枣庄底阁石膏矿区地面塌陷特征与防治

李振兴,高宗军

(山东科技大学地质科学与工程学院,青岛 266510)

枣庄底阁石膏矿区地面塌陷特征与防治

李振兴,高宗军

(山东科技大学地质科学与工程学院,青岛 266510)

底阁石膏矿区开采多年,造成大面积地面塌陷,严重影响到当地居民的生产生活。本文讨论该区地理地质条件和开采现状,分析塌陷特征、机理和危害,并提出治理对策。

石膏矿区;地面塌陷;治理;底阁

枣庄市底阁镇是山东省较大的石膏矿产地,矿区位于山东省枣庄市峄城区东南20 km处,南距台儿庄15 km。行政区划隶属于山东省枣庄市峄城区底阁镇管辖。

1 矿区自然地理概况

矿区地处黄淮冲积平原东部,地势平坦,地面标高29～30 m,北高南低,气候属北温带大陆性季风气候,降水量多集中在 7～9月,占年降水量的80%。据近 50 a的水文资料,年最高降水量1 228.8 mm,年最低降水量618.7 mm,年均降水量800 mm。年最高气温 39.6℃,年最低气温-18.6℃,年均气温在14℃左右。

区内地势南北高,中间低,自西向东渐低,呈倾斜状。西南部为连绵起伏的丘陵,宜林宜牧;北部为平原,适宜各种农作物生长;中部和东部较低洼,利于水产养殖与水稻种植。西南部最高山峰海拔306 m,西北最高处海拔203 m。全区自南向北,由西向东分布着丘陵坡、梯田近山阶地、山间谷地、山前倾斜平原以及河漫洼地等地貌单元。

2 矿区地质概况

2.1 地层

盆地内分布古近系官庄群卞桥组,其北、西、南部分别与新太古代泰山岩群、新元古代土门群及寒武系、奥陶系地层接触,盆地东部与白垩系相接。

古近系官庄群卞桥组在矿区由下向上分为3段:下部为紫红色、砖红色砂质泥岩、泥质砂岩夹薄层长石石英砂岩,粗粒长石石英砂岩及少量泥灰岩透镜体,底部见杂色砂岩与细砂岩、泥质砂岩互层;中段为含膏岩系,可见黑色泥岩、含膏泥岩、紫色泥岩、泥膏、普膏、纤膏及少量泥质砂岩、泥灰岩、泥质白云岩等,偶尔有动物化石碎片;上部为深灰色泥岩中夹1～2层炭质泥岩,厚约0.5～1.0 m。砂泥混杂,局部砂质淤积,无一定形状,轮廓不清。泥灰岩中常见搅混构造,灰岩中有一些斑状的泥灰岩或泥岩。其上覆盖第四系,厚约12.84～24.43 m,其下为上更新统冲积层,岩性为黄褐色或黄色砂质粘土、粘土,底部基岩处可见1～2 m的含砾石粘土层。

2.2 构造

该地区位于韩庄-四户盆地东部边缘,控制该区域的构造为峄城断裂和韩台断裂,褶皱构造不发育。

峄城断裂 :正断层 ,走向 270°～290°,倾向 S,倾角60°,长约80 km,控制着盆地的北边界。断层北出露地层为太古宇,震旦系,寒武系,奥陶系,断层南侧为古近系官庄群。

韩台断裂:正断层,走向270°,倾向N,倾角大于70°,长约60 km,控制着盆地的南边界。断层南侧出露地层为震旦系、寒武系、奥陶系,断层北侧为古近系官庄群。

横贯韩庄-四户盆地的铁佛沟断裂为正断层,走向 270°～280°,长约 70 km,倾向 S,倾角 50°～70°,西部较缓而东部较陡。峄城断裂和铁佛沟断裂的东段控制着底阁-四户次级盆地。这样就形成了一种“大盆套小盆”的特殊的成膏盆地结构[1]。

2.3 水文地质概况

矿区附近处于峄台山间平原水文地质区峄城断块亚区,根据含水岩层的岩性分布、埋藏规律及对地下水的赋存条件,该区及附近地下水类型可分为第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和碳酸岩类岩溶裂隙水。

2.3.1 第四系松散岩类孔隙水

矿区被第四系所覆盖,厚度12.84～24.43 m不等,顶部为0.5～0.9 m左右的黄褐色、褐黄色腐殖土,空隙发育,为透水层,不含水,其下为黄色、灰黄色、褐黄色砂质粘土,含大量钙质结核。

