李振興,高宗軍

(山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266510)

棗莊底閣石膏礦區(qū)地面塌陷特征與防治

李振興,高宗軍

(山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266510)

底閣石膏礦區(qū)開采多年,造成大面積地面塌陷,嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活。本文討論該區(qū)地理地質(zhì)條件和開采現(xiàn)狀,分析塌陷特征、機(jī)理和危害,并提出治理對(duì)策。

石膏礦區(qū);地面塌陷;治理;底閣

棗莊市底閣鎮(zhèn)是山東省較大的石膏礦產(chǎn)地,礦區(qū)位于山東省棗莊市嶧城區(qū)東南20 km處,南距臺(tái)兒莊15 km。行政區(qū)劃隸屬于山東省棗莊市嶧城區(qū)底閣鎮(zhèn)管轄。

1 礦區(qū)自然地理概況

礦區(qū)地處黃淮沖積平原東部,地勢(shì)平坦,地面標(biāo)高29～30 m,北高南低,氣候?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,降水量多集中在 7～9月,占年降水量的80%。據(jù)近 50 a的水文資料,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。年最高氣溫 39.6℃,年最低氣溫-18.6℃,年均氣溫在14℃左右。

區(qū)內(nèi)地勢(shì)南北高,中間低,自西向東漸低,呈傾斜狀。西南部為連綿起伏的丘陵,宜林宜牧;北部為平原,適宜各種農(nóng)作物生長(zhǎng);中部和東部較低洼,利于水產(chǎn)養(yǎng)殖與水稻種植。西南部最高山峰海拔306 m,西北最高處海拔203 m。全區(qū)自南向北,由西向東分布著丘陵坡、梯田近山階地、山間谷地、山前傾斜平原以及河漫洼地等地貌單元。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

2.1 地層

盆地內(nèi)分布古近系官莊群卞橋組,其北、西、南部分別與新太古代泰山巖群、新元古代土門群及寒武系、奧陶系地層接觸,盆地東部與白堊系相接。

古近系官莊群卞橋組在礦區(qū)由下向上分為3段:下部為紫紅色、磚紅色砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖夾薄層長(zhǎng)石石英砂巖,粗粒長(zhǎng)石石英砂巖及少量泥灰?guī)r透鏡體,底部見雜色砂巖與細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖互層;中段為含膏巖系,可見黑色泥巖、含膏泥巖、紫色泥巖、泥膏、普膏、纖膏及少量泥質(zhì)砂巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖等,偶爾有動(dòng)物化石碎片;上部為深灰色泥巖中夾1～2層炭質(zhì)泥巖,厚約0.5～1.0 m。砂泥混雜,局部砂質(zhì)淤積,無(wú)一定形狀,輪廓不清。泥灰?guī)r中常見攪混構(gòu)造,灰?guī)r中有一些斑狀的泥灰?guī)r或泥巖。其上覆蓋第四系,厚約12.84～24.43 m,其下為上更新統(tǒng)沖積層,巖性為黃褐色或黃色砂質(zhì)粘土、粘土,底部基巖處可見1～2 m的含礫石粘土層。

2.2 構(gòu)造

該地區(qū)位于韓莊-四戶盆地東部邊緣,控制該區(qū)域的構(gòu)造為嶧城斷裂和韓臺(tái)斷裂,褶皺構(gòu)造不發(fā)育。

嶧城斷裂 :正斷層 ,走向 270°～290°,傾向 S,傾角60°,長(zhǎng)約80 km,控制著盆地的北邊界。斷層北出露地層為太古宇,震旦系,寒武系,奧陶系,斷層南側(cè)為古近系官莊群。

韓臺(tái)斷裂:正斷層,走向270°,傾向N,傾角大于70°,長(zhǎng)約60 km,控制著盆地的南邊界。斷層南側(cè)出露地層為震旦系、寒武系、奧陶系,斷層北側(cè)為古近系官莊群。

