山东大汶口石膏矿区工程地质条件分析

郝瑞娥，邢香粉，彭明章，朱礼敏，杜小亮，刘海燕，李晓静，王 猛

（1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东济南 250013；2.山东科技大学，山东青岛 266590）

0 引言

山东省石膏矿产出于寒武纪、奥陶纪和古近纪地层中，其中古近纪石膏矿石质量最好、矿床规模大［1］。大汶口盆地为古近纪石膏矿的一个主要赋存区［2］，石膏矿资源丰富，经近40 年的开发利用，形成了数量较多、规模巨大的地下采空空间。前人对石膏矿沉积特征、成因及成矿规律，以及资源赋存特征进行过较为深入的研究［3-8］。受地下应力变化和岩石移动影响，存在引发采空区塌陷、地面沉降等地质灾害的隐患。有关石膏矿开采地质条件分析，前人也做过一些探讨，如开采稳定性及采空区评价等，获得了具有实际意义的成果［9-11］。有学者运用多种地球物理技术手段，探测石膏矿采空区，确定采空区的具体位置和埋深以及边界分布等特征［12］。刘学通过现场调研结合实验测试等研究方法，分析岩体在不同工况条件下的力学性质，天然未浸水矿柱塑性区发育较少，采空区稳定性较好；浸水后的石膏岩力学性能不断下降，从而使采空区的矿柱及顶板的强度下降，导致事故发生；饱水情况下，采空区塑性区发育明显，矿柱全部失稳，危及采空区的安全性［13］。汪尔乾对石膏矿矿柱及顶板稳定性、采空区链锁式失稳反应机理等开展研究，建立了石膏岩体损伤演化模型，通过对顶板及矿柱变形和破坏特征分析，结合薄板理论，建立矿房顶板及矿柱力学模型，揭示石膏矿矿房矿柱破坏规律［14］。

利用地下空间储能需要好的地质条件，因此地质条件是评价地下空间储能是否可以利用的重要依据。为了服务大汶口石膏矿地下采空空间的利用，尤其是地下空间在资源储集利用的可能性要求，查明石膏矿层及围岩工程地质条件是非常重要的。因此对大汶口地区石膏矿开采工程地质条件进行综合分析，对石膏开采和地下空间利用具有指导意义。

1 大汶口石膏矿区概况

1.1 矿区自然地理

大汶口石膏矿区位于山东省泰安市岱岳区马庄镇和肥城市边院镇交界的砖舍-南西遥村一带，矿区面积约23km2。矿区有大边公路与G104 和京福高速相通，距京福高速满庄出（入）口直线距离约13km，距京沪高铁泰安站约29km（图1）。

图1 山东大汶口盆地矿区位置Figure 1 Location of mining area in Dawenkou Basin，Shandong Province

矿区地处大汶口盆地内，位于鲁西台背斜西北部，地势平缓，总体北高南低，为开阔的山前冲洪积平原地貌。地面高程+84～+95m，最大相对高差11m。周围系海拔300～400m 构造剥蚀低山及海拔140～180m 之剥蚀堆积丘陵环绕［15］。

1.2 地层特征

大汶口盆地内发育地层主要有新太古界泰山岩群、寒武系—奥陶系长清群、九龙群、马家沟群，石炭系—二叠系月门沟群，古近系朱家沟组、官庄群，新近系黄骅群及第四系等（图2）。其中官庄群为盆地的主要组成地层，它控制了石膏及其它盐类等矿产的赋存和分布（图3）。官庄群在盆地内厚度不一，盆地边缘及其内次级凸起上厚度较薄，盆地中的次级凹陷中厚度较大，最大厚度3 000m，在盆地东北部东牛、满庄等地有零星出露，其余均被第四系所掩盖。

图2 大汶口盆地古近系地层柱状图Figure 2 Stratigraphic column of Paleogene in Dawenkou Basin

图3 石膏矿层测井曲线特征Figure 3 Log characteristics of gypsum layer

盆地内开采的石膏矿层主要赋存于古近系官庄群大汶口组中，该地层呈缓倾单斜状发育于整个矿段，地层产状305°～345°∠4°～11°，为一套河湖相碎屑岩-化学岩-碎屑岩沉积，自下而上分为三段，中段为盐类矿床主要赋存层位（图2）。

