胶东地区废弃金矿采空区改造含水层方法探讨——以文登市大时家废弃银金矿为例

吕宝平，刘海平，王经

(1.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250014；2.烟台市国土资源局，山东 烟台 264003)

0 引言

胶东地区金矿资源位列全国之首，矿山开采历史悠久。据记载，自春秋时期即有开采活动，其后历代不断，目前年产量已高达100t以上[1]。由于20世纪70—90年代矿山管理粗放，开采混乱，产生了大量稳定性差的采空区，留下严重的地面塌陷隐患[2]。

近年来，国家对矿山地质环境保护日益重视，各级各部门对采空区治理工作的资金投入不断加大。在治理过程中，一般习惯于把采空区作为灾害体，采取注浆充填以确保治理效果。这一思路虽然消除了安全隐患，但与将采空区作为空间资源进行改造和利用等先进理念相比，则存在较大差距。胶东地区水资源贫乏，废弃金矿采空区是非常好的地下水蓄水空间，且矿脉与断裂关系密切，在水文地质上具有很好的导水或蓄水意义。如何在保证地面稳定性的前提下进行采空区改造，变废为宝，实现采空区蓄水功能是深入思考的治理方向[3-7]。现以文登市大时家废弃银金矿采空塌陷隐患地质灾害治理工程为例，探讨采空区改造含水层方法的可行性。

1 废弃采空区形成历史

文登市大时家银金矿区20世纪80年代开始小规模的民采。1991年，矿区开始由大侯家镇镇办企业开采，后期出现乱采、盗采现象，1999年停采后盗采情况仍时有发生，开采过程中没有留下任何文字与图纸资料。据调查，镇办企业时期开采规模最大，采用竖井开采，通过巷道挖掘进入矿体，矿体内采用崩落法，沿矿体上山方向开采至设计预留矿体底面标高。竖井设计在矿体下盘，井口距矿体露头走向垂直距离约5m。竖井深度80m，共2个中段开采矿石。所有采空区均未进行充填，开采顶板也未进行防护。

2 地质环境背景

2.1 地形地貌

治理区属低缓丘陵区，海拔高程30.00～37.00m，相对高差7.00m，地形比较平缓，坡度一般5°～10°。

2.2 地质条件

地层较简单，仅局部分布新生代第四系残、坡积物，厚度小于1m。侵入岩为元古代文登混合花岗岩。矿体长223m，厚度1.64m，延深100m，走向300°，倾向NE，倾角65°～70°，金平均品位4.05×10-6，银品位30.2×10-6，呈透镜体状。矿床成因为中低温热液石英脉金矿床。

2.3 水文地质条件

治理区地下水类型为基岩构造裂隙水。根据工程地质勘察资料，采空区处于完全充水状态，稳定水位埋深为3.10～6.30m，稳定水位标高30.28～30.46m。

2.4 工程地质条件

第一层素填土厚度约1.5m。γ平均值为18.5kN/m3，根据工程经验取值C=2kPa，Φ=30°(下同)。

第二层强风化混合花岗岩厚度3～5m，RQD<25，天然重度平均值20.4kN/m3。Ra平均值4.0MPa，标准值3.8MPa。C=20kPa，Φ=35°，fak=400kPa。

第三层中风化混合花岗岩厚度5～10m，RQD=30.9～60.8，天然重度平均值23.3kN/m3。Ra平均值52.2MPa，标准值50.1MPa。C=200kPa，Φ=40°，fak=5000kPa。

第四层微风化混合花岗岩RQD=78.2～93.1，属坚硬岩，岩石完整程度为较完整—完整(采空区顶板1～2m范围内为破碎—较破碎)，天然重度平均值24.8kN/m3。Ra平均值98.2MPa，标准值92.1MPa。C=400kPa，Φ=45°，fak=9200kPa。

3 矿山地质环境问题特征

3.1 地面形变特征

2010年扩建、改造16县道时曾发生塌陷，但未留下资料，其位置、范围、塌陷深度等不详。2013年进行治理设计时现场观测，16县道路面与附近民房没有明显的开裂现象，未发现较明显的塌陷坑(带)。扩建、改造县道时，残留的民采井(硐)绝大多数被回填。在矿区开采范围的西部、16县道南侧，民采井(硐)分布比较密集，其位置、井(硐)直径与深度等不详。仅有的2个残留民采井见表1。

