山东省矿山地面塌陷地质灾害现状、趋势分析及防治
(山东省地质环境监测站，济南，250014)
在分析山东省采矿引起地面塌陷(沉陷)现状的基础上，结合矿产开发规划，分析其发展趋势，并提出相应的防治措施，对减少地质灾害、保护地质环境具有重要意义。
关键词:地面沉降现状、趋势分析及防治措施
序
山东省是中国的矿业和经济大省，全省共发现矿产150种，其中能源矿产11种，金属矿产45种，非金属矿产90种，水气矿产4种。山东省矿业历史悠久，矿业在我省国民经济和社会发展中具有重要的基础性作用。目前，全省95%的可支配能源和80%的原材料由开发矿产资源提供，共有矿山企业9482家。随着矿业经济的发展和矿产资源开发规模和强度的加大，矿山地面塌陷(沉陷)问题越来越突出，已成为矿山地质灾害的主要类型。
1矿井地面塌陷(沉陷)地质灾害分布特征
山东省矿山地面塌陷地质灾害按其成因和塌陷特征可分为采空区地面塌陷和岩溶地面塌陷。
1.1采空区塌陷(沉陷)
采空塌陷(塌陷)是山东最主要的矿山地质灾害，涉及煤矿、金矿、铁矿、石膏、滑石等所有地下开采矿山，并常伴有地裂缝和山体裂缝。采空塌陷(塌陷)主要分布在煤矿采空区，其次是黄金、铁矿、石膏、滑石等采空区，但从突发性和对人民生命财产的安全性来说，黄金、铁、石膏、滑石较为严重。全省有17个城市存在不同规模的采空区塌陷(塌陷)，主要分布在煤炭资源开采强度大的地区。塌陷面积较大的有泰安(主要分布在煤炭资源丰富的新泰、宁阳、肥城)、济宁(主要分布在兖州、济宁煤田)、枣庄(主要分布在滕州、陶枣煤田、翼城、底格石膏矿区)、莱芜(四大国有煤矿矿区、张家洼、小官庄铁矿区、莱芜铁矿马庄矿区)。
1.2岩溶地面塌陷
矿井岩溶地面塌陷是由开采排水(包括矿井突水)引起的，主要发生在莱芜铁矿顾家台和叶壮矿区、蒙阴红沟煤矿区和沂南铜井金矿区，其中莱芜铁矿最为发育。
2.矿山地面塌陷(沉陷)地质灾害发展现状
2.1地面塌陷(沉陷)
采空区塌陷(沉陷)是指煤层(体)开采后，采空区上方岩层在重力作用下发生弯曲、离层甚至崩落。其发生发展过程和地表变形程度主要取决于煤层条件、顶板岩性特征、地质构造、采高和开采条件。根据2002年的调查数据，我省各类矿山的采空塌陷面积为403.01km2，其中煤矿塌陷面积最大，占采空塌陷面积的97%。主要矿种采空塌陷(沉陷)现状描述如下:
2.1.1煤矿采空区塌陷(塌陷)
山东省煤炭开采历史悠久，开采方式从过去的小规模开采转变为现在的大规模机械化深部开采。随着采空区的不断扩大，各煤矿区发生了一系列大小不一、形态各异的采空地面塌陷(沉陷)。据不完全统计，截至2002年底，全省因采煤造成的采空塌陷(塌陷)800余处，累计塌陷面积392.625km2，其中非生产性面积50km2以上，开采万吨煤平均塌陷率0.0037km2，山东省煤矿区采空塌陷(塌陷)基本情况见表1。
表1山东省煤矿区地面塌陷(沉陷)统计表
塌陷(沉陷)平面形态多为圆形、椭圆形塌陷(沉陷)盆地，盆地中心沉陷深度因地而异，最大沉陷深度12.50m(肥城王瓜店)，最小沉陷深度0.10m(枣庄黄庄煤矿)。其中，沉陷区最大沉陷深度小于1.50m，地表形态变化相对较轻的沉陷区面积为124.6km2，占全省总沉陷面积的31.74%。沉陷区沉陷深度大于1.50m，地表形态比较大的沉陷区分布面积为268.03km2，占全省沉陷区总面积的68.26%。在这种塌陷(沉陷)分布区，地表地形起伏较大，往往在第四纪沉积物厚度较大或地下水位较浅的地区形成季节性甚至常年涝洼地，使土地复垦困难或无法进行。据不完全统计，目前，全省部分老塌陷区常年积水面积已达48.2km2以上，造成大面积耕地抛荒弃耕。
