大汶口盆地石膏礦地下采空區(qū)探測及空間利用

吳樹明，王 浩，孔德金，孟令華，張樹淇，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

大汶口盆地石膏資源豐富，區(qū)內(nèi)探明石膏資源儲量約337×108t［1］，經(jīng)過40 多年的開采利用，形成一定數(shù)量規(guī)模、結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的石膏礦房空間。采空區(qū)埋藏較淺，埋深130～400m。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)已形成的石膏礦房地下空間約600×104m3。按照目前礦山開采規(guī)模和礦山的服務(wù)年限，預(yù)計(jì)未來可形成超過千萬立方米的石膏礦房地下空間［2］。為探測石膏礦采空區(qū)具體位置、埋深以及邊界等，利用高密度電阻率和天然源面波綜合勘探方法，快速定位出采空區(qū)的空間位置，提高探測準(zhǔn)確性［3］。對石膏礦大面積采空區(qū)穩(wěn)定性問題，汪爾乾提出石膏礦礦柱及頂板、采空區(qū)鏈鎖式失穩(wěn)反應(yīng)機(jī)理，建立了石膏巖體損傷演化模型，結(jié)合薄板理論，揭示石膏礦礦房礦柱破壞規(guī)律［4］。針對地下空間開發(fā)利用研究方面，戴佳鈴等指出廢棄礦山地下空間是寶貴的人造空間，應(yīng)當(dāng)打破傳統(tǒng)的開發(fā)模式，重新激活生命周期［5］。在考慮廢棄礦井地下空間資源、地?zé)豳Y源、水資源和地上可再生資源等因素基礎(chǔ)上，提出了廢棄礦井地下空間儲能［6］、地下儲庫、污水處置、科教等開發(fā)利用模式［7］。隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，地下空間的勘查技術(shù)應(yīng)用、地下空間評價和利用成為目前的熱點(diǎn)領(lǐng)域［8-13］。石膏礦采空區(qū)的利用是地下空間的開發(fā)利用的重要組成部分。

1 大汶口石膏礦區(qū)概況

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（圖1）。礦區(qū)處于地殼相對穩(wěn)定區(qū)，活動斷裂不發(fā)育。南留弧形斷裂為盆地的邊界斷裂，規(guī)模較大，控制了盆地北、西北及東北邊界，錯斷了地層，也切斷了該地區(qū)盆地內(nèi)外的地下水聯(lián)系。盆地內(nèi)主要發(fā)育北東—北東東和北西—北西西向兩組斷裂，北東向斷裂錯斷了北西—北西西向斷裂［8］。區(qū)內(nèi)開采的石膏礦層主要賦存于古近紀(jì)官莊群大汶口組二段含膏巖帶（E2d2-2）。石膏礦層致密，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，含膏量75%～95%。

圖1 山東大汶口盆地礦區(qū)位置圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［14］修改）Figure 1 Location map of mining area in Dawenkou Basin，Shandong Province（modified from reference［14］）

大汶口盆地目前在開采的石膏礦有3 處，分別為汶陽石膏礦、聚源石膏礦、魯能泰山石膏礦。臨汶石膏礦現(xiàn)已關(guān)停，但形成有一定范圍的地下空間。

2 石膏礦開采現(xiàn)狀及采空區(qū)分布

2.1 石膏礦開采現(xiàn)狀

山東大汶口石膏礦區(qū)石膏礦共有七層，普遍開采的礦層分別為Ⅱ、Ⅲ、V 膏層，埋深在75～351m；膏層頂板巖性以泥巖、頁巖為主，夾少量砂巖，頂板工程地質(zhì)穩(wěn)定性較差，底板巖性為泥巖、泥灰?guī)r夾頁巖，穩(wěn)定性較差；普遍采用淺孔房柱法開采［14］，采4 留4 或采4 留5，礦柱寬度為4～5m，采房寬度4m，單層采高4m，總采高10～12m，采空區(qū)上覆巖層最大厚度約300m，采區(qū)間、礦塊間均留有寬度不等的隔離礦柱，分段間有頂?shù)字V層間有間柱（圖2）。

圖2 大汶口盆地石膏礦區(qū)房柱法開采示意圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［15］修改）Figure 2 Schematic diagram of room-and-pillar mining in gypsum mining area of Dawenkou Basin（modified from reference［15］）

