金牛山礦山環(huán)境治理設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐

孫小杰， 張　輝， 杜炤偉

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013； 2.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276801； 3.山東省地礦工程集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

1　項(xiàng)目概況

1.1　項(xiàng)目區(qū)位置

項(xiàng)目治理區(qū)位于山東省煙臺市牟平區(qū)水道鎮(zhèn)東南約2 km的金牛山地區(qū)，面積3.0617 km2。

1.2　項(xiàng)目區(qū)采礦歷史

金牛山是牟-乳成礦帶中的主要礦區(qū)之一，該礦區(qū)開采歷史悠久，明清時(shí)期就進(jìn)行過露天開采金礦，開采深度30～40 m。解放前，日本人也曾進(jìn)行過掠奪性開采。20世紀(jì)80年代起附近村民亂采金礦石，采用豎井和巷道開采至礦脈，在礦脈處利用巷道橫向放炮冒落開采，開采深度一般不超過80 m。到90年代后期，已基本制止開采。民采、亂采時(shí)采空區(qū)未進(jìn)行充填，開采頂板也未進(jìn)行防護(hù)，且采用大面積冒落開采，導(dǎo)致采空區(qū)地表出現(xiàn)了大面積塌陷，造成了較嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題。

1.3　地形地貌

項(xiàng)目區(qū)屬低緩丘陵區(qū)，為剝蝕丘陵地貌。地勢總體北高南低，區(qū)內(nèi)金牛山山脊呈南北向帶狀展布，構(gòu)成本區(qū)分水嶺。金牛山主峰海拔168.84 m，當(dāng)?shù)刈畹秃０?4.00 m，相對高差94.84 m，坡度一般10°～20°，局部可達(dá)50°，溝谷多呈深而窄的U字形。

原始地貌詳見圖1、圖2。

圖1　4號塌陷帶陡崖原始地貌

1.4　水文地質(zhì)條件

含水層為基巖裂隙水含水層，分布于整個治理區(qū)內(nèi)，水位埋深為9.50～18.80 m。該層滲透性較弱，富水性弱，單井涌水量<100 m3/d，大氣降水為該區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源。

圖2　塌陷帶原始地貌

1.5　項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)條件

1.5.1構(gòu)造

金牛山斷裂縱貫全區(qū)，為區(qū)內(nèi)主要成礦構(gòu)造。斷裂帶寬5～20 m，走向10°～25°，傾向南東，局部北西，傾角74°～85°，局部直立。帶內(nèi)由石英脈、煌斑巖脈和礦體充填，斷裂帶兩側(cè)發(fā)育多條近于平行的同期低序次的斷裂構(gòu)造，均有金礦化現(xiàn)象，斷裂帶自中心向兩側(cè)發(fā)育黃鐵礦化(金礦化)、絹英巖化、碳酸巖化蝕變。

1.5.2松散巖區(qū)

項(xiàng)目區(qū)表層地層較簡單，主要為新生界第四系殘坡積、沖洪積物，沿山間溝谷、沖溝和山前平坦地段分布，厚度<2 m。巖性主要由礫石、含礫砂土、亞砂土等組成。

1.5.3半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬巖區(qū)

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)深部地層侵入巖極為發(fā)育，主要為新元古界玲瓏超單元云山單元(弱片麻狀細(xì)粒含石榴二長花崗巖)中生代界煌斑巖脈等。項(xiàng)目區(qū)礦脈多賦存于金牛山主斷裂帶中，總體10°～25°，傾向南東，局部北西，地表產(chǎn)狀與斷裂帶一致，地下局部反傾，傾角74°～85°，局部直立，局部被后期斷裂錯斷。

2　工程治理設(shè)計(jì)思路

通過收集資料、1∶1000地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、工程測量、物探和鉆探等方法，發(fā)現(xiàn)治理區(qū)內(nèi)共有8條塌陷帶，75口老采坑硐(井)，1處地下采空區(qū)。

