。礦石礦物主要為石膏，少量硬石膏。脈石礦物主要為方解石、泥質、少量自然硫、鐵質、石英、有機質等。

汶陽石膏礦礦層埋深133～316m，共有七層礦，可采石膏累計厚度在5～40m左右。主要礦物為石膏，少量硬石膏。脈石礦物有方解石、泥質物，含極少量石英、黃鐵礦等。

表1 大汶口盆地次級構造洼地及凸起

礦石具體特征如下：

(1)石膏，白—灰白色，棕褐、黑褐色，中細粒結構為主，塊狀構造。節(jié)理裂隙一般不發(fā)育，巖心為柱狀，局部塊狀。

(2)硬石膏，乳白、淺藍色，隱晶質結構，塊狀構造。堅硬，致密，節(jié)理，裂隙不發(fā)育。巖心長柱狀為主，次為短柱狀。

1.3 工程地質概況

礦帶主要由石膏、泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層組成(圖2)。石膏層致密，強度高，穩(wěn)定性好。泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層遇水軟化，易風化、易裂、易碎，強度低。采礦過程中留護頂礦和護底礦[8]，以防止冒頂、鼓底，并防止透水和H2S大量溢出。礦帶飽和單軸抗壓強度35.32～44.41MPa，平均值40.14MPa。

礦層頂底板主要由泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層組成。頂板穩(wěn)定性差，易坍塌、冒頂。飽和單軸抗壓強度6.38～7.49MPa，平均值6.9MPa。底板巖性多為泥灰?guī)r，比較完整，穩(wěn)固性相對較好。飽和單軸抗壓強度20.94～43.85MPa，平均值30.24MPa。

1.4 圍巖穩(wěn)定性

礦帶頂底板巖性相近，為泥巖、泥灰?guī)r及頁巖、砂巖，直接頂底板巖性主要為頁巖，其次為泥巖，局部頂板為含膏泥灰?guī)r。巖層與礦層界線清晰，產狀基本一致。礦石的夾石為含膏頁巖、頁片狀泥灰?guī)r及泥巖少量。

2 石膏礦房地下空間主要特征

2.1 礦房地下空間埋藏深度適中

大汶口礦區(qū)石膏資源埋藏深度43～1762m，主要賦存于古近紀官莊群大汶口組下段(Ⅰ礦帶)和中段(Ⅱ礦帶)，總體呈NE—SW方向展布，礦層呈層狀，傾角5°～7°[9]。目前石膏礦開采后形成的石膏礦房地下空間埋深約130～400m，埋藏較淺，比較有利于開發(fā)。根據對以往開采情況總結，石膏礦房埋深若小于100m，易影響地表，若超過500m地下應力[10]增大，易影響礦房穩(wěn)定性。

2.2 礦房地下空間呈層狀分布

石膏礦房地下空間取決于石膏礦層的分布。目前開發(fā)利用的石膏礦床呈多層礦賦存于古近紀官莊群大汶口組中段(Ⅱ礦帶)內[11]。礦層自上而下礦層編號為2、3、4、6、11，其中2、3礦層為主采礦層，特別是2礦層，礦層穩(wěn)定，資源儲量較大，又細分為4個礦層，實際工程中礦層分層厚度最大8.10m(ZK109)，最小1.0m，礦層較厚，且比較穩(wěn)定，其中2-2礦層作為開發(fā)利用方案設計的首采礦層。礦層傾向350°左右，傾角5°～11°。

2.3 礦房空間結構穩(wěn)定

石膏礦房地下空間主要分布在石膏礦層內。石膏礦層結構致密，強度高，穩(wěn)定性好。石膏礦主要礦物成分為石膏和少量硬石膏。石膏含量一般75%～95%，標本觀察為灰白色、白色、棕灰色；具玻璃光澤、絲絹光澤；多呈粒狀、板狀；粒徑0.01～3.00mm之間，一般0.05～1.50mm；比重2.32；摩氏硬度2.1。硬石膏含量0～7.82%之間，一般小于5%，標本觀察為灰白色、蘭灰色；半自形—他形，短柱狀；粒徑0.01～1.00mm。比重2.95；摩氏硬度3.52。由于石膏礦房是采用淺孔房柱法開采后形成(圖2)[注]山東科技大學，汶陽石膏礦井下開采關鍵技術論證報告,2014年。，開采形成的礦房在各分層平行分布，在每一個單層內，礦房沿礦層走向展布，逆傾斜推進。水平隔離礦柱寬度為4.0m[12]，礦房寬度為4.0m。礦房空間高不同，2-2石膏礦層最高不超過5.5m，2-3、2-4石膏礦層最高不超過4m。礦山開采采用小條帶法開采[13]，礦房頂部留不小于2m的護頂膏層，開采條帶寬度4m，水平隔離礦柱寬度4m。小條帶法開采能依靠礦柱有效地支撐頂板，保持礦房頂板的完整性。

