泰安市歷史形成責任滅失非煤礦山采空區(qū)現(xiàn)狀及穩(wěn)定性評價

程鳳，焦玉國

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

泰安市礦產(chǎn)資源豐富[1]，開采歷史悠久，地質(zhì)環(huán)境復雜，開發(fā)規(guī)模和強度各異，歷史形成、責任滅失非煤礦山采空區(qū)眾多，遺留了數(shù)量眾多的廢棄礦井，存在著嚴重的環(huán)境問題和安全隱患[2-3]，威脅人民的生命和財產(chǎn)安全，同時也制約了該市社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)調(diào)查，泰安市歷史形成、責任滅失非煤礦山采空區(qū)涉及鐵礦、金礦、螢石礦、石膏礦、長石礦、巖鹽礦共計13個，其中金礦1個，石膏礦5個，鐵礦4個，螢石礦1個，巖鹽礦1個，長石礦1個，形成地下采空區(qū)6處，廢棄礦井32個(圖1)(1)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)大隊，泰安市歷史形成、責任滅失非煤礦山采空區(qū)調(diào)查報告，2018年。。

1 采空區(qū)及廢棄礦井分布特征

1.1 采空區(qū)分布特征及存在的問題

根據(jù)收集的礦山開采資料及調(diào)查成果，對泰安市歷史形成、責任滅失石膏礦、螢石礦、鐵礦、長石礦等非煤礦山采空區(qū)進行了圈定，金礦采空區(qū)面積為1127m2，石膏礦采空區(qū)面積為102657m2，螢石礦采空區(qū)面積為40958m2，鐵礦采空區(qū)面積為39134m2，巖鹽礦采空區(qū)面積為145039m2，采空區(qū)總面積為328915m2(表1)①。

由于前期開采，部分采空區(qū)地面出現(xiàn)塌陷，其中，岱岳區(qū)角峪鎮(zhèn)角東鐵礦引發(fā)地面塌陷坑2處，塌陷發(fā)生時間為2004年，塌陷深度一般2～3m,最大8.0m左右，目前已趨于穩(wěn)定；新泰市羊流鎮(zhèn)石河莊硫鐵礦引發(fā)地面塌陷坑1處，位于陡溝村西南農(nóng)田內(nèi)，塌陷深度6m，塌陷區(qū)總面積約50m2，目前仍不穩(wěn)定，每年均有不同程度的塌陷。

1.2 廢棄礦井分布特征

1.2.1 廢棄礦井類型及數(shù)量

泰安市共有歷史形成、責任滅失非煤礦山廢棄井口32個，主要為金礦、石膏礦、鐵礦、螢石礦、巖鹽礦廢棄井口，其中金礦廢棄井口2個，石膏礦廢棄井口10個，鐵礦廢棄井口7個，螢石礦廢棄井口2個，長石礦廢棄井口7個，巖鹽礦廢棄井4個。按廢棄礦井類型劃分，主要分為豎井、斜井、平硐，巖鹽礦井，其中豎井25個，斜井3個，平硐4個(圖1)。

1—礦區(qū)范圍；2—廢棄礦井；3—高速公路；4—國道；5—高速鐵路；6—普通鐵路；7—縣區(qū)界線圖1 泰安市歷史形成、責任滅失非煤礦山及廢棄礦井分布圖

1.2.2 廢棄礦井分布

廢棄礦井主要分布在岱岳區(qū)大汶口鎮(zhèn)、良莊鎮(zhèn)、滿莊鎮(zhèn)、馬莊鎮(zhèn)、化馬灣鄉(xiāng)及角峪鎮(zhèn)、肥城市安臨站、邊院鎮(zhèn)、老城區(qū)、新泰市羊流鎮(zhèn)、石萊鎮(zhèn)。岱岳區(qū)大汶口鎮(zhèn)4個、化馬灣鄉(xiāng)2個、良莊鎮(zhèn)2個、滿莊鎮(zhèn)2個、馬莊鎮(zhèn)2個、角峪鎮(zhèn)2個，肥城市安臨站2個，邊院鎮(zhèn)4個、新泰市羊流鎮(zhèn)11個、汶南鎮(zhèn)1個(表1)。

表1 非煤礦山采空區(qū)概況統(tǒng)計

石膏礦廢棄礦井分布于大汶口盆地內(nèi)的馬莊鎮(zhèn)、滿莊鎮(zhèn)，螢石礦廢棄礦井分布于肥城市安臨站趙家莊一帶，巖鹽礦廢棄礦井分布于肥城市邊院鎮(zhèn)東莊，在該區(qū)域內(nèi)廢棄礦井附近人類活動較多，對居民及下田耕作人員、過路行人及車輛構成安全威脅，其危害程度較嚴重。鐵礦廢棄礦井主要分布于岱岳區(qū)角峪鎮(zhèn)、新泰市羊流鎮(zhèn)、汶南鎮(zhèn)的丘陵山地，嚴重威脅了周邊居民的生命和財產(chǎn)安全，附近村民放牧時經(jīng)常發(fā)生羊只掉進礦井的事件，對周邊居民生命及財產(chǎn)安全威脅較大。

