大汶口盆地石膏矿地下采空区探测及空间利用

吴树明，王 浩，孔德金，孟令华，张树淇，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

大汶口盆地石膏资源丰富，区内探明石膏资源储量约337×108t［1］，经过40 多年的开采利用，形成一定数量规模、结构相对稳定的石膏矿房空间。采空区埋藏较浅，埋深130～400m。根据数据统计，现已形成的石膏矿房地下空间约600×104m3。按照目前矿山开采规模和矿山的服务年限，预计未来可形成超过千万立方米的石膏矿房地下空间［2］。为探测石膏矿采空区具体位置、埋深以及边界等，利用高密度电阻率和天然源面波综合勘探方法，快速定位出采空区的空间位置，提高探测准确性［3］。对石膏矿大面积采空区稳定性问题，汪尔乾提出石膏矿矿柱及顶板、采空区链锁式失稳反应机理，建立了石膏岩体损伤演化模型，结合薄板理论，揭示石膏矿矿房矿柱破坏规律［4］。针对地下空间开发利用研究方面，戴佳铃等指出废弃矿山地下空间是宝贵的人造空间，应当打破传统的开发模式，重新激活生命周期［5］。在考虑废弃矿井地下空间资源、地热资源、水资源和地上可再生资源等因素基础上，提出了废弃矿井地下空间储能［6］、地下储库、污水处置、科教等开发利用模式［7］。随着“双碳”目标的推进，地下空间的勘查技术应用、地下空间评价和利用成为目前的热点领域［8-13］。石膏矿采空区的利用是地下空间的开发利用的重要组成部分。

1 大汶口石膏矿区概况

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（图1）。矿区处于地壳相对稳定区，活动断裂不发育。南留弧形断裂为盆地的边界断裂，规模较大，控制了盆地北、西北及东北边界，错断了地层，也切断了该地区盆地内外的地下水联系。盆地内主要发育北东—北东东和北西—北西西向两组断裂，北东向断裂错断了北西—北西西向断裂［8］。区内开采的石膏矿层主要赋存于古近纪官庄群大汶口组二段含膏岩带（E2d2-2）。石膏矿层致密，强度高，稳定性好，含膏量75%～95%。

图1 山东大汶口盆地矿区位置图（据参考文献［14］修改）Figure 1 Location map of mining area in Dawenkou Basin，Shandong Province（modified from reference［14］）

大汶口盆地目前在开采的石膏矿有3 处，分别为汶阳石膏矿、聚源石膏矿、鲁能泰山石膏矿。临汶石膏矿现已关停，但形成有一定范围的地下空间。

2 石膏矿开采现状及采空区分布

2.1 石膏矿开采现状

山东大汶口石膏矿区石膏矿共有七层，普遍开采的矿层分别为Ⅱ、Ⅲ、V 膏层，埋深在75～351m；膏层顶板岩性以泥岩、页岩为主，夹少量砂岩，顶板工程地质稳定性较差，底板岩性为泥岩、泥灰岩夹页岩，稳定性较差；普遍采用浅孔房柱法开采［14］，采4 留4 或采4 留5，矿柱宽度为4～5m，采房宽度4m，单层采高4m，总采高10～12m，采空区上覆岩层最大厚度约300m，采区间、矿块间均留有宽度不等的隔离矿柱，分段间有顶底柱，矿层间有间柱（图2）。

图2 大汶口盆地石膏矿区房柱法开采示意图（据参考文献［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 采空区分布探测

2.2.1 采空区物探测量

为查明区内石膏矿地下开采空间的位置、规模、形态及保存现状，本次研究采用瞬变电磁、电阻率测深、微动等多种物探工作方法，设备选用CUGTEM-8瞬变电磁系统和WD-2无线智能微动勘探系统，分别在汶阳石膏矿区、聚源石膏矿区、鲁能石膏矿区、临汶石膏矿区部分地段采空区进行测量（图3）。采用人工与计算机解释相结合、电性解释与综合地质分析相结合等分析方法（表1）。根据野外测量成果图特征（图4），推测采空区分布范围。下面以7线和9线为例进行分析。

表1 典型测线物探测量结果对比分析（7线、9线）Table 1 Comparative analysis of 7-line and 9-line geophysical survey results

图3 测线平面位置布置图（7线、9线）Figure 3 Layout of 7 survey lines and 9 survey lines

图4 典型测线物探成果分析Figure 4 Analysis diagram of geophysical exploration results of typical survey lines

7 线布设于临汶石膏矿区，测线沿路分布，长约300m，附近有电线和井房干扰。9 线布置在汶阳石膏矿区，测线沿田间生产路布设，近东西向，测线长约300m（图3）。分别进行瞬变电磁测量、电阻率测深和微动测深，实验结果如表1、图4。

2.2.2 物探结果综合分析

三种物探方法均能圈定采空区空间分布，对比分析得出，瞬变电磁法效果明显，特别是对低阻异常反应较强。矿区内采空区主要以低阻异常为主，运用瞬变电磁能够很好地反应采空区在平面上的分布范围（图4）。

电阻率测深曲线主要分析矿区浅部第四系和新近系地层，呈低阻异常特征；石膏矿带主要呈相对高阻特征；石膏矿底板为古近系泥岩、砂砾岩，也呈低阻异常特征。测深曲线在石膏矿带理论上整体呈现“K”形曲线，由于受采空低阻充填影响，实测电阻率曲线在石膏矿采空区部位会出现明显的畸变（图4c、d）。从视电阻率曲线形态上对采空区异常有一定的反应，尤其在视电阻率测深断面图上，能够根据视电阻率等值线出现的畸变断裂圈定采空区的空间特征，如7线在AB/2=240m时，视电阻率出现畸变，推测为采空区引起，9 线AB/2=210m 时，视电阻率下降，推测为采空区引起（图4e、f）。