由于成煤条件(厚度、埋深、顶底板岩性等)的差异。)不同地区、不同矿区的开采方式不同，不同矿区采空塌陷(沉陷)发育规模差异较大。省内济宁、枣庄、泰安、龙口、临沂、淄博、坊子7个煤矿区中，淄博煤矿区采空塌陷(塌陷)发育规模较小，其他地区采空塌陷(塌陷)严重。特别是泰安、济宁、枣庄所辖煤田的采空塌陷(塌陷)最为严重，累计塌陷(塌陷)面积达312.81 km2，占全省采空塌陷(塌陷)总面积的79.67%。不仅沉陷面积大、沉陷深度深，而且积水面积广，造成巨大损失和社会影响。
2.1.2铁矿采空区塌陷(塌陷)
全省铁矿采空区塌陷(沉陷)较轻。虽然济南、莱芜、淄博等铁矿主产区的开采已达到较大规模，但大部分采空区都是用矿石开采后的尾矿充填的。因此，铁矿采空区塌陷(沉陷)的发生得到了有效控制。据调查，至2002年底，全省仅发生3次采空塌陷(天坑)，其中淄博1，莱芜2次，累计塌陷面积2.673km2。
2.1.3金矿采空区塌陷(塌陷)
胶东金矿区金矿采空塌陷(塌陷)主要分布在招远、莱州、穆平、威海等地。据不完全统计，截至目前，黄金矿区采空塌陷(塌陷)160余处，累计塌陷(塌陷)面积约0.851km2。塌陷(沉陷)形态多为条带状，走向与脉状走向一致。塌陷坑两侧坡度较陡，地表岩石中沿矿脉的拉伸裂隙发育，裂隙宽度可达20厘米。受矿脉的地质特征和开采规模控制，开拓规模(长、宽、深等。)的塌坑很不一样。塌陷坑的长度一般从10 m以上到几个10m不等，最长的有800m
2.1.4石膏、滑石等矿物开采出来塌陷。
(1)山东省石膏矿十分丰富，石膏产量逐年增加，矿区采空塌陷(沉陷)问题日益突出。目前，采空区塌陷(沉陷)主要分布在临沂市平邑县、苍山县和枣庄地格石膏矿区，累计塌陷(沉陷)面积1.774km2。
(2)滑石矿采空塌陷区主要分布在栖霞和莱州，已有三个采空塌陷区。最大的一次发生在莱州市滑石矿采空区，呈椭圆形盆地状，面积约0.45km2，塌陷(沉陷)中心下沉深度约3m，对位于西部的莱州市滑石矿构成极大威胁。目前厂区围墙出现多处斜裂缝，墙体裂缝最宽处为10cm。
(3)此外，临沂、潍坊等地重晶石开采过程中，相继发生大面积采空区塌陷(塌陷)，造成严重人员伤亡。
2.2岩溶地面塌陷
矿山岩溶地面塌陷是由于开采矿产资源疏干地下水(包括矿井突水)引起的。目前全省岩溶塌陷面积约30.6544ha，与采空塌陷(塌陷)相比，岩溶塌陷面积较小，目前仅限于莱芜铁矿区、蒙阴红沟煤矿区、沂南金矿区。
3矿井地面塌陷(沉陷)趋势分析
3.1煤矿采空区塌陷(塌陷)
目前采煤主要在山东东部的淄博煤田、肥城煤田、新汶煤田、兖州煤田、滕州煤田、陶灶煤田、临沂煤田、黄县煤田进行。通过对采空区塌陷(沉陷)现状的分析，山东煤矿采空区塌陷(沉陷)基本有两种情况:①淄博、陶灶、临沂等煤田多位于低山丘陵地带，煤层较薄。上覆第四系厚度小于100m，开采深度多在- 500m m以下，煤层开采顶板落后，很快自动压实，地表仅出现小规模。(2)兖州、滕州、肥城、黄县等煤田多位于山前冲积平原或盆地。第四系覆盖层厚，开采煤层8 ~ 12m。煤层的产状平缓。开采后，顶板煤层失去支撑，产生破碎冒落和弯曲下沉。随着采空区的逐渐扩大，地面上出现缓慢而持续的盆地塌陷(。可见，后者采空塌陷(沉陷)的规模和危害大于前者。
根据煤矿发展规划，近期煤炭生产的重点区域是济宁、兖州、滕州、新汶(含莱芜)、肥城等深部煤田。煤矿采空塌陷(沉陷)也主要发生在济宁、兖州、滕州煤田，其次是肥城、龙口、新汶煤田。淄博煤田面临闭坑期，采煤沉陷影响很小。也就是说，除淄博煤田外，其他煤田都将继续开发，尤其是济宁、兖州、滕州煤田，开发潜力很大，采煤塌陷(沉陷)属于第二种情况，因此采空塌陷(沉陷)的规模和危害程度尤为突出。
