金牛山矿山环境治理设计与施工实践

孙小杰， 张　辉， 杜炤伟

(1.山东省物化探勘查院，山东 济南 250013； 2.山东省第八地质矿产勘查院，山东 日照 276801； 3.山东省地矿工程集团有限公司，山东 济南 250000)

1　项目概况

1.1　项目区位置

项目治理区位于山东省烟台市牟平区水道镇东南约2 km的金牛山地区，面积3.0617 km2。

1.2　项目区采矿历史

金牛山是牟-乳成矿带中的主要矿区之一，该矿区开采历史悠久，明清时期就进行过露天开采金矿，开采深度30～40 m。解放前，日本人也曾进行过掠夺性开采。20世纪80年代起附近村民乱采金矿石，采用竖井和巷道开采至矿脉，在矿脉处利用巷道横向放炮冒落开采，开采深度一般不超过80 m。到90年代后期，已基本制止开采。民采、乱采时采空区未进行充填，开采顶板也未进行防护，且采用大面积冒落开采，导致采空区地表出现了大面积塌陷，造成了较严重的环境地质问题。

1.3　地形地貌

项目区属低缓丘陵区，为剥蚀丘陵地貌。地势总体北高南低，区内金牛山山脊呈南北向带状展布，构成本区分水岭。金牛山主峰海拔168.84 m，当地最低海拔74.00 m，相对高差94.84 m，坡度一般10°～20°，局部可达50°，沟谷多呈深而窄的U字形。

原始地貌详见图1、图2。

图1　4号塌陷带陡崖原始地貌

1.4　水文地质条件

含水层为基岩裂隙水含水层，分布于整个治理区内，水位埋深为9.50～18.80 m。该层渗透性较弱，富水性弱，单井涌水量<100 m3/d，大气降水为该区地下水的主要补给源。

图2　塌陷带原始地貌

1.5　项目区地质条件

1.5.1构造

金牛山断裂纵贯全区，为区内主要成矿构造。断裂带宽5～20 m，走向10°～25°，倾向南东，局部北西，倾角74°～85°，局部直立。带内由石英脉、煌斑岩脉和矿体充填，断裂带两侧发育多条近于平行的同期低序次的断裂构造，均有金矿化现象，断裂带自中心向两侧发育黄铁矿化(金矿化)、绢英岩化、碳酸岩化蚀变。

1.5.2松散岩区

项目区表层地层较简单，主要为新生界第四系残坡积、冲洪积物，沿山间沟谷、冲沟和山前平坦地段分布，厚度<2 m。岩性主要由砾石、含砾砂土、亚砂土等组成。

1.5.3半坚硬-坚硬岩区

项目区内深部地层侵入岩极为发育，主要为新元古界玲珑超单元云山单元(弱片麻状细粒含石榴二长花岗岩)中生代界煌斑岩脉等。项目区矿脉多赋存于金牛山主断裂带中，总体10°～25°，倾向南东，局部北西，地表产状与断裂带一致，地下局部反倾，倾角74°～85°，局部直立，局部被后期断裂错断。

2　工程治理设计思路

通过收集资料、1∶1000地质环境调查、工程测量、物探和钻探等方法，发现治理区内共有8条塌陷带，75口老采坑硐(井)，1处地下采空区。

塌陷带采取削坡整形和回填的方法进行治理；老采坑硐(井)采取回填的方法治理；采空区采取注浆充填的方法治理，为防止出现串孔，使水泥浆有效充填到采空区内，根据治理区内采空区的特点，本次采空区充填方案采取将175 m长的采空区分成密封的4段，在段与段之间的横断面上施工砼墙分隔，分隔完成后再逐段充填注浆处理。

3　工程设计与施工方案

根据本区的地形地质条件及治理总体思路的要求，本项目区治理内容主要为塌陷带治理、老采坑硐(井)治理和采空区治理。

3.1　塌陷带治理

3.1.1塌陷带治理设计方案

采用两种方式治理，一种对高陡边坡及山顶、山脊线上的塌陷坑带采用削坡治理的方法消除地质灾害隐患；一种对山腰处或地形相对平坦的塌陷带直接采用回填的方式进行治理。其中3、4号塌陷带采用爆破削坡的方法治理，1、2、5、6号塌陷带采用回填方法治理。4号塌陷带的陡崖治理和采空区充填是本工程重点治理项目，下面以4号塌陷带治理方法为例进行介绍。