塌陷帶采取削坡整形和回填的方法進(jìn)行治理；老采坑硐(井)采取回填的方法治理；采空區(qū)采取注漿充填的方法治理，為防止出現(xiàn)串孔，使水泥漿有效充填到采空區(qū)內(nèi)，根據(jù)治理區(qū)內(nèi)采空區(qū)的特點(diǎn)，本次采空區(qū)充填方案采取將175 m長的采空區(qū)分成密封的4段，在段與段之間的橫斷面上施工砼墻分隔，分隔完成后再逐段充填注漿處理。

3　工程設(shè)計(jì)與施工方案

根據(jù)本區(qū)的地形地質(zhì)條件及治理總體思路的要求，本項(xiàng)目區(qū)治理內(nèi)容主要為塌陷帶治理、老采坑硐(井)治理和采空區(qū)治理。

3.1　塌陷帶治理

3.1.1塌陷帶治理設(shè)計(jì)方案

采用兩種方式治理，一種對高陡邊坡及山頂、山脊線上的塌陷坑帶采用削坡治理的方法消除地質(zhì)災(zāi)害隱患；一種對山腰處或地形相對平坦的塌陷帶直接采用回填的方式進(jìn)行治理。其中3、4號塌陷帶采用爆破削坡的方法治理，1、2、5、6號塌陷帶采用回填方法治理。4號塌陷帶的陡崖治理和采空區(qū)充填是本工程重點(diǎn)治理項(xiàng)目，下面以4號塌陷帶治理方法為例進(jìn)行介紹。

4號塌陷帶陡崖削坡治理方案，結(jié)合現(xiàn)場及本區(qū)規(guī)劃，以山頂塌陷帶北側(cè)與東側(cè)懸崖的交匯點(diǎn)處(該處地面標(biāo)高為145.0 m)為基準(zhǔn)，以懸崖北側(cè)接地點(diǎn)為另一基準(zhǔn)點(diǎn)(該處地面標(biāo)高為119.8 m)，此兩點(diǎn)連線為懸崖放坡線(見圖3)，以放坡線為準(zhǔn)，爆破削山使山體高度整體降低6.3 m，懸崖壁與爆落后堆放的巖石自然相接，整體上清除的懸崖壁、爆破后的巖石堆落于4號塌陷帶西北側(cè)的工業(yè)廢棄平地處，使碎石堆堆放高度與相接的陡崖高度一致，碎石坡高度向西、向北逐漸降低，坡角控制30°，最后形成一個由人工堆砌的碎石土坡與自然山體組成的完整低山，然后覆種植土綠化。在山體底部的邊界處砌筑尺寸下底×上底×高=1500 mm×1000 mm×2000 mm的擋土墻，擋土墻底部采用錨桿和巖體固定，需砌筑毛石擋墻128m，錨桿65根。爆破及回填土石方方量為165307 m3，回填種植土7489 m3，種植黑松12965株。

圖3　4號塌陷帶陡崖削坡示意

3.1.2塌陷帶治理施工工藝

測量放線→平臺清理→潛孔鉆機(jī)成孔→裝藥、接雷管、爆破→坡面清理→渣土外運(yùn)回填→修整坡角30°成坡→回填種植土→砌筑擋土墻→綠化。治理后的效果見圖4。

圖4　4號塌陷帶陡崖治理后效果

3.2　老采坑硐(井)治理

3.2.1老采坑硐(井)治理設(shè)計(jì)方案

治理區(qū)內(nèi)老采坑硐(井)大多是20世紀(jì)80年代到90年代初民采亂采后遺留的，治理區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)老采坑硐(井)有75口，根據(jù)各老采坑硐(井)直徑制作高度4 m的鋼筋籠，將裝滿大塊石的鋼筋籠下至孔底，然后回填碎石土，邊回填邊夯實(shí)，回填至距井口4 m澆筑C20砼進(jìn)行封口，砼厚度3.5 m，最后回填厚度0.5 m的三類種植土，對井口及周邊荒地進(jìn)行綠化。