省煤炭工业局数据显示，近期我省煤矿塌陷面积年均增加20.4km2。按此计算(以2002年392.625km2的沉陷面积为基础)，2005年和2010年我省煤矿沉陷面积将分别增加102km2和204km2。
未来煤炭资源开发前景在鲁西南、黄河以北，这里的煤田位于黄河冲积平原。虽然煤层埋深较大，但由于上覆第四系厚度、煤层厚度、煤层产状平缓等与计燕煤田相似的自然地质条件，推测在今后的开发中会发生严重的塌陷(沉陷)。采用采煤沉陷系数法，结合2010年规划采煤能力9000万吨，预测采空区沉陷面积为21.6km2
3.2铁矿采空区塌陷
省内铁矿采空塌陷相对较轻。目前主要产于淄博黑王铁矿朱雅矿区妙子采空区、鲁中矿业公司(莱芜)张家洼小官庄矿区和莱芜铁矿马庄矿区。根据2002年的调查资料，受当地城镇和个体采矿的影响，妙子采空区范围有所扩大，而位于采空区正上方的妙子村仍存在采空区塌陷的隐患。随着张家洼、小官庄、马庄矿区开采深度的增加和采用科学合理的采矿方法(砂尾矿充填法)，作为莱芜市的重点恢复区，这些地区的采空塌陷面积将逐年减少。
3.3金矿采空区塌陷
根据金矿开拓规划，2003年至2010年，采空区塌陷将随着采空区面积的不断扩大而加剧。因为三山岛、新城、金城等金矿已转入水下或深部开采，采空区塌陷规模不会增加太多；而穆平、乳山、龙口，特别是招远金矿资源相对丰富，国有矿山、集体矿山、个体矿山联合无序开采，会增加采空区塌陷面积，采空区塌陷的危害会越来越突出。
3.4石膏和滑石矿采空区塌陷
山东省石膏矿产资源集中在鲁中地区，尤其是泰安、枣庄和临沂。滑石矿产资源主要分布在鲁东北地区。目前石膏、滑石开发强度大，产品供大于求，经常发生采空塌陷，对矿区安全造成了严重危害。随着开采强度的增加，其采空塌陷将越来越突出。
3.5矿井排水岩溶塌陷
由矿井开拓排水(包括矿井突水)引起的岩溶塌陷主要发生在莱芜铁矿区第三系缺失的“天窗”及断裂带附近。根据监测资料，该区岩溶塌陷近年来发展迅速，1997年面积为65438+6320m2，2000年达到8450m2，2002年达到9912.17m2，年均增加700多平方米，累计塌陷坑228个，最大塌陷密度252.5个/km2。随着开采强度的增加和一些矿山的恢复(如顾家台矿区等。)，该地区的岩溶塌陷面积将继续增加。
4矿井地面塌陷(沉陷)防治措施
矿山地面塌陷是由人类开采矿产资源引起的。因此，防治首先要考虑人类活动，目的是既要预防和减少灾害造成的破坏和损失，又要保证矿产资源的有序开发。根据以往的生产实践经验，提出了防治建议。
4.1探索科学的采矿方法
4.1.1充填采矿法
防止采空区塌陷(沉陷)最有效的方法是充填开采。这里推荐中国矿业大学研发的高水速凝充填材料。该填充材料具有填充速度快、强度高、稳定性好的特点。充填液用砂水20分钟即可凝固成高结晶度的水充填体，其强度一天可达3 MPa，三天可达4-5 MPa，最后可达5 MPa以上。填充材料无需脱水排水，具有一定的膨胀性，填充系数优于混凝土。招远金矿的充填试验取得了良好的效果。
防止采空区塌陷(沉陷)的充填开采在目前开采的铁金矿中具有很强的可操作性，因为这类矿山的矿体大多呈脉状或条状，相应的采空区呈条状，便于充填，所需充填材料相对较少，经济上不需要太多投资，效果明显。目前，充填法开采铁金矿已在全省全面推广应用，莱芜铁矿区和招远金矿区已基本采用这种采矿方法。而煤矿等沉积矿产的开采，采空区范围广。如果进行充填，费用大且效果不明显，分析采煤的经济效益也不经济。因此，放顶煤是目前采煤的主要方法。
4.1.2煤炭地下气化项目研究