2.3.2 碎屑岩类裂隙水

主要含水层为古近系官庄群卞桥组,该组分为上、中、下三段。上段:灰色、灰黑色、紫色泥岩、砂质泥岩互层,夹泥灰岩透镜体,岩石致密;中段:黑色、紫褐色泥岩、含膏泥岩、泥膏、纤膏等,厚约100 m,岩石致密,不含水;下段:紫红色泥岩、砂质泥岩互层,岩石致密不含水,岩层厚度大于400 m,为良好的隔水层。上述岩层中大部分节理面光滑紧密,不含水,仅在基岩与第四系附近分布,涌水量小于0.001 l/s·m,可视为隔水层。

2.3.3 碳酸岩类岩溶裂隙水

该含水层埋藏较深,由于古近系隔水层的存在,第四系孔隙水与该层水力联系不明显。该层主要接受北部丘陵区的入渗补给,排泄方式主要为径流排泄,地下水类型为·Ca2+型,单井涌水量<500 m3/d。

3 矿区开采状况

枣庄市底阁镇是山东省较大的石膏矿产地之一,自20世纪70年代开采石膏以来,整个底阁石膏矿区有大小17个石膏矿山,经过资源整合,现在有12家。矿区面积有70 km2,年产矿石量300×104t。20世纪80年代普遍采用房柱法开采,多年的空场法采矿开采留下了大面积采空区,20世纪90年代后期,这些采空区相继出现了地压活动现象。矿房顶板开始下沉,底板鼓起,矿柱出现片帮、劈裂现象,随后多处采空区出现了大面积的塌陷。后来矿区采用房柱式崩落采矿法进行开采,回采后将矿柱、顶板、底板全部崩落。采区采完较短时间内,采空区就自然崩落或人工强制崩落,围岩中的应变能得到释放,围岩崩落后充填采空区,达到了控制和管理地压的目的[2]。20世纪80年代以来,底阁镇石膏矿区已塌陷地面1 000 hm2,地面塌陷最严重的地区位于富山石膏矿区康庄矿段石膏矿段,塌陷面积约13.33 hm2,不仅土地资源和生态环境遭到破坏,而且严重影响了矿区两万多群众的生产生活。

4 地面塌陷特征及危害

由于地下采矿活动造成大量的采空区以及围岩崩落,使矿区发生大面积的地面塌陷。目前矿区内塌陷区面积约有1 000 hm2,大部分地区塌陷程度较轻,地面塌陷最严重的地区位于富山石膏矿区康庄矿段,塌陷面积约13.33 hm2,塌陷中心最深达3.85 m(图1)。塌陷造成塌陷坑和地裂缝,导致区内地面大面积凹陷、塌陷坑积水,使地面建筑物、道路、各类管线、农田、林地和鱼塘等遭到破坏,塌陷区的民房出现了裂缝,有的因开裂严重而无法居住,造成了土地资源和植被资源的破坏以及突发性安全事故的隐患,破坏了当地的生态环境,严重威胁着当地居民的生命财产安全。如不彻底治理,不仅加重对周围环境的损害,破坏生态平衡,还将进一步导致当地居民的生命财产损失,后果不堪设想。

图1 矿区矿山及严重塌陷区分布位置图Fig.1 Location of mines and serious subsidences in the mine area

目前,矿区内除了振兴石膏矿已经闭坑,其余矿山都处于开采阶段。随着采矿活动的进行,地面塌陷程度不断加重,越来越多的轻度塌陷区变成中度塌陷区甚至重度塌陷区,对当地居民的生产和生活的影响越来越大,产生的危害也越来越严重。

5 塌陷机理探讨

矿区内石膏矿体致密、稳固、强度高、韧性好,围岩主要是泥岩,风干后易崩裂,遇水后膨松、变软、粉化,强度极低,受压后易产生塑性流动。

矿区早期采用房柱法开采,留有大量的采空区,采矿时采空区留有矿柱用以支撑顶板岩层,管理地压。可一段时间后,石膏矿层顶板及矿柱在地下水和空气的作用下风化、变形,强度降低,在上覆岩层的重力和构造应力的共同作用下,顶板和矿柱达到并超过极限荷载状态,应力平衡状态被打破,矿柱变形并破坏,顶板岩层破裂并冒落,冒落的岩块形式各样,杂乱无章地充填到采空区。冒落的岩块与上部岩层相接触,但支撑力已不足以托住上部的岩层,于是上部岩层下沉弯曲,并且破裂,产生裂隙,形成裂隙带。裂隙带岩层上部的岩层,由于裂隙带的岩层向下弯曲,在自身重力及上覆岩层的重压下,发生整体向下弯曲,但既不破裂,也不脱落,形成弯曲带,在地表形成塌陷坑和地裂缝[3],见图2。

