膠東地區(qū)廢棄金礦采空區(qū)改造含水層方法探討
——以文登市大時家廢棄銀金礦為例

呂寶平，劉海平，王經(jīng)

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟(jì)南 250014；2.煙臺市國土資源局，山東 煙臺 264003)

0 引言

膠東地區(qū)金礦資源位列全國之首，礦山開采歷史悠久。據(jù)記載，自春秋時期即有開采活動，其后歷代不斷，目前年產(chǎn)量已高達(dá)100t以上[1]。由于20世紀(jì)70—90年代礦山管理粗放，開采混亂，產(chǎn)生了大量穩(wěn)定性差的采空區(qū)，留下嚴(yán)重的地面塌陷隱患[2]。

近年來，國家對礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)日益重視，各級各部門對采空區(qū)治理工作的資金投入不斷加大。在治理過程中，一般習(xí)慣于把采空區(qū)作為災(zāi)害體，采取注漿充填以確保治理效果。這一思路雖然消除了安全隱患，但與將采空區(qū)作為空間資源進(jìn)行改造和利用等先進(jìn)理念相比，則存在較大差距。膠東地區(qū)水資源貧乏，廢棄金礦采空區(qū)是非常好的地下水蓄水空間，且礦脈與斷裂關(guān)系密切，在水文地質(zhì)上具有很好的導(dǎo)水或蓄水意義。如何在保證地面穩(wěn)定性的前提下進(jìn)行采空區(qū)改造，變廢為寶，實現(xiàn)采空區(qū)蓄水功能是深入思考的治理方向[3-7]?，F(xiàn)以文登市大時家廢棄銀金礦采空塌陷隱患地質(zhì)災(zāi)害治理工程為例，探討采空區(qū)改造含水層方法的可行性。

1 廢棄采空區(qū)形成歷史

文登市大時家銀金礦區(qū)20世紀(jì)80年代開始小規(guī)模的民采。1991年，礦區(qū)開始由大侯家鎮(zhèn)鎮(zhèn)辦企業(yè)開采，后期出現(xiàn)亂采、盜采現(xiàn)象，1999年停采后盜采情況仍時有發(fā)生，開采過程中沒有留下任何文字與圖紙資料。據(jù)調(diào)查，鎮(zhèn)辦企業(yè)時期開采規(guī)模最大，采用豎井開采，通過巷道挖掘進(jìn)入礦體，礦體內(nèi)采用崩落法，沿礦體上山方向開采至設(shè)計預(yù)留礦體底面標(biāo)高。豎井設(shè)計在礦體下盤，井口距礦體露頭走向垂直距離約5m。豎井深度80m，共2個中段開采礦石。所有采空區(qū)均未進(jìn)行充填，開采頂板也未進(jìn)行防護(hù)。

2 地質(zhì)環(huán)境背景

2.1 地形地貌

治理區(qū)屬低緩丘陵區(qū)，海拔高程30.00～37.00m，相對高差7.00m，地形比較平緩，坡度一般5°～10°。

2.2 地質(zhì)條件

地層較簡單，僅局部分布新生代第四系殘、坡積物，厚度小于1m。侵入巖為元古代文登混合花崗巖。礦體長223m，厚度1.64m，延深100m，走向300°，傾向NE，傾角65°～70°，金平均品位4.05×10-6，銀品位30.2×10-6，呈透鏡體狀。礦床成因為中低溫?zé)嵋菏⒚}金礦床。

2.3 水文地質(zhì)條件

治理區(qū)地下水類型為基巖構(gòu)造裂隙水。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，采空區(qū)處于完全充水狀態(tài)，穩(wěn)定水位埋深為3.10～6.30m，穩(wěn)定水位標(biāo)高30.28～30.46m。

2.4 工程地質(zhì)條件

第一層素填土厚度約1.5m。γ平均值為18.5kN/m3，根據(jù)工程經(jīng)驗取值C=2kPa，Φ=30°(下同)。

第二層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖厚度3～5m，RQD<25，天然重度平均值20.4kN/m3。Ra平均值4.0MPa，標(biāo)準(zhǔn)值3.8MPa。C=20kPa，Φ=35°，fak=400kPa。

