山東大汶口石膏礦區(qū)工程地質(zhì)條件分析

郝瑞娥，邢香粉，彭明章，朱禮敏，杜小亮，劉海燕，李曉靜，王 猛

（1.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東濟(jì)南 250013；2.山東科技大學(xué)，山東青島 266590）

0 引言

山東省石膏礦產(chǎn)出于寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)和古近紀(jì)地層中，其中古近紀(jì)石膏礦石質(zhì)量最好、礦床規(guī)模大［1］。大汶口盆地為古近紀(jì)石膏礦的一個(gè)主要賦存區(qū)［2］，石膏礦資源豐富，經(jīng)近40 年的開發(fā)利用，形成了數(shù)量較多、規(guī)模巨大的地下采空空間。前人對(duì)石膏礦沉積特征、成因及成礦規(guī)律，以及資源賦存特征進(jìn)行過(guò)較為深入的研究［3-8］。受地下應(yīng)力變化和巖石移動(dòng)影響，存在引發(fā)采空區(qū)塌陷、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的隱患。有關(guān)石膏礦開采地質(zhì)條件分析，前人也做過(guò)一些探討，如開采穩(wěn)定性及采空區(qū)評(píng)價(jià)等，獲得了具有實(shí)際意義的成果［9-11］。有學(xué)者運(yùn)用多種地球物理技術(shù)手段，探測(cè)石膏礦采空區(qū)，確定采空區(qū)的具體位置和埋深以及邊界分布等特征［12］。劉學(xué)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試等研究方法，分析巖體在不同工況條件下的力學(xué)性質(zhì)，天然未浸水礦柱塑性區(qū)發(fā)育較少，采空區(qū)穩(wěn)定性較好；浸水后的石膏巖力學(xué)性能不斷下降，從而使采空區(qū)的礦柱及頂板的強(qiáng)度下降，導(dǎo)致事故發(fā)生；飽水情況下，采空區(qū)塑性區(qū)發(fā)育明顯，礦柱全部失穩(wěn)，危及采空區(qū)的安全性［13］。汪爾乾對(duì)石膏礦礦柱及頂板穩(wěn)定性、采空區(qū)鏈鎖式失穩(wěn)反應(yīng)機(jī)理等開展研究，建立了石膏巖體損傷演化模型，通過(guò)對(duì)頂板及礦柱變形和破壞特征分析，結(jié)合薄板理論，建立礦房頂板及礦柱力學(xué)模型，揭示石膏礦礦房礦柱破壞規(guī)律［14］。

利用地下空間儲(chǔ)能需要好的地質(zhì)條件，因此地質(zhì)條件是評(píng)價(jià)地下空間儲(chǔ)能是否可以利用的重要依據(jù)。為了服務(wù)大汶口石膏礦地下采空空間的利用，尤其是地下空間在資源儲(chǔ)集利用的可能性要求，查明石膏礦層及圍巖工程地質(zhì)條件是非常重要的。因此對(duì)大汶口地區(qū)石膏礦開采工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析，對(duì)石膏開采和地下空間利用具有指導(dǎo)意義。

1 大汶口石膏礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)自然地理

大汶口石膏礦區(qū)位于山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鎮(zhèn)和肥城市邊院鎮(zhèn)交界的磚舍-南西遙村一帶，礦區(qū)面積約23km2。礦區(qū)有大邊公路與G104 和京福高速相通，距京福高速滿莊出（入）口直線距離約13km，距京滬高鐵泰安站約29km（圖1）。

圖1 山東大汶口盆地礦區(qū)位置Figure 1 Location of mining area in Dawenkou Basin，Shandong Province

礦區(qū)地處大汶口盆地內(nèi)，位于魯西臺(tái)背斜西北部，地勢(shì)平緩，總體北高南低，為開闊的山前沖洪積平原地貌。地面高程+84～+95m，最大相對(duì)高差11m。周圍系海拔300～400m 構(gòu)造剝蝕低山及海拔140～180m 之剝蝕堆積丘陵環(huán)繞［15］。

