李文孟，杨树杰，赵赫，周良

(1 .泰安市自然资源和规划局，山东 泰安 271000；2.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 泰安 271000；3 .山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000；4 .泰安市岱岳区自然资源局，山东 泰安 271000)

近几年，随着生态文明的推进和国土空间管制的加强，对采空区地下空间资源认识不断深化，开发利用水平不断提高，其潜在的开发价值，得到社会各界的普遍重视。大汶口矿区内探明石膏资源储量约337亿t[1]，经过近30年的开采利用[2]，形成了一定数量规模、结构相对稳定的石膏矿房空间，各矿山企业为了实现资源的安全开发和合理利用，为了防止矿柱失稳，除了留设合适的矿柱外[3]，每年投入大量的人力、物力对石膏矿房地下空间进行监控、维护，维护任务艰巨复杂，工作成本高。目前国内能够适合开发利用的石膏矿房空间稀少，开展石膏矿房空间利用研究和事例较少，石膏矿房地下空间是大汶口矿区石膏矿产地独有的空间资源，具有许多开发利用的优势和条件，围绕石膏矿房地下空间特征开展相关研究，探讨有效利用形式和途径，对促进石膏矿产资源开发利用的转型升级，推动区域经济发展具有重要的现实意义和战略意义。

1 大汶口盆地石膏矿地质概况

1.1 区域地质概况

大汶口盆地位于泰安市西南约25km处，是山东省著名的石膏、自然硫、岩盐、钾盐等矿产聚集地[4]。其所处大地构造位置为华北板块，鲁西隆起区，鲁中隆起，蒙山-蒙阴断隆西端的汶口凹陷[5]。区域地层主要发育有新太古代泰山岩群、寒武-奥陶纪长清群、九龙群、马家沟群、石炭-二叠纪月门沟群、古近纪官庄群、新近纪黄骅群及第四系等。区域内断裂构造发育，断裂构造不仅控制着盆地的形成和发展，也控制着成膏、成盐作用。大汶口盆地是由南留断裂(Fn)、王庄断裂(Fw)和故县断裂控制形成的北断南超的单断箕状盆地[6](图1)。大汶口盆地内断裂还有2组，一组是NW—NWW向的F1，F2，F3，F9；另一组是NE—NEE向的F4,F5,F6,F8,F11。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(表1)。本区地处地震少发区域，地震烈度为Ⅵ度，属于稳定区域。

1—砂岩、砂砾岩相区；2—泥岩、泥质碳酸盐相区；3—膏岩相区；4—岩盐相区；5—钠镁岩相区；6—钾镁岩相区图1 大汶口盆地构造地质图

1.2 石膏矿体特征

石膏矿层赋存于古近纪官庄群大汶口组[7]。分布在盆地的大部分地区，岩性为石膏夹泥灰岩、泥岩、页岩。

聚源石膏矿矿层埋深128～351m，共有七层矿，矿层厚度为29.44～50.27m，平均厚度41.37m。矿石矿物主要为石膏、硬石膏，脉石矿物主要为方解石、粘土质矿物，极少量的石英及微量黄铁矿。

鲁能石膏矿矿层埋深75.00 ～256.62m，共有七层矿，矿带厚度一般50.00～59.00m，最大102.44m，最小39.04m。矿石矿物主要为石膏，少量硬石膏。脉石矿物主要为方解石、泥质、少量自然硫、铁质、石英、有机质等。

汶阳石膏矿矿层埋深133～316m，共有七层矿，可采石膏累计厚度在5～40m左右。主要矿物为石膏，少量硬石膏。脉石矿物有方解石、泥质物，含极少量石英、黄铁矿等。

表1 大汶口盆地次级构造洼地及凸起

矿石具体特征如下：

(1)石膏，白—灰白色，棕褐、黑褐色，中细粒结构为主，块状构造。节理裂隙一般不发育，岩心为柱状，局部块状。

(2)硬石膏，乳白、浅蓝色，隐晶质结构，块状构造。坚硬，致密，节理，裂隙不发育。岩心长柱状为主，次为短柱状。

1.3 工程地质概况

矿带主要由石膏、泥岩、泥灰岩、页岩夹层组成(图2)。石膏层致密，强度高，稳定性好。泥岩、泥灰岩、页岩夹层遇水软化，易风化、易裂、易碎，强度低。采矿过程中留护顶矿和护底矿[8]，以防止冒顶、鼓底，并防止透水和H2S大量溢出。矿带饱和单轴抗压强度35.32～44.41MPa，平均值40.14MPa。