橫貫韓莊-四戶盆地的鐵佛溝斷裂為正斷層,走向 270°～280°,長(zhǎng)約 70 km,傾向 S,傾角 50°～70°,西部較緩而東部較陡。嶧城斷裂和鐵佛溝斷裂的東段控制著底閣-四戶次級(jí)盆地。這樣就形成了一種“大盆套小盆”的特殊的成膏盆地結(jié)構(gòu)[1]。

2.3 水文地質(zhì)概況

礦區(qū)附近處于嶧臺(tái)山間平原水文地質(zhì)區(qū)嶧城斷塊亞區(qū),根據(jù)含水巖層的巖性分布、埋藏規(guī)律及對(duì)地下水的賦存條件,該區(qū)及附近地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和碳酸巖類巖溶裂隙水。

2.3.1 第四系松散巖類孔隙水

礦區(qū)被第四系所覆蓋,厚度12.84～24.43 m不等,頂部為0.5～0.9 m左右的黃褐色、褐黃色腐殖土,空隙發(fā)育,為透水層,不含水,其下為黃色、灰黃色、褐黃色砂質(zhì)粘土,含大量鈣質(zhì)結(jié)核。

2.3.2 碎屑巖類裂隙水

主要含水層為古近系官莊群卞橋組,該組分為上、中、下三段。上段:灰色、灰黑色、紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖互層,夾泥灰?guī)r透鏡體,巖石致密;中段:黑色、紫褐色泥巖、含膏泥巖、泥膏、纖膏等,厚約100 m,巖石致密,不含水;下段:紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖互層,巖石致密不含水,巖層厚度大于400 m,為良好的隔水層。上述巖層中大部分節(jié)理面光滑緊密,不含水,僅在基巖與第四系附近分布,涌水量小于0.001 l/s·m,可視為隔水層。

2.3.3 碳酸巖類巖溶裂隙水

該含水層埋藏較深,由于古近系隔水層的存在,第四系孔隙水與該層水力聯(lián)系不明顯。該層主要接受北部丘陵區(qū)的入滲補(bǔ)給,排泄方式主要為徑流排泄,地下水類型為·Ca2+型,單井涌水量<500 m3/d。

3 礦區(qū)開采狀況

棗莊市底閣鎮(zhèn)是山東省較大的石膏礦產(chǎn)地之一,自20世紀(jì)70年代開采石膏以來(lái),整個(gè)底閣石膏礦區(qū)有大小17個(gè)石膏礦山,經(jīng)過資源整合,現(xiàn)在有12家。礦區(qū)面積有70 km2,年產(chǎn)礦石量300×104t。20世紀(jì)80年代普遍采用房柱法開采,多年的空?qǐng)龇ú傻V開采留下了大面積采空區(qū),20世紀(jì)90年代后期,這些采空區(qū)相繼出現(xiàn)了地壓活動(dòng)現(xiàn)象。礦房頂板開始下沉,底板鼓起,礦柱出現(xiàn)片幫、劈裂現(xiàn)象,隨后多處采空區(qū)出現(xiàn)了大面積的塌陷。后來(lái)礦區(qū)采用房柱式崩落采礦法進(jìn)行開采,回采后將礦柱、頂板、底板全部崩落。采區(qū)采完較短時(shí)間內(nèi),采空區(qū)就自然崩落或人工強(qiáng)制崩落,圍巖中的應(yīng)變能得到釋放,圍巖崩落后充填采空區(qū),達(dá)到了控制和管理地壓的目的[2]。20世紀(jì)80年代以來(lái),底閣鎮(zhèn)石膏礦區(qū)已塌陷地面1 000 hm2,地面塌陷最嚴(yán)重的地區(qū)位于富山石膏礦區(qū)康莊礦段石膏礦段,塌陷面積約13.33 hm2,不僅土地資源和生態(tài)環(huán)境遭到破壞,而且嚴(yán)重影響了礦區(qū)兩萬(wàn)多群眾的生產(chǎn)生活。

