鐘偉杰

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

因地下開采而引起的地表變形甚至塌陷是一個復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導致工程災害，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 個觀測點監(jiān)測地表位移，并對每個觀測點的地表位移進行了連續(xù)8 年的月觀測，對地面變形產(chǎn)生的環(huán)境影響進行全面的分析，有針對性地提出切實可行的防治措施，為馬莊鐵礦環(huán)境保護與實現(xiàn)鐵礦綠色開采建立基礎。2018 年1 月～7 月期間，作者主持萊蕪鋼鐵集團萊蕪礦業(yè)有限公司馬莊鐵礦（擴界）項目環(huán)境影響評價工作，文章結合工作經(jīng)歷，提出了井下開采對地表環(huán)境破壞的防治措施，為實現(xiàn)礦山的綠色開采提供基礎。

1 馬莊鐵礦概況

馬莊鐵礦位于山東省濟南市萊蕪區(qū)境內(nèi)。礦區(qū)所處區(qū)域地質(zhì)構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，閃長巖巖體與圍巖的接觸帶上。礦區(qū)為一單斜構造，工程地質(zhì)條件屬簡單型。

馬莊鐵礦礦床屬于高溫熱液接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，發(fā)育一條主礦體和一個零星礦體。主礦體產(chǎn)于閃長巖和大理巖的接觸帶上，沿接觸帶呈扁豆狀、透鏡狀或似層狀產(chǎn)出。此外，在13 線深部有一個零星礦體，呈透鏡狀產(chǎn)出。

主礦體走向長1700m，傾向延伸一般150m 左右，最大330m，賦存標高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塌陷坑，編號分別為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77513m2，未造成人員傷亡。自2000 年以后，馬莊鐵礦±0m 標高以下的礦體采用尾砂膠結充填采礦技術，使新采空區(qū)得到了及時治理，有效控制和消除了開采后的地壓危害因素。對0m 以上原采空區(qū)進行了全尾砂膠結充填治理，地表塌陷坑進行回填。自實施充填至今，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，北部被古近紀砂礫巖和第四紀松散層所覆蓋，當前灰?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。受采動影響，斷層兩盤的巖體可能重新活動，地表可能沿斷裂帶發(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37m，裂縫帶0.5m，F(xiàn)-2 長58m，裂縫帶寬0.7m，均為采動影響發(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 對含水層的影響

在馬莊東副井廣場東南360m 處有一個第四系潛水井和一個灰?guī)r巖溶水井（礦區(qū)范圍以外）。經(jīng)調(diào)查，第四系潛水水位長期在地表以下3～5m 范圍內(nèi)波動（水位191m 左右），灰?guī)r水井水位埋深在140～150m 范圍內(nèi)波動（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?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 井下開采對地表環(huán)境破壞的預測

根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境問題分析，馬莊礦繼續(xù)開采，預測可能會發(fā)生地質(zhì)災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，采空區(qū)頂板無法形成“雙拱”支撐結構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、衰退階段三個階段。初始階段下沉速率小于30mm/月，活動階段大于30mm/月，衰退階段小于30mm/月。發(fā)生采空塌陷同時，在基巖裸露區(qū)或第四系較薄的地點，易伴生地裂縫。

根據(jù)在礦區(qū)地表布置的5 個觀測點監(jiān)測的地表位移數(shù)據(jù)（以2017 年地表巖移數(shù)據(jù)為例）（見表1），經(jīng)對照《采礦設計手冊》關于建筑物保護等級允許變形值表可知，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)建設提供的數(shù)據(jù)，巖移范圍充填結頂率達到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)采用上向分層點柱采礦與膠結注漿充填采空區(qū)方法，采空區(qū)密閉墻要有一定強度，不得漏漿。

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

③ 每一礦房采完后，應在一個月之內(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硬的結石體，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）礦山應定期對巖移進行監(jiān)測，并保持長期觀測，方便礦山進行長期系統(tǒng)監(jiān)測與分析。

表1 2017 年地表巖移監(jiān)測數(shù)據(jù)一覽表

5 結論

馬莊鐵礦對±0m 標高以下的礦體采用尾砂膠結充填采礦技術，有效控制了井下開采對地表環(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。通過對充填情況的檢驗，證明地下采空區(qū)充填密實，充填效果較好，采空區(qū)膠結充填率在90%以上，達到了預期效果。同時，根據(jù)在礦區(qū)地表布置的5 個觀測點監(jiān)測的地表位移數(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地表房屋安全沒有影響。因此，礦山采用了全尾砂膠結充填采礦法和注漿堵水方案后，預測產(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。