下段（E2d1）：岩性为紫红色泥岩夹少量细、粉砂岩，局部含少量不规则团粒状硬石膏。岩性以紫红色黏土岩、砂质黏土岩为主，下部夹少量砂岩、砾岩，上部夹少量石膏层。砂岩中发育水平层理、小型斜层理，为河湖相沉积。最大厚度600m。

中段（E2d2）：为一套灰色巨厚泥灰岩（部分为含白云质泥灰岩-泥质白云岩）、蒸发岩沉积，矿段自下而上可划分为五个岩性段，即膏下泥岩段、盐下膏层段、含盐段、盐上膏层段和膏上泥灰岩段。

上段（E3d3）：岩性以灰色泥灰岩、泥岩为主，局部夹薄层砂岩。盆地中部和东部局部夹含膏泥岩，据化石和孢粉组合判断形成时代为渐新世。最大厚度930m。

2 研究方法

为全面分析大汶口盆地工程地质条件特征，本文结合石膏矿区多年开采实践，通过矿带围岩观察描述，钻取地层岩心进行成分识别与鉴定，利用地球物理探测技术等方法，充分认识研究区矿带沉积特征与发育规律。

分析了矿带水文地球化学特征，收集矿区以往矿坑水质化验结果，同时采集大汶口矿区水样品，利用原子吸收分光光度计A3F-12（SY001）、电子天平BSA124S（SY004）、紫外可见分光光度计TU-1901（SY002）、离子色谱仪ICS-600（SY060）等实验设备进行水质全分析，从实验结果中了解矿带水中钙离子和镁离子含量，水体总硬度及水的酸碱性，用来分析矿区开采对水质变化的影响。

分析矿体的物理力学性质，选取矿带样品，利用YAW-2000B 微机控制恒应力压力试验机（CS07）、YZ50 数显电动应力式直剪仪（CS65）、HZ1002A 电子天平（CS264），在检测环境温度控制在24℃～27℃，相对湿度40%～60%的条件下，分别进行天然块体密度、吸水率、不同状态的单轴抗压强度和抗剪强度等实验测试项目，通过分析计算，获取天然弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角等实验数据，用来分析矿区围岩工程稳定性特征。

3 工程地质条件分析

本文重点研究石膏矿工程地质条件，主要包括石膏矿带发育特征、矿区地质构造、水文地质和石膏矿及围岩岩石力学特征等。由于石膏矿层对地下水及其水质类型、石膏矿层围岩岩石力学性质具有密切关系和敏感性，因此研究石膏矿工程地质条件，具有实际意义和价值。

3.1 矿带特征

盆地内石膏矿层位于大汶口盆地南部边缘，主要赋存层位为古近系官庄群大汶口组二段（Ⅱ矿带）和三段（Ⅰ矿带），埋藏深度各矿区特征不同，开采深度多在400m 以浅。矿带呈北东-南西向展布，呈层状，倾角5°～7°，矿层产状与地层产状基本一致，倾向北西，倾角2°～8°，最大15°。岩性为石膏夹泥灰岩、泥岩、页岩。矿石矿物主要为石膏、硬石膏，脉石矿物主要为方解石、黏土质矿物，极少量的石英及微量黄铁矿等。目前大汶口盆地内正在开采的石膏矿有3 处（表1），为汶阳石膏矿、聚源石膏矿、鲁能泰山石膏矿。