2.2 采空區(qū)分布探測

2.2.1 采空區(qū)物探測量

為查明區(qū)內(nèi)石膏礦地下開采空間的位置、規(guī)模、形態(tài)及保存現(xiàn)狀，本次研究采用瞬變電磁、電阻率測深、微動等多種物探工作方法，設(shè)備選用CUGTEM-8瞬變電磁系統(tǒng)和WD-2無線智能微動勘探系統(tǒng)，分別在汶陽石膏礦區(qū)、聚源石膏礦區(qū)、魯能石膏礦區(qū)、臨汶石膏礦區(qū)部分地段采空區(qū)進(jìn)行測量（圖3）。采用人工與計(jì)算機(jī)解釋相結(jié)合、電性解釋與綜合地質(zhì)分析相結(jié)合等分析方法（表1）。根據(jù)野外測量成果圖特征（圖4），推測采空區(qū)分布范圍。下面以7線和9線為例進(jìn)行分析。

表1 典型測線物探測量結(jié)果對比分析（7線、9線）Table 1 Comparative analysis of 7-line and 9-line geophysical survey results

圖3 測線平面位置布置圖（7線、9線）Figure 3 Layout of 7 survey lines and 9 survey lines

圖4 典型測線物探成果分析Figure 4 Analysis diagram of geophysical exploration results of typical survey lines

7 線布設(shè)于臨汶石膏礦區(qū)，測線沿路分布，長約300m，附近有電線和井房干擾。9 線布置在汶陽石膏礦區(qū)，測線沿田間生產(chǎn)路布設(shè)，近東西向，測線長約300m（圖3）。分別進(jìn)行瞬變電磁測量、電阻率測深和微動測深，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、圖4。

2.2.2 物探結(jié)果綜合分析

三種物探方法均能圈定采空區(qū)空間分布，對比分析得出，瞬變電磁法效果明顯，特別是對低阻異常反應(yīng)較強(qiáng)。礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)主要以低阻異常為主，運(yùn)用瞬變電磁能夠很好地反應(yīng)采空區(qū)在平面上的分布范圍（圖4）。

電阻率測深曲線主要分析礦區(qū)淺部第四系和新近系地層，呈低阻異常特征；石膏礦帶主要呈相對高阻特征；石膏礦底板為古近系泥巖、砂礫巖，也呈低阻異常特征。測深曲線在石膏礦帶理論上整體呈現(xiàn)“K”形曲線，由于受采空低阻充填影響，實(shí)測電阻率曲線在石膏礦采空區(qū)部位會出現(xiàn)明顯的畸變（圖4c、d）。從視電阻率曲線形態(tài)上對采空區(qū)異常有一定的反應(yīng)，尤其在視電阻率測深斷面圖上，能夠根據(jù)視電阻率等值線出現(xiàn)的畸變斷裂圈定采空區(qū)的空間特征，如7線在AB/2=240m時，視電阻率出現(xiàn)畸變，推測為采空區(qū)引起，9 線AB/2=210m 時，視電阻率下降，推測為采空區(qū)引起（圖4e、f）。

微動測量成果分析礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)具有良好的效果。采空區(qū)在速度上反應(yīng)為低速異常，通過微動測量，能夠清晰地圈定采空區(qū)的空間分布，特別是微動探測在深部可以圈定多個低速異常帶，推測存在上下兩層采空區(qū)異常，如7 線Vx速度線在1 100～1 700m/s，在160m 處存在2 個低速閉環(huán)（標(biāo)注④、⑤處），推測為采空區(qū)引起；在1 700m/s以深，在220m、270m、310m 處存在3 個低速閉環(huán)（標(biāo)注⑥、⑦、⑧處），推測為采空區(qū)引起（圖4g）。9 線Vx速度線在1 100～1 700m/s，在110m、150m、170m、210m 處存在4個閉環(huán)低速帶（標(biāo)注④、⑤、⑥、⑦處），推測為采空區(qū)引起，在1 700m/s 以深，在220m 處存在1 個閉環(huán)低速帶（標(biāo)注⑧處），推測為隱伏斷層引起（圖4h）。

2.3 地下空間特征

大汶口盆地石膏資源開采規(guī)模大，由于采用淺孔房柱法開采，開采礦房在各分層平行分布，在每一個單層內(nèi)，礦房沿走向布置，逆傾向推進(jìn)。水平隔離礦柱寬度一般為4.0m，礦房寬度為4.0m［15］，因此采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，且具有埋藏淺、空間大等特征（表2）。

表2 大汶口盆地石膏礦開采情況表Table 2 Gypsum mining situation in Dawenkou Basin

在地質(zhì)構(gòu)造方面，大汶口盆地發(fā)育斷層斷距較大，切斷了多套地層，橫向上對地下水起到了阻隔作用［2］。同時，開采空間上覆形成三個以泥巖為主的隔水層（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（第四系含水層、I礦帶頂板溶隙式含水層、I-II 礦帶之間的砂礫巖含水層）。礦段內(nèi)各含水層與礦帶之間都有完整、穩(wěn)定的隔水層隔離，無溝通性斷裂，自然狀態(tài)下沒有直接聯(lián)系，隔水層確保了礦層中干燥無水，而礦層上下多個含水層對石膏采空區(qū)起到了水密封作用。

