普定貓洞鄉可處村地質災害成因及防治對策研究

胡 嶼,劉 勇

(貴州地質環境監測院,貴陽 550004)

根據1999～2008年完成的全省88個縣市地質災害調查與區劃資料,全省共有地質災害點10109起,其中滑坡為6688起,占災害總數的67%,崩塌為1727起,占災害總數的17%,泥石流為499起,占災害總數的5%,其他災害占1195起,占災害總數的11%,共威脅72萬余人,潛在經濟損失71億元,其中近一半由礦山開發所引起.

1 地質災害特征

可處村位于安順市普定縣貓洞鄉東北部的可處村,地理坐標為:東經105°54′43″～105°56′03″,北緯26°24′28″～26°25′17″.總體上南西高北東低.區內最高位于可處村寨南西部老鷹坡山頂,高程為1515.8m.最低位于北部三岔河,河床水位高程1055m,相對高差460.80m,地形坡度一般為10°～30°,除元江煤礦、桐鑫煤礦兩家私營煤礦之外無其他礦山,區內主要有崩塌危巖體、滑坡、地裂縫、塌陷坑等地質災害,這些地質災害不同程度地威脅著可處村寨、公路車輛及行人的安全(圖1).

(1)崩塌危巖體

區內共調查崩塌危巖體2處,崩塌危巖體(WY1)位于元江煤礦主井口南側880m處,形成三面臨空的老鷹坡垂直陡崖,危巖體長約60～100m,高約80～120m,寬約30～90m,總體積約500000m3.北側臨空面陡崖上于2009年11月11日、12月3日出現兩次掉塊石現象:塊石(KS1)位于可處村東側30m處礦山公路旁,塊石長1.40m,寬1.10m,厚0.60m,體積0.924m3;塊石(KS2)位于可處村南西側80m處老鷹坡山下礦山公路旁,塊石長1.50m,寬1.20m,厚0.70m,體積1.26m3.兩次掉塊石未傷及人員及房屋,但崩塌危巖體隨時都有崩塌的可能,對可處村村民164棟房屋,265戶,1507人的生命財產構成嚴重威脅.

(2)滑坡

區內調查發現滑坡(HP1)1處,于2005年發生,位于三岔河北側、元江煤礦主井口南東側200m處.在基巖及風化殘坡積層中,滑坡后緣呈弧形,伴生于地裂縫(DL6)下,斜坡地帶堆積體積約8000m3,該滑坡下方為斜坡臺地,未有村民居住.

(3)地面塌陷

區內有3處地面塌陷,塌陷坑(TX1)位于元江煤礦主井口南西側1050m處老鷹坡南西側溝谷臺地中,塌陷坑呈橢圓形,長2.50m,寬1.80m,可視深度10m;塌陷坑(TX2)位于元江煤礦主井口南西側1110m處老鷹坡南西側溝谷臺地后緣,塌陷坑呈圓形,直徑1.0m,深1.20m;塌陷坑(TX3)元江煤礦主井口南東側476m處,呈橢圓形,長8.0m,寬3.0m,可視深度約5m.3個塌陷坑處于變形擴大趨勢中,對過往行人和牲畜造成威脅.

(4)地裂縫

該區共有6條地裂縫,地裂縫(DL1、DL2、DL4、DL5、DL6)為2007年發生,裂縫長120～400m,寬5～45cm,可視深度0.1～2m;地裂縫(DL3)為2009年發生,位于元江煤礦主井口南東-北西側950～1070m 處,老鷹坡山頂至北西側一線,地裂縫發育南東-北西向,呈弧形,長800m,寬5～50cm,橫切老鷹坡山頂山脊,可視深度1.6～6.0m.6條地裂縫均處于發展變形中,對過往行人和牲畜造成威脅.

2 地質災害成因分析

2.1 相關參數確定

經調查元江煤礦、桐鑫煤礦M8煤層平均厚度為1.0m,M9煤層平均厚度為1.0m,M14煤層平均厚度為0.8m,根據煤礦的儲煤構造時代及特征,礦山類別Ⅱ類,地面建筑物保護級別屬Ⅱ級,安全系數為K=150.

