大汶口石膏礦區(qū)石膏礦房地下空間特征和利用對(duì)策探析

李文孟，楊樹杰，趙赫，周良

(1 .泰安市自然資源和規(guī)劃局，山東 泰安 271000；2.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 泰安 271000；3 .山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000；4 .泰安市岱岳區(qū)自然資源局，山東 泰安 271000)

近幾年，隨著生態(tài)文明的推進(jìn)和國土空間管制的加強(qiáng)，對(duì)采空區(qū)地下空間資源認(rèn)識(shí)不斷深化，開發(fā)利用水平不斷提高，其潛在的開發(fā)價(jià)值，得到社會(huì)各界的普遍重視。大汶口礦區(qū)內(nèi)探明石膏資源儲(chǔ)量約337億t[1]，經(jīng)過近30年的開采利用[2]，形成了一定數(shù)量規(guī)模、結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的石膏礦房空間，各礦山企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)資源的安全開發(fā)和合理利用，為了防止礦柱失穩(wěn)，除了留設(shè)合適的礦柱外[3]，每年投入大量的人力、物力對(duì)石膏礦房地下空間進(jìn)行監(jiān)控、維護(hù)，維護(hù)任務(wù)艱巨復(fù)雜，工作成本高。目前國內(nèi)能夠適合開發(fā)利用的石膏礦房空間稀少，開展石膏礦房空間利用研究和事例較少，石膏礦房地下空間是大汶口礦區(qū)石膏礦產(chǎn)地獨(dú)有的空間資源，具有許多開發(fā)利用的優(yōu)勢和條件，圍繞石膏礦房地下空間特征開展相關(guān)研究，探討有效利用形式和途徑，對(duì)促進(jìn)石膏礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。

1 大汶口盆地石膏礦地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

大汶口盆地位于泰安市西南約25km處，是山東省著名的石膏、自然硫、巖鹽、鉀鹽等礦產(chǎn)聚集地[4]。其所處大地構(gòu)造位置為華北板塊，魯西隆起區(qū)，魯中隆起，蒙山-蒙陰斷隆西端的汶口凹陷[5]。區(qū)域地層主要發(fā)育有新太古代泰山巖群、寒武-奧陶紀(jì)長清群、九龍群、馬家溝群、石炭-二疊紀(jì)月門溝群、古近紀(jì)官莊群、新近紀(jì)黃驊群及第四系等。區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷裂構(gòu)造不僅控制著盆地的形成和發(fā)展，也控制著成膏、成鹽作用。大汶口盆地是由南留斷裂(Fn)、王莊斷裂(Fw)和故縣斷裂控制形成的北斷南超的單斷箕狀盆地[6](圖1)。大汶口盆地內(nèi)斷裂還有2組，一組是NW—NWW向的F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)9；另一組是NE—NEE向的F4,F5,F6,F8,F11。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(表1)。本區(qū)地處地震少發(fā)區(qū)域，地震烈度為Ⅵ度，屬于穩(wěn)定區(qū)域。

1—砂巖、砂礫巖相區(qū)；2—泥巖、泥質(zhì)碳酸鹽相區(qū)；3—膏巖相區(qū)；4—巖鹽相區(qū)；5—鈉鎂巖相區(qū)；6—鉀鎂巖相區(qū)圖1 大汶口盆地構(gòu)造地質(zhì)圖

1.2 石膏礦體特征

石膏礦層賦存于古近紀(jì)官莊群大汶口組[7]。分布在盆地的大部分地區(qū)，巖性為石膏夾泥灰?guī)r、泥巖、頁巖。

聚源石膏礦礦層埋深128～351m，共有七層礦，礦層厚度為29.44～50.27m，平均厚度41.37m。礦石礦物主要為石膏、硬石膏，脈石礦物主要為方解石、粘土質(zhì)礦物，極少量的石英及微量黃鐵礦。

魯能石膏礦礦層埋深75.00 ～256.62m，共有七層礦，礦帶厚度一般50.00～59.00m，最大102.44m，最小39.04m。礦石礦物主要為石膏，少量硬石膏。脈石礦物主要為方解石、泥質(zhì)、少量自然硫、鐵質(zhì)、石英、有機(jī)質(zhì)等。

