程鳳，焦玉國(guó)

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

泰安市礦產(chǎn)資源豐富[1]，開(kāi)采歷史悠久，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，開(kāi)發(fā)規(guī)模和強(qiáng)度各異，歷史形成、責(zé)任滅失非煤礦山采空區(qū)眾多，遺留了數(shù)量眾多的廢棄礦井，存在著嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和安全隱患[2-3]，威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)也制約了該市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)調(diào)查，泰安市歷史形成、責(zé)任滅失非煤礦山采空區(qū)涉及鐵礦、金礦、螢石礦、石膏礦、長(zhǎng)石礦、巖鹽礦共計(jì)13個(gè)，其中金礦1個(gè)，石膏礦5個(gè)，鐵礦4個(gè)，螢石礦1個(gè)，巖鹽礦1個(gè)，長(zhǎng)石礦1個(gè)，形成地下采空區(qū)6處，廢棄礦井32個(gè)(圖1)(1)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第五地質(zhì)大隊(duì)，泰安市歷史形成、責(zé)任滅失非煤礦山采空區(qū)調(diào)查報(bào)告，2018年。。

1 采空區(qū)及廢棄礦井分布特征

1.1 采空區(qū)分布特征及存在的問(wèn)題

根據(jù)收集的礦山開(kāi)采資料及調(diào)查成果，對(duì)泰安市歷史形成、責(zé)任滅失石膏礦、螢石礦、鐵礦、長(zhǎng)石礦等非煤礦山采空區(qū)進(jìn)行了圈定，金礦采空區(qū)面積為1127m2，石膏礦采空區(qū)面積為102657m2，螢石礦采空區(qū)面積為40958m2，鐵礦采空區(qū)面積為39134m2，巖鹽礦采空區(qū)面積為145039m2，采空區(qū)總面積為328915m2(表1)①。

由于前期開(kāi)采，部分采空區(qū)地面出現(xiàn)塌陷，其中，岱岳區(qū)角峪鎮(zhèn)角東鐵礦引發(fā)地面塌陷坑2處，塌陷發(fā)生時(shí)間為2004年，塌陷深度一般2～3m,最大8.0m左右，目前已趨于穩(wěn)定；新泰市羊流鎮(zhèn)石河莊硫鐵礦引發(fā)地面塌陷坑1處，位于陡溝村西南農(nóng)田內(nèi)，塌陷深度6m，塌陷區(qū)總面積約50m2，目前仍不穩(wěn)定，每年均有不同程度的塌陷。

1.2 廢棄礦井分布特征

1.2.1 廢棄礦井類(lèi)型及數(shù)量

泰安市共有歷史形成、責(zé)任滅失非煤礦山廢棄井口32個(gè)，主要為金礦、石膏礦、鐵礦、螢石礦、巖鹽礦廢棄井口，其中金礦廢棄井口2個(gè)，石膏礦廢棄井口10個(gè)，鐵礦廢棄井口7個(gè)，螢石礦廢棄井口2個(gè)，長(zhǎng)石礦廢棄井口7個(gè)，巖鹽礦廢棄井4個(gè)。按廢棄礦井類(lèi)型劃分，主要分為豎井、斜井、平硐，巖鹽礦井，其中豎井25個(gè)，斜井3個(gè)，平硐4個(gè)(圖1)。

1—礦區(qū)范圍；2—廢棄礦井；3—高速公路；4—國(guó)道；5—高速鐵路；6—普通鐵路；7—縣區(qū)界線圖1 泰安市歷史形成、責(zé)任滅失非煤礦山及廢棄礦井分布圖

1.2.2 廢棄礦井分布

廢棄礦井主要分布在岱岳區(qū)大汶口鎮(zhèn)、良莊鎮(zhèn)、滿(mǎn)莊鎮(zhèn)、馬莊鎮(zhèn)、化馬灣鄉(xiāng)及角峪鎮(zhèn)、肥城市安臨站、邊院鎮(zhèn)、老城區(qū)、新泰市羊流鎮(zhèn)、石萊鎮(zhèn)。岱岳區(qū)大汶口鎮(zhèn)4個(gè)、化馬灣鄉(xiāng)2個(gè)、良莊鎮(zhèn)2個(gè)、滿(mǎn)莊鎮(zhèn)2個(gè)、馬莊鎮(zhèn)2個(gè)、角峪鎮(zhèn)2個(gè)，肥城市安臨站2個(gè)，邊院鎮(zhèn)4個(gè)、新泰市羊流鎮(zhèn)11個(gè)、汶南鎮(zhèn)1個(gè)(表1)。