矿层顶底板主要由泥岩、泥灰岩、页岩夹层组成。顶板稳定性差，易坍塌、冒顶。饱和单轴抗压强度6.38～7.49MPa，平均值6.9MPa。底板岩性多为泥灰岩，比较完整，稳固性相对较好。饱和单轴抗压强度20.94～43.85MPa，平均值30.24MPa。

1.4 围岩稳定性

矿带顶底板岩性相近，为泥岩、泥灰岩及页岩、砂岩，直接顶底板岩性主要为页岩，其次为泥岩，局部顶板为含膏泥灰岩。岩层与矿层界线清晰，产状基本一致。矿石的夹石为含膏页岩、页片状泥灰岩及泥岩少量。

2 石膏矿房地下空间主要特征

2.1 矿房地下空间埋藏深度适中

大汶口矿区石膏资源埋藏深度43～1762m，主要赋存于古近纪官庄群大汶口组下段(Ⅰ矿带)和中段(Ⅱ矿带)，总体呈NE—SW方向展布，矿层呈层状，倾角5°～7°[9]。目前石膏矿开采后形成的石膏矿房地下空间埋深约130～400m，埋藏较浅，比较有利于开发。根据对以往开采情况总结，石膏矿房埋深若小于100m，易影响地表，若超过500m地下应力[10]增大，易影响矿房稳定性。

2.2 矿房地下空间呈层状分布

石膏矿房地下空间取决于石膏矿层的分布。目前开发利用的石膏矿床呈多层矿赋存于古近纪官庄群大汶口组中段(Ⅱ矿带)内[11]。矿层自上而下矿层编号为2、3、4、6、11，其中2、3矿层为主采矿层，特别是2矿层，矿层稳定，资源储量较大，又细分为4个矿层，实际工程中矿层分层厚度最大8.10m(ZK109)，最小1.0m，矿层较厚，且比较稳定，其中2-2矿层作为开发利用方案设计的首采矿层。矿层倾向350°左右，倾角5°～11°。

2.3 矿房空间结构稳定

石膏矿房地下空间主要分布在石膏矿层内。石膏矿层结构致密，强度高，稳定性好。石膏矿主要矿物成分为石膏和少量硬石膏。石膏含量一般75%～95%，标本观察为灰白色、白色、棕灰色；具玻璃光泽、丝绢光泽；多呈粒状、板状；粒径0.01～3.00mm之间，一般0.05～1.50mm；比重2.32；摩氏硬度2.1。硬石膏含量0～7.82%之间，一般小于5%，标本观察为灰白色、兰灰色；半自形—他形，短柱状；粒径0.01～1.00mm。比重2.95；摩氏硬度3.52。由于石膏矿房是采用浅孔房柱法开采后形成(图2)[注]山东科技大学，汶阳石膏矿井下开采关键技术论证报告,2014年。，开采形成的矿房在各分层平行分布，在每一个单层内，矿房沿矿层走向展布，逆倾斜推进。水平隔离矿柱宽度为4.0m[12]，矿房宽度为4.0m。矿房空间高不同，2-2石膏矿层最高不超过5.5m，2-3、2-4石膏矿层最高不超过4m。矿山开采采用小条带法开采[13]，矿房顶部留不小于2m的护顶膏层，开采条带宽度4m，水平隔离矿柱宽度4m。小条带法开采能依靠矿柱有效地支撑顶板，保持矿房顶板的完整性。