图2 矿区塌陷过程示意图Fig.2 Schematic diagram of subsiding p rocess

矿区后来采用房柱式崩落法开采,矿块回采后,将顶板及矿柱全部崩落充填采空区,而上覆岩层由于失去支撑,从而冒落,并产生冒落带、裂隙带、弯曲带,在地表形成塌陷坑和地裂缝。

6 防治对策及建议

对于该塌陷区采取防治和治理相结合的手段,所谓防治就是选取一块具有典型代表意义的下方正在开采石膏矿的塌陷区,对地面塌陷区进行监测,布置监测点,采用3S技术进行长期的监测,研究采空区与塌陷区,采高与塌深,开采时间与塌陷时间等关系,观察地面塌陷情况,并观察采场上方的周边地区的受扰动情况,然后进行研究,并得出塌陷区与采空区的关系,然后对塌陷扰动区进行预警。

针对不同类型的塌陷区采取不同的方法进行治理,因地制宜,综合整治,宜粮则粮,宜林则林,宜景则景,宜建则建(建筑用地)。对区内已废弃的建筑物进行清理,清理干净后覆土整平夯实,恢复为耕地或林地。对于严重的塌陷区,把塌陷区挖掘改造成鱼塘,将挖出的土石回填到轻度塌陷区,然后进行平整复耕,或者将塌陷区改造成农田,进行农林业的种植。具体措施为:对于矿区内的塌陷区进行划分,由于振兴石膏矿已经闭坑,峄城区第二石膏矿和富山石膏矿将面临后备储量不足,所以对这3个矿区的轻度塌陷区进行重点的永久性恢复治理,对其实施回填、夯实、覆盖耕植土、整平、复耕,面积约有260 hm2;对于其他矿山,由于还要进行多年的开采,其塌陷将会持续进行,所以对其内的塌陷区进行暂时性的治理,实施整平复耕,面积约为726.67 hm2。甘露沟石膏矿和吴林石膏矿有小部分塌陷较严重的地区,是由于开采一层膏(底部可采膏层)后进行人工放顶造成,对其也进行永久性治理。离严重塌陷区较近的地区种植树木和花草,其他轻度塌陷区进行农作物耕种。对于富山石膏矿和甘露沟石膏矿和吴林石膏矿塌陷较严重的地区和塌陷坑,则改造成鱼塘,发展当地养鱼业,取出的土石用于回填塌陷较浅的塌陷区,对于约13.33 hm2严重塌陷区则采取挖深改造成为人造湖泊,进行水产养殖。为充分利用积水水面进行水产养殖,水产养殖可采用混合种养的方式,鱼+藕菱+鸭鹅等模式,实现水中立体养殖,周边种上花草和树木,开发成为游玩区和垂钓区。

[1] 孙中启.枣庄底阁-四户盆地石膏矿层分布的研究[J].山东建材学院学报,1998,12(2):177-179.

[2] 张学东,冯德顺.房柱式崩落采矿法在枣庄石膏矿区的应用[J].山东建材,2003,24(4):48-49.

[3] 梁勇旗,杜守华.浅谈煤矿采空区的塌陷机理及发展因素[J].岩土工程界,2007,11(8):35-37.

CHARACTERISTICSOF GROUND SUBSIDENCESAND THEIR TREATM ENT IN THE GYPSUM M INE AREA IND IGE,ZAOZHUANG

Li Zhen-xing,Gao Zong-jun
(College of Geological Sciences&Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266510,China)

The mine area has been in exp loitation for years,resulting in ground subsidence in majo rity area,w hich seriously affected the p roduction and living of local residents.A fter a descrip tion of the geographic features,geological conditionsand exp loitation of the area,their characteristics,formation mechanism and risks are analyzed,and their treatmentmethods are p roposed.

gypsum mine area;ground subsidence;treatment;Dige area

P642.26

A

1006-4362(2011)02-0050-04

2010-10-19 改回日期: 2010-12-27

李振兴 (1987- ),男,硕士研究生,研究方向:地质灾害预测与防治。