(1)礦區煤層安全開采深度的計算與評價

為了使地面建筑物或主要井巷不會遭受坍塌或破壞,必須要有個距地表的開采安全深度,即通常所說的頂板安全厚度,根據《地方煤礦實用手冊》[2]中安全煤柱的留設規定,元江煤礦和桐鑫煤礦開采安全深度按下式計算:

Hδ(M9)=MXK=4.4X150=660m

Hδ(M14)=MXK=3.74X150=561m

式中:Hδ--安全深度(m)

M--綜合作用厚度(m)

K--安全系數

M9煤層、M14煤層綜合作用厚度按下式進行計算:

當煤層厚度小于2.20m時,使用最小采高2.20m參與計算.

M8=2.20m

M9=2.20m h1=14.00m h1/m9=6.36m

M14=2.20m h2=117.00m h2/m14=53.18m

C9=1.0 C14=0.35

M9綜合作用厚度= M9+C9XM8=2.20+1.0X2.20=4.4m

M14綜合作用厚度= M14+C14X(M9+M8)=2.20+0.35X 4.4=3.74m

元江煤礦開采的M9號煤層,上覆巖體厚度為108.6～150.0m ;桐鑫煤礦采掘的M14號煤層,上覆巖體厚度為206.0～446.0m ,均小于煤礦開采安全深度(Hδ (M9)=660.0m,Hδ(M14)=561.0m).

(2)采空區地面移動變形影響范圍的確定

煤層采空區一旦發生上覆頂板崩落垮塌,其采空區的影響因垮塌和巖層移動角的上延而遠大于采空區范圍.根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷礦柱留設與壓煤開采程度》[1](簡稱《三下采煤規程》附表5～3),按覆巖性質分區地表移動參數的有關規定,確定巖層移動參數:走向邊界角δ0,上山方向邊界角γ0,下山方向邊界角β0,按(β0=δ0-0.7α)計算,公式中α為礦層傾角(度),再根據《三下采煤規程》第24條關于地形坡度對山區礦移動角擴散效應的規定(上坡方向減小5～10°,下坡方向減小2°～3°),綜合分析走向、上山方向、下坡方向邊界角,得出元江煤礦和桐鑫煤礦采空區最終邊界角取值:

δ0=γ0=50°,β0=48-3°=45°(圖2).

(3)煤礦采礦掘進爆破震動影響范圍的確定

元江煤礦、桐鑫煤礦采礦掘進爆破震動影響范圍根據《爆破震動安全規程》[2],爆破震動安全距離的計算公式:R(元江煤礦)=(K/V)1/aXQ1/3=(350/0.5)1/1.8X161/3=98.78m;R(桐鑫煤礦)=(K/V)1/aXQ1/3= (350/0.5)1/1.8X161/3=98.78m

式中:

R--爆破震動允許安全距離(m)

K、a--采礦爆破點至計算保護對象的地形,地質條件有關的系數和衰減指數

V--保護對象所在地質點震動安全允許速度(cm/S)

Q--炸藥量(kg)

根據爆破震動影響范圍距離計算:桐鑫煤礦井口開拓爆破震動影響范圍距離尚未對可處村村民房屋產生影響;元江煤礦2004-2007年采空區處在可處村部份村民房屋下方或附近,其爆破震動影響范圍均小于M8煤層采空區邊界角影響范圍.

2.2 地質災害成因分析

地質災害的形成與發展,均受一定的內、外因素所控制,自然因素是災害形成的內因,人類工程活動和降水條件是災害形成的外因.

(1)自然因素

區內屬低中山侵蝕、剝蝕、溶蝕山地地貌,地形起伏較大,相對陡峻、復雜,植被覆蓋差,基巖裸露.老鷹坡山體三面臨空,北側形成高度320～340m的陡崖,北西側至將軍巖一線形成長約400m,高度200～250m的陡崖,坡度在80°以上.為地質災害的形成創造了地形地貌條件.