煤炭地下气化(UCG)项目是指煤层在地下直接燃烧成为可燃气体燃料的过程。它是一种化学采煤法，属于洁净煤新技术研发项目。目前，气化炉产生的煤气主要用于燃气发电机组发电，此外，还可用于气体化工生产甲醇、二甲醚等化工产品。该技术方法的应用可有效减轻煤炭生产对矿区生态环境的压力，改善矿区及其周边地区的生态环境。具有较高的经济效益、社会效益和环境效益，是今后煤炭生产发展的主要方向，值得好好研究、开发和推广。
目前，山东新汶矿业集团公司鄂庄煤矿在这方面进行了有益的探索试验，并于2002年投产，综合效益良好。莱芜鄂庄煤矿地下气化站项目是新汶矿业集团公司十五期间科技攻关项目，重点研究煤炭地下气化稳定控制技术，已列入国家高技术研究发展计划(“863计划”)实验研究基地。
4.2科学采煤方法的研究
4.2.1不同方向“自下而上”开采
煤矿开采一般从顶煤开始，对煤矿建设具有有效、快速回收投资的优点，但对采空区塌陷(沉陷)的影响越来越强烈。许多塌陷(沉陷)区反复塌陷再塌陷，浅部采空区塌陷(沉陷)也对深部开采构成威胁。比如在汛期，大气降水直接经过塌(陷)坑。
湘潭矿院煤炭系立项研究煤炭开采方式，提出多层煤的煤田，采用由深到浅的开采方式，可有效降低采空区塌陷(沉陷)的危害。目前，这项研究已经通过国家官方鉴定。如果这种开采方法是可行的，我们认为它对今后鲁西南和黄河以北的远景煤田的开采具有借鉴意义。
4.2.2加强科学研究，提高煤矿开采技术水平。
目前，世界上一些国家将煤矸石开采于地下，用于充填地下采空区，既可减少采空区塌陷(沉陷)，又可避免矸石排放对地质环境的影响，可谓一举两得。但是，省内煤矿的采煤方式与国内大部分煤矿相同，导致井下采空区煤矸石充填复杂、费用高，这在新汶矿务局张庄煤矿和国内其他煤矿都得到了证明。也就是说，在目前的技术水平下，直接用矸石充填采空区而不排放到地表是不现实的。因此，必须加强科学研究，努力提高煤矿开采技术，赶上国际先进水平。目前，为了减少煤矿开采中采空区塌陷(沉陷)的危害，根据各矿井的实际情况，主要采取的技术措施有:①同一煤层多个工作面协调开采，减少地表不均匀沉陷，减少倾斜和水平变形对房屋的影响；(2)不同煤层工作面交错布置，可以减少不均匀下沉和静态变形，使部分变形得以抵消。不同煤层的开采界限是交错的。偏移量控制在40 ~ 80m(3)积极推广沿空掘巷、沿空留巷等采煤新技术、新方法，实施无煤柱开采，使地表均匀下沉；④积极开展新技术、新方法的研究。如华丰矿通过注浆减沉取得了良好的效果；文南矿在开采13和15煤层时，采用矸石充填采空区，既减少了矿井排矸量，又减缓了顶板下沉，减轻了开采对地表的影响。
4.3帷幕灌浆堵水方法
利用大型帷幕注浆工程不仅可以治理水害，保护地下水资源，还可以减少岩溶塌陷，成为除降水法外治理矿山灾害的又一有效方法。该方法已成功应用于肥城矿务局张马屯铁矿和杨韬煤矿。
4.4矿井预排水与供水相结合
据本次调查不完全统计，仅鲁中国有煤矿、铁矿坑排水就达4亿m3/a，数量惊人。它造成了大量的水资源浪费和岩溶塌陷等地质灾害。这种方法可以提前利用水资源，同时减少岩溶塌陷的水动力条件。
4.5合理有序的挖掘和灾难恢复
开采前应在压矿区进行一次性征地，减少采空塌陷(沉陷)损失。为了减少采空区塌陷的危害，除了对村庄进行搬迁，对重点交通、水利设施布置禁采区，或设置保护煤柱，保护人民生命财产和国家重点建筑物不受损害外，更重要的是对塌陷(塌陷)区进行治理和回收。根据实际情况，塌陷区大部分土地可以复垦还田，少数地区塌陷严重，因常年积水或地形起伏过大无法复垦。可以发展养殖业，可以建公园，既美化了环境，又丰富了人们的文化生活。
5结论
本文以全省矿山地质灾害调查报告为基础，结合矿山开采规划，分析灾害现状和灾害趋势，总结以往矿山灾害防治的生产实践经验，希望对矿山地面塌陷(沉陷)防治起到积极作用。