1.2 地層特征

大汶口盆地內(nèi)發(fā)育地層主要有新太古界泰山巖群、寒武系—奧陶系長(zhǎng)清群、九龍群、馬家溝群，石炭系—二疊系月門溝群，古近系朱家溝組、官莊群，新近系黃驊群及第四系等（圖2）。其中官莊群為盆地的主要組成地層，它控制了石膏及其它鹽類等礦產(chǎn)的賦存和分布（圖3）。官莊群在盆地內(nèi)厚度不一，盆地邊緣及其內(nèi)次級(jí)凸起上厚度較薄，盆地中的次級(jí)凹陷中厚度較大，最大厚度3 000m，在盆地東北部東牛、滿莊等地有零星出露，其余均被第四系所掩蓋。

圖2 大汶口盆地古近系地層柱狀圖Figure 2 Stratigraphic column of Paleogene in Dawenkou Basin

圖3 石膏礦層測(cè)井曲線特征Figure 3 Log characteristics of gypsum layer

盆地內(nèi)開采的石膏礦層主要賦存于古近系官莊群大汶口組中，該地層呈緩傾單斜狀發(fā)育于整個(gè)礦段，地層產(chǎn)狀305°～345°∠4°～11°，為一套河湖相碎屑巖-化學(xué)巖-碎屑巖沉積，自下而上分為三段，中段為鹽類礦床主要賦存層位（圖2）。

下段（E2d1）：巖性為紫紅色泥巖夾少量細(xì)、粉砂巖，局部含少量不規(guī)則團(tuán)粒狀硬石膏。巖性以紫紅色黏土巖、砂質(zhì)黏土巖為主，下部夾少量砂巖、礫巖，上部夾少量石膏層。砂巖中發(fā)育水平層理、小型斜層理，為河湖相沉積。最大厚度600m。

中段（E2d2）：為一套灰色巨厚泥灰?guī)r（部分為含白云質(zhì)泥灰?guī)r-泥質(zhì)白云巖）、蒸發(fā)巖沉積，礦段自下而上可劃分為五個(gè)巖性段，即膏下泥巖段、鹽下膏層段、含鹽段、鹽上膏層段和膏上泥灰?guī)r段。

上段（E3d3）：巖性以灰色泥灰?guī)r、泥巖為主，局部夾薄層砂巖。盆地中部和東部局部夾含膏泥巖，據(jù)化石和孢粉組合判斷形成時(shí)代為漸新世。最大厚度930m。

2 研究方法

為全面分析大汶口盆地工程地質(zhì)條件特征，本文結(jié)合石膏礦區(qū)多年開采實(shí)踐，通過(guò)礦帶圍巖觀察描述，鉆取地層巖心進(jìn)行成分識(shí)別與鑒定，利用地球物理探測(cè)技術(shù)等方法，充分認(rèn)識(shí)研究區(qū)礦帶沉積特征與發(fā)育規(guī)律。

分析了礦帶水文地球化學(xué)特征，收集礦區(qū)以往礦坑水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)采集大汶口礦區(qū)水樣品，利用原子吸收分光光度計(jì)A3F-12（SY001）、電子天平BSA124S（SY004）、紫外可見分光光度計(jì)TU-1901（SY002）、離子色譜儀ICS-600（SY060）等實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行水質(zhì)全分析，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中了解礦帶水中鈣離子和鎂離子含量，水體總硬度及水的酸堿性，用來(lái)分析礦區(qū)開采對(duì)水質(zhì)變化的影響。

分析礦體的物理力學(xué)性質(zhì)，選取礦帶樣品，利用YAW-2000B 微機(jī)控制恒應(yīng)力壓力試驗(yàn)機(jī)（CS07）、YZ50 數(shù)顯電動(dòng)應(yīng)力式直剪儀（CS65）、HZ1002A 電子天平（CS264），在檢測(cè)環(huán)境溫度控制在24℃～27℃，相對(duì)濕度40%～60%的條件下，分別進(jìn)行天然塊體密度、吸水率、不同狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目，通過(guò)分析計(jì)算，獲取天然彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用來(lái)分析礦區(qū)圍巖工程穩(wěn)定性特征。