表1 废采井(硐)调查、观测统计

1号采井被回填，后期被当地村民保护，用作农田灌溉。2号采井被回填处理至井口，目前沉降深度约6m。

3.2 采空区探测

选择高密度电法、瞬变电磁法、天然电场选频法和电阻率测深法进行采空区探测[8-10]。共完成瞬变电磁测线10条，物理点115个，其中探测物理点110个，检查点5个；完成高密度测线8条，物理点480个；完成天然电场选频测线6条，物理点116个。依据地质调查资料和矿产资料将高密度电法、瞬变电磁法、天然电场选频法和电阻率测深法所获得的电性资料经过反复对比，认真分析研究确定，四种方法所反映的异常平面位置基本一致(图1)。

1—瞬变电磁法测点;2—瞬变电磁法质量检测点;3—设计钻孔位置;4—高密度电法测线;5—推断采空区投影图1 大时家治理区物探成果推断平面示意图

共布置4个钻孔对工程物探工作进行了验证。验证情况详见表2。

表2 采空区验证情况

3.3 采空区分布特征

结合地面调查、物探、钻探验证等工作，可以看出，治理区的地下采空区主要为侯家镇镇办企业采矿形成的采空区，规模较小，形态特征比较规则。采空区分布于I-1号矿脉以北约5～35m范围，东西长约170m。

采空区垂直投影的平面范围界线根据调查资料、物探解译资料与验证资料综合分析适当外推，圈定采空区垂直投影总面积约4341m2，采空区容积约19793m3，见图2。

1—验证孔及编号；2—中段采空区推测范围；3—二中段采空区推测范围；4—巷道和水仓范围；5—耕地；6—草地；7—林地；8—果园；9—坟地；10—金矿脉及编号图2 大时家治理区采空区分布垂直投影范围示意图

1—注砂孔及编号；2—耕地；3—草地；4—林地；5—果园；6—坟地；7—金矿脉及编号图3 注砂孔平面布置示意图

4 改造工程方案

4.1 总体思路

按照当地政府要求和改造原则，在广泛搜集有关治理经验的基础上，根据大时家金矿采空区的规模、形态特征，经过认真分析、研究、论证，采空区改造采用充填级配较好的中粗砂方案。该治理方案尚无先例，更没有规范、手册遵循，设计、施工、质量检验都具有很强的挑战性，难度大，完全是在理论指导下，参照已有的相关经验进行突破。施工过程中要求进行准确、详细的施工记录，为以后的工程积累宝贵经验。

4.1.1 注砂孔设计

根据充填材料的特点和采空区的形态特征，每中段采空区的上部各布设一排注砂孔、沿巷道轴线布设一排注砂孔。结合实际情况、参照相关经验，设计孔距7～8m，共布设注砂孔40孔，孔径200mm，孔深17～75m，其中C2，C3，C21，C22孔位于16县道路面上，如后期施工无法进行，可进行调整，注砂孔平面布置见图3。

4.1.2 注砂孔施工流程

钻孔定位→平整场地→设备就位→校正垂直度→测量孔口标高→校正钻具直径→钻进→丈量孔深→量测孔斜→扫孔→压水冲洗→安放注砂管→固定注砂管。

4.1.3 注砂孔施工工艺

采用潜孔锤钻冲击钻进至设计孔深3m处，改用同一孔径的回转钻进工艺，防止采空区冲击掉块。

若施工单位采用潜孔锤冲击钻进工艺，有丰富的施工经验，确保采空区顶板不发生大的塌落，可采用潜孔锤出冲击孔到底。

4.1.4 注砂管安装

根据各注砂孔揭露采空区顶板埋深，注砂管下端安放在采空区顶板处；上端露出地面的高度以施工方便为准，并采用托架焊接或螺栓固定；孔、管之间的环状间隙采用水泥浆或水泥砂浆密封。