表1 大汶口盆地各矿区矿带特征Table 1 Characteristics of mining areas in Dawenkou Basin

通过研究区矿带钻探岩心观察结合测井曲线资料分析，矿区内石膏矿层分层结构特征明显，盆地内石膏矿层与岩盐地层呈规律性的薄层互层特征（图3）。石膏矿石自然类型可以分为块状石膏、粗晶石膏、透明石膏、条带状石膏、纹层状石膏、纤维状石膏等类型（图4A—D）。其中，块状石膏、粗晶石膏、透明石膏多分布在矿层中上部，条带状石膏、纹层状石膏分布在矿层顶底部，纤维状石膏多分布于矿带下部裂隙中。以鲁能泰山石膏矿为例，矿带中石膏平均含量68.48%，呈灰白色、白色、棕灰色，具玻璃光泽、丝绢光泽。多呈粒状、板状，粒径0.01～3.0mm。硬石膏与石膏共生，多呈薄层或条纹。条带状赋存，平均含量5.60%，呈灰白色、蓝灰色；粒径0.01～1mm。另外矿段内岩盐矿石矿物种类以氯化物石盐为主，还包括杂卤石等硫酸盐矿物及少量黏土矿物（图4E—H）。岩盐矿石呈茶褐色，半透明～透明，多为玻璃光泽，粒度以0.1～0.5cm 的中粗晶居多，多呈块状，少量与硬石膏、杂卤石呈薄层状互层，常含泥灰质条纹或条带。

图4 大汶口矿区部分矿段钻孔岩心照片Figure 4 Borehole core photos of partial ore block in Dawenkou mining area

3.2 地质构造

3.2.1 盆地构造演化

大汶口盆地是受断裂控制的蒸发盐盆地，盆地的西北、东北主要是由南留弧形断裂所控制，形成北断南超的箕状断陷盆地。根据岩石组合、构造变形和地球物理特征的差异，盆地的构造格局划分为三个构造层：新太古代构造层、早古生代构造层、新生代构造层，其中新生代构造活动主要控制着盆地现今的分布格局。新生代以来，盆地北、东部边缘断裂不均衡活动，相互改造控制着盆地的生成和发展，形成盆地内6 个构造洼地和1 个基岩隆起（表2）［5］。区域内构造活动不仅控制着盆地的形成和发展，也控制着盆地内岩盐、石膏矿床的形成。

表2 大汶口盆地次级构造洼地及凸起（据参考文献［6］修改）Table 2 Secondary structural depressions and bulges in Dawenkou Basin（modified from reference［6］）

3.2.2 褶皱构造与断裂构造

（1）褶皱构造

盆地为一缓倾斜的不对称向斜褶皱，向斜轴向50°左右，盆地南部地层向北西倾斜，东北部地层倾向南西，西南部地层倾向北东，岩层倾角一般3°～7°，地层在北部被南留弧形断裂限制和切割［16］。

（2）断裂构造

盆地内断裂构造相对较发育，除盆地边缘断层外，盆地内推断有NW-NWW 向、NNE向两组断层发育（表3、图5）［17］。这些断层在盆地发展的不同阶段有不同程度的活动，切割了盆地，形成了次一级的构造洼地和构造凸起。区内发育的断层主要以同期正断层为主，垂直断距差别较大，在500～3 000m，断层延伸长度在10～35km。

表3 大汶口盆地主要断裂特征（据参考文献［17］修改）Table 3 Characteristics of major faults in Dawenkou Basin（modified from reference［17］）

图5 大汶口盆地构造简图（据参考文献［2］修改）Figure 5 Structure diagram of Dawenkou Basin（modified after reference［2］）

3.3 水文地质

3.3.1 地表水与地下水

矿区是以大汶河为主的多条支流多次汇集而成的自东向西倾斜的冲积平原。地表水系有大汶河、漕河，水体主要有胜利水库。大汶河发源于沂源城北的鲁山西麓，经莱芜市、泰安市注入东平湖，属季节性河流；漕河发源于南留村北，由东北流向西南，在肖家店汇入大汶河，全长35km，属季节性河流。地下水以大气降水补给为主，随季节变化明显，其次接受东北部丘陵山区基岩地下水的径流补给和地表水的入渗补给。地下水总体流向自东北向西南。

石膏矿层均位于当地侵蚀基准面（+80.00m）以下，开采空间上覆三个以泥岩为主的隔水层，包括第三系（古近系、新近系）顶部隔水层、一矿带顶板隔水层和二矿带顶板隔水层，间隔三套含水层，分别为第四系含水层、矿带顶板溶隙式含水层、矿带底板岩溶裂隙水含水层（表4）。

表4 大汶口盆地矿带含水层和隔水层特征Table 4 Characteristics of aquifer and aquiclude in the ore zone of Dawenkou Basin

