井下开采对马庄铁矿地表环境破坏的预测和防治

钟伟杰

（山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250104）

因地下开采而引起的地表变形甚至塌陷是一个复杂的岩体大变形和大位移问题。井下矿产资源的开采所产生的地表变形可能会导致工程灾害，主要包括采空塌陷、岩溶塌陷、伴生地裂缝及地下水层位变化等。作者收集了马庄矿区周边以往的地质环境资料，在矿区地表布置了5 个观测点监测地表位移，并对每个观测点的地表位移进行了连续8 年的月观测，对地面变形产生的环境影响进行全面的分析，有针对性地提出切实可行的防治措施，为马庄铁矿环境保护与实现铁矿绿色开采建立基础。2018 年1 月～7 月期间，作者主持莱芜钢铁集团莱芜矿业有限公司马庄铁矿（扩界）项目环境影响评价工作，文章结合工作经历，提出了井下开采对地表环境破坏的防治措施，为实现矿山的绿色开采提供基础。

1 马庄铁矿概况

马庄铁矿位于山东省济南市莱芜区境内。矿区所处区域地质构造位置为泰莱凹陷内，莱芜铁矿矿山西南部，矿山弧形背斜东南翼，闪长岩岩体与围岩的接触带上。矿区为一单斜构造，工程地质条件属简单型。

马庄铁矿矿床属于高温热液接触交代矽卡岩型磁铁矿床，发育一条主矿体和一个零星矿体。主矿体产于闪长岩和大理岩的接触带上，沿接触带呈扁豆状、透镜状或似层状产出。此外，在13 线深部有一个零星矿体，呈透镜状产出。

主矿体走向长1700m，倾向延伸一般150m 左右，最大330m，赋存标高0～ -480m，产状为总体走向20°～40°，倾向SE，倾角40°～80°。矿 体 厚2.16～54.18m， 平 均16.98m， 厚 度 变 化系数为87.49%，矿体厚度变化较大，TFe 品位27.06%～64.15%，平均45.44%，品位变化系数17.30%，品位分布较为均匀。

2 井下开采引起的地表环境破坏问题

2.1 地质灾害

（1）采空塌陷

马庄铁矿自1958 年建矿以来，已开采多年，形成了大量采空区，并在地面发生多处采空塌陷。采空区陷落后，在地表自北向南已形成六个塌陷坑，编号分别为T-1、T-2、T-3、T-4、T-5 和T-6，面积分别为6232m2、17378m2、9175m2、6965m2、274m2和37489m2，塌陷坑总面积达77513m2，未造成人员伤亡。自2000 年以后，马庄铁矿±0m 标高以下的矿体采用尾砂胶结充填采矿技术，使新采空区得到了及时治理，有效控制和消除了开采后的地压危害因素。对0m 以上原采空区进行了全尾砂胶结充填治理，地表塌陷坑进行回填。自实施充填至今，地表未再发生新的塌陷。

（2）岩溶塌陷

根据《 莱芜市地质灾害防治规划（2012 ～2025）》，马庄铁矿西南部靠近规划中划定的岩溶塌陷重点防治亚区，即规划中提到的“凤城街道办事处孟家庄村及曹东村一带”。自1992年以来，该区域多次发生岩溶塌陷，造成部分居民房屋斑裂和倒塌，影响面积2.8km2，涉及孟家庄、曹西村、曹东村3 个村。

矿井正常排水量为23000m3/d，主要充水水源为灰岩岩溶水，灰岩在本区东部和南部大面积裸露，北部被古近纪砂砾岩和第四纪松散层所覆盖，当前灰岩水位为-46～ -93m（水位埋深246～293m），矿区未开采前灰岩原始稳定水位为+176m，灰岩水位已下降。-100m 以上采用疏干排水，-100m 以下采用注浆堵水的方法，未发现岩溶塌陷。