4.1.5 充填材料要求

充填材料采用级配较好的中粗砂，最大粒径≤20mm，杂质含量≤3%，粘性土团块应剔除。

4.1.6 注砂工艺流程与方法

(1)注砂工艺流程

空压机就位→安装通风管(通风管末端安放在采空区顶板处)→料斗就位→送压、注砂→停机、量测→拔出通风管→安装砂泵→充填→封堵孔口。

(2)注砂方法

设计注砂方法选用干注法+水注法。主要是考虑采空区注砂将排出大量的空区内积水，若采用湿法注砂，排出的水量更多，施工现场将发生水患，既会影响施工，又将增加工程造价。如采用干注法，不能保证注砂管下端端口以上空区完全被充填。故选用干注法+水注法相结合的注砂方法。首先采用干注法充填采空区，将空压机产生的高压气流释放至采空区底板处，通过反力使水产生剧烈涌动，通过注砂管注入的砂料呈悬浮状态向四周扩散、沉淀，在采空区底板处形成堆积，由于采空区底板倾角较大，砂料堆积到一定程度，将形成水下滑坡，逐步向下方空区充填。当充填物标高稳定后，改用水注法充填，弥补干注法充填不到的部位。根据分析，采用干注法与水注法相结合的注砂方法比较科学、经济、合理，应可以达到充填目的。

实际施工过程中，在成孔后采用干法用通风管往孔内鼓风扰动孔内地下水，然后用料斗往孔内注砂，砂全部卡在管道中，难以下到地下空区，反复试验三个钻孔效果均不佳。后采用湿法工艺，水泵就位后，用水管从竖井中抽水通到要注砂的井口，同时人工往料斗内注砂，砂同水一起注入井中，抽水使巷道内的水进行内循环，把砂带到未充满的区域，从而使采空区逐渐得以充满。

4.1.7 封孔

停止采空区注砂后，拔出注砂管，继续向注砂孔内注砂至地表，采用振动棒将孔内砂料振捣密实后，采用水泥砂浆封堵注砂孔。

4.2 废弃采井治理

考虑采空区充填施工需要排压孔，2个采井先用作排压孔，待采空区充填稳定后，采用级配较好的中粗砂对2个采井回填治理，用振动棒将回填深度内的砂料振捣密实。考虑2个采井较深，先期充填的不规范，治理后还有继续塌陷的可能，井口暂不封堵，采用钢筋混凝土盖板保护，根据塌陷情况，随时回填处理。待塌陷完全稳定后，再用毛石混凝土封堵井口(图4)。

图4 采井封堵治理剖面示意图

4.3 水井设计

应当地政府要求，为当地施工水井一眼。根据分析论证，井位设计在巷道垂直投影范围内。设计井深75m，井径425mm。

5 改造效果

5.1 地面稳定性效果

充填工作完成后，根据设计要求钻探取心验证工作共钻孔2眼，总进尺78.6m。钻孔布设充分考虑到两充填孔衔接处充填效果，钻探过程未发生掉钻现象，岩心采取率91.4%(取心区域平均值)，RQD指标80%(取心区域平均值)，填充物高度2.6m和2.8m，岩层与充填物衔接处较好，充填率可达75%以上，说明治理采空区采取中粗砂处理的方法工艺可行，空洞基本被填充物充填，充填治理效果良好，达到了设计要求。项目实施后地面稳定得到保证，消除了采空塌陷地质灾害隐患，保障了当地人民群众的生命财产安全。

5.2 含水层改造效果

采空区充填后形成含水介质为中粗砂的含水层，围岩具有隔水作用。地下水的主要补给来源为大气降水，渗入地下部分沿基岩构造裂隙发育方向，汇集到中粗砂中，其排泄方式主要为人工开采。经估算，采空区蓄置的含水层，调节资源量约为1.3万m3，单井涌水量大于1000m3/d，成为花岗岩基岩裂隙水贫水区中的富水地段。

2014—2017年，胶东地区持续干旱，降水量较常年偏少30%以上，治理区周边多处水井干涸。但治理区内所施工水井因构造导水作用和充足的蓄水空间保障，在农灌抗旱过程中为当地村民提供了持续可靠的稳定水源，使周边近6.67hm2农田得到有效灌溉。

可见，该次采空区治理工作既消除了灾害体的安全隐患，又实现了灾害体的空间利用，可对胶东地区其他金矿采空区充填工作提供借鉴。但需要指出，该次工作是在小型石英脉型金矿区进行采空区治理，充填方法和物料的确定主要考虑倾角陡、空间小的特点，此前未曾开展类似工作，无规范、手册可循，今后在相关工作中仍需进一步完善。特别是对于蚀变岩型金矿及其他缓倾矿体采空区治理，需要更进一步开展深入研究。