山東省萊蕪市馬莊鐵礦采空區(qū)塌陷治理工程實踐

劉明海

摘 要：萊蕪馬莊鐵礦作為建礦50多年的老礦山，90年代以前的采礦形成大量地下采空區(qū)和地表塌陷區(qū)，為恢復(fù)地貌和消除塌陷危害，先后進行了物探工程探測、鉆探工程揭露、充填系統(tǒng)建設(shè)和膠結(jié)充填材料充填等工程施工，通過對工程施工的總結(jié)，闡述了工程施工方法、工程施工特點和施工的一些工藝技術(shù)參數(shù)，為國內(nèi)相似礦山塌陷區(qū)治理提供了可參考的借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；地層；物探工程；鉆探施工；充填工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.102

隨著國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人口稠密地區(qū)土地資源越來越成為稀缺資源，保護土地、保護環(huán)境已成為國家政策的重點。作為礦山企業(yè)，采礦后遺留的采空區(qū)一定年限后會使地表形成塌陷，不僅破壞地形地貌，導(dǎo)致土地閑置浪費，還會因地質(zhì)災(zāi)害造成危險。所以，保護礦山地質(zhì)環(huán)境，積極進行塌陷區(qū)治理，既是國家地質(zhì)環(huán)境保護政策的要求，也有著積極的現(xiàn)實意義。萊蕪市馬莊鐵礦建于1958年，作為50多年的老礦山，90年代以前采取的崩落法采礦，在地下形成大量老采空區(qū)，并逐漸在地表出現(xiàn)塌陷坑。為進行采空區(qū)、塌陷區(qū)治理，采取了以下方法。

1 地質(zhì)及工程概況

馬莊鐵礦區(qū)內(nèi)出露地層為中奧陶統(tǒng)馬家溝組、中石炭統(tǒng)本溪組、下第三系官莊組及第四系。第四系主要為沖積物和坡積物，厚度0～20米；下第三系官莊組上部為淡黃色、紫紅色粗～中粒砂巖和薄層粘土，中部為棕紅色細粒砂巖，底部為礫巖和砂巖，厚度20～40米；中石炭統(tǒng)本溪組以灰綠色砂頁巖為主，厚度30～50米；中奧陶統(tǒng)馬家溝組地層由下至上為大理巖、結(jié)晶灰?guī)r。礦床為燕山期閃長巖類雜巖體與中奧陶統(tǒng)碳酸鹽類巖石接觸交代形成的高溫熱液矽卡巖類型。

2 物探工程探測地下采空區(qū)

馬莊鐵礦0米以上采空區(qū)形成因年代較久，加之地層塌陷變化，對采空區(qū)位置及冒落塌陷后空間大小需通過探測以便于治理，故進行物探施工。

工程物探投入的主要方法為大地電磁層析法。該方法以大地電磁場為場源，利用采空區(qū)不充水具有高阻電性的物理特征進行測量，通過地表測量不同頻率的大地電磁場的電場分布，確定地下不同深度的地電性質(zhì)變化而產(chǎn)生的地質(zhì)變化。經(jīng)微機處理、分析了解地下不同深度范圍內(nèi)地層導(dǎo)電性質(zhì)變化，對地電斷面進行地質(zhì)解釋，當?shù)叵麓嬖跀鄬訕?gòu)造、采空區(qū)時，因斷裂帶、采空區(qū)中充填的物質(zhì)（介質(zhì)）與兩側(cè)的巖石（介質(zhì)）物理性質(zhì)不同，主要是導(dǎo)電性、介電常數(shù)等存在較大差異，在大地電磁探測數(shù)據(jù)上有明顯反映，可得到各測線大地電磁電分量斷面圖，通過分析斷面圖電分量異常，獲得采空區(qū)資料數(shù)據(jù)。分析各測線采空區(qū)分布特征，提出了物探成果報告，為采空區(qū)鉆探布孔提供前期依據(jù)。

3 地表布置鉆孔鉆探揭露采空區(qū)