（3）地裂缝

马庄矿区中部发育一条较大的断层，为F7断层，落差大于20m。受采动影响，断层两盘的岩体可能重新活动，地表可能沿断裂带发育地裂缝。目前，在南部矿区已发现两条大的地裂缝，F-1 长37m，裂缝带0.5m，F-2 长58m，裂缝带宽0.7m，均为采动影响发生的裂缝。两条地裂缝主要为T-4 和T-5两处采空塌陷所伴生的。

2.2 对含水层的影响

在马庄东副井广场东南360m 处有一个第四系潜水井和一个灰岩岩溶水井（矿区范围以外）。经调查，第四系潜水水位长期在地表以下3～5m 范围内波动（水位191m 左右），灰岩水井水位埋深在140～150m 范围内波动（水位+45～ +50m），井下生产区水位-52m 左右，而马庄矿开采初期稳定水位+177.0～197.6m，当地地下水资源均衡状态已被破坏，并形成以井下生产区为中心的水位降落漏斗。

3 井下开采对地表环境破坏的预测

根据矿山地质环境问题分析，马庄矿继续开采，预测可能会发生地质灾害的类型有采空塌陷、岩溶塌陷及伴生地裂缝。

采空区陷落将引发地面沉降。因开采矿体时，采空区顶板无法形成“双拱”支撑结构来支撑上覆岩体自重，易形成采空塌陷，形成低洼地，深部不明显。地面塌陷按速率可分为初始阶段、活跃阶段、衰退阶段三个阶段。初始阶段下沉速率小于30mm/月，活动阶段大于30mm/月，衰退阶段小于30mm/月。发生采空塌陷同时，在基岩裸露区或第四系较薄的地点，易伴生地裂缝。

根据在矿区地表布置的5 个观测点监测的地表位移数据（以2017 年地表岩移数据为例）（见表1），经对照《采矿设计手册》关于建筑物保护等级允许变形值表可知，地表一般房屋的最大允许变形量中倾斜T 为10mm/m，水平变形ε 为6mm/m。马庄铁矿地表变形量远小于最大允许变形量，地表房屋位移在安全范围内，即井下采矿基本上对地表房屋安全没有影响。岩移范围内有村民约40 户，根据建设提供的数据，岩移范围充填结顶率达到100%。

4 矿山地表环境防治措施

（1）在矿山开采期间，地下开采的固体矿山继续采用充填法开采，及时回填采空区，避免或减少采空塌陷和地裂缝的发生。

① 井下继续采用上向分层点柱采矿与胶结注浆充填采空区方法，采空区密闭墙要有一定强度，不得漏浆。

② 开采过程中，当矿体顶板岩体破碎时，要及时先进行锚网支护，避免引发大面积冒落，进而导致地面塌陷。

③ 每一矿房采完后，应在一个月之内全部充填采空区，使浆液在采空塌陷发育的初始阶段就形成较坚硬的结石体，以减少采空区顶板冒落和下沉。

（2）采取井下帷幕注浆堵水方案，避免发生突水，减少矿井涌水量，以防止地下水水位急剧下降。

（3）矿山应定期对岩移进行监测，并保持长期观测，方便矿山进行长期系统监测与分析。

表1 2017 年地表岩移监测数据一览表

5 结论

马庄铁矿对±0m 标高以下的矿体采用尾砂胶结充填采矿技术，有效控制了井下开采对地表环境的破坏。-100m 以下采取井下帷幕注浆堵水方案，减少矿井涌水量，防止地下水水位急剧下降。通过对充填情况的检验，证明地下采空区充填密实，充填效果较好，采空区胶结充填率在90%以上，达到了预期效果。同时，根据在矿区地表布置的5 个观测点监测的地表位移数据，在采取防治措施以后，马庄铁矿地表变形量远小于最大允许变形量，地表房屋位移在安全范围内，即井下采矿基本上对地表房屋安全没有影响。因此，矿山采用了全尾砂胶结充填采矿法和注浆堵水方案后，预测产生采空塌陷、岩溶塌陷、伴生地裂缝及地下水水位下降的可能性较小。