山东省莱芜市马庄铁矿采空区塌陷治理工程实践

摘 要：莱芜马庄铁矿作为建矿50多年的老矿山，90年代以前的采矿形成大量地下采空区和地表塌陷区，为恢复地貌和消除塌陷危害，先后进行了物探工程探测、钻探工程揭露、充填系统建设和胶结充填材料充填等工程施工，通过对工程施工的总结，阐述了工程施工方法、工程施工特点和施工的一些工艺技术参数，为国内相似矿山塌陷区治理提供了可参考的借鉴经验。

关键词：采空区；地层；物探工程；钻探施工；充填工艺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.102

随着国民经济和社会的发展，人口稠密地区土地资源越来越成为稀缺资源，保护土地、保护环境已成为国家政策的重点。作为矿山企业，采矿后遗留的采空区一定年限后会使地表形成塌陷，不仅破坏地形地貌，导致土地闲置浪费，还会因地质灾害造成危险。所以，保护矿山地质环境，积极进行塌陷区治理，既是国家地质环境保护政策的要求，也有着积极的现实意义。莱芜市马庄铁矿建于1958年，作为50多年的老矿山，90年代以前采取的崩落法采矿，在地下形成大量老采空区，并逐渐在地表出现塌陷坑。为进行采空区、塌陷区治理，采取了以下方法。

1 地质及工程概况

马庄铁矿区内出露地层为中奥陶统马家沟组、中石炭统本溪组、下第三系官庄组及第四系。第四系主要为冲积物和坡积物，厚度0～20米；下第三系官庄组上部为淡黄色、紫红色粗～中粒砂岩和薄层粘土，中部为棕红色细粒砂岩，底部为砾岩和砂岩，厚度20～40米；中石炭统本溪组以灰绿色砂页岩为主，厚度30～50米；中奥陶统马家沟组地层由下至上为大理岩、结晶灰岩。矿床为燕山期闪长岩类杂岩体与中奥陶统碳酸盐类岩石接触交代形成的高温热液矽卡岩类型。

2 物探工程探测地下采空区

马庄铁矿0米以上采空区形成因年代较久，加之地层塌陷变化，对采空区位置及冒落塌陷后空间大小需通过探测以便于治理，故进行物探施工。

工程物探投入的主要方法为大地电磁层析法。该方法以大地电磁场为场源，利用采空区不充水具有高阻电性的物理特征进行测量，通过地表测量不同频率的大地电磁场的电场分布，确定地下不同深度的地电性质变化而产生的地质变化。经微机处理、分析了解地下不同深度范围内地层导电性质变化，对地电断面进行地质解释，当地下存在断层构造、采空区时，因断裂带、采空区中充填的物质（介质）与两侧的岩石（介质）物理性质不同，主要是导电性、介电常数等存在较大差异，在大地电磁探测数据上有明显反映，可得到各测线大地电磁电分量断面图，通过分析断面图电分量异常，获得采空区资料数据。分析各测线采空区分布特征，提出了物探成果报告，为采空区钻探布孔提供前期依据。

3 地表布置钻孔钻探揭露采空区

钻孔一般布置于勘探线整线和半线位置，根据物探结果，尽量选择采空区空顶最高位置对应的地表位置，因地表塌陷许多地方设备难以进入，需布置一定数量的斜孔。采空区上覆岩层地理环境特殊，地质条件复杂，钻探施工不同于一般地层。

（1）岩石破碎：在矿石采掘过程中，由于炸药爆破采矿的爆破震动，使上覆岩层产生纵横交错的裂隙，岩石失去完整性，距离采空区越近破碎程度越高；采空区形成已多年，許多地方地层塌陷错动，地层已不是天然地层结构，地层稳定性差；地层距离地表近，风化裂隙发育，岩石破碎使形成钻孔后孔壁掉块易导致卡钻、下钻障碍，影响正常生产。

（2）地层风化松散：采空塌陷区原先矿体埋藏较浅，矿体上盘灰岩总体较薄、形态变化较大，或数层薄层灰岩夹风化岩层，岩石风化蚀变形成松散砂状、土状，钻进过程中不易成孔，常常岩心管提出后钻孔随即坍塌，再下钻无法下入，只能扫孔反复钻进，不能实现进尺或进尺缓慢。

（3）冲洗液漏失：采空区上盘灰岩主要为奥陶系灰岩，天然岩石中发育溶洞溶孔，加之采矿爆破形成的大量岩石裂隙，使钻进过程中揭露这些溶洞溶孔和裂隙后出现冲洗液漏失，无法实现孔内冲洗液循环钻进。

（4）钻杆断钻：由于采空区上覆岩层复杂的地质条件，钻进过程孔内情况往往比较复杂，钻杆工作状态不稳定，受震动力、冲击力加大，加剧了钻杆柱的损坏。用充填配合的方法，即先充填治理漏失再扫孔钻进，虽工序复杂，但提供了一个可行的办法。

（5）钻柱在孔内高速回转要不断的产生磨损，钻柱联接处车有螺纹，是相对的薄弱环节。使用过程中注意保护钻杆联接端部，用卡钳或卡瓦夹岩心管、钻杆时，离开接头处，避免破坏外表面而发生应力集中；要定期对所有钻柱接头处壁厚进行检查测量，发现端部壁厚不合要求者，及时替换。采空区从井下相应位置对所有出口进行封堵。封堵位置要选择岩石相对完整的较佳位置。封堵墙可用砖、水泥砌墙，墙面水泥抹面，用圆木做立柱、木板做横撑对墙体加固，立柱下部起槽，深度不小于25mm，上部按打点柱的方法砸入木楔。封堵墙整体强度要满足空区内充填浆液压力需要。

4 结语

马庄铁矿老采空区经过两年多的治理，取得了较明显的效果，较大采空区已基本探明并通过充填密实，地表不再出现新的塌陷.城区整体规划有两条城市道路从该区域通过，而且对城市地质公园的建设和绿地备用储备创造了统计，。这样，既解决了土地不再闲置的问题，同时，解除了矿山的安全隐患，使矿山变为绿色矿山，企业效益和社会效益巨大，符合科学发展观和新的发展理念的要求。

参考文献：

[1]李舟波.钻井地球物理勘探[M].地质出版社，2006

[2]郭绍什.钻探手册[M].中国地质大学出版社，1993

[3]武汉地质学院[J].钻探工艺学，1980.

[4]屠厚泽.钻探工程学[M].中国地质大学出版社，1988.

[5]贺礼清.工程流体力学[M].山东：石油大学出版社，2001.