表1 非煤礦山采空區(qū)概況統(tǒng)計(jì)

石膏礦廢棄礦井分布于大汶口盆地內(nèi)的馬莊鎮(zhèn)、滿(mǎn)莊鎮(zhèn)，螢石礦廢棄礦井分布于肥城市安臨站趙家莊一帶，巖鹽礦廢棄礦井分布于肥城市邊院鎮(zhèn)東莊，在該區(qū)域內(nèi)廢棄礦井附近人類(lèi)活動(dòng)較多，對(duì)居民及下田耕作人員、過(guò)路行人及車(chē)輛構(gòu)成安全威脅，其危害程度較嚴(yán)重。鐵礦廢棄礦井主要分布于岱岳區(qū)角峪鎮(zhèn)、新泰市羊流鎮(zhèn)、汶南鎮(zhèn)的丘陵山地，嚴(yán)重威脅了周邊居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，附近村民放牧?xí)r經(jīng)常發(fā)生羊只掉進(jìn)礦井的事件，對(duì)周邊居民生命及財(cái)產(chǎn)安全威脅較大。

1.2.3 廢棄礦井現(xiàn)狀

截至2018年，存有安全隱患的32處廢棄井口，大多未采取設(shè)置圍擋、警示牌等措施，僅小部分井口加蓋進(jìn)行了封堵(表2)。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)范圍的確定

采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)范圍是根據(jù)采空區(qū)的平面投影結(jié)合巖移角綜合確定，該次評(píng)價(jià)以各礦區(qū)采空區(qū)最大影響范圍作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)范圍[4-6]。

表2 廢棄井口現(xiàn)狀

根據(jù)收集的礦山資料及各礦區(qū)地質(zhì)條件、礦巖性質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，計(jì)算采空區(qū)地表巖移影響半徑，從而確定采空區(qū)最大影響范圍，公式如下：

式中：r—地表巖移影響半徑(m)；H—采空區(qū)埋深(m)；β—巖移角。通過(guò)計(jì)算得出各礦區(qū)采空區(qū)影響范圍(表3)。

表3 各礦山采空區(qū)影響范圍

2.2 評(píng)價(jià)方法

采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)常用開(kāi)采條件判別法、地表移動(dòng)變形判別法、巖柱穩(wěn)定分析法等[7-9]。區(qū)內(nèi)采空區(qū)主要為石膏礦、鐵礦、金礦、螢石礦、巖鹽礦采空區(qū)，其中石膏礦開(kāi)采方法為房柱式采礦法，鐵礦、金礦、螢石礦采空區(qū)均為急傾斜采空區(qū)[10]，根據(jù)各個(gè)礦的采礦方法、采空區(qū)實(shí)際開(kāi)采情況，參考以往類(lèi)似礦山穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，該次采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法為規(guī)范評(píng)價(jià)法和賦值打分法。

2.2.1 規(guī)范評(píng)價(jià)法

影響采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性的因素很多，主要有礦層因素、巖性因素、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、開(kāi)采條件等。根據(jù)采空區(qū)的類(lèi)型、頂板巖性、覆蓋土層厚度、地表移動(dòng)和變形特征、填充狀態(tài)等，對(duì)采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性進(jìn)行分級(jí)，劃分為Ⅰ級(jí)(穩(wěn)定)、Ⅱ級(jí)(基本穩(wěn)定)、Ⅲ級(jí)(不穩(wěn)定)3個(gè)等級(jí)。采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性應(yīng)采用定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)山東省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑巖土工程勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB37/5052-2015)表4、表5和表6的規(guī)定進(jìn)行。在定性評(píng)價(jià)表和定量評(píng)價(jià)表中具備其中一個(gè)或多個(gè)特征，即可按該級(jí)別判定，各礦區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7、表8、表9。