3.3.2 水质特征

为全面分析大汶口盆地矿带水文地球化学特征，本次研究收集了矿区以往矿坑水质化验结果（表5），同时采集矿区部分水样品进行水质全分析测试（表6）。根据2020 年以前检测数据，水中钙离子含量在50.79～52.13 mg/L，镁离子含量为23.76～24.34 mg/L，总硬度为227.76～228.1 mg/L。2022 年8月检查结果显示水中钙离子含量在60.66～305.02 mg/L，镁离子含量为12.61～99.86 mg/L，总硬度为203.39～1 138.12 mg/L。对比分析结果表明，水中钙离子和镁离子含量与往年相比均有大幅增加，水体总硬度最高值可达2020 年以前的近五倍。分析可能原因为矿床周围的岩石多为碳酸岩，石膏矿质晶体被风化形成碳酸盐，并且在此过程中，释放出Ca（OH）2或者Mg（OH）2，从而提高了矿区水中钙、镁离子含量。

3.4 矿区围岩力学性质

大汶口矿区石膏矿层围岩主要为页岩、泥（灰）岩、含膏泥（灰）岩。围岩产状与矿层产状基本一致，多呈明显接触，界线清楚。矿带顶板围岩以泥岩、泥灰岩为主。泥岩岩体较完整，遇水易软化，软弱层面发育。泥灰岩遇水易崩解，具膨胀性，局部节理发育。顶板钻探岩心质量指标（RQD）0～86%，一般20%～50%，质量等级不均。矿带底板主要为泥岩夹石膏、含膏泥岩，岩体完整—较完整，成岩程度比顶部围岩稍高，岩石质量指标（RQD）50%～85%，质量等级Ⅱ—Ⅲ级，岩体较完整—中等完整。石膏层致密，抗压、抗拉强度较高，稳定性好，饱和单轴抗压强度为19.2～46.3MPa，抗拉强度1.67～2.69MPa。围岩样品岩石力学测试结果表明（表7），围岩体天然状态的单轴抗压强度8.91～26.6MPa，平均为19 MPa，饱和单轴抗压强度8.27～13.8MPa，平均为11.4 MPa。天然弹性模量平均为18.32×103MPa，泊松比平均为0.30。黏聚力0.7～2.08MPa，平均为1.04MPa，内摩擦角27.45°～33.52°，平均为30.90°。

表7 大汶口盆地石膏岩矿带岩石力学特征Table 7 Rock mechanics characteristics of gypsum ore belt in Dawenkou Basin

综合分析，矿区围岩单轴抗压强度较低，顶底板工程地质稳固性较差。尤其是局部以泥岩、页岩为主的地段，岩石强度低、不稳定、易坍塌，不宜作为巷道顶板，若必须作顶板，则应进行加固和支护。采矿过程中留护顶矿和护底矿，以防止冒顶、鼓底。

4 结论

通过对大汶口盆地石膏矿区地层、地质构造、水文地质条件以及矿区围岩力学性质等因素的研究，综合分析研究区石膏矿开采工程地质条件，得出以下结论：

1）大汶口盆地石膏矿矿层主要位于盆地南部边缘，呈北东—南西向展布，主要层位为古近系官庄群大汶口组二段和三段，埋藏深度各区域不同，开采深度多在400m以浅。

2）新生代不均衡构造活动不仅控制着盆地的形成和发展，盆内断裂构造相对较发育，除盆地边缘断层外，盆地内推断有NW-NWW 向、NNE向两组断层发育，以同期正断层为主。这些断层在盆地发展的不同阶段有不同程度的活动，不仅控制着盆地的形成和发展，也控制着盆地内岩盐、石膏矿床的形成。

3）通过分析矿区水文地质条件，得出石膏矿层均位于当地侵蚀基准面（+80.00m）以下。矿带范围形成三个以泥岩为主的隔水层，分别为第三系（古代系、新近系）顶部隔水层、一矿带顶板隔水层和二矿带顶板隔水层。间隔三套含水层，分别为第四系含水层、矿带顶板溶隙式含水层、矿带底板岩溶裂隙含水层。

4）通过分析矿带围岩力学性质，得出围岩力学强度较低，天然状态单轴抗压强度平均为19 MPa，饱和状态单轴抗压强度平均为11.4 MPa，顶底板工程地质稳固性较差。