4 地面塌陷特征及危害

由于地下采礦活動(dòng)造成大量的采空區(qū)以及圍巖崩落,使礦區(qū)發(fā)生大面積的地面塌陷。目前礦區(qū)內(nèi)塌陷區(qū)面積約有1 000 hm2,大部分地區(qū)塌陷程度較輕,地面塌陷最嚴(yán)重的地區(qū)位于富山石膏礦區(qū)康莊礦段,塌陷面積約13.33 hm2,塌陷中心最深達(dá)3.85 m(圖1)。塌陷造成塌陷坑和地裂縫,導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地面大面積凹陷、塌陷坑積水,使地面建筑物、道路、各類管線、農(nóng)田、林地和魚塘等遭到破壞,塌陷區(qū)的民房出現(xiàn)了裂縫,有的因開裂嚴(yán)重而無(wú)法居住,造成了土地資源和植被資源的破壞以及突發(fā)性安全事故的隱患,破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全。如不徹底治理,不僅加重對(duì)周圍環(huán)境的損害,破壞生態(tài)平衡,還將進(jìn)一步導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)損失,后果不堪設(shè)想。

圖1 礦區(qū)礦山及嚴(yán)重塌陷區(qū)分布位置圖Fig.1 Location of mines and serious subsidences in the mine area

目前,礦區(qū)內(nèi)除了振興石膏礦已經(jīng)閉坑,其余礦山都處于開采階段。隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)行,地面塌陷程度不斷加重,越來(lái)越多的輕度塌陷區(qū)變成中度塌陷區(qū)甚至重度塌陷區(qū),對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活的影響越來(lái)越大,產(chǎn)生的危害也越來(lái)越嚴(yán)重。

5 塌陷機(jī)理探討

礦區(qū)內(nèi)石膏礦體致密、穩(wěn)固、強(qiáng)度高、韌性好,圍巖主要是泥巖,風(fēng)干后易崩裂,遇水后膨松、變軟、粉化,強(qiáng)度極低,受壓后易產(chǎn)生塑性流動(dòng)。

礦區(qū)早期采用房柱法開采,留有大量的采空區(qū),采礦時(shí)采空區(qū)留有礦柱用以支撐頂板巖層,管理地壓。可一段時(shí)間后,石膏礦層頂板及礦柱在地下水和空氣的作用下風(fēng)化、變形,強(qiáng)度降低,在上覆巖層的重力和構(gòu)造應(yīng)力的共同作用下,頂板和礦柱達(dá)到并超過極限荷載狀態(tài),應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破,礦柱變形并破壞,頂板巖層破裂并冒落,冒落的巖塊形式各樣,雜亂無(wú)章地充填到采空區(qū)。冒落的巖塊與上部巖層相接觸,但支撐力已不足以托住上部的巖層,于是上部巖層下沉彎曲,并且破裂,產(chǎn)生裂隙,形成裂隙帶。裂隙帶巖層上部的巖層,由于裂隙帶的巖層向下彎曲,在自身重力及上覆巖層的重壓下,發(fā)生整體向下彎曲,但既不破裂,也不脫落,形成彎曲帶,在地表形成塌陷坑和地裂縫[3],見圖2。

圖2 礦區(qū)塌陷過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of subsiding p rocess

礦區(qū)后來(lái)采用房柱式崩落法開采,礦塊回采后,將頂板及礦柱全部崩落充填采空區(qū),而上覆巖層由于失去支撐,從而冒落,并產(chǎn)生冒落帶、裂隙帶、彎曲帶,在地表形成塌陷坑和地裂縫。