图2 房柱式连续矿柱法开采示意图

2.4 矿房空间围岩自然密闭性好

石膏矿房空间上覆有三个含水层和三个隔水层[1]，确保了矿房空间的密闭性。

主要含水层：①第四系含水层：厚4～8m，水位埋深1.90～5.13m。上部为0.6～6.0m厚的弱透水砂质粘土，中部为砂砾石层。砂砾石层含水量丰富，q=291.43～2894.12L/s.m，k=37.15～113.03m/d。②Ⅰ矿带顶板含水层，以溶孔、溶隙形式存在，属岩溶裂隙水。含水层厚51.00～80.58m，水位埋深3.12～3.39m，q=0.174～0.223L/s.m，k=0.22～0.28m/d，属富水性中等含水层。③Ⅰ矿带与Ⅱ矿带之间的砂砾岩含水层，属弱含水层，k=0.0842m/d，q=0.0617～0.0868L/s.m。含水层与开采矿层距离较近(表2)。

表2 区内含水层、隔水层特征

主要隔水层：①新近系隔水层。该层岩性主要为泥岩或泥岩夹泥质胶结砂岩，顶部埋深15.50～22.95m，厚度6.75～34.35m，具有良好的隔水性。②Ⅰ矿带顶板隔水层，岩性主要为泥岩或泥岩夹泥质胶结砂岩、钙质页岩，顶部埋深88.00～130.31m，厚12.35～116.19m。具有良好的隔水性。③Ⅱ矿带顶板隔水层，岩性主要为泥岩或泥灰岩夹板状、线状石膏，顶部埋深125.93～204.19m，厚26.59～71.39m。q=0.0000979～0.000199L/s.m，具有良好的隔水性。

2.5 矿房空间规模潜力大

目前在生产的有三处石膏矿，已形成石膏矿房地下空间约600万m3，按照目前矿山开采规模和矿山服务年限，预计未来还可增加空间600万m3，综合来看，在三处石膏矿闭坑前，预计三处矿山能够形成1200万m3的地下空间，若其他三个持证矿山投入基建开采生产，未来可将形成2400万m3的石膏矿房地下空间。

2.6 矿房空间各管理系统健全，易于监控

石膏矿房地下空间以生产矿山为单元相互独立，各自系统完善。矿山目前采用竖井、单水平上、下山开拓系统[14]，主井、风井均布置于矿区范围东部。主井净直径5.0m，井筒内装备一对0.9m3单层单车普通罐笼，钢丝绳罐道，主要担负矿石、材料、设备的提升及人员的升降。井筒内设提升间、梯子间、管缆间，提升井井底车场附近均设有永久水仓、水泵房和变电所，各石膏矿山通风、提升、排水、运输、供电系统正常运转。现有石膏矿房地下空间均由各矿山管理，近几年各矿山在采空区矿房安装了监控设备，并定期维护，实现了采空区矿房空间的有效管控。

3 影响开发利用的主要因素

传统思维，束缚地下空间开发利用。多年来人们对于矿产资源开发利用较为重视，对开发过程中形成的地下空间也多是采用被动地思路和措施开展治理和恢复工作，同时，由于不同矿种和不同开采技术条件，大多数矿产资源开采后形成采空区，也多是采用垮落法管理顶板[15]，使矿山生产面临很多的安全问题[16]。大汶口矿区石膏矿产资源具有独特的地质特征和矿床开采技术条件，不允许顶板垮落，以免上覆含水层连通，发生涌水事故。以往石膏矿开发过程只是注重石膏矿产资源的开发利用，没有对形成的地下空间资源进行利用和研究论证，关于石膏矿房空间能否利用的政策、规定、相关规范较少。

围岩的稳定性影响到石膏矿房地下空间的利用。石膏矿房地下空间围岩主要由石膏、泥岩、泥灰岩、页岩夹层组成。泥岩、泥灰岩、页岩夹层遇水软化，易风化、易裂、易碎，强度低。矿层顶底板主要由泥岩、泥灰岩、页岩夹层组成。顶板稳定性差，易坍塌、冒顶。底板岩性多为泥灰岩，比较完整，稳固性相对较好。上覆地层为古近系弱胶结的泥质岩类，结构面表现为裂隙、层理，结构面分级属Ⅳ级，矿体围岩岩体较完整，属第一类。矿床岩溶不发育、构造局部小规模发育，石膏属中硬可溶岩。顶板失稳主要形式为小规模的剥离掉块，造成突水事故的可能性小，底板发生突水底鼓的可能性小，次生小断层发育地段易发生矿山工程地质问题。总起来看，石膏矿房工程地质条件为中等—复杂[4]。