3 地下采空區(qū)穩(wěn)定性分析及空間利用方向

3.1 地下采空區(qū)穩(wěn)定性分析

石膏礦采空礦房在地下埋藏時間較長，部分礦房受地質(zhì)構(gòu)造影響，在長期蠕變效應(yīng)影響下，圍巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，常伴有裂隙產(chǎn)生，當(dāng)破壞達(dá)到一定程度，上覆巖層頂板將超出自身的屈服強(qiáng)度，從而發(fā)生彎曲變形，甚至造成地表大面積塌陷［16］。大汶口石膏礦采用連續(xù)房柱法的開采保證了采空區(qū)較長時間內(nèi)的穩(wěn)定可靠，但由于風(fēng)化剝蝕及蠕變劈裂等各種因素的影響，若干年后采空區(qū)也可能發(fā)生礦柱變形坍塌的情況。

以魯能泰山石膏礦4301工作面為例［17］，通過現(xiàn)場工作面開采后長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)部分礦房柱存在輕微的膏體剝落、片幫等現(xiàn)象，破壞存在數(shù)月之久，礦房礦柱蠕變現(xiàn)象明顯。分析汶陽石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素［18］，得出礦區(qū)開采選用連續(xù)礦柱，分段間保留護(hù)巷礦柱，礦柱面積比50%，礦柱寬高比1.25等開采設(shè)計(jì)，對采空區(qū)圍巖具有較高的穩(wěn)定性。此外石膏巖浸水后力學(xué)性能會明顯下降，使采空區(qū)的礦柱及頂板的強(qiáng)度降低而導(dǎo)致事故發(fā)生［19］，而大汶口礦區(qū)石膏礦采空區(qū)干燥無水，且根據(jù)石膏礦礦房監(jiān)控記錄，開采礦房及各種巷道圍巖，目前監(jiān)控區(qū)域無明顯變形等情況。因此綜合分析，大汶口礦區(qū)石膏礦經(jīng)過多年開采，礦柱穩(wěn)定，地下采空區(qū)保存完好。

3.2 地下空間利用方向

石膏礦體本身具有致密不透水的性質(zhì)，如果礦體采空區(qū)自身穩(wěn)定性好，且密封性好，廢棄采房具備儲存原油的地質(zhì)條件［20］。根據(jù)安徽含山石膏礦地下廢棄采洞儲存原油的可行性研究，分析礦區(qū)地質(zhì)及石膏礦層特征，從地質(zhì)構(gòu)造、巖石特征、洞室穩(wěn)定性、石膏礦石浸油試驗(yàn)等方面的成果，得出該石膏礦區(qū)具備建設(shè)地下原油儲備的基本地質(zhì)條件（圖5）［20］。

圖5 利用廢棄石膏礦儲存原油示意圖［20］Figure 5 Schematic diagram of crude oil storage using abandoned gypsum mine［20］

而與安徽含山石膏礦相比，大汶口地區(qū)石膏礦開采房室寬度更小，礦柱寬度與開采房室寬度比更大，且采房頂部留1.5m 的膏層護(hù)頂，底部留有1.0m的石膏護(hù)底，是一個圍巖均為石膏礦體的密封空間，其周邊斷層不發(fā)育，區(qū)域地質(zhì)條件穩(wěn)定，礦體自身穩(wěn)定性好。近幾年礦山在采空區(qū)礦房安裝了監(jiān)控設(shè)備，并定期維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了采空礦房的有效監(jiān)控，便于各項(xiàng)試驗(yàn)的實(shí)施。因此，大汶口盆地廢棄石膏礦房具備儲存原油的地質(zhì)條件，綜合分析該區(qū)適宜于建設(shè)油氣儲庫，具有節(jié)約土地、節(jié)省投資、安全性高、環(huán)保污染少等特點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過對大汶口盆地石膏礦開采現(xiàn)狀調(diào)查，分析采空區(qū)穩(wěn)定性特征以及空間利用方向，得出以下結(jié)論：

1）大汶口盆地石膏礦經(jīng)幾十年的開采，已經(jīng)形成了一定數(shù)量、規(guī)模、結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的礦房空間，且具有埋藏淺、空間大、密閉性好等特征。

2）通過分析影響石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性的各方面因素，并結(jié)合現(xiàn)場長期監(jiān)測結(jié)果，分析得出大汶口礦區(qū)石膏礦經(jīng)多年開采，礦柱穩(wěn)定，地下采空區(qū)保存完好，廢棄石膏礦房具備儲存原油的地質(zhì)條件，便于各項(xiàng)試驗(yàn)的實(shí)施，適宜建設(shè)油氣儲庫。