6 防治對(duì)策及建議

對(duì)于該塌陷區(qū)采取防治和治理相結(jié)合的手段,所謂防治就是選取一塊具有典型代表意義的下方正在開采石膏礦的塌陷區(qū),對(duì)地面塌陷區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè),布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),采用3S技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè),研究采空區(qū)與塌陷區(qū),采高與塌深,開采時(shí)間與塌陷時(shí)間等關(guān)系,觀察地面塌陷情況,并觀察采場(chǎng)上方的周邊地區(qū)的受擾動(dòng)情況,然后進(jìn)行研究,并得出塌陷區(qū)與采空區(qū)的關(guān)系,然后對(duì)塌陷擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行預(yù)警。

針對(duì)不同類型的塌陷區(qū)采取不同的方法進(jìn)行治理,因地制宜,綜合整治,宜糧則糧,宜林則林,宜景則景,宜建則建(建筑用地)。對(duì)區(qū)內(nèi)已廢棄的建筑物進(jìn)行清理,清理干凈后覆土整平夯實(shí),恢復(fù)為耕地或林地。對(duì)于嚴(yán)重的塌陷區(qū),把塌陷區(qū)挖掘改造成魚塘,將挖出的土石回填到輕度塌陷區(qū),然后進(jìn)行平整復(fù)耕,或者將塌陷區(qū)改造成農(nóng)田,進(jìn)行農(nóng)林業(yè)的種植。具體措施為:對(duì)于礦區(qū)內(nèi)的塌陷區(qū)進(jìn)行劃分,由于振興石膏礦已經(jīng)閉坑,嶧城區(qū)第二石膏礦和富山石膏礦將面臨后備儲(chǔ)量不足,所以對(duì)這3個(gè)礦區(qū)的輕度塌陷區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)的永久性恢復(fù)治理,對(duì)其實(shí)施回填、夯實(shí)、覆蓋耕植土、整平、復(fù)耕,面積約有260 hm2;對(duì)于其他礦山,由于還要進(jìn)行多年的開采,其塌陷將會(huì)持續(xù)進(jìn)行,所以對(duì)其內(nèi)的塌陷區(qū)進(jìn)行暫時(shí)性的治理,實(shí)施整平復(fù)耕,面積約為726.67 hm2。甘露溝石膏礦和吳林石膏礦有小部分塌陷較嚴(yán)重的地區(qū),是由于開采一層膏(底部可采膏層)后進(jìn)行人工放頂造成,對(duì)其也進(jìn)行永久性治理。離嚴(yán)重塌陷區(qū)較近的地區(qū)種植樹木和花草,其他輕度塌陷區(qū)進(jìn)行農(nóng)作物耕種。對(duì)于富山石膏礦和甘露溝石膏礦和吳林石膏礦塌陷較嚴(yán)重的地區(qū)和塌陷坑,則改造成魚塘,發(fā)展當(dāng)?shù)仞B(yǎng)魚業(yè),取出的土石用于回填塌陷較淺的塌陷區(qū),對(duì)于約13.33 hm2嚴(yán)重塌陷區(qū)則采取挖深改造成為人造湖泊,進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖。為充分利用積水水面進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖,水產(chǎn)養(yǎng)殖可采用混合種養(yǎng)的方式,魚+藕菱+鴨鵝等模式,實(shí)現(xiàn)水中立體養(yǎng)殖,周邊種上花草和樹木,開發(fā)成為游玩區(qū)和垂釣區(qū)。

[1] 孫中啟.棗莊底閣-四戶盆地石膏礦層分布的研究[J].山東建材學(xué)院學(xué)報(bào),1998,12(2):177-179.

[2] 張學(xué)東,馮德順.房柱式崩落采礦法在棗莊石膏礦區(qū)的應(yīng)用[J].山東建材,2003,24(4):48-49.

[3] 梁勇旗,杜守華.淺談煤礦采空區(qū)的塌陷機(jī)理及發(fā)展因素[J].巖土工程界,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

李振興 (1987- ),男,碩士研究生,研究方向:地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治。