第三層中風(fēng)化混合花崗巖厚度5～10m，RQD=30.9～60.8，天然重度平均值23.3kN/m3。Ra平均值52.2MPa，標(biāo)準(zhǔn)值50.1MPa。C=200kPa，Φ=40°，fak=5000kPa。

第四層微風(fēng)化混合花崗巖RQD=78.2～93.1，屬堅硬巖，巖石完整程度為較完整—完整(采空區(qū)頂板1～2m范圍內(nèi)為破碎—較破碎)，天然重度平均值24.8kN/m3。Ra平均值98.2MPa，標(biāo)準(zhǔn)值92.1MPa。C=400kPa，Φ=45°，fak=9200kPa。

3 礦山地質(zhì)環(huán)境問題特征

3.1 地面形變特征

2010年擴(kuò)建、改造16縣道時曾發(fā)生塌陷，但未留下資料，其位置、范圍、塌陷深度等不詳。2013年進(jìn)行治理設(shè)計時現(xiàn)場觀測，16縣道路面與附近民房沒有明顯的開裂現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)較明顯的塌陷坑(帶)。擴(kuò)建、改造縣道時，殘留的民采井(硐)絕大多數(shù)被回填。在礦區(qū)開采范圍的西部、16縣道南側(cè)，民采井(硐)分布比較密集，其位置、井(硐)直徑與深度等不詳。僅有的2個殘留民采井見表1。

表1 廢采井(硐)調(diào)查、觀測統(tǒng)計

1號采井被回填，后期被當(dāng)?shù)卮迕癖Ｗo(hù)，用作農(nóng)田灌溉。2號采井被回填處理至井口，目前沉降深度約6m。

3.2 采空區(qū)探測

選擇高密度電法、瞬變電磁法、天然電場選頻法和電阻率測深法進(jìn)行采空區(qū)探測[8-10]。共完成瞬變電磁測線10條，物理點115個，其中探測物理點110個，檢查點5個；完成高密度測線8條，物理點480個；完成天然電場選頻測線6條，物理點116個。依據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料和礦產(chǎn)資料將高密度電法、瞬變電磁法、天然電場選頻法和電阻率測深法所獲得的電性資料經(jīng)過反復(fù)對比，認(rèn)真分析研究確定，四種方法所反映的異常平面位置基本一致(圖1)。

1—瞬變電磁法測點;2—瞬變電磁法質(zhì)量檢測點;3—設(shè)計鉆孔位置;4—高密度電法測線;5—推斷采空區(qū)投影圖1 大時家治理區(qū)物探成果推斷平面示意圖

共布置4個鉆孔對工程物探工作進(jìn)行了驗證。驗證情況詳見表2。

表2 采空區(qū)驗證情況

3.3 采空區(qū)分布特征

結(jié)合地面調(diào)查、物探、鉆探驗證等工作，可以看出，治理區(qū)的地下采空區(qū)主要為侯家鎮(zhèn)鎮(zhèn)辦企業(yè)采礦形成的采空區(qū)，規(guī)模較小，形態(tài)特征比較規(guī)則。采空區(qū)分布于I-1號礦脈以北約5～35m范圍，東西長約170m。

采空區(qū)垂直投影的平面范圍界線根據(jù)調(diào)查資料、物探解譯資料與驗證資料綜合分析適當(dāng)外推，圈定采空區(qū)垂直投影總面積約4341m2，采空區(qū)容積約19793m3，見圖2。

1—驗證孔及編號；2—中段采空區(qū)推測范圍；3—二中段采空區(qū)推測范圍；4—巷道和水倉范圍；5—耕地；6—草地；7—林地；8—果園；9—墳地；10—金礦脈及編號圖2 大時家治理區(qū)采空區(qū)分布垂直投影范圍示意圖