现有资源开发、安全管理规范对地下空间资源的开发利用的要求涉及较少。目前石膏矿山开采准入方面和开发过程管理的规范主要为现场管理的各项安全规程和资源利用、环保及土地利用的各项要求，没有对地下空间资源利用统筹考虑，也影响到石膏矿房地下空间效益的最大化和永久性利用。

矿井有限的服务年限。现有管理体制下石膏矿房地下空间依托于矿山石膏开采，矿山开采活动停止，矿山一旦闭坑，石膏矿房地下空间也将处于无人利用和管理状态，为此，矿山服务年限也影响到石膏矿房地下空间利用。目前，影响矿山服务年限的因素主要有三个：即资源枯竭、自然灾害、产业政策，从而也间接影响石膏矿房地下空间的利用。

4 矿房地下空间利用的对策及建议

进一步加强石膏矿房空间的稳定性研究和评价。围绕现有矿房和未来即将形成的矿房开展相关工程地质和力学稳定性评价，分别对不同矿井、不同矿层、不同深度、不同时期的矿房进行观测对比研究，总结应力变化和岩移规律，重新修订开发方案，确定矿房结构，为空间开发利用提供技术依据和支撑。

开展石膏矿房空间可行性利用研究。目前国内能够适合开发利用的石膏矿房空间稀少，开展石膏矿房空间利用研究和事例较少，仅有安徽含山地区开展石膏吸水、吸油和渗透性研究以及储油可行性分析[17]。大汶口矿区石膏矿房空间主要赋存于石膏矿体内，借鉴其他地区开发经验，也亟需开展石膏吸水、吸油和渗透性研究以及储油可行性分析，在此基础上，并选择重点矿区和矿段开展储油试点工作，为探索建立储油基地提供可行性基础资料。

统筹石膏资源开发和地下空间利用。泰安市大汶口矿区石膏矿是华北地区储量最大的矿区，现有生产矿井三处，设计生产能力120万t/年，年采出矿量80万t。预计年形成矿房空间40～50万m3。几十年来，随着石膏开发强度的加大，矿房空间数量也不断增加，泰安大汶口矿区石膏矿产资源开发和矿房空间利用有许多得天独厚的条件，政府和相关管理部门、矿山企业应提高认识，积极开展石膏资源开发和矿房空间利用经济和社会对比研究和论证，鉴于资源的有限性和空间资源的永久性，逐渐由石膏资源开采为主，转到矿产资源开发和地下空间资源双重利用的发展战略上来，为矿山持续发展提供战略基础。

探索建立石膏地下矿房空间开发利用的新机制，实现石膏资源开发利用转型升级。石膏地下矿房空间开发利用国际、国内实例少，涉及行业管理法规、政策和相关技术规程、及设备应用、管理等多个方面，影响深远。政府应积极搭建开发利用平台，建立相应的组织机构管理，开展项目立项论证，确定投资主体，拓宽投融资渠道，调动社会相关因素和力量共同参与石膏地下矿房空间开发利用。相关矿山企业应采取措施对矿房空间特征和特性相关数据实现在线管理和监控，做好基础管理工作。通过共同协作和努力，实现大汶口矿区资源开发利用转型升级。

5 结语

泰安市煤炭、石膏、岩盐等矿种开发程度较高，形成数量众多，不同类型的地下空间(采空区)。加快开展大汶口石膏矿房空间的研究、利用等试点工作，必将推动泰安市及全省其他矿种采矿地下空间的利用，促进矿产资源开发利用转型升级，拓展新旧动能转换发展空间，探索绿色矿业发展路子。

致谢：在该文撰写过程中得到了山东聚源矿业集团有限公司和山东鲁能泰山矿业开发有限公司的大力支持，在此表示感谢。