井下開采對(duì)馬莊鐵礦地表環(huán)境破壞的預(yù)測(cè)和防治

鐘偉杰

（山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250104）

因地下開采而引起的地表變形甚至塌陷是一個(gè)復(fù)雜的巖體大變形和大位移問題。井下礦產(chǎn)資源的開采所產(chǎn)生的地表變形可能會(huì)導(dǎo)致工程災(zāi)害，主要包括采空塌陷、巖溶塌陷、伴生地裂縫及地下水層位變化等。作者收集了馬莊礦區(qū)周邊以往的地質(zhì)環(huán)境資料，在礦區(qū)地表布置了5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)地表位移，并對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地表位移進(jìn)行了連續(xù)8 年的月觀測(cè)，對(duì)地面變形產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行全面的分析，有針對(duì)性地提出切實(shí)可行的防治措施，為馬莊鐵礦環(huán)境保護(hù)與實(shí)現(xiàn)鐵礦綠色開采建立基礎(chǔ)。2018 年1 月～7 月期間，作者主持萊蕪鋼鐵集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司馬莊鐵礦（擴(kuò)界）項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作，文章結(jié)合工作經(jīng)歷，提出了井下開采對(duì)地表環(huán)境破壞的防治措施，為實(shí)現(xiàn)礦山的綠色開采提供基礎(chǔ)。

1 馬莊鐵礦概況

馬莊鐵礦位于山東省濟(jì)南市萊蕪區(qū)境內(nèi)。礦區(qū)所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造位置為泰萊凹陷內(nèi)，萊蕪鐵礦礦山西南部，礦山弧形背斜東南翼，閃長(zhǎng)巖巖體與圍巖的接觸帶上。礦區(qū)為一單斜構(gòu)造，工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單型。

馬莊鐵礦礦床屬于高溫?zé)嵋航佑|交代矽卡巖型磁鐵礦床，發(fā)育一條主礦體和一個(gè)零星礦體。主礦體產(chǎn)于閃長(zhǎng)巖和大理巖的接觸帶上，沿接觸帶呈扁豆?fàn)睢⑼哥R狀或似層狀產(chǎn)出。此外，在13 線深部有一個(gè)零星礦體，呈透鏡狀產(chǎn)出。

主礦體走向長(zhǎng)1700m，傾向延伸一般150m 左右，最大330m，賦存標(biāo)高0～ -480m，產(chǎn)狀為總體走向20°～40°，傾向SE，傾角40°～80°。礦 體 厚2.16～54.18m， 平 均16.98m， 厚 度 變 化系數(shù)為87.49%，礦體厚度變化較大，TFe 品位27.06%～64.15%，平均45.44%，品位變化系數(shù)17.30%，品位分布較為均勻。

2 井下開采引起的地表環(huán)境破壞問題

2.1 地質(zhì)災(zāi)害

（1）采空塌陷

馬莊鐵礦自1958 年建礦以來，已開采多年，形成了大量采空區(qū)，并在地面發(fā)生多處采空塌陷。采空區(qū)陷落后，在地表自北向南已形成六個(gè)塌陷坑，編號(hào)分別為T-1、T-2、T-3、T-4、T-5 和T-6，面積分別為6232m2、17378m2、9175m2、6965m2、274m2和37489m2，塌陷坑總面積達(dá)77513m2，未造成人員傷亡。自2000 年以后，馬莊鐵礦±0m 標(biāo)高以下的礦體采用尾砂膠結(jié)充填采礦技術(shù)，使新采空區(qū)得到了及時(shí)治理，有效控制和消除了開采后的地壓危害因素。對(duì)0m 以上原采空區(qū)進(jìn)行了全尾砂膠結(jié)充填治理，地表塌陷坑進(jìn)行回填。自實(shí)施充填至今，地表未再發(fā)生新的塌陷。

（2）巖溶塌陷

根據(jù)《 萊蕪市地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃（2012 ～2025）》，馬莊鐵礦西南部靠近規(guī)劃中劃定的巖溶塌陷重點(diǎn)防治亞區(qū)，即規(guī)劃中提到的“鳳城街道辦事處孟家莊村及曹東村一帶”。自1992年以來，該區(qū)域多次發(fā)生巖溶塌陷，造成部分居民房屋斑裂和倒塌，影響面積2.8km2，涉及孟家莊、曹西村、曹東村3 個(gè)村。

礦井正常排水量為23000m3/d，主要充水水源為灰?guī)r巖溶水，灰?guī)r在本區(qū)東部和南部大面積裸露，北部被古近紀(jì)砂礫巖和第四紀(jì)松散層所覆蓋，當(dāng)前灰?guī)r水位為-46～ -93m（水位埋深246～293m），礦區(qū)未開采前灰?guī)r原始穩(wěn)定水位為+176m，灰?guī)r水位已下降。-100m 以上采用疏干排水，-100m 以下采用注漿堵水的方法，未發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷。

（3）地裂縫

馬莊礦區(qū)中部發(fā)育一條較大的斷層，為F7斷層，落差大于20m。受采動(dòng)影響，斷層兩盤的巖體可能重新活動(dòng)，地表可能沿?cái)嗔褞Оl(fā)育地裂縫。目前，在南部礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)兩條大的地裂縫，F(xiàn)-1 長(zhǎng)37m，裂縫帶0.5m，F(xiàn)-2 長(zhǎng)58m，裂縫帶寬0.7m，均為采動(dòng)影響發(fā)生的裂縫。兩條地裂縫主要為T-4 和T-5兩處采空塌陷所伴生的。