2.2.2 賦值打分法

根據(jù)采空區(qū)實(shí)際情況，該次賦值打分主要應(yīng)用于石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)[11-12]。采空區(qū)穩(wěn)定性受眾多因素影響，許多影響因子難以定量表達(dá)，根據(jù)其影響大小，賦予不同的權(quán)重，進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)。

(1)影響因子的確定：根據(jù)國(guó)內(nèi)類(lèi)似礦山評(píng)估常用因子提出的采空區(qū)形成時(shí)間、采空區(qū)面積、采空區(qū)礦柱、面積比率、礦柱寬高比、采空區(qū)是否有水、采空區(qū)當(dāng)前來(lái)壓情況、采空區(qū)周邊情況等7個(gè)因子進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，綜合分析采空區(qū)穩(wěn)定性[13]。

表4 采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)

表5 采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

表6 采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

表7 各礦區(qū)采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)結(jié)果

(2)采空區(qū)影響因子權(quán)重判定：根據(jù)大量石膏礦山采空區(qū)管理的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)深入分析研究，按照前述采空區(qū)穩(wěn)定性分類(lèi)的7個(gè)因子，采用賦值打分法確定單個(gè)分類(lèi)因子對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度，對(duì)單個(gè)因子來(lái)說(shuō)，影響程度越大，分值越高[14]。采空區(qū)穩(wěn)定性分類(lèi)判據(jù)如表10所示。

(3)采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子權(quán)重賦值及分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)：采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度是不同的，各因子之間也不是單獨(dú)作用、毫無(wú)關(guān)聯(lián)的，而是具有一定聯(lián)系、相互關(guān)聯(lián)的。為反映7個(gè)影響因子的綜合影響，賦予各個(gè)因子各不相同的權(quán)重。結(jié)合相關(guān)研究成果及石膏礦山的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)深入分析研究，確定各因子的權(quán)重(Wi，i=1，2，3，4，5，6，7)為：采空區(qū)存在時(shí)間，W1=0.11；采空區(qū)面積，W2=0.09；礦柱面積比率，W3=0.14；礦柱寬比高，W4=0.16；采空區(qū)來(lái)壓情況，W5=0.20；采空區(qū)是否有水，W6=0.12；采空區(qū)周邊情況，W7=0.18。

表8 各礦區(qū)采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)結(jié)果

表9 各礦區(qū)采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

表10 采空區(qū)穩(wěn)定性權(quán)重判定

表11 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子特征及賦值計(jì)算

采空區(qū)一旦形成，無(wú)論條件如何或時(shí)間長(zhǎng)短，隱患就已經(jīng)形成，在一定條件下，如礦柱尺寸過(guò)于窄小，礦房高度又很大，又不留設(shè)頂?shù)字㈨數(shù)赘嗷蚋綦x礦帶等，就會(huì)很快垮落。結(jié)合國(guó)內(nèi)外礦山穩(wěn)定性分類(lèi)的相關(guān)研究及石膏礦山的管理經(jīng)驗(yàn)，以及《建筑巖土工程勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB37/5052—2015)將采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性分為不穩(wěn)定采空區(qū)、基本穩(wěn)定采空區(qū)和穩(wěn)定采空區(qū)3類(lèi)。

設(shè)某個(gè)采空區(qū)對(duì)第i個(gè)分類(lèi)標(biāo)志的分值為Fi，則其綜合得分計(jì)算為：

P=∑Wi×Fi

采空區(qū)穩(wěn)定性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為：P>55分時(shí)，為不穩(wěn)定采空區(qū)；42

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合賦值打分法和規(guī)范評(píng)價(jià)法兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果，泰安市6處采空區(qū)，不穩(wěn)定區(qū)2處，基本穩(wěn)定區(qū)4處。