3 工程地質(zhì)條件分析

本文重點(diǎn)研究石膏礦工程地質(zhì)條件，主要包括石膏礦帶發(fā)育特征、礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)和石膏礦及圍巖巖石力學(xué)特征等。由于石膏礦層對(duì)地下水及其水質(zhì)類型、石膏礦層圍巖巖石力學(xué)性質(zhì)具有密切關(guān)系和敏感性，因此研究石膏礦工程地質(zhì)條件，具有實(shí)際意義和價(jià)值。

3.1 礦帶特征

盆地內(nèi)石膏礦層位于大汶口盆地南部邊緣，主要賦存層位為古近系官莊群大汶口組二段（Ⅱ礦帶）和三段（Ⅰ礦帶），埋藏深度各礦區(qū)特征不同，開采深度多在400m 以淺。礦帶呈北東-南西向展布，呈層狀，傾角5°～7°，礦層產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致，傾向北西，傾角2°～8°，最大15°。巖性為石膏夾泥灰?guī)r、泥巖、頁(yè)巖。礦石礦物主要為石膏、硬石膏，脈石礦物主要為方解石、黏土質(zhì)礦物，極少量的石英及微量黃鐵礦等。目前大汶口盆地內(nèi)正在開采的石膏礦有3 處（表1），為汶陽(yáng)石膏礦、聚源石膏礦、魯能泰山石膏礦。

表1 大汶口盆地各礦區(qū)礦帶特征Table 1 Characteristics of mining areas in Dawenkou Basin

通過(guò)研究區(qū)礦帶鉆探巖心觀察結(jié)合測(cè)井曲線資料分析，礦區(qū)內(nèi)石膏礦層分層結(jié)構(gòu)特征明顯，盆地內(nèi)石膏礦層與巖鹽地層呈規(guī)律性的薄層互層特征（圖3）。石膏礦石自然類型可以分為塊狀石膏、粗晶石膏、透明石膏、條帶狀石膏、紋層狀石膏、纖維狀石膏等類型（圖4A—D）。其中，塊狀石膏、粗晶石膏、透明石膏多分布在礦層中上部，條帶狀石膏、紋層狀石膏分布在礦層頂?shù)撞浚w維狀石膏多分布于礦帶下部裂隙中。以魯能泰山石膏礦為例，礦帶中石膏平均含量68.48%，呈灰白色、白色、棕灰色，具玻璃光澤、絲絹光澤。多呈粒狀、板狀，粒徑0.01～3.0mm。硬石膏與石膏共生，多呈薄層或條紋。條帶狀賦存，平均含量5.60%，呈灰白色、藍(lán)灰色；粒徑0.01～1mm。另外礦段內(nèi)巖鹽礦石礦物種類以氯化物石鹽為主，還包括雜鹵石等硫酸鹽礦物及少量黏土礦物（圖4E—H）。巖鹽礦石呈茶褐色，半透明～透明，多為玻璃光澤，粒度以0.1～0.5cm 的中粗晶居多，多呈塊狀，少量與硬石膏、雜鹵石呈薄層狀互層，常含泥灰質(zhì)條紋或條帶。

圖4 大汶口礦區(qū)部分礦段鉆孔巖心照片F(xiàn)igure 4 Borehole core photos of partial ore block in Dawenkou mining area

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

3.2.1 盆地構(gòu)造演化

大汶口盆地是受斷裂控制的蒸發(fā)鹽盆地，盆地的西北、東北主要是由南留弧形斷裂所控制，形成北斷南超的箕狀斷陷盆地。根據(jù)巖石組合、構(gòu)造變形和地球物理特征的差異，盆地的構(gòu)造格局劃分為三個(gè)構(gòu)造層：新太古代構(gòu)造層、早古生代構(gòu)造層、新生代構(gòu)造層，其中新生代構(gòu)造活動(dòng)主要控制著盆地現(xiàn)今的分布格局。新生代以來(lái)，盆地北、東部邊緣斷裂不均衡活動(dòng)，相互改造控制著盆地的生成和發(fā)展，形成盆地內(nèi)6 個(gè)構(gòu)造洼地和1 個(gè)基巖隆起（表2）［5］。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)不僅控制著盆地的形成和發(fā)展，也控制著盆地內(nèi)巖鹽、石膏礦床的形成。