1.2.3 廢棄礦井現(xiàn)狀

截至2018年，存有安全隱患的32處廢棄井口，大多未采取設置圍擋、警示牌等措施，僅小部分井口加蓋進行了封堵(表2)。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性預測評價

2.1 評價范圍的確定

采空區(qū)穩(wěn)定性評價范圍是根據(jù)采空區(qū)的平面投影結合巖移角綜合確定，該次評價以各礦區(qū)采空區(qū)最大影響范圍作為穩(wěn)定性評價范圍[4-6]。

表2 廢棄井口現(xiàn)狀

根據(jù)收集的礦山資料及各礦區(qū)地質(zhì)條件、礦巖性質(zhì)及現(xiàn)場調(diào)查結果，計算采空區(qū)地表巖移影響半徑，從而確定采空區(qū)最大影響范圍，公式如下：

式中：r—地表巖移影響半徑(m)；H—采空區(qū)埋深(m)；β—巖移角。通過計算得出各礦區(qū)采空區(qū)影響范圍(表3)。

表3 各礦山采空區(qū)影響范圍

2.2 評價方法

采空區(qū)穩(wěn)定性評價常用開采條件判別法、地表移動變形判別法、巖柱穩(wěn)定分析法等[7-9]。區(qū)內(nèi)采空區(qū)主要為石膏礦、鐵礦、金礦、螢石礦、巖鹽礦采空區(qū)，其中石膏礦開采方法為房柱式采礦法，鐵礦、金礦、螢石礦采空區(qū)均為急傾斜采空區(qū)[10]，根據(jù)各個礦的采礦方法、采空區(qū)實際開采情況，參考以往類似礦山穩(wěn)定性的評價，該次采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法為規(guī)范評價法和賦值打分法。

2.2.1 規(guī)范評價法

影響采空區(qū)場地穩(wěn)定性的因素很多，主要有礦層因素、巖性因素、地質(zhì)構造、地下水、開采條件等。根據(jù)采空區(qū)的類型、頂板巖性、覆蓋土層厚度、地表移動和變形特征、填充狀態(tài)等，對采空區(qū)場地穩(wěn)定性進行分級，劃分為Ⅰ級(穩(wěn)定)、Ⅱ級(基本穩(wěn)定)、Ⅲ級(不穩(wěn)定)3個等級。采空區(qū)場地穩(wěn)定性應采用定性評價與定量評價相結合的方法進行綜合評價，根據(jù)山東省工程建設標準《建筑巖土工程勘察設計規(guī)范》(DB37/5052-2015)表4、表5和表6的規(guī)定進行。在定性評價表和定量評價表中具備其中一個或多個特征，即可按該級別判定，各礦區(qū)評價結果見表7、表8、表9。

2.2.2 賦值打分法

根據(jù)采空區(qū)實際情況，該次賦值打分主要應用于石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性預測評價[11-12]。采空區(qū)穩(wěn)定性受眾多因素影響，許多影響因子難以定量表達，根據(jù)其影響大小，賦予不同的權重，進行綜合預測。

(1)影響因子的確定：根據(jù)國內(nèi)類似礦山評估常用因子提出的采空區(qū)形成時間、采空區(qū)面積、采空區(qū)礦柱、面積比率、礦柱寬高比、采空區(qū)是否有水、采空區(qū)當前來壓情況、采空區(qū)周邊情況等7個因子進行預測評估，綜合分析采空區(qū)穩(wěn)定性[13]。

表4 采空區(qū)場地穩(wěn)定性定性評價

表5 采空區(qū)場地穩(wěn)定性定量評價

表6 采空區(qū)場地穩(wěn)定性綜合評價

表7 各礦區(qū)采空區(qū)場地穩(wěn)定性定性評價結果

(2)采空區(qū)影響因子權重判定：根據(jù)大量石膏礦山采空區(qū)管理的經(jīng)驗，通過深入分析研究，按照前述采空區(qū)穩(wěn)定性分類的7個因子，采用賦值打分法確定單個分類因子對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度，對單個因子來說，影響程度越大，分值越高[14]。采空區(qū)穩(wěn)定性分類判據(jù)如表10所示。

(3)采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子權重賦值及分類標準：采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度是不同的，各因子之間也不是單獨作用、毫無關聯(lián)的，而是具有一定聯(lián)系、相互關聯(lián)的。為反映7個影響因子的綜合影響，賦予各個因子各不相同的權重。結合相關研究成果及石膏礦山的實踐經(jīng)驗，經(jīng)深入分析研究，確定各因子的權重(Wi，i=1，2，3，4，5，6，7)為：采空區(qū)存在時間，W1=0.11；采空區(qū)面積，W2=0.09；礦柱面積比率，W3=0.14；礦柱寬比高，W4=0.16；采空區(qū)來壓情況，W5=0.20；采空區(qū)是否有水，W6=0.12；采空區(qū)周邊情況，W7=0.18。