圖2 房柱式連續(xù)礦柱法開采示意圖

2.4 礦房空間圍巖自然密閉性好

石膏礦房空間上覆有三個含水層和三個隔水層[1]，確保了礦房空間的密閉性。

主要含水層：①第四系含水層：厚4～8m，水位埋深1.90～5.13m。上部為0.6～6.0m厚的弱透水砂質粘土，中部為砂礫石層。砂礫石層含水量豐富，q=291.43～2894.12L/s.m，k=37.15～113.03m/d。②Ⅰ礦帶頂板含水層，以溶孔、溶隙形式存在，屬巖溶裂隙水。含水層厚51.00～80.58m，水位埋深3.12～3.39m，q=0.174～0.223L/s.m，k=0.22～0.28m/d，屬富水性中等含水層。③Ⅰ礦帶與Ⅱ礦帶之間的砂礫巖含水層，屬弱含水層，k=0.0842m/d，q=0.0617～0.0868L/s.m。含水層與開采礦層距離較近(表2)。

表2 區(qū)內含水層、隔水層特征

主要隔水層：①新近系隔水層。該層巖性主要為泥巖或泥巖夾泥質膠結砂巖，頂部埋深15.50～22.95m，厚度6.75～34.35m，具有良好的隔水性。②Ⅰ礦帶頂板隔水層，巖性主要為泥巖或泥巖夾泥質膠結砂巖、鈣質頁巖，頂部埋深88.00～130.31m，厚12.35～116.19m。具有良好的隔水性。③Ⅱ礦帶頂板隔水層，巖性主要為泥巖或泥灰?guī)r夾板狀、線狀石膏，頂部埋深125.93～204.19m，厚26.59～71.39m。q=0.0000979～0.000199L/s.m，具有良好的隔水性。

2.5 礦房空間規(guī)模潛力大

目前在生產的有三處石膏礦，已形成石膏礦房地下空間約600萬m3，按照目前礦山開采規(guī)模和礦山服務年限，預計未來還可增加空間600萬m3，綜合來看，在三處石膏礦閉坑前，預計三處礦山能夠形成1200萬m3的地下空間，若其他三個持證礦山投入基建開采生產，未來可將形成2400萬m3的石膏礦房地下空間。

2.6 礦房空間各管理系統(tǒng)健全，易于監(jiān)控

石膏礦房地下空間以生產礦山為單元相互獨立，各自系統(tǒng)完善。礦山目前采用豎井、單水平上、下山開拓系統(tǒng)[14]，主井、風井均布置于礦區(qū)范圍東部。主井凈直徑5.0m，井筒內裝備一對0.9m3單層單車普通罐籠，鋼絲繩罐道，主要擔負礦石、材料、設備的提升及人員的升降。井筒內設提升間、梯子間、管纜間，提升井井底車場附近均設有永久水倉、水泵房和變電所，各石膏礦山通風、提升、排水、運輸、供電系統(tǒng)正常運轉。現有石膏礦房地下空間均由各礦山管理，近幾年各礦山在采空區(qū)礦房安裝了監(jiān)控設備，并定期維護，實現了采空區(qū)礦房空間的有效管控。

3 影響開發(fā)利用的主要因素

傳統(tǒng)思維，束縛地下空間開發(fā)利用。多年來人們對于礦產資源開發(fā)利用較為重視，對開發(fā)過程中形成的地下空間也多是采用被動地思路和措施開展治理和恢復工作，同時，由于不同礦種和不同開采技術條件，大多數礦產資源開采后形成采空區(qū)，也多是采用垮落法管理頂板[15]，使礦山生產面臨很多的安全問題[16]。大汶口礦區(qū)石膏礦產資源具有獨特的地質特征和礦床開采技術條件，不允許頂板垮落，以免上覆含水層連通，發(fā)生涌水事故。以往石膏礦開發(fā)過程只是注重石膏礦產資源的開發(fā)利用，沒有對形成的地下空間資源進行利用和研究論證，關于石膏礦房空間能否利用的政策、規(guī)定、相關規(guī)范較少。

圍巖的穩(wěn)定性影響到石膏礦房地下空間的利用。石膏礦房地下空間圍巖主要由石膏、泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層組成。泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層遇水軟化，易風化、易裂、易碎，強度低。礦層頂底板主要由泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層組成。頂板穩(wěn)定性差，易坍塌、冒頂。底板巖性多為泥灰?guī)r，比較完整，穩(wěn)固性相對較好。上覆地層為古近系弱膠結的泥質巖類，結構面表現為裂隙、層理，結構面分級屬Ⅳ級，礦體圍巖巖體較完整，屬第一類。礦床巖溶不發(fā)育、構造局部小規(guī)模發(fā)育，石膏屬中硬可溶巖。頂板失穩(wěn)主要形式為小規(guī)模的剝離掉塊，造成突水事故的可能性小，底板發(fā)生突水底鼓的可能性小，次生小斷層發(fā)育地段易發(fā)生礦山工程地質問題。總起來看，石膏礦房工程地質條件為中等—復雜[4]。