汶陽石膏礦礦層埋深133～316m，共有七層礦，可采石膏累計(jì)厚度在5～40m左右。主要礦物為石膏，少量硬石膏。脈石礦物有方解石、泥質(zhì)物，含極少量石英、黃鐵礦等。

表1 大汶口盆地次級(jí)構(gòu)造洼地及凸起

礦石具體特征如下：

(1)石膏，白—灰白色，棕褐、黑褐色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)為主，塊狀構(gòu)造。節(jié)理裂隙一般不發(fā)育，巖心為柱狀，局部塊狀。

(2)硬石膏，乳白、淺藍(lán)色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。堅(jiān)硬，致密，節(jié)理，裂隙不發(fā)育。巖心長柱狀為主，次為短柱狀。

1.3 工程地質(zhì)概況

礦帶主要由石膏、泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層組成(圖2)。石膏層致密，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好。泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層遇水軟化，易風(fēng)化、易裂、易碎，強(qiáng)度低。采礦過程中留護(hù)頂?shù)V和護(hù)底礦[8]，以防止冒頂、鼓底，并防止透水和H2S大量溢出。礦帶飽和單軸抗壓強(qiáng)度35.32～44.41MPa，平均值40.14MPa。

礦層頂?shù)装逯饕赡鄮r、泥灰?guī)r、頁巖夾層組成。頂板穩(wěn)定性差，易坍塌、冒頂。飽和單軸抗壓強(qiáng)度6.38～7.49MPa，平均值6.9MPa。底板巖性多為泥灰?guī)r，比較完整，穩(wěn)固性相對(duì)較好。飽和單軸抗壓強(qiáng)度20.94～43.85MPa，平均值30.24MPa。

1.4 圍巖穩(wěn)定性

礦帶頂?shù)装鍘r性相近，為泥巖、泥灰?guī)r及頁巖、砂巖，直接頂?shù)装鍘r性主要為頁巖，其次為泥巖，局部頂板為含膏泥灰?guī)r。巖層與礦層界線清晰，產(chǎn)狀基本一致。礦石的夾石為含膏頁巖、頁片狀泥灰?guī)r及泥巖少量。

2 石膏礦房地下空間主要特征

2.1 礦房地下空間埋藏深度適中

大汶口礦區(qū)石膏資源埋藏深度43～1762m，主要賦存于古近紀(jì)官莊群大汶口組下段(Ⅰ礦帶)和中段(Ⅱ礦帶)，總體呈NE—SW方向展布，礦層呈層狀，傾角5°～7°[9]。目前石膏礦開采后形成的石膏礦房地下空間埋深約130～400m，埋藏較淺，比較有利于開發(fā)。根據(jù)對(duì)以往開采情況總結(jié)，石膏礦房埋深若小于100m，易影響地表，若超過500m地下應(yīng)力[10]增大，易影響礦房穩(wěn)定性。

2.2 礦房地下空間呈層狀分布

石膏礦房地下空間取決于石膏礦層的分布。目前開發(fā)利用的石膏礦床呈多層礦賦存于古近紀(jì)官莊群大汶口組中段(Ⅱ礦帶)內(nèi)[11]。礦層自上而下礦層編號(hào)為2、3、4、6、11，其中2、3礦層為主采礦層，特別是2礦層，礦層穩(wěn)定，資源儲(chǔ)量較大，又細(xì)分為4個(gè)礦層，實(shí)際工程中礦層分層厚度最大8.10m(ZK109)，最小1.0m，礦層較厚，且比較穩(wěn)定，其中2-2礦層作為開發(fā)利用方案設(shè)計(jì)的首采礦層。礦層傾向350°左右，傾角5°～11°。

