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)
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。
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。
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
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
1.5.1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。
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。
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。
3.1.1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
3.2.1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。
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)
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。
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。
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。
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