礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問題及其勘查方法研究

吳昱　葉義成

摘 要：礦山資源開發(fā)中的安全形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻，地表塌陷、山體崩塌、礦山邊坡滑坡、廢石場(chǎng)泥石流、尾礦庫(kù)垮塌、采場(chǎng)冒頂、巷道坍塌、礦山地震、巖爆、采空區(qū)大面積地壓、井下突水、深井高溫等災(zāi)害，給社會(huì)穩(wěn)定和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重影響，該文以礦山地質(zhì)災(zāi)害勘查為研究對(duì)象，論文首先分析了礦山地質(zhì)災(zāi)害中存在的問題，包括其誘發(fā)因素，地質(zhì)災(zāi)害特征和治理措施，在此基礎(chǔ)上，論文探討了三種勘查方法，包括地球信息技術(shù)綜合方法、水文地質(zhì)與巖土力學(xué)試驗(yàn)方法和地球物理勘查方法。

關(guān)鍵詞：礦山 環(huán)境地質(zhì) 災(zāi)害 問題 勘查

中圖分類號(hào)：P694 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）-0113-02

礦產(chǎn)資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類生產(chǎn)資料和生活資料的重要來源。隨著宜昌市礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)模的增大，礦山地質(zhì)災(zāi)害問題日漸突出，而采礦和選礦作為礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中的主要活動(dòng)對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生了多方面的影響。

宜昌市是地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)地區(qū)之一，地質(zhì)災(zāi)害種類多、分布廣、影響大、造成損失嚴(yán)重。礦山地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害的一個(gè)小分支，是人類開采礦山而直接誘發(fā)的人為地質(zhì)災(zāi)害。特別是宜昌市七八十年代受“有水快流”思想和粗放型開采影響，導(dǎo)致礦山開采環(huán)境不斷惡化。近年來，雖規(guī)范開采，但隨著各種礦產(chǎn)開發(fā)利用強(qiáng)度增大，各種礦山地質(zhì)災(zāi)害明顯上升，該文研究者結(jié)合在宜昌市多年礦山勘查的工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了礦山各種地質(zhì)災(zāi)害的類型、產(chǎn)生、危害和防治對(duì)策，并提出相應(yīng)的勘查方法。

1 地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素

1.1 疏干排水

采礦時(shí)對(duì)地下水必須進(jìn)行疏干排水，甚至要深降強(qiáng)排，由此而出現(xiàn)了一系列的地質(zhì)災(zāi)害問題。首先是礦井突水事故不斷發(fā)生。許多煤礦的上覆和下伏地層為含水豐富的石灰?guī)r，特別是北方石炭二疊紀(jì)煤系地層，不僅煤系內(nèi)部有含水性強(qiáng)的地層，其下伏為巨厚的奧陶紀(jì)灰?guī)r。這些礦床隨著開采的延伸，地下水經(jīng)深降強(qiáng)排，產(chǎn)生了巨大的水頭差，使煤層受到來自下部灰?guī)r地下水高水壓的威脅，在一些構(gòu)造破碎帶和隔水薄層的地段發(fā)生突水事故，嚴(yán)重地威脅著礦井和職工生命的安全。

1.2 其他因素

礦山地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素很多，有些是開采過程中難以避免的，如開采深度的增加，使得地應(yīng)力相應(yīng)增大引起冒頂、片幫、脫盤甚至巖爆的嚴(yán)重地壓災(zāi)害；有的是開采中忽視預(yù)防或開采不規(guī)范、管