河北矾山磷矿采空塌陷、地裂缝和含水层破坏评估与防治

张玉宝，张 宇

（1.河北省地质调查院，石家庄 050081； 2.国家海洋局海洋咨询中心，北京 100860）

河北矾山磷矿采空塌陷、地裂缝和含水层破坏评估与防治

张玉宝1，张 宇2

（1.河北省地质调查院，石家庄 050081； 2.国家海洋局海洋咨询中心，北京 100860）

矾山磷矿是华北地区大型磷矿生产矿山，为第四系孔隙水及基岩裂隙水充水矿区。本文在分析地质采矿条件基础上，对采空塌陷、地裂缝地质灾害和含水层破坏的成因进行了分析与评估，并提出了相应的防治措施。

采空塌陷；含水层破坏；防治

矾山磷矿是华北地区大型磷矿生产矿山。受矿区地质环境条件制约，多年来，困扰着矿山的发展，防治采空塌陷、地裂缝和含水层破坏，是影响矿山发展和矿山地质环境保护亟待解决的重大问题。

1 矿区地质环境背景

矾山磷矿区地处矾山盆地东南缘，东灵山河横贯矿区南北，矿床赋存于矾山杂岩体层状辉石岩带中上部，受外围蓟县系白云岩分布制约，呈弧形展布，为向南突出半盆形似层状磷灰石矿床。Ⅱ、Ⅲ矿体是富磷主矿体，长2000～2738m，厚度21.53～35.77m，矿体西段倾向北东，中段倾向北西，东段倾向西，倾角20°～45°，矿体赋存标高598～32m，埋藏深度180～760m之间。矿体为磷灰石和磁铁磷灰石，围岩为软弱黑云母辉石岩和云斑辉石岩，矿体和围岩顶部强风化带厚度10～20m，线状风化带平均厚度30m，最厚约50m。矿体上覆围岩被多条北北东向、北东向及北西向断裂切割和煌斑岩脉穿插，节理裂隙发育，形成软弱结构面和软弱层面。上覆第四系厚度140～260m，覆盖在风化带顶部的中更新统底部粘土砾石承压含水层，是矿坑充水主要含水层，孔隙水受矿区南部蓟县系雾迷山组白云岩岩溶水侧向补给[1～2]。由于4号勘探线至6号勘探线之间古地形较高，中更新统底部缺失砂砾石层，形成近南北向粘性土隔水层（带），将矿区地下水分为富水性差异很大的东西两个单元[4]。第四系承压含水层孔隙水补给下伏风化裂隙含水带和基岩构造裂隙含水带。矿区水文地质条件复杂（见图1），矿床上覆围岩稳定性差。

2 矿山开采状况与开采布局

根据矿体赋存情况，矿床水文地质条件和开采技术条件[3]，以2号勘探线为分界线，按60°倾角沿走向留设20m连续隔离矿柱，分为东西两个采区。1996年投产以来，主要开采东采区，采用Ⅱ+Ⅲ矿体合采，采用无底柱分段崩落法开采，采空区主要分布在0号～12号勘探线之间，标高+470～+542m。西采区矿体上部由于含有高承压水，尚未开采。

2008年矿山开发利用方案（设计）东采区开采范围为0号勘探线以东至12号勘探线，+425m中段至+245m中段水平，采用无底柱崩落法开采。西采区开采范围为0号勘探线以西至7号勘探线+500m水平至+245m水平，采用向上水平分层进路式胶结充填采矿法开采。井下矿坑涌水排水泵房设置在+425m中段，正常排水能力为20000m3/d，最大排水能力约46000m3/d。

3 采空塌陷、地裂缝和含水层破坏影响评估

近15年来，东采区地下开采6～12线（勘探线）之间的主矿体形成标高+525m、+475m、+425m3个中段采空区，各中段采空区面积为315m2，累计开采厚度达100～110m，采空区总面积4252500m2。采空区上部采空塌陷和地裂缝带长度1000m，宽度200～400m，总面积约200000m2。23个塌陷坑呈串珠状展布，塌陷坑直径8.0～60.0m，平均深度16m，最大深度30m，塌陷坑总面积10306m2。塌陷坑周围发育有14条台阶式弧形地裂缝，地裂缝长度50～300m，宽度0.1～0.5m，最大宽度达3m，可见深度0.8～2.5m，最大深度达12m，地裂缝两侧落差0.1～0.5m，最大达4.3m[5][6]。采空塌陷和地裂缝尚未稳定，直接威胁到井下安全生产和地面工程活动安全。（见图2、图3）

图3 地裂缝

采动和矿坑疏排水造成断层破碎带和导水裂隙带沟通了上覆第四系含水层，成为第四系孔隙水渗入采区矿坑的导水通道，正常矿井涌水量为8600m3/d。第四系孔隙水形成以矿坑疏排水为中心的地下水水位降落漏斗，面积约20万m2，漏斗中心水位标高425m，龙王塘泉泉水流量减少，影响着矿区周围生活生产用水安全。对矿区含（隔）水层（带）影响破坏严重。