2.3 礦房空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

石膏礦房地下空間主要分布在石膏礦層內(nèi)。石膏礦層結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好。石膏礦主要礦物成分為石膏和少量硬石膏。石膏含量一般75%～95%，標(biāo)本觀察為灰白色、白色、棕灰色；具玻璃光澤、絲絹光澤；多呈粒狀、板狀；粒徑0.01～3.00mm之間，一般0.05～1.50mm；比重2.32；摩氏硬度2.1。硬石膏含量0～7.82%之間，一般小于5%，標(biāo)本觀察為灰白色、蘭灰色；半自形—他形，短柱狀；粒徑0.01～1.00mm。比重2.95；摩氏硬度3.52。由于石膏礦房是采用淺孔房柱法開采后形成(圖2)[注]山東科技大學(xué)，汶陽石膏礦井下開采關(guān)鍵技術(shù)論證報(bào)告,2014年。，開采形成的礦房在各分層平行分布，在每一個(gè)單層內(nèi)，礦房沿礦層走向展布，逆傾斜推進(jìn)。水平隔離礦柱寬度為4.0m[12]，礦房寬度為4.0m。礦房空間高不同，2-2石膏礦層最高不超過5.5m，2-3、2-4石膏礦層最高不超過4m。礦山開采采用小條帶法開采[13]，礦房頂部留不小于2m的護(hù)頂膏層，開采條帶寬度4m，水平隔離礦柱寬度4m。小條帶法開采能依靠礦柱有效地支撐頂板，保持礦房頂板的完整性。

圖2 房柱式連續(xù)礦柱法開采示意圖

2.4 礦房空間圍巖自然密閉性好

石膏礦房空間上覆有三個(gè)含水層和三個(gè)隔水層[1]，確保了礦房空間的密閉性。

主要含水層：①第四系含水層：厚4～8m，水位埋深1.90～5.13m。上部為0.6～6.0m厚的弱透水砂質(zhì)粘土，中部為砂礫石層。砂礫石層含水量豐富，q=291.43～2894.12L/s.m，k=37.15～113.03m/d。②Ⅰ礦帶頂板含水層，以溶孔、溶隙形式存在，屬巖溶裂隙水。含水層厚51.00～80.58m，水位埋深3.12～3.39m，q=0.174～0.223L/s.m，k=0.22～0.28m/d，屬富水性中等含水層。③Ⅰ礦帶與Ⅱ礦帶之間的砂礫巖含水層，屬弱含水層，k=0.0842m/d，q=0.0617～0.0868L/s.m。含水層與開采礦層距離較近(表2)。

表2 區(qū)內(nèi)含水層、隔水層特征

主要隔水層：①新近系隔水層。該層巖性主要為泥巖或泥巖夾泥質(zhì)膠結(jié)砂巖，頂部埋深15.50～22.95m，厚度6.75～34.35m，具有良好的隔水性。②Ⅰ礦帶頂板隔水層，巖性主要為泥巖或泥巖夾泥質(zhì)膠結(jié)砂巖、鈣質(zhì)頁巖，頂部埋深88.00～130.31m，厚12.35～116.19m。具有良好的隔水性。③Ⅱ礦帶頂板隔水層，巖性主要為泥巖或泥灰?guī)r夾板狀、線狀石膏，頂部埋深125.93～204.19m，厚26.59～71.39m。q=0.0000979～0.000199L/s.m，具有良好的隔水性。

2.5 礦房空間規(guī)模潛力大

目前在生產(chǎn)的有三處石膏礦，已形成石膏礦房地下空間約600萬m3，按照目前礦山開采規(guī)模和礦山服務(wù)年限，預(yù)計(jì)未來還可增加空間600萬m3，綜合來看，在三處石膏礦閉坑前，預(yù)計(jì)三處礦山能夠形成1200萬m3的地下空間，若其他三個(gè)持證礦山投入基建開采生產(chǎn)，未來可將形成2400萬m3的石膏礦房地下空間。

2.6 礦房空間各管理系統(tǒng)健全，易于監(jiān)控

石膏礦房地下空間以生產(chǎn)礦山為單元相互獨(dú)立，各自系統(tǒng)完善。礦山目前采用豎井、單水平上、下山開拓系統(tǒng)[14]，主井、風(fēng)井均布置于礦區(qū)范圍東部。主井凈直徑5.0m，井筒內(nèi)裝備一對(duì)0.9m3單層單車普通罐籠，鋼絲繩罐道，主要擔(dān)負(fù)礦石、材料、設(shè)備的提升及人員的升降。井筒內(nèi)設(shè)提升間、梯子間、管纜間，提升井井底車場附近均設(shè)有永久水倉、水泵房和變電所，各石膏礦山通風(fēng)、提升、排水、運(yùn)輸、供電系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。現(xiàn)有石膏礦房地下空間均由各礦山管理，近幾年各礦山在采空區(qū)礦房安裝了監(jiān)控設(shè)備，并定期維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)礦房空間的有效管控。