2.2 對(duì)含水層的影響

在馬莊東副井廣場(chǎng)東南360m 處有一個(gè)第四系潛水井和一個(gè)灰?guī)r巖溶水井（礦區(qū)范圍以外）。經(jīng)調(diào)查，第四系潛水水位長(zhǎng)期在地表以下3～5m 范圍內(nèi)波動(dòng)（水位191m 左右），灰?guī)r水井水位埋深在140～150m 范圍內(nèi)波動(dòng)（水位+45～ +50m），井下生產(chǎn)區(qū)水位-52m 左右，而馬莊礦開采初期穩(wěn)定水位+177.0～197.6m，當(dāng)?shù)氐叵滤Y源均衡狀態(tài)已被破壞，并形成以井下生產(chǎn)區(qū)為中心的水位降落漏斗。

3 井下開采對(duì)地表環(huán)境破壞的預(yù)測(cè)

根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境問題分析，馬莊礦繼續(xù)開采，預(yù)測(cè)可能會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的類型有采空塌陷、巖溶塌陷及伴生地裂縫。

采空區(qū)陷落將引發(fā)地面沉降。因開采礦體時(shí)，采空區(qū)頂板無法形成“雙拱”支撐結(jié)構(gòu)來支撐上覆巖體自重，易形成采空塌陷，形成低洼地，深部不明顯。地面塌陷按速率可分為初始階段、活躍階段、衰退階段三個(gè)階段。初始階段下沉速率小于30mm/月，活動(dòng)階段大于30mm/月，衰退階段小于30mm/月。發(fā)生采空塌陷同時(shí)，在基巖裸露區(qū)或第四系較薄的地點(diǎn)，易伴生地裂縫。

根據(jù)在礦區(qū)地表布置的5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的地表位移數(shù)據(jù)（以2017 年地表巖移數(shù)據(jù)為例）（見表1），經(jīng)對(duì)照《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》關(guān)于建筑物保護(hù)等級(jí)允許變形值表可知，地表一般房屋的最大允許變形量中傾斜T 為10mm/m，水平變形ε 為6mm/m。馬莊鐵礦地表變形量遠(yuǎn)小于最大允許變形量，地表房屋位移在安全范圍內(nèi)，即井下采礦基本上對(duì)地表房屋安全沒有影響。巖移范圍內(nèi)有村民約40 戶，根據(jù)建設(shè)提供的數(shù)據(jù)，巖移范圍充填結(jié)頂率達(dá)到100%。

4 礦山地表環(huán)境防治措施

（1）在礦山開采期間，地下開采的固體礦山繼續(xù)采用充填法開采，及時(shí)回填采空區(qū)，避免或減少采空塌陷和地裂縫的發(fā)生。

① 井下繼續(xù)采用上向分層點(diǎn)柱采礦與膠結(jié)注漿充填采空區(qū)方法，采空區(qū)密閉墻要有一定強(qiáng)度，不得漏漿。

② 開采過程中，當(dāng)?shù)V體頂板巖體破碎時(shí)，要及時(shí)先進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，避免引發(fā)大面積冒落，進(jìn)而導(dǎo)致地面塌陷。

③ 每一礦房采完后，應(yīng)在一個(gè)月之內(nèi)全部充填采空區(qū)，使?jié){液在采空塌陷發(fā)育的初始階段就形成較堅(jiān)硬的結(jié)石體，以減少采空區(qū)頂板冒落和下沉。

（2）采取井下帷幕注漿堵水方案，避免發(fā)生突水，減少礦井涌水量，以防止地下水水位急劇下降。

（3）礦山應(yīng)定期對(duì)巖移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并保持長(zhǎng)期觀測(cè)，方便礦山進(jìn)行長(zhǎng)期系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與分析。

表1 2017 年地表巖移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一覽表

5 結(jié)論

馬莊鐵礦對(duì)±0m 標(biāo)高以下的礦體采用尾砂膠結(jié)充填采礦技術(shù)，有效控制了井下開采對(duì)地表環(huán)境的破壞。-100m 以下采取井下帷幕注漿堵水方案，減少礦井涌水量，防止地下水水位急劇下降。通過對(duì)充填情況的檢驗(yàn)，證明地下采空區(qū)充填密實(shí)，充填效果較好，采空區(qū)膠結(jié)充填率在90%以上，達(dá)到了預(yù)期效果。同時(shí)，根據(jù)在礦區(qū)地表布置的5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的地表位移數(shù)據(jù)，在采取防治措施以后，馬莊鐵礦地表變形量遠(yuǎn)小于最大允許變形量，地表房屋位移在安全范圍內(nèi)，即井下采礦基本上對(duì)地表房屋安全沒有影響。因此，礦山采用了全尾砂膠結(jié)充填采礦法和注漿堵水方案后，預(yù)測(cè)產(chǎn)生采空塌陷、巖溶塌陷、伴生地裂縫及地下水水位下降的可能性較小。