根据矿产资源开发利用方案和远景开采规划，开采东采区6～12勘探线采空区下伏标高+425m～+245m或+389m中段深部矿体，将导致采空区复活，地应力调整，地下水的软化、泥化作用，引发或加剧采空塌陷及地裂缝。开采6～12勘探线外的主矿体，根据地质采矿条件和采空塌陷、地裂缝发生的临界条件，采用类比法预测变化趋势，采空塌陷、地裂缝的范围和程度将远大于采空塌陷地裂缝地质灾害现状，预计最终采空区面积约401623m2，采空区体积约7503900m3，采空塌陷地裂缝带面积扩大到510750m2。尤其是开采0～2勘探线地下水高水头压力区，承压水头为150～160m。若采用无底柱分段崩落法开采，将面临含水层破坏，矿坑大量充水，涌水量将达到10000～20000m3/d，不仅会发生大规模采空塌陷及地裂缝，对将对含水层造成破坏。

西采区0～7勘探线地下水高水头压力区，采用上向水平分层进路式胶结充填法开采，标高+470m中段以上设有护顶矿柱，护顶矿柱厚约100m。主要开采+475m、+425m、+380m3个中段，正常排水能力为20000m3/d，最大排水能力约46000m3/d。采用胶结充填生产工艺，能减轻爆破采动对顶板围岩的破坏，有效预防采空塌陷和地裂缝的发生，但切割矿床围岩的断层破碎带等不利结构面，存在沟通第四系孔隙水的通道，造成含（隔）水层（带）破坏，导致矿区周围地下水位大幅度下降，影响区域生活生产用水，并可同时发生小规模采空塌陷及地裂缝灾害。

4 采空塌陷、地裂缝和含水层破坏防治

针对影响矾山磷矿矿山建设和开采过程中发生采空塌陷、地裂缝和含水层破坏的不利因素，提出以下防治措施：

（1）矿体围岩软弱岩层和软弱结构面稳固性差地段的预防措施：巷道掘进中，对软弱矿岩层需进行支护加固；对软弱结构面须采取喷浆、锚杆和金属网支护，极破碎地段，铺设可缩性金属支架或采用混凝土砖、石板砌筑，巷道设计应避开地质灾害危险性大的地段。

（2）采空塌陷、地裂缝和含水层破坏的预防措施：根据矿山地质环境影响评估结果和井上井下对照图，应留设足够的基岩护顶矿柱和防水矿柱，隔断上部含水层地下水渗入。严格控制爆破采动影响和充填接顶效果，减轻采空塌陷、地裂缝发生和含水层破坏程度。地面开挖截、排水沟，拦截地面径流，堵漏防渗。修建高位蓄水池，经处理达标后，可作为工农业生产用水水源，科学利用矿井水资源。

（3）开展矿山地质环境问题专项勘查：查清矿区内断层空间分布、规模、性质、产状及导水性能，为预防采空塌陷、地裂缝和含水层破坏提供科学依据；查清历史遗留的钻孔、废弃矿井、老采空区和采空塌陷、地裂缝及含水层破坏隐患区，为科学预防有效治理提供基础资料。

（4）开展采空塌陷、地裂缝和含水层破坏监测预警：建立矿区地面变形和地下水动态监测系统；建立井下采区巷道变形监测系统。

（5）预防强震破坏：矾山磷矿地处矾山盆地北缘，是构造活动强烈地区，属区域地壳不稳定区。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值0.20g，矿山生产设计和采矿活动都应考虑地震影响破坏，防患于未然。

[1]《河北省涿鹿县矾山磷铁矿水文地质勘探报告》.华北冶金地质勘探公司五一七队.1977年4月.

[2]《河北省矾山磷矿水文地质工程地质条件》.河北省矾山磷矿.1998年12月.

[3] 《河北省矾山磷矿120万t/a优化项目工程初步设计》.中国恩菲工程技术有限公司.2008年9月.

[4]《河北省涿鹿县矾山磷矿区（西区）水文地质补充勘探报告》.华北冶金工程勘察院有限公司.2010年3月.

[5]《张家口市矾山磷矿矿山地质环境恢复治理工程设计》.河北省环境地质勘查院.2010年5月.

[6]《河北省矾山磷矿有限公司河北省矾山磷矿矿山地质环境保护与治理恢复方案》.河北省矾山磷矿有限公司.2010年7月.

Evaluation and Prevention of Mined-out Collapse, Ground Fissure and Aquifer Breakage in Fanshan Phosphate Mine, Hebei Province

ZHANG Yubao1, ZHANG Yu2

（1.Hebei Institute of Geological Survey, Shijiazhuang 050081; 2.National Oceanic Consultation Center, State Oceanic Administration, Beijing 100000）

Fanshan phosphate mine, located at the Quaternary pore water and fi ssure water fi lling area, is a largescale productive mine in North China. Based on analysis of the geological and mining condition, formation of mined-out collapse, ground fi ssure and aquifer breakage is evaluated. As a result, some prevention and control measures are put forward.

Mined-out collapse；Aquifer breakage；Prevention and control

TD327

A

1007-1903（2013）02-0031-03

∶ 张玉宝（1957－ ），男，大专，水文工程专业，高级工程师，主要从事水工环和矿山地质环境工作研究。E-mail：zybxgzzy@vip.163.com