3 影響開發(fā)利用的主要因素

傳統(tǒng)思維，束縛地下空間開發(fā)利用。多年來人們對(duì)于礦產(chǎn)資源開發(fā)利用較為重視，對(duì)開發(fā)過程中形成的地下空間也多是采用被動(dòng)地思路和措施開展治理和恢復(fù)工作，同時(shí)，由于不同礦種和不同開采技術(shù)條件，大多數(shù)礦產(chǎn)資源開采后形成采空區(qū)，也多是采用垮落法管理頂板[15]，使礦山生產(chǎn)面臨很多的安全問題[16]。大汶口礦區(qū)石膏礦產(chǎn)資源具有獨(dú)特的地質(zhì)特征和礦床開采技術(shù)條件，不允許頂板垮落，以免上覆含水層連通，發(fā)生涌水事故。以往石膏礦開發(fā)過程只是注重石膏礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，沒有對(duì)形成的地下空間資源進(jìn)行利用和研究論證，關(guān)于石膏礦房空間能否利用的政策、規(guī)定、相關(guān)規(guī)范較少。

圍巖的穩(wěn)定性影響到石膏礦房地下空間的利用。石膏礦房地下空間圍巖主要由石膏、泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層組成。泥巖、泥灰?guī)r、頁巖夾層遇水軟化，易風(fēng)化、易裂、易碎，強(qiáng)度低。礦層頂?shù)装逯饕赡鄮r、泥灰?guī)r、頁巖夾層組成。頂板穩(wěn)定性差，易坍塌、冒頂。底板巖性多為泥灰?guī)r，比較完整，穩(wěn)固性相對(duì)較好。上覆地層為古近系弱膠結(jié)的泥質(zhì)巖類，結(jié)構(gòu)面表現(xiàn)為裂隙、層理，結(jié)構(gòu)面分級(jí)屬Ⅳ級(jí)，礦體圍巖巖體較完整，屬第一類。礦床巖溶不發(fā)育、構(gòu)造局部小規(guī)模發(fā)育，石膏屬中硬可溶巖。頂板失穩(wěn)主要形式為小規(guī)模的剝離掉塊，造成突水事故的可能性小，底板發(fā)生突水底鼓的可能性小，次生小斷層發(fā)育地段易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題?？偲饋砜矗嗟V房工程地質(zhì)條件為中等—復(fù)雜[4]。

現(xiàn)有資源開發(fā)、安全管理規(guī)范對(duì)地下空間資源的開發(fā)利用的要求涉及較少。目前石膏礦山開采準(zhǔn)入方面和開發(fā)過程管理的規(guī)范主要為現(xiàn)場管理的各項(xiàng)安全規(guī)程和資源利用、環(huán)保及土地利用的各項(xiàng)要求，沒有對(duì)地下空間資源利用統(tǒng)籌考慮，也影響到石膏礦房地下空間效益的最大化和永久性利用。

礦井有限的服務(wù)年限?，F(xiàn)有管理體制下石膏礦房地下空間依托于礦山石膏開采，礦山開采活動(dòng)停止，礦山一旦閉坑，石膏礦房地下空間也將處于無人利用和管理狀態(tài)，為此，礦山服務(wù)年限也影響到石膏礦房地下空間利用。目前，影響礦山服務(wù)年限的因素主要有三個(gè)：即資源枯竭、自然災(zāi)害、產(chǎn)業(yè)政策，從而也間接影響石膏礦房地下空間的利用。

4 礦房地下空間利用的對(duì)策及建議

進(jìn)一步加強(qiáng)石膏礦房空間的穩(wěn)定性研究和評(píng)價(jià)。圍繞現(xiàn)有礦房和未來即將形成的礦房開展相關(guān)工程地質(zhì)和力學(xué)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，分別對(duì)不同礦井、不同礦層、不同深度、不同時(shí)期的礦房進(jìn)行觀測對(duì)比研究，總結(jié)應(yīng)力變化和巖移規(guī)律，重新修訂開發(fā)方案，確定礦房結(jié)構(gòu)，為空間開發(fā)利用提供技術(shù)依據(jù)和支撐。