鉆孔一般布置于勘探線整線和半線位置，根據(jù)物探結(jié)果，盡量選擇采空區(qū)空頂最高位置對應(yīng)的地表位置，因地表塌陷許多地方設(shè)備難以進入，需布置一定數(shù)量的斜孔。采空區(qū)上覆巖層地理環(huán)境特殊，地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆探施工不同于一般地層。

（1）巖石破碎：在礦石采掘過程中，由于炸藥爆破采礦的爆破震動，使上覆巖層產(chǎn)生縱橫交錯的裂隙，巖石失去完整性，距離采空區(qū)越近破碎程度越高；采空區(qū)形成已多年，許多地方地層塌陷錯動，地層已不是天然地層結(jié)構(gòu)，地層穩(wěn)定性差；地層距離地表近，風化裂隙發(fā)育，巖石破碎使形成鉆孔后孔壁掉塊易導(dǎo)致卡鉆、下鉆障礙，影響正常生產(chǎn)。

（2）地層風化松散：采空塌陷區(qū)原先礦體埋藏較淺，礦體上盤灰?guī)r總體較薄、形態(tài)變化較大，或數(shù)層薄層灰?guī)r夾風化巖層，巖石風化蝕變形成松散砂狀、土狀，鉆進過程中不易成孔，常常巖心管提出后鉆孔隨即坍塌，再下鉆無法下入，只能掃孔反復(fù)鉆進，不能實現(xiàn)進尺或進尺緩慢。

（3）沖洗液漏失：采空區(qū)上盤灰?guī)r主要為奧陶系灰?guī)r，天然巖石中發(fā)育溶洞溶孔，加之采礦爆破形成的大量巖石裂隙，使鉆進過程中揭露這些溶洞溶孔和裂隙后出現(xiàn)沖洗液漏失，無法實現(xiàn)孔內(nèi)沖洗液循環(huán)鉆進。

（4）鉆桿斷鉆：由于采空區(qū)上覆巖層復(fù)雜的地質(zhì)條件，鉆進過程孔內(nèi)情況往往比較復(fù)雜，鉆桿工作狀態(tài)不穩(wěn)定，受震動力、沖擊力加大，加劇了鉆桿柱的損壞。用充填配合的方法，即先充填治理漏失再掃孔鉆進，雖工序復(fù)雜，但提供了一個可行的辦法。

（5）鉆柱在孔內(nèi)高速回轉(zhuǎn)要不斷的產(chǎn)生磨損，鉆柱聯(lián)接處車有螺紋，是相對的薄弱環(huán)節(jié)。使用過程中注意保護鉆桿聯(lián)接端部，用卡鉗或卡瓦夾巖心管、鉆桿時，離開接頭處，避免破壞外表面而發(fā)生應(yīng)力集中；要定期對所有鉆柱接頭處壁厚進行檢查測量，發(fā)現(xiàn)端部壁厚不合要求者，及時替換。采空區(qū)從井下相應(yīng)位置對所有出口進行封堵。封堵位置要選擇巖石相對完整的較佳位置。封堵墻可用磚、水泥砌墻，墻面水泥抹面，用圓木做立柱、木板做橫撐對墻體加固，立柱下部起槽，深度不小于25mm，上部按打點柱的方法砸入木楔。封堵墻整體強度要滿足空區(qū)內(nèi)充填漿液壓力需要。

4 結(jié)語

馬莊鐵礦老采空區(qū)經(jīng)過兩年多的治理，取得了較明顯的效果，較大采空區(qū)已基本探明并通過充填密實，地表不再出現(xiàn)新的塌陷.城區(qū)整體規(guī)劃有兩條城市道路從該區(qū)域通過，而且對城市地質(zhì)公園的建設(shè)和綠地備用儲備創(chuàng)造了統(tǒng)計，。這樣，既解決了土地不再閑置的問題，同時，解除了礦山的安全隱患，使礦山變?yōu)榫G色礦山，企業(yè)效益和社會效益巨大，符合科學發(fā)展觀和新的發(fā)展理念的要求。

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