1—注砂孔及編號；2—耕地；3—草地；4—林地；5—果園；6—墳地；7—金礦脈及編號圖3 注砂孔平面布置示意圖

4 改造工程方案

4.1 總體思路

按照當(dāng)?shù)卣蠛透脑煸瓌t，在廣泛搜集有關(guān)治理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)大時家金礦采空區(qū)的規(guī)模、形態(tài)特征，經(jīng)過認(rèn)真分析、研究、論證，采空區(qū)改造采用充填級配較好的中粗砂方案。該治理方案尚無先例，更沒有規(guī)范、手冊遵循，設(shè)計、施工、質(zhì)量檢驗都具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性，難度大，完全是在理論指導(dǎo)下，參照已有的相關(guān)經(jīng)驗進(jìn)行突破。施工過程中要求進(jìn)行準(zhǔn)確、詳細(xì)的施工記錄，為以后的工程積累寶貴經(jīng)驗。

4.1.1 注砂孔設(shè)計

根據(jù)充填材料的特點和采空區(qū)的形態(tài)特征，每中段采空區(qū)的上部各布設(shè)一排注砂孔、沿巷道軸線布設(shè)一排注砂孔。結(jié)合實際情況、參照相關(guān)經(jīng)驗，設(shè)計孔距7～8m，共布設(shè)注砂孔40孔，孔徑200mm，孔深17～75m，其中C2，C3，C21，C22孔位于16縣道路面上，如后期施工無法進(jìn)行，可進(jìn)行調(diào)整，注砂孔平面布置見圖3。

4.1.2 注砂孔施工流程

鉆孔定位→平整場地→設(shè)備就位→校正垂直度→測量孔口標(biāo)高→校正鉆具直徑→鉆進(jìn)→丈量孔深→量測孔斜→掃孔→壓水沖洗→安放注砂管→固定注砂管。

4.1.3 注砂孔施工工藝

采用潛孔錘鉆沖擊鉆進(jìn)至設(shè)計孔深3m處，改用同一孔徑的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，防止采空區(qū)沖擊掉塊。

若施工單位采用潛孔錘沖擊鉆進(jìn)工藝，有豐富的施工經(jīng)驗，確保采空區(qū)頂板不發(fā)生大的塌落，可采用潛孔錘出沖擊孔到底。

4.1.4 注砂管安裝

根據(jù)各注砂孔揭露采空區(qū)頂板埋深，注砂管下端安放在采空區(qū)頂板處；上端露出地面的高度以施工方便為準(zhǔn)，并采用托架焊接或螺栓固定；孔、管之間的環(huán)狀間隙采用水泥漿或水泥砂漿密封。

4.1.5 充填材料要求

充填材料采用級配較好的中粗砂，最大粒徑≤20mm，雜質(zhì)含量≤3%，粘性土團(tuán)塊應(yīng)剔除。

4.1.6 注砂工藝流程與方法

(1)注砂工藝流程

空壓機(jī)就位→安裝通風(fēng)管(通風(fēng)管末端安放在采空區(qū)頂板處)→料斗就位→送壓、注砂→停機(jī)、量測→拔出通風(fēng)管→安裝砂泵→充填→封堵孔口。

(2)注砂方法

設(shè)計注砂方法選用干注法+水注法。主要是考慮采空區(qū)注砂將排出大量的空區(qū)內(nèi)積水，若采用濕法注砂，排出的水量更多，施工現(xiàn)場將發(fā)生水患，既會影響施工，又將增加工程造價。如采用干注法，不能保證注砂管下端端口以上空區(qū)完全被充填。故選用干注法+水注法相結(jié)合的注砂方法。首先采用干注法充填采空區(qū)，將空壓機(jī)產(chǎn)生的高壓氣流釋放至采空區(qū)底板處，通過反力使水產(chǎn)生劇烈涌動，通過注砂管注入的砂料呈懸浮狀態(tài)向四周擴(kuò)散、沉淀，在采空區(qū)底板處形成堆積，由于采空區(qū)底板傾角較大，砂料堆積到一定程度，將形成水下滑坡，逐步向下方空區(qū)充填。當(dāng)充填物標(biāo)高穩(wěn)定后，改用水注法充填，彌補(bǔ)干注法充填不到的部位。根據(jù)分析，采用干注法與水注法相結(jié)合的注砂方法比較科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理，應(yīng)可以達(dá)到充填目的。