3.2.2老采坑硐(井)治理施工工藝

鋼筋籠制作下沉→碎石土充填→井口澆筑砼墻→回填種植土→整平綠化。

3.3　采空區(qū)治理

地下采空區(qū)位于金牛山山脊線附近，南北向狹長，東西向較窄，采空區(qū)投影到水平面的范圍界線由物探解譯資料圈定，投影到水平面的采空區(qū)總面積為1542 m2，空洞區(qū)開采標(biāo)高在81.0～85.0 m，目前地面標(biāo)高為11.5～20.0 m不等，空洞高約3 m，寬度5.0～9.8 m，空洞長約175 m，空洞內(nèi)未發(fā)現(xiàn)充填物，需充填空洞體積為4626 m3；采空區(qū)內(nèi)無地下水。

3.3.1采空區(qū)治理設(shè)計(jì)方案

采用灌注砼和注漿方法，泵送的方式灌注砼，純壓式注漿。

3.3.1.1鉆孔布置

在每個橫斷面上施工3個?300 mm的鉆孔灌注砼，孔距1.5 m，孔深42～68 m，共布置15個鉆孔。每段的充填灌漿孔布設(shè)2個，鉆孔孔徑110 mm，孔距15 m，孔深40～65 m，共布置鉆孔8個。鉆孔布置詳見圖5。

圖5采空區(qū)充填孔布置

3.3.1.2灌注砼

將175 m長的巷道用C20砼墻間隔成4段，每個分隔斷面采用3個?300 mm的鉆孔向下泵送灌注塌落度16 cm的C20商品砼，自然堆積成墻進(jìn)行分隔，砼墻必須起到間隔作用，使各段形成獨(dú)立的封閉空間，這樣容易控制各段的充填灌漿量和發(fā)現(xiàn)漏漿通道。施工時(shí)先灌注中間孔，然后灌注兩邊孔，單孔澆筑砼應(yīng)連續(xù)無中斷進(jìn)行，直至孔口。泵送砼停止標(biāo)準(zhǔn)：灌注砼不小于設(shè)計(jì)灌注量，且直到砼充滿到孔口位置。設(shè)計(jì)C20砼體積約為694 m3。

3.3.1.3注漿

每段的灌注砼充填完成后，按基巖帷幕注漿標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行純壓式壓力灌漿，做到回灌的漿液固結(jié)體與巷道四壁膠結(jié)緊密沒有空隙，以使回灌漿液凝結(jié)體與巖體成一體，增強(qiáng)山體穩(wěn)定性。注漿材料為32.5 MPa普通硅酸鹽水泥；注漿水灰比：注漿漿液的濃度由稀到濃，逐級或越級變換，宜從下列比例中選取：1，0.8，0.6和0.5，開灌水灰比可采用1；根據(jù)注漿需要，可在水泥漿液中摻入速凝劑，宜選用水玻璃，水玻璃模數(shù)宜為2.4～3.0，濃度宜為30～45波美度，速凝劑的摻入量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗(yàn)確定。設(shè)計(jì)注漿充填量為4032 m3。

采空區(qū)縱向剖面示意圖見圖6。

3.3.2采空區(qū)施工工藝

圖6采空區(qū)鉆孔布設(shè)縱向剖面

先施工砼隔離墻，施工結(jié)束不小于7天再開始注漿作業(yè)。

3.3.2.1工藝流程

平臺清理→鉆孔定位→鉆機(jī)就位→潛孔錘鉆進(jìn)→布設(shè)無縫鋼管→終孔檢驗(yàn)→澆筑砼墻→封孔→水泥漿充填→封孔→治理效果檢驗(yàn)。

