河北礬山磷礦采空塌陷、地裂縫和含水層破壞評估與防治

張玉寶，張 宇

（1.河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050081； 2.國家海洋局海洋咨詢中心，北京 100860）

河北礬山磷礦采空塌陷、地裂縫和含水層破壞評估與防治

張玉寶1，張 宇2

（1.河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050081； 2.國家海洋局海洋咨詢中心，北京 100860）

礬山磷礦是華北地區(qū)大型磷礦生產(chǎn)礦山，為第四系孔隙水及基巖裂隙水充水礦區(qū)。本文在分析地質(zhì)采礦條件基礎上，對采空塌陷、地裂縫地質(zhì)災害和含水層破壞的成因進行了分析與評估，并提出了相應的防治措施。

采空塌陷；含水層破壞；防治

礬山磷礦是華北地區(qū)大型磷礦生產(chǎn)礦山。受礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件制約，多年來，困擾著礦山的發(fā)展，防治采空塌陷、地裂縫和含水層破壞，是影響礦山發(fā)展和礦山地質(zhì)環(huán)境保護亟待解決的重大問題。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

礬山磷礦區(qū)地處礬山盆地東南緣，東靈山河橫貫礦區(qū)南北，礦床賦存于礬山雜巖體層狀輝石巖帶中上部，受外圍薊縣系白云巖分布制約，呈弧形展布，為向南突出半盆形似層狀磷灰石礦床。Ⅱ、Ⅲ礦體是富磷主礦體，長2000～2738m，厚度21.53～35.77m，礦體西段傾向北東，中段傾向北西，東段傾向西，傾角20°～45°，礦體賦存標高598～32m，埋藏深度180～760m之間。礦體為磷灰石和磁鐵磷灰石，圍巖為軟弱黑云母輝石巖和云斑輝石巖，礦體和圍巖頂部強風化帶厚度10～20m，線狀風化帶平均厚度30m，最厚約50m。礦體上覆圍巖被多條北北東向、北東向及北西向斷裂切割和煌斑巖脈穿插，節(jié)理裂隙發(fā)育，形成軟弱結(jié)構(gòu)面和軟弱層面。上覆第四系厚度140～260m，覆蓋在風化帶頂部的中更新統(tǒng)底部粘土礫石承壓含水層，是礦坑充水主要含水層，孔隙水受礦區(qū)南部薊縣系霧迷山組白云巖巖溶水側(cè)向補給[1～2]。由于4號勘探線至6號勘探線之間古地形較高，中更新統(tǒng)底部缺失砂礫石層，形成近南北向粘性土隔水層（帶），將礦區(qū)地下水分為富水性差異很大的東西兩個單元[4]。第四系承壓含水層孔隙水補給下伏風化裂隙含水帶和基巖構(gòu)造裂隙含水帶。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復雜（見圖1），礦床上覆圍巖穩(wěn)定性差。

2 礦山開采狀況與開采布局

根據(jù)礦體賦存情況，礦床水文地質(zhì)條件和開采技術條件[3]，以2號勘探線為分界線，按60°傾角沿走向留設20m連續(xù)隔離礦柱，分為東西兩個采區(qū)。1996年投產(chǎn)以來，主要開采東采區(qū)，采用Ⅱ+Ⅲ礦體合采，采用無底柱分段崩落法開采，采空區(qū)主要分布在0號～12號勘探線之間，標高+470～+542m。西采區(qū)礦體上部由于含有高承壓水，尚未開采。

2008年礦山開發(fā)利用方案（設計）東采區(qū)開采范圍為0號勘探線以東至12號勘探線，+425m中段至+245m中段水平，采用無底柱崩落法開采。西采區(qū)開采范圍為0號勘探線以西至7號勘探線+500m水平至+245m水平，采用向上水平分層進路式膠結(jié)充填采礦法開采。井下礦坑涌水排水泵房設置在+425m中段，正常排水能力為20000m3/d，最大排水能力約46000m3/d。