區內出露地層由老到新為二疊系上統龍潭組(P3l)、二疊系上統長興組+大隆組(P3c+d)、三疊系下統大冶組(T1d)、第四系(Q);龍潭組(P3l)為本區含煤地層,巖性為泥巖、頁巖、粉砂巖夾灰巖;長興組+大隆組(P3c+d)巖性主要為深灰色中厚層灰巖、頁巖;大冶組巖性為淺灰色薄至中厚層隱晶質灰巖,形成老鷹坡陡崖,陡崖段"X"節理極發育,斜坡地帶上堆積有零星塊石;第四系巖性由殘坡積、沖積、崩積等所形成的砂泥、礫石、粘土,主要分布在斜坡地帶.以上地層巖性的組合為地質災害的形成創造了地質條件(圖1).

(2)人為因素

調查區內有元江煤礦和桐鑫煤礦,可處村寨.可處村位于元江煤礦巷道開拓方向的東側,處于元江煤礦采空區邊界角、采空區疏排地下水的影響范圍內(圖2);桐鑫煤礦巷道向西開拓,可處村位于桐鑫煤礦井口方向的北側,其采空區邊界角、采空區疏排地下水的影響范圍未包括可處村.元江煤礦和桐鑫煤礦采礦造成的危害主要有:

①崩塌危巖體

崩塌危巖體(WY1、WY2)位于元江煤礦2007年-1285采空區邊界角影響范圍中,地裂縫(DL1、DL2、DL3、DL4)出現在崩塌危巖體影響范圍中,加劇了崩塌危巖體中裂隙變形,造成2009年11月11日、12月3日掉塊石現象.

②滑坡

滑坡(HP1)直接位于元江煤礦2004-2006年采空區上方,系元江煤礦采M8煤層采空區沉降變形造成.

③塌陷坑

塌陷坑(TX1、TX2)直接位于元江煤礦2007年1285采空區上方和邊界角影響范圍中,系元江煤礦采M8煤層2007年1285采空區沉陷變形造成,塌陷坑(TX3)直接位于元江煤礦1185采空區邊界角影響范圍中,系元江煤礦采M8煤層1185采空區沉陷變形造成.

④地裂縫

地裂縫(DL1、DL2、DL4)形成在老鷹坡陡巖、斜坡及緩坡臺地上,采空區的沉降變形加劇,再次將地質環境脆弱的老鷹坡山頂至北西側一線拉張出現地裂縫(DL3),該4條地裂縫直接位于元江煤礦2007年1285采空區上方和邊界角影響范圍中,地裂縫(DL5、DL6)直接位于元江煤礦2004-2006年1181、1183采空區上方,系元江煤礦采M8煤層2004-2006年1181、1183采空區沉陷變形造成.

3 地質災害形成機制

由于元江煤礦強烈的采煤工程活動,形成了較大面積的采空區,上覆巖層厚度小于頂板安全厚度,頂板失去了支撐作用,應力發生變化,使頂板出現開裂垮落,逐漸形成垮落拱,隨著頂板冒落帶裂縫不斷向上延伸,垮落拱不斷增高,頂板冒落帶裂縫逐漸接近地表,導致地表發生裂縫、塌陷等災害的發生, 破壞了原有的地質環境條件.同時,采空區范圍的不斷擴大和頻繁的采礦爆破震動將進一步加劇采空區覆巖的移動變形.

(1)崩塌危巖體的形成機制

老鷹坡崩塌危巖體(WY1、WY2)形成的地質模式以彎曲-拉裂式為主.

地形極為陡峻,相對高差200～300m,地形坡度在80°以上,坡度大、勢能高、不利結構面暴露,給崩塌的形成創造了有利的條件.