表8 各礦區(qū)采空區(qū)場地穩(wěn)定性定量評價結果

表9 各礦區(qū)采空區(qū)場地穩(wěn)定性綜合評價結果

表10 采空區(qū)穩(wěn)定性權重判定

表11 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因子特征及賦值計算

采空區(qū)一旦形成，無論條件如何或時間長短，隱患就已經(jīng)形成，在一定條件下，如礦柱尺寸過于窄小，礦房高度又很大，又不留設頂?shù)字?、頂?shù)赘嗷蚋綦x礦帶等，就會很快垮落。結合國內(nèi)外礦山穩(wěn)定性分類的相關研究及石膏礦山的管理經(jīng)驗，以及《建筑巖土工程勘察設計規(guī)范》(DB37/5052—2015)將采空區(qū)場地穩(wěn)定性分為不穩(wěn)定采空區(qū)、基本穩(wěn)定采空區(qū)和穩(wěn)定采空區(qū)3類。

設某個采空區(qū)對第i個分類標志的分值為Fi，則其綜合得分計算為：

P=∑Wi×Fi

采空區(qū)穩(wěn)定性的評估標準為：P>55分時，為不穩(wěn)定采空區(qū)；42

2.3 評價結果

綜合賦值打分法和規(guī)范評價法兩種方法評價結果，泰安市6處采空區(qū)，不穩(wěn)定區(qū)2處，基本穩(wěn)定區(qū)4處。

3 廢棄礦井危害程度評價

3.1 評價方法

該次評價參考主要因素有：廢棄礦井存在主要安全、環(huán)境隱患，廢棄礦井主要威脅對象，廢棄礦井關閉到位情況，有無安全處置措施，廢棄礦井的開采礦種以及以往發(fā)生的安全事故等[15]。依據(jù)《國土資源部發(fā)展改革委環(huán)境保護部安全監(jiān)管總局關于加強廢棄礦井治理工作的通知(國土資發(fā)〔2008〕154號)，采用定性綜合評價方法，根據(jù)廢棄礦井危害對象，井口封堵情況、安全處置措施設置情況，按等級劃分標準分為嚴重、較嚴重、輕微3個級別(表12)。

表12 廢棄礦井危害程度分級

3.2 評價結果

全市32個廢棄礦井中，危害程度分為較嚴重和輕微。危害程度較嚴重的4個，主要為泰安市良莊鎮(zhèn)石膏礦主井、副井，泰安市岱岳區(qū)角東鐵礦主井，新泰市盤車溝鐵砂有限公司鐵礦主井；危害程度輕微的為28個，包括金礦廢棄井口2個，石膏礦廢棄井口8個，鐵礦廢棄井口5個，螢石礦廢棄井口2個，長石礦廢棄井口7個，巖鹽礦廢棄井4個。

4 采空區(qū)及廢棄礦井防治措施

4.1 采空區(qū)防治措施

對6處礦山的采空區(qū)采取地表變形監(jiān)測，設立警示牌[16-18]。對現(xiàn)狀評估的危險區(qū)進行現(xiàn)場劃界，在醒目位置提前預告，設立危險警示標示。每隔200m設立一處警戒點，距采空區(qū)塌陷危險區(qū)不小于100m；警示標志紋樣制作、規(guī)格等按相關條例、法規(guī)執(zhí)行。在每處采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)設置地表變形監(jiān)測點，進行地表沉降及位移監(jiān)測，監(jiān)測頻率為3個月一次。對危險性較大且不穩(wěn)定的采空區(qū)需加密監(jiān)測點，一旦發(fā)現(xiàn)采空出現(xiàn)形變、裂縫等現(xiàn)象，即刻由應急防治指揮部組織有關部門專家和人員，及時趕赴現(xiàn)場，進行采空區(qū)治理專項行動。地表變形監(jiān)測點共計65點。

4.2 廢棄礦井防治措施

拆除廢棄井架及相關設施，對確定無利用價值且危險性大的18口廢棄礦井進行充填，井口采用鋼筋混凝土蓋板密封；對危險性小、可保留為水井的2口廢棄礦井，建看護房，并在看護房上設立警示標志，定期進行排查；對危險性小，且無利用價值的4口巖鹽礦廢棄井口設立警示標志，定期排查[19-20]。

5 結語

該文在對泰安市歷史形成、責任滅失的鐵礦、石膏礦、金礦、長石礦、螢石礦、巖鹽礦等非煤礦山采空區(qū)進行調(diào)查分析的基礎上，采用賦值打分法和規(guī)范評價法對采空區(qū)穩(wěn)定性進行預測評價，并對廢棄礦井危害程度進行定性分析評價，提出非煤礦山采空區(qū)及廢棄礦井針對性防治技術措施，為相關防治工作的開展提供參考和依據(jù)。建議對各礦區(qū)采空區(qū)進行地表變形監(jiān)測，對不穩(wěn)定采空區(qū)做詳細勘查，進一步查明地下采空區(qū)的特征、發(fā)展趨勢、危險性、威脅對象、潛在經(jīng)濟損失等情況。