現有資源開發(fā)、安全管理規(guī)范對地下空間資源的開發(fā)利用的要求涉及較少。目前石膏礦山開采準入方面和開發(fā)過程管理的規(guī)范主要為現場管理的各項安全規(guī)程和資源利用、環(huán)保及土地利用的各項要求，沒有對地下空間資源利用統(tǒng)籌考慮，也影響到石膏礦房地下空間效益的最大化和永久性利用。

礦井有限的服務年限。現有管理體制下石膏礦房地下空間依托于礦山石膏開采，礦山開采活動停止，礦山一旦閉坑，石膏礦房地下空間也將處于無人利用和管理狀態(tài)，為此，礦山服務年限也影響到石膏礦房地下空間利用。目前，影響礦山服務年限的因素主要有三個：即資源枯竭、自然災害、產業(yè)政策，從而也間接影響石膏礦房地下空間的利用。

4 礦房地下空間利用的對策及建議

進一步加強石膏礦房空間的穩(wěn)定性研究和評價。圍繞現有礦房和未來即將形成的礦房開展相關工程地質和力學穩(wěn)定性評價，分別對不同礦井、不同礦層、不同深度、不同時期的礦房進行觀測對比研究，總結應力變化和巖移規(guī)律，重新修訂開發(fā)方案，確定礦房結構，為空間開發(fā)利用提供技術依據和支撐。

開展石膏礦房空間可行性利用研究。目前國內能夠適合開發(fā)利用的石膏礦房空間稀少，開展石膏礦房空間利用研究和事例較少，僅有安徽含山地區(qū)開展石膏吸水、吸油和滲透性研究以及儲油可行性分析[17]。大汶口礦區(qū)石膏礦房空間主要賦存于石膏礦體內，借鑒其他地區(qū)開發(fā)經驗，也亟需開展石膏吸水、吸油和滲透性研究以及儲油可行性分析，在此基礎上，并選擇重點礦區(qū)和礦段開展儲油試點工作，為探索建立儲油基地提供可行性基礎資料。

統(tǒng)籌石膏資源開發(fā)和地下空間利用。泰安市大汶口礦區(qū)石膏礦是華北地區(qū)儲量最大的礦區(qū)，現有生產礦井三處，設計生產能力120萬t/年，年采出礦量80萬t。預計年形成礦房空間40～50萬m3。幾十年來，隨著石膏開發(fā)強度的加大，礦房空間數量也不斷增加，泰安大汶口礦區(qū)石膏礦產資源開發(fā)和礦房空間利用有許多得天獨厚的條件，政府和相關管理部門、礦山企業(yè)應提高認識，積極開展石膏資源開發(fā)和礦房空間利用經濟和社會對比研究和論證，鑒于資源的有限性和空間資源的永久性，逐漸由石膏資源開采為主，轉到礦產資源開發(fā)和地下空間資源雙重利用的發(fā)展戰(zhàn)略上來，為礦山持續(xù)發(fā)展提供戰(zhàn)略基礎。

探索建立石膏地下礦房空間開發(fā)利用的新機制，實現石膏資源開發(fā)利用轉型升級。石膏地下礦房空間開發(fā)利用國際、國內實例少，涉及行業(yè)管理法規(guī)、政策和相關技術規(guī)程、及設備應用、管理等多個方面，影響深遠。政府應積極搭建開發(fā)利用平臺，建立相應的組織機構管理，開展項目立項論證，確定投資主體，拓寬投融資渠道，調動社會相關因素和力量共同參與石膏地下礦房空間開發(fā)利用。相關礦山企業(yè)應采取措施對礦房空間特征和特性相關數據實現在線管理和監(jiān)控，做好基礎管理工作。通過共同協(xié)作和努力，實現大汶口礦區(qū)資源開發(fā)利用轉型升級。

5 結語

泰安市煤炭、石膏、巖鹽等礦種開發(fā)程度較高，形成數量眾多，不同類型的地下空間(采空區(qū))。加快開展大汶口石膏礦房空間的研究、利用等試點工作，必將推動泰安市及全省其他礦種采礦地下空間的利用，促進礦產資源開發(fā)利用轉型升級，拓展新舊動能轉換發(fā)展空間，探索綠色礦業(yè)發(fā)展路子。

致謝：在該文撰寫過程中得到了山東聚源礦業(yè)集團有限公司和山東魯能泰山礦業(yè)開發(fā)有限公司的大力支持，在此表示感謝。