4号塌陷带陡崖削坡治理方案，结合现场及本区规划，以山顶塌陷带北侧与东侧悬崖的交汇点处(该处地面标高为145.0 m)为基准，以悬崖北侧接地点为另一基准点(该处地面标高为119.8 m)，此两点连线为悬崖放坡线(见图3)，以放坡线为准，爆破削山使山体高度整体降低6.3 m，悬崖壁与爆落后堆放的岩石自然相接，整体上清除的悬崖壁、爆破后的岩石堆落于4号塌陷带西北侧的工业废弃平地处，使碎石堆堆放高度与相接的陡崖高度一致，碎石坡高度向西、向北逐渐降低，坡角控制30°，最后形成一个由人工堆砌的碎石土坡与自然山体组成的完整低山，然后覆种植土绿化。在山体底部的边界处砌筑尺寸下底×上底×高=1500 mm×1000 mm×2000 mm的挡土墙，挡土墙底部采用锚杆和岩体固定，需砌筑毛石挡墙128m，锚杆65根。爆破及回填土石方方量为165307 m3，回填种植土7489 m3，种植黑松12965株。

图3　4号塌陷带陡崖削坡示意

3.1.2塌陷带治理施工工艺

测量放线→平台清理→潜孔钻机成孔→装药、接雷管、爆破→坡面清理→渣土外运回填→修整坡角30°成坡→回填种植土→砌筑挡土墙→绿化。治理后的效果见图4。

图4　4号塌陷带陡崖治理后效果

3.2　老采坑硐(井)治理

3.2.1老采坑硐(井)治理设计方案

治理区内老采坑硐(井)大多是20世纪80年代到90年代初民采乱采后遗留的，治理区内发现老采坑硐(井)有75口，根据各老采坑硐(井)直径制作高度4 m的钢筋笼，将装满大块石的钢筋笼下至孔底，然后回填碎石土，边回填边夯实，回填至距井口4 m浇筑C20砼进行封口，砼厚度3.5 m，最后回填厚度0.5 m的三类种植土，对井口及周边荒地进行绿化。

3.2.2老采坑硐(井)治理施工工艺

钢筋笼制作下沉→碎石土充填→井口浇筑砼墙→回填种植土→整平绿化。

3.3　采空区治理

地下采空区位于金牛山山脊线附近，南北向狭长，东西向较窄，采空区投影到水平面的范围界线由物探解译资料圈定，投影到水平面的采空区总面积为1542 m2，空洞区开采标高在81.0～85.0 m，目前地面标高为11.5～20.0 m不等，空洞高约3 m，宽度5.0～9.8 m，空洞长约175 m，空洞内未发现充填物，需充填空洞体积为4626 m3；采空区内无地下水。

3.3.1采空区治理设计方案

采用灌注砼和注浆方法，泵送的方式灌注砼，纯压式注浆。

3.3.1.1钻孔布置

在每个横断面上施工3个Ø300 mm的钻孔灌注砼，孔距1.5 m，孔深42～68 m，共布置15个钻孔。每段的充填灌浆孔布设2个，钻孔孔径110 mm，孔距15 m，孔深40～65 m，共布置钻孔8个。钻孔布置详见图5。

图5采空区充填孔布置

3.3.1.2灌注砼

将175 m长的巷道用C20砼墙间隔成4段，每个分隔断面采用3个Ø300 mm的钻孔向下泵送灌注塌落度16 cm的C20商品砼，自然堆积成墙进行分隔，砼墙必须起到间隔作用，使各段形成独立的封闭空间，这样容易控制各段的充填灌浆量和发现漏浆通道。施工时先灌注中间孔，然后灌注两边孔，单孔浇筑砼应连续无中断进行，直至孔口。泵送砼停止标准：灌注砼不小于设计灌注量，且直到砼充满到孔口位置。设计C20砼体积约为694 m3。