地層巖性對崩塌的形成具備了條件.調查表明,T1d巖性為薄至中厚層灰巖,底部泥灰巖和雜色頁巖及砂質頁巖,巖石組合特征是堅硬巖層上伏,軟弱巖層下覆,軟弱巖層抗風化能力弱,風化過程中產生坡退地形,上覆堅硬巖體形成陡崖,人為作用繼續擴大加深,極易產生卸荷崩塌.

坡體結構對崩塌的形成有重要作用,受構造作用和喀斯特作用的影響,巖體的"X"節理極其發育、喀斯特裂隙發育,特別是不當的人為工程活動產生的裂縫,使巖體向臨空方向卸荷產生崩塌.

(2)滑坡的形成機制

滑坡(HP1)為切層基巖滑坡.

其特點是滑動面傾向與巖層傾向相反,產生滑坡的過程是由于人類工程活動-元江煤礦采礦活動形成的采空區,改變上覆巖層穩定平衡狀態,引起上覆巖層后緣產生拉裂,經過一段時間,再產生塑流蠕動,當坡肩向外蠕動,拉裂縫從上至下發展,當裂縫切割出上覆巖形成貫通面,此時蠕動向滑-拉轉化,最后形成滑坡.

(3)塌陷的形成機制

塌陷坑(TX1、TX2)按成因劃分屬于采空塌陷.

經過調查,在發生塌陷坑的上方都有一定厚度的土層,塌陷坑所處的巖性屬于可溶性巖石-碳酸鹽巖,人類工程活動-元江煤礦采礦活動形成的采空區,改變上覆巖層穩定平衡狀態,導致力學強度本來就低的頂板巖體失去支撐,再在增荷效應下沿軟弱結構面滑動,巖塊脫落下沉,地表土體也隨之下陷,導致采空塌陷的形成.

(4)裂縫的形成機制

地裂縫(DL1、DL2、DL4)按成因劃分屬于采空裂縫.

由于元江煤礦采煤形成了較大采空區,采空區疏排地下水,導致頂板失去支撐,迫使井巷(洞穴)的圍巖產生補償性變形,巖體在變形過程中,由于巖體本身發育有節理裂隙,巖體在重力作用下,自身產生冒落、彎曲、拉裂,裂縫進而延伸至地表形成地裂縫.

4 地質災害防治措施

(1)建議將受崩塌危巖體(WY1-WY2)威脅的可處村村民臨時搬遷至安全地帶,盡快對老鷹坡崩塌危巖體(WY1)、"將軍巖"危巖體(WY2)采取削坡減荷等工程措施.

(2)對已經穩定的塌陷坑(TX3)可采用土石填充并夯實,防滲處理等措施;對塌尚未達到穩定狀態的陷坑坑(TX1、TX2),宜采取監測、示警及臨時工程措施,消除安全隱患.

(3)對產生的地裂縫(DL1～DL6)可采用土石填充并夯實,防滲處理等措施.

(4)元江煤礦采空區范圍及邊界角影響范圍內,由于采礦過程的發展,正處在發展變形階段,上方已不宜新建任何類型的建筑物.

5 結語

(1)本項目通過實地調查對可處村地質災害的時、形、強、害特征進行了說明,對災害形成的自然因素及人為因素兩大方面進行了的分析,提出了針對性的防治措施.

(2)礦區地質災害形成的條件研究還不夠深入,礦區地質災害的形成機制有待加強.

(3)礦區地質災害成因理論尚需發展.加大地質災害防治宣傳力度,特別是礦區人民、礦山業主的防災減災意識,防止礦山地質災害的發生.

[1] 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京:煤炭工業出版社,2000(5).

[2] 田旭民,田 力.地方煤礦實用手冊[M].北京:地質出版社,1989.

[3] 地質礦產部水文地質工程地質技術方法研究隊.水文地質手冊[M].北京:地質出版社,1978.

[4] 林在貫,高大釗,顧寶和等.巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[5] GB50021-2001,巖土工程勘察規范[S].

[6] GB6722-2003,爆破安全規程[S].