3.3.2.2投入設(shè)備

投入一臺套潛孔錘鉆機(jī)施工，鉆機(jī)功率22 kW，空壓機(jī)功率90 kW；水泥(砂)漿攪拌機(jī)15 kW，漿泵5 kW，共20 kW；砼輸送泵75 kW。以上設(shè)備共需動力能源約200 kW。

3.3.2.3采空區(qū)灌注砼和注漿工程量

采空區(qū)15個鉆機(jī)灌注砼969 m3，8個注漿機(jī)充填水泥漿4974 m3，詳細(xì)工程量見表1、表2。

表1　采空區(qū)灌注砼工程量統(tǒng)計(jì)

表2　采空區(qū)注漿工程量統(tǒng)計(jì)

4　工程檢驗(yàn)

采空區(qū)充填效果采用物探和鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。充填灌漿全部完成28 d后，采取物探和鉆探取心檢查充填灌漿體與巷道頂部是否接觸緊密，檢查孔的數(shù)量為不少于總灌漿孔數(shù)的5%，現(xiàn)場隨機(jī)選定布設(shè)檢查孔2個。

4.1　物探檢驗(yàn)

采取高密度電法對采空區(qū)充填效果進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)野外采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后得各測點(diǎn)不同深度處的視電阻率數(shù)據(jù)文件，然后由高密度反演軟件進(jìn)行瑕疵點(diǎn)剔除和地形校正，最后進(jìn)行反演并解釋成圖，根據(jù)高密度地電斷面圖并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)及水文地質(zhì)情況分析如下：在測線控制范圍內(nèi)基巖基本出露，視電阻變化范圍介于200～900 Ω·m之間，且隨著深度的增加而逐漸變大，5條測線視電阻等值線均勻變化，無明顯的高低電阻電性畸變異常反映，根據(jù)高密度地電斷面圖和現(xiàn)場地質(zhì)情況推測注漿加固處理后形成的灌漿體性質(zhì)均勻穩(wěn)定飽滿。

4.2　鉆探檢驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求施工鉆探取心鉆孔2個，本次采用GJ-200A型工程鉆機(jī)，金剛石鉆頭取心，轉(zhuǎn)速700～900 r/min，取心鉆頭直徑91 mm，取心直徑89 mm，總進(jìn)尺143 m。鉆孔布設(shè)充分考慮到砼墻與水泥漿充填銜接處密實(shí)度及采空區(qū)北側(cè)陡崖處注漿效果，鉆探施工過程嚴(yán)格按鉆探工作實(shí)施細(xì)則和有關(guān)規(guī)范的要求執(zhí)行，檢驗(yàn)孔孔深、孔徑、巖心采取率等均滿足設(shè)計(jì)要求，整個鉆探過程注漿段上下沒有發(fā)現(xiàn)沖洗液漏失現(xiàn)象，未發(fā)生掉鉆現(xiàn)象，巖心采取率91.4%(取心區(qū)域平均值)，RQD指標(biāo)80%(取心區(qū)域平均值)，填充物高度分別為3.5和3.1 m，巖層與注漿銜接處接觸良好，空洞完全被填充物充填，注漿體密實(shí)，采空區(qū)注漿治理效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)語

本治理工程對老采坑硐(井)、塌陷帶和采空區(qū)等進(jìn)行了綜合治理，還原了原有地貌特征，消除了地質(zhì)災(zāi)害隱患，使金牛山治理區(qū)與周邊地質(zhì)環(huán)境相協(xié)調(diào),治理完成后，新增梯田約71.7畝，這部分土地宜農(nóng)則農(nóng)，宜林則林，給當(dāng)?shù)貛砜捎^的經(jīng)濟(jì)效益。本次治理成功經(jīng)驗(yàn)為今后類似礦山恢復(fù)治理提供了參考資料，有一定的借鑒作用。治理后效果如圖7。

圖7　塌陷帶治理后效果