表2 大汶口盆地次級(jí)構(gòu)造洼地及凸起（據(jù)參考文獻(xiàn)［6］修改）Table 2 Secondary structural depressions and bulges in Dawenkou Basin（modified from reference［6］）

3.2.2 褶皺構(gòu)造與斷裂構(gòu)造

（1）褶皺構(gòu)造

盆地為一緩傾斜的不對(duì)稱向斜褶皺，向斜軸向50°左右，盆地南部地層向北西傾斜，東北部地層傾向南西，西南部地層傾向北東，巖層傾角一般3°～7°，地層在北部被南留弧形斷裂限制和切割［16］。

（2）斷裂構(gòu)造

盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造相對(duì)較發(fā)育，除盆地邊緣斷層外，盆地內(nèi)推斷有NW-NWW 向、NNE向兩組斷層發(fā)育（表3、圖5）［17］。這些斷層在盆地發(fā)展的不同階段有不同程度的活動(dòng)，切割了盆地，形成了次一級(jí)的構(gòu)造洼地和構(gòu)造凸起。區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷層主要以同期正斷層為主，垂直斷距差別較大，在500～3 000m，斷層延伸長(zhǎng)度在10～35km。

表3 大汶口盆地主要斷裂特征（據(jù)參考文獻(xiàn)［17］修改）Table 3 Characteristics of major faults in Dawenkou Basin（modified from reference［17］）

圖5 大汶口盆地構(gòu)造簡(jiǎn)圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［2］修改）Figure 5 Structure diagram of Dawenkou Basin（modified after reference［2］）

3.3 水文地質(zhì)

3.3.1 地表水與地下水

礦區(qū)是以大汶河為主的多條支流多次匯集而成的自東向西傾斜的沖積平原。地表水系有大汶河、漕河，水體主要有勝利水庫(kù)。大汶河發(fā)源于沂源城北的魯山西麓，經(jīng)萊蕪市、泰安市注入東平湖，屬季節(jié)性河流；漕河發(fā)源于南留村北，由東北流向西南，在肖家店匯入大汶河，全長(zhǎng)35km，屬季節(jié)性河流。地下水以大氣降水補(bǔ)給為主，隨季節(jié)變化明顯，其次接受東北部丘陵山區(qū)基巖地下水的徑流補(bǔ)給和地表水的入滲補(bǔ)給。地下水總體流向自東北向西南。

石膏礦層均位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面（+80.00m）以下，開采空間上覆三個(gè)以泥巖為主的隔水層，包括第三系（古近系、新近系）頂部隔水層、一礦帶頂板隔水層和二礦帶頂板隔水層，間隔三套含水層，分別為第四系含水層、礦帶頂板溶隙式含水層、礦帶底板巖溶裂隙水含水層（表4）。

表4 大汶口盆地礦帶含水層和隔水層特征Table 4 Characteristics of aquifer and aquiclude in the ore zone of Dawenkou Basin

3.3.2 水質(zhì)特征

為全面分析大汶口盆地礦帶水文地球化學(xué)特征，本次研究收集了礦區(qū)以往礦坑水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果（表5），同時(shí)采集礦區(qū)部分水樣品進(jìn)行水質(zhì)全分析測(cè)試（表6）。根據(jù)2020 年以前檢測(cè)數(shù)據(jù)，水中鈣離子含量在50.79～52.13 mg/L，鎂離子含量為23.76～24.34 mg/L，總硬度為227.76～228.1 mg/L。2022 年8月檢查結(jié)果顯示水中鈣離子含量在60.66～305.02 mg/L，鎂離子含量為12.61～99.86 mg/L，總硬度為203.39～1 138.12 mg/L。對(duì)比分析結(jié)果表明，水中鈣離子和鎂離子含量與往年相比均有大幅增加，水體總硬度最高值可達(dá)2020 年以前的近五倍。分析可能原因?yàn)榈V床周圍的巖石多為碳酸巖，石膏礦質(zhì)晶體被風(fēng)化形成碳酸鹽，并且在此過(guò)程中，釋放出Ca（OH）2或者M(jìn)g（OH）2，從而提高了礦區(qū)水中鈣、鎂離子含量。