3 廢棄礦井危害程度評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

該次評(píng)價(jià)參考主要因素有：廢棄礦井存在主要安全、環(huán)境隱患，廢棄礦井主要威脅對(duì)象，廢棄礦井關(guān)閉到位情況，有無(wú)安全處置措施，廢棄礦井的開(kāi)采礦種以及以往發(fā)生的安全事故等[15]。依據(jù)《國(guó)土資源部發(fā)展改革委環(huán)境保護(hù)部安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)廢棄礦井治理工作的通知(國(guó)土資發(fā)〔2008〕154號(hào))，采用定性綜合評(píng)價(jià)方法，根據(jù)廢棄礦井危害對(duì)象，井口封堵情況、安全處置措施設(shè)置情況，按等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)分為嚴(yán)重、較嚴(yán)重、輕微3個(gè)級(jí)別(表12)。

表12 廢棄礦井危害程度分級(jí)

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

全市32個(gè)廢棄礦井中，危害程度分為較嚴(yán)重和輕微。危害程度較嚴(yán)重的4個(gè)，主要為泰安市良莊鎮(zhèn)石膏礦主井、副井，泰安市岱岳區(qū)角東鐵礦主井，新泰市盤(pán)車(chē)溝鐵砂有限公司鐵礦主井；危害程度輕微的為28個(gè)，包括金礦廢棄井口2個(gè)，石膏礦廢棄井口8個(gè)，鐵礦廢棄井口5個(gè)，螢石礦廢棄井口2個(gè)，長(zhǎng)石礦廢棄井口7個(gè)，巖鹽礦廢棄井4個(gè)。

4 采空區(qū)及廢棄礦井防治措施

4.1 采空區(qū)防治措施

對(duì)6處礦山的采空區(qū)采取地表變形監(jiān)測(cè)，設(shè)立警示牌[16-18]。對(duì)現(xiàn)狀評(píng)估的危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)劃界，在醒目位置提前預(yù)告，設(shè)立危險(xiǎn)警示標(biāo)示。每隔200m設(shè)立一處警戒點(diǎn)，距采空區(qū)塌陷危險(xiǎn)區(qū)不小于100m；警示標(biāo)志紋樣制作、規(guī)格等按相關(guān)條例、法規(guī)執(zhí)行。在每處采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)設(shè)置地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行地表沉降及位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為3個(gè)月一次。對(duì)危險(xiǎn)性較大且不穩(wěn)定的采空區(qū)需加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一旦發(fā)現(xiàn)采空出現(xiàn)形變、裂縫等現(xiàn)象，即刻由應(yīng)急防治指揮部組織有關(guān)部門(mén)專(zhuān)家和人員，及時(shí)趕赴現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行采空區(qū)治理專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)。地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)65點(diǎn)。

4.2 廢棄礦井防治措施

拆除廢棄井架及相關(guān)設(shè)施，對(duì)確定無(wú)利用價(jià)值且危險(xiǎn)性大的18口廢棄礦井進(jìn)行充填，井口采用鋼筋混凝土蓋板密封；對(duì)危險(xiǎn)性小、可保留為水井的2口廢棄礦井，建看護(hù)房，并在看護(hù)房上設(shè)立警示標(biāo)志，定期進(jìn)行排查；對(duì)危險(xiǎn)性小，且無(wú)利用價(jià)值的4口巖鹽礦廢棄井口設(shè)立警示標(biāo)志，定期排查[19-20]。

5 結(jié)語(yǔ)

該文在對(duì)泰安市歷史形成、責(zé)任滅失的鐵礦、石膏礦、金礦、長(zhǎng)石礦、螢石礦、巖鹽礦等非煤礦山采空區(qū)進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，采用賦值打分法和規(guī)范評(píng)價(jià)法對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，并對(duì)廢棄礦井危害程度進(jìn)行定性分析評(píng)價(jià)，提出非煤礦山采空區(qū)及廢棄礦井針對(duì)性防治技術(shù)措施，為相關(guān)防治工作的開(kāi)展提供參考和依據(jù)。建議對(duì)各礦區(qū)采空區(qū)進(jìn)行地表變形監(jiān)測(cè)，對(duì)不穩(wěn)定采空區(qū)做詳細(xì)勘查，進(jìn)一步查明地下采空區(qū)的特征、發(fā)展趨勢(shì)、危險(xiǎn)性、威脅對(duì)象、潛在經(jīng)濟(jì)損失等情況。