3 采空塌陷、地裂縫和含水層破壞影響評估

近15年來，東采區(qū)地下開采6～12線（勘探線）之間的主礦體形成標高+525m、+475m、+425m3個中段采空區(qū)，各中段采空區(qū)面積為315m2，累計開采厚度達100～110m，采空區(qū)總面積4252500m2。采空區(qū)上部采空塌陷和地裂縫帶長度1000m，寬度200～400m，總面積約200000m2。23個塌陷坑呈串珠狀展布，塌陷坑直徑8.0～60.0m，平均深度16m，最大深度30m，塌陷坑總面積10306m2。塌陷坑周圍發(fā)育有14條臺階式弧形地裂縫，地裂縫長度50～300m，寬度0.1～0.5m，最大寬度達3m，可見深度0.8～2.5m，最大深度達12m，地裂縫兩側(cè)落差0.1～0.5m，最大達4.3m[5][6]。采空塌陷和地裂縫尚未穩(wěn)定，直接威脅到井下安全生產(chǎn)和地面工程活動安全。（見圖2、圖3）

圖3 地裂縫

采動和礦坑疏排水造成斷層破碎帶和導水裂隙帶溝通了上覆第四系含水層，成為第四系孔隙水滲入采區(qū)礦坑的導水通道，正常礦井涌水量為8600m3/d。第四系孔隙水形成以礦坑疏排水為中心的地下水水位降落漏斗，面積約20萬m2，漏斗中心水位標高425m，龍王塘泉泉水流量減少，影響著礦區(qū)周圍生活生產(chǎn)用水安全。對礦區(qū)含（隔）水層（帶）影響破壞嚴重。

根據(jù)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方案和遠景開采規(guī)劃，開采東采區(qū)6～12勘探線采空區(qū)下伏標高+425m～+245m或+389m中段深部礦體，將導致采空區(qū)復活，地應力調(diào)整，地下水的軟化、泥化作用，引發(fā)或加劇采空塌陷及地裂縫。開采6～12勘探線外的主礦體，根據(jù)地質(zhì)采礦條件和采空塌陷、地裂縫發(fā)生的臨界條件，采用類比法預測變化趨勢，采空塌陷、地裂縫的范圍和程度將遠大于采空塌陷地裂縫地質(zhì)災害現(xiàn)狀，預計最終采空區(qū)面積約401623m2，采空區(qū)體積約7503900m3，采空塌陷地裂縫帶面積擴大到510750m2。尤其是開采0～2勘探線地下水高水頭壓力區(qū)，承壓水頭為150～160m。若采用無底柱分段崩落法開采，將面臨含水層破壞，礦坑大量充水，涌水量將達到10000～20000m3/d，不僅會發(fā)生大規(guī)模采空塌陷及地裂縫，對將對含水層造成破壞。

西采區(qū)0～7勘探線地下水高水頭壓力區(qū)，采用上向水平分層進路式膠結(jié)充填法開采，標高+470m中段以上設有護頂?shù)V柱，護頂?shù)V柱厚約100m。主要開采+475m、+425m、+380m3個中段，正常排水能力為20000m3/d，最大排水能力約46000m3/d。采用膠結(jié)充填生產(chǎn)工藝，能減輕爆破采動對頂板圍巖的破壞，有效預防采空塌陷和地裂縫的發(fā)生，但切割礦床圍巖的斷層破碎帶等不利結(jié)構(gòu)面，存在溝通第四系孔隙水的通道，造成含（隔）水層（帶）破壞，導致礦區(qū)周圍地下水位大幅度下降，影響區(qū)域生活生產(chǎn)用水，并可同時發(fā)生小規(guī)模采空塌陷及地裂縫災害。