開展石膏礦房空間可行性利用研究。目前國內(nèi)能夠適合開發(fā)利用的石膏礦房空間稀少，開展石膏礦房空間利用研究和事例較少，僅有安徽含山地區(qū)開展石膏吸水、吸油和滲透性研究以及儲(chǔ)油可行性分析[17]。大汶口礦區(qū)石膏礦房空間主要賦存于石膏礦體內(nèi)，借鑒其他地區(qū)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，也亟需開展石膏吸水、吸油和滲透性研究以及儲(chǔ)油可行性分析，在此基礎(chǔ)上，并選擇重點(diǎn)礦區(qū)和礦段開展儲(chǔ)油試點(diǎn)工作，為探索建立儲(chǔ)油基地提供可行性基礎(chǔ)資料。

統(tǒng)籌石膏資源開發(fā)和地下空間利用。泰安市大汶口礦區(qū)石膏礦是華北地區(qū)儲(chǔ)量最大的礦區(qū)，現(xiàn)有生產(chǎn)礦井三處，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/年，年采出礦量80萬t。預(yù)計(jì)年形成礦房空間40～50萬m3。幾十年來，隨著石膏開發(fā)強(qiáng)度的加大，礦房空間數(shù)量也不斷增加，泰安大汶口礦區(qū)石膏礦產(chǎn)資源開發(fā)和礦房空間利用有許多得天獨(dú)厚的條件，政府和相關(guān)管理部門、礦山企業(yè)應(yīng)提高認(rèn)識(shí)，積極開展石膏資源開發(fā)和礦房空間利用經(jīng)濟(jì)和社會(huì)對(duì)比研究和論證，鑒于資源的有限性和空間資源的永久性，逐漸由石膏資源開采為主，轉(zhuǎn)到礦產(chǎn)資源開發(fā)和地下空間資源雙重利用的發(fā)展戰(zhàn)略上來，為礦山持續(xù)發(fā)展提供戰(zhàn)略基礎(chǔ)。

探索建立石膏地下礦房空間開發(fā)利用的新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)石膏資源開發(fā)利用轉(zhuǎn)型升級(jí)。石膏地下礦房空間開發(fā)利用國際、國內(nèi)實(shí)例少，涉及行業(yè)管理法規(guī)、政策和相關(guān)技術(shù)規(guī)程、及設(shè)備應(yīng)用、管理等多個(gè)方面，影響深遠(yuǎn)。政府應(yīng)積極搭建開發(fā)利用平臺(tái)，建立相應(yīng)的組織機(jī)構(gòu)管理，開展項(xiàng)目立項(xiàng)論證，確定投資主體，拓寬投融資渠道，調(diào)動(dòng)社會(huì)相關(guān)因素和力量共同參與石膏地下礦房空間開發(fā)利用。相關(guān)礦山企業(yè)應(yīng)采取措施對(duì)礦房空間特征和特性相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在線管理和監(jiān)控，做好基礎(chǔ)管理工作。通過共同協(xié)作和努力，實(shí)現(xiàn)大汶口礦區(qū)資源開發(fā)利用轉(zhuǎn)型升級(jí)。

5 結(jié)語

泰安市煤炭、石膏、巖鹽等礦種開發(fā)程度較高，形成數(shù)量眾多，不同類型的地下空間(采空區(qū))。加快開展大汶口石膏礦房空間的研究、利用等試點(diǎn)工作，必將推動(dòng)泰安市及全省其他礦種采礦地下空間的利用，促進(jìn)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用轉(zhuǎn)型升級(jí)，拓展新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換發(fā)展空間，探索綠色礦業(yè)發(fā)展路子。

致謝：在該文撰寫過程中得到了山東聚源礦業(yè)集團(tuán)有限公司和山東魯能泰山礦業(yè)開發(fā)有限公司的大力支持，在此表示感謝。