3.3.1.3注浆

每段的灌注砼充填完成后，按基岩帷幕注浆标准进行纯压式压力灌浆，做到回灌的浆液固结体与巷道四壁胶结紧密没有空隙，以使回灌浆液凝结体与岩体成一体，增强山体稳定性。注浆材料为32.5 MPa普通硅酸盐水泥；注浆水灰比：注浆浆液的浓度由稀到浓，逐级或越级变换，宜从下列比例中选取：1，0.8，0.6和0.5，开灌水灰比可采用1；根据注浆需要，可在水泥浆液中掺入速凝剂，宜选用水玻璃，水玻璃模数宜为2.4～3.0，浓度宜为30～45波美度，速凝剂的掺入量应根据现场注浆试验确定。设计注浆充填量为4032 m3。

采空区纵向剖面示意图见图6。

3.3.2采空区施工工艺

图6采空区钻孔布设纵向剖面

先施工砼隔离墙，施工结束不小于7天再开始注浆作业。

3.3.2.1工艺流程

平台清理→钻孔定位→钻机就位→潜孔锤钻进→布设无缝钢管→终孔检验→浇筑砼墙→封孔→水泥浆充填→封孔→治理效果检验。

3.3.2.2投入设备

投入一台套潜孔锤钻机施工，钻机功率22 kW，空压机功率90 kW；水泥(砂)浆搅拌机15 kW，浆泵5 kW，共20 kW；砼输送泵75 kW。以上设备共需动力能源约200 kW。

3.3.2.3采空区灌注砼和注浆工程量

采空区15个钻机灌注砼969 m3，8个注浆机充填水泥浆4974 m3，详细工程量见表1、表2。

表1　采空区灌注砼工程量统计

表2　采空区注浆工程量统计

4　工程检验

采空区充填效果采用物探和钻探相结合的方法进行检验。充填灌浆全部完成28 d后，采取物探和钻探取心检查充填灌浆体与巷道顶部是否接触紧密，检查孔的数量为不少于总灌浆孔数的5%，现场随机选定布设检查孔2个。

4.1　物探检验

采取高密度电法对采空区充填效果进行检验。根据野外采集的原始数据经转换后得各测点不同深度处的视电阻率数据文件，然后由高密度反演软件进行瑕疵点剔除和地形校正，最后进行反演并解释成图，根据高密度地电断面图并结合现场地质及水文地质情况分析如下：在测线控制范围内基岩基本出露，视电阻变化范围介于200～900 Ω·m之间，且随着深度的增加而逐渐变大，5条测线视电阻等值线均匀变化，无明显的高低电阻电性畸变异常反映，根据高密度地电断面图和现场地质情况推测注浆加固处理后形成的灌浆体性质均匀稳定饱满。

4.2　钻探检验

根据设计要求施工钻探取心钻孔2个，本次采用GJ-200A型工程钻机，金刚石钻头取心，转速700～900 r/min，取心钻头直径91 mm，取心直径89 mm，总进尺143 m。钻孔布设充分考虑到砼墙与水泥浆充填衔接处密实度及采空区北侧陡崖处注浆效果，钻探施工过程严格按钻探工作实施细则和有关规范的要求执行，检验孔孔深、孔径、岩心采取率等均满足设计要求，整个钻探过程注浆段上下没有发现冲洗液漏失现象，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)，填充物高度分别为3.5和3.1 m，岩层与注浆衔接处接触良好，空洞完全被填充物充填，注浆体密实，采空区注浆治理效果良好，达到了设计要求。

5　结语

本治理工程对老采坑硐(井)、塌陷带和采空区等进行了综合治理，还原了原有地貌特征，消除了地质灾害隐患，使金牛山治理区与周边地质环境相协调,治理完成后，新增梯田约71.7亩，这部分土地宜农则农，宜林则林，给当地带来可观的经济效益。本次治理成功经验为今后类似矿山恢复治理提供了参考资料，有一定的借鉴作用。治理后效果如图7。

图7　塌陷带治理后效果