4 采空塌陷、地裂縫和含水層破壞防治

針對影響礬山磷礦礦山建設和開采過程中發(fā)生采空塌陷、地裂縫和含水層破壞的不利因素，提出以下防治措施：

（1）礦體圍巖軟弱巖層和軟弱結(jié)構(gòu)面穩(wěn)固性差地段的預防措施：巷道掘進中，對軟弱礦巖層需進行支護加固；對軟弱結(jié)構(gòu)面須采取噴漿、錨桿和金屬網(wǎng)支護，極破碎地段，鋪設可縮性金屬支架或采用混凝土磚、石板砌筑，巷道設計應避開地質(zhì)災害危險性大的地段。

（2）采空塌陷、地裂縫和含水層破壞的預防措施：根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境影響評估結(jié)果和井上井下對照圖，應留設足夠的基巖護頂?shù)V柱和防水礦柱，隔斷上部含水層地下水滲入。嚴格控制爆破采動影響和充填接頂效果，減輕采空塌陷、地裂縫發(fā)生和含水層破壞程度。地面開挖截、排水溝，攔截地面徑流，堵漏防滲。修建高位蓄水池，經(jīng)處理達標后，可作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水水源，科學利用礦井水資源。

（3）開展礦山地質(zhì)環(huán)境問題專項勘查：查清礦區(qū)內(nèi)斷層空間分布、規(guī)模、性質(zhì)、產(chǎn)狀及導水性能，為預防采空塌陷、地裂縫和含水層破壞提供科學依據(jù)；查清歷史遺留的鉆孔、廢棄礦井、老采空區(qū)和采空塌陷、地裂縫及含水層破壞隱患區(qū)，為科學預防有效治理提供基礎資料。

（4）開展采空塌陷、地裂縫和含水層破壞監(jiān)測預警：建立礦區(qū)地面變形和地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；建立井下采區(qū)巷道變形監(jiān)測系統(tǒng)。

（5）預防強震破壞：礬山磷礦地處礬山盆地北緣，是構(gòu)造活動強烈地區(qū)，屬區(qū)域地殼不穩(wěn)定區(qū)?？拐鹪O防烈度為8度，設計基本地震加速度值0.20g，礦山生產(chǎn)設計和采礦活動都應考慮地震影響破壞，防患于未然。

[1]《河北省涿鹿縣礬山磷鐵礦水文地質(zhì)勘探報告》.華北冶金地質(zhì)勘探公司五一七隊.1977年4月.

[2]《河北省礬山磷礦水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件》.河北省礬山磷礦.1998年12月.

[3] 《河北省礬山磷礦120萬t/a優(yōu)化項目工程初步設計》.中國恩菲工程技術有限公司.2008年9月.

[4]《河北省涿鹿縣礬山磷礦區(qū)（西區(qū)）水文地質(zhì)補充勘探報告》.華北冶金工程勘察院有限公司.2010年3月.

[5]《張家口市礬山磷礦礦山地質(zhì)環(huán)境恢復治理工程設計》.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院.2010年5月.

[6]《河北省礬山磷礦有限公司河北省礬山磷礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護與治理恢復方案》.河北省礬山磷礦有限公司.2010年7月.

Evaluation and Prevention of Mined-out Collapse, Ground Fissure and Aquifer Breakage in Fanshan Phosphate Mine, Hebei Province

ZHANG Yubao1, ZHANG Yu2

（1.Hebei Institute of Geological Survey, Shijiazhuang 050081; 2.National Oceanic Consultation Center, State Oceanic Administration, Beijing 100000）

Fanshan phosphate mine, located at the Quaternary pore water and fi ssure water fi lling area, is a largescale productive mine in North China. Based on analysis of the geological and mining condition, formation of mined-out collapse, ground fi ssure and aquifer breakage is evaluated. As a result, some prevention and control measures are put forward.

Mined-out collapse；Aquifer breakage；Prevention and control

TD327

A

1007-1903（2013）02-0031-03

∶ 張玉寶（1957－ ），男，大專，水文工程專業(yè)，高級工程師，主要從事水工環(huán)和礦山地質(zhì)環(huán)境工作研究。E-mail：zybxgzzy@vip.163.com