實際施工過程中，在成孔后采用干法用通風(fēng)管往孔內(nèi)鼓風(fēng)擾動孔內(nèi)地下水，然后用料斗往孔內(nèi)注砂，砂全部卡在管道中，難以下到地下空區(qū)，反復(fù)試驗三個鉆孔效果均不佳。后采用濕法工藝，水泵就位后，用水管從豎井中抽水通到要注砂的井口，同時人工往料斗內(nèi)注砂，砂同水一起注入井中，抽水使巷道內(nèi)的水進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，把砂帶到未充滿的區(qū)域，從而使采空區(qū)逐漸得以充滿。

4.1.7 封孔

停止采空區(qū)注砂后，拔出注砂管，繼續(xù)向注砂孔內(nèi)注砂至地表，采用振動棒將孔內(nèi)砂料振搗密實后，采用水泥砂漿封堵注砂孔。

4.2 廢棄采井治理

考慮采空區(qū)充填施工需要排壓孔，2個采井先用作排壓孔，待采空區(qū)充填穩(wěn)定后，采用級配較好的中粗砂對2個采井回填治理，用振動棒將回填深度內(nèi)的砂料振搗密實。考慮2個采井較深，先期充填的不規(guī)范，治理后還有繼續(xù)塌陷的可能，井口暫不封堵，采用鋼筋混凝土蓋板保護(hù)，根據(jù)塌陷情況，隨時回填處理。待塌陷完全穩(wěn)定后，再用毛石混凝土封堵井口(圖4)。

圖4 采井封堵治理剖面示意圖

4.3 水井設(shè)計

應(yīng)當(dāng)?shù)卣?，為?dāng)?shù)厥┕に谎?。根?jù)分析論證，井位設(shè)計在巷道垂直投影范圍內(nèi)。設(shè)計井深75m，井徑425mm。

5 改造效果

5.1 地面穩(wěn)定性效果

充填工作完成后，根據(jù)設(shè)計要求鉆探取心驗證工作共鉆孔2眼，總進(jìn)尺78.6m。鉆孔布設(shè)充分考慮到兩充填孔銜接處充填效果，鉆探過程未發(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2.6m和2.8m，巖層與充填物銜接處較好，充填率可達(dá)75%以上，說明治理采空區(qū)采取中粗砂處理的方法工藝可行，空洞基本被填充物充填，充填治理效果良好，達(dá)到了設(shè)計要求。項目實施后地面穩(wěn)定得到保證，消除了采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害隱患，保障了當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳敭a(chǎn)安全。

5.2 含水層改造效果

采空區(qū)充填后形成含水介質(zhì)為中粗砂的含水層，圍巖具有隔水作用。地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水，滲入地下部分沿基巖構(gòu)造裂隙發(fā)育方向，匯集到中粗砂中，其排泄方式主要為人工開采。經(jīng)估算，采空區(qū)蓄置的含水層，調(diào)節(jié)資源量約為1.3萬m3，單井涌水量大于1000m3/d，成為花崗巖基巖裂隙水貧水區(qū)中的富水地段。

2014—2017年，膠東地區(qū)持續(xù)干旱，降水量較常年偏少30%以上，治理區(qū)周邊多處水井干涸。但治理區(qū)內(nèi)所施工水井因構(gòu)造導(dǎo)水作用和充足的蓄水空間保障，在農(nóng)灌抗旱過程中為當(dāng)?shù)卮迕裉峁┝顺掷m(xù)可靠的穩(wěn)定水源，使周邊近6.67hm2農(nóng)田得到有效灌溉。

可見，該次采空區(qū)治理工作既消除了災(zāi)害體的安全隱患，又實現(xiàn)了災(zāi)害體的空間利用，可對膠東地區(qū)其他金礦采空區(qū)充填工作提供借鑒。但需要指出，該次工作是在小型石英脈型金礦區(qū)進(jìn)行采空區(qū)治理，充填方法和物料的確定主要考慮傾角陡、空間小的特點，此前未曾開展類似工作，無規(guī)范、手冊可循，今后在相關(guān)工作中仍需進(jìn)一步完善。特別是對于蝕變巖型金礦及其他緩傾礦體采空區(qū)治理，需要更進(jìn)一步開展深入研究。