3.4 礦區(qū)圍巖力學(xué)性質(zhì)

大汶口礦區(qū)石膏礦層圍巖主要為頁(yè)巖、泥（灰）巖、含膏泥（灰）巖。圍巖產(chǎn)狀與礦層產(chǎn)狀基本一致，多呈明顯接觸，界線清楚。礦帶頂板圍巖以泥巖、泥灰?guī)r為主。泥巖巖體較完整，遇水易軟化，軟弱層面發(fā)育。泥灰?guī)r遇水易崩解，具膨脹性，局部節(jié)理發(fā)育。頂板鉆探巖心質(zhì)量指標(biāo)（RQD）0～86%，一般20%～50%，質(zhì)量等級(jí)不均。礦帶底板主要為泥巖夾石膏、含膏泥巖，巖體完整—較完整，成巖程度比頂部圍巖稍高，巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）50%～85%，質(zhì)量等級(jí)Ⅱ—Ⅲ級(jí)，巖體較完整—中等完整。石膏層致密，抗壓、抗拉強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性好，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為19.2～46.3MPa，抗拉強(qiáng)度1.67～2.69MPa。圍巖樣品巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明（表7），圍巖體天然狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度8.91～26.6MPa，平均為19 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度8.27～13.8MPa，平均為11.4 MPa。天然彈性模量平均為18.32×103MPa，泊松比平均為0.30。黏聚力0.7～2.08MPa，平均為1.04MPa，內(nèi)摩擦角27.45°～33.52°，平均為30.90°。

表7 大汶口盆地石膏巖礦帶巖石力學(xué)特征Table 7 Rock mechanics characteristics of gypsum ore belt in Dawenkou Basin

綜合分析，礦區(qū)圍巖單軸抗壓強(qiáng)度較低，頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)穩(wěn)固性較差。尤其是局部以泥巖、頁(yè)巖為主的地段，巖石強(qiáng)度低、不穩(wěn)定、易坍塌，不宜作為巷道頂板，若必須作頂板，則應(yīng)進(jìn)行加固和支護(hù)。采礦過(guò)程中留護(hù)頂?shù)V和護(hù)底礦，以防止冒頂、鼓底。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大汶口盆地石膏礦區(qū)地層、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及礦區(qū)圍巖力學(xué)性質(zhì)等因素的研究，綜合分析研究區(qū)石膏礦開采工程地質(zhì)條件，得出以下結(jié)論：

1）大汶口盆地石膏礦礦層主要位于盆地南部邊緣，呈北東—南西向展布，主要層位為古近系官莊群大汶口組二段和三段，埋藏深度各區(qū)域不同，開采深度多在400m以淺。

2）新生代不均衡構(gòu)造活動(dòng)不僅控制著盆地的形成和發(fā)展，盆內(nèi)斷裂構(gòu)造相對(duì)較發(fā)育，除盆地邊緣斷層外，盆地內(nèi)推斷有NW-NWW 向、NNE向兩組斷層發(fā)育，以同期正斷層為主。這些斷層在盆地發(fā)展的不同階段有不同程度的活動(dòng)，不僅控制著盆地的形成和發(fā)展，也控制著盆地內(nèi)巖鹽、石膏礦床的形成。

3）通過(guò)分析礦區(qū)水文地質(zhì)條件，得出石膏礦層均位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面（+80.00m）以下。礦帶范圍形成三個(gè)以泥巖為主的隔水層，分別為第三系（古代系、新近系）頂部隔水層、一礦帶頂板隔水層和二礦帶頂板隔水層。間隔三套含水層，分別為第四系含水層、礦帶頂板溶隙式含水層、礦帶底板巖溶裂隙含水層。

4）通過(guò)分析礦帶圍巖力學(xué)性質(zhì)，得出圍巖力學(xué)強(qiáng)度較低，天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度平均為19 MPa，飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度平均為11.4 MPa，頂?shù)装骞こ痰刭|(zhì)穩(wěn)固性較差。