微动测量成果分析矿区内采空区具有良好的效果。采空区在速度上反应为低速异常，通过微动测量，能够清晰地圈定采空区的空间分布，特别是微动探测在深部可以圈定多个低速异常带，推测存在上下两层采空区异常，如7 线Vx速度线在1 100～1 700m/s，在160m 处存在2 个低速闭环（标注④、⑤处），推测为采空区引起；在1 700m/s以深，在220m、270m、310m 处存在3 个低速闭环（标注⑥、⑦、⑧处），推测为采空区引起（图4g）。9 线Vx速度线在1 100～1 700m/s，在110m、150m、170m、210m 处存在4个闭环低速带（标注④、⑤、⑥、⑦处），推测为采空区引起，在1 700m/s 以深，在220m 处存在1 个闭环低速带（标注⑧处），推测为隐伏断层引起（图4h）。

2.3 地下空间特征

大汶口盆地石膏资源开采规模大，由于采用浅孔房柱法开采，开采矿房在各分层平行分布，在每一个单层内，矿房沿走向布置，逆倾向推进。水平隔离矿柱宽度一般为4.0m，矿房宽度为4.0m［15］，因此采空区空间结构较稳定，且具有埋藏浅、空间大等特征（表2）。

表2 大汶口盆地石膏矿开采情况表Table 2 Gypsum mining situation in Dawenkou Basin

在地质构造方面，大汶口盆地发育断层断距较大，切断了多套地层，横向上对地下水起到了阻隔作用［2］。同时，开采空间上覆形成三个以泥岩为主的隔水层（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（第四系含水层、I矿带顶板溶隙式含水层、I-II 矿带之间的砂砾岩含水层）。矿段内各含水层与矿带之间都有完整、稳定的隔水层隔离，无沟通性断裂，自然状态下没有直接联系，隔水层确保了矿层中干燥无水，而矿层上下多个含水层对石膏采空区起到了水密封作用。

3 地下采空区稳定性分析及空间利用方向

3.1 地下采空区稳定性分析

石膏矿采空矿房在地下埋藏时间较长，部分矿房受地质构造影响，在长期蠕变效应影响下，围岩力学性质发生变化，常伴有裂隙产生，当破坏达到一定程度，上覆岩层顶板将超出自身的屈服强度，从而发生弯曲变形，甚至造成地表大面积塌陷［16］。大汶口石膏矿采用连续房柱法的开采保证了采空区较长时间内的稳定可靠，但由于风化剥蚀及蠕变劈裂等各种因素的影响，若干年后采空区也可能发生矿柱变形坍塌的情况。

以鲁能泰山石膏矿4301工作面为例［17］，通过现场工作面开采后长期监测，发现部分矿房柱存在轻微的膏体剥落、片帮等现象，破坏存在数月之久，矿房矿柱蠕变现象明显。分析汶阳石膏矿采空区稳定性影响因素［18］，得出矿区开采选用连续矿柱，分段间保留护巷矿柱，矿柱面积比50%，矿柱宽高比1.25等开采设计，对采空区围岩具有较高的稳定性。此外石膏岩浸水后力学性能会明显下降，使采空区的矿柱及顶板的强度降低而导致事故发生［19］，而大汶口矿区石膏矿采空区干燥无水，且根据石膏矿矿房监控记录，开采矿房及各种巷道围岩，目前监控区域无明显变形等情况。因此综合分析，大汶口矿区石膏矿经过多年开采，矿柱稳定，地下采空区保存完好。

3.2 地下空间利用方向

石膏矿体本身具有致密不透水的性质，如果矿体采空区自身稳定性好，且密封性好，废弃采房具备储存原油的地质条件［20］。根据安徽含山石膏矿地下废弃采洞储存原油的可行性研究，分析矿区地质及石膏矿层特征，从地质构造、岩石特征、洞室稳定性、石膏矿石浸油试验等方面的成果，得出该石膏矿区具备建设地下原油储备的基本地质条件（图5）［20］。

图5 利用废弃石膏矿储存原油示意图［20］Figure 5 Schematic diagram of crude oil storage using abandoned gypsum mine［20］

而与安徽含山石膏矿相比，大汶口地区石膏矿开采房室宽度更小，矿柱宽度与开采房室宽度比更大，且采房顶部留1.5m 的膏层护顶，底部留有1.0m的石膏护底，是一个围岩均为石膏矿体的密封空间，其周边断层不发育，区域地质条件稳定，矿体自身稳定性好。近几年矿山在采空区矿房安装了监控设备，并定期维护，实现了采空矿房的有效监控，便于各项试验的实施。因此，大汶口盆地废弃石膏矿房具备储存原油的地质条件，综合分析该区适宜于建设油气储库，具有节约土地、节省投资、安全性高、环保污染少等特点。

4 结论

通过对大汶口盆地石膏矿开采现状调查，分析采空区稳定性特征以及空间利用方向，得出以下结论：

1）大汶口盆地石膏矿经几十年的开采，已经形成了一定数量、规模、结构相对稳定的矿房空间，且具有埋藏浅、空间大、密闭性好等特征。

2）通过分析影响石膏矿采空区稳定性的各方面因素，并结合现场长期监测结果，分析得出大汶口矿区石膏矿经多年开采，矿柱稳定，地下采空区保存完好，废弃石膏矿房具备储存原油的地质条件，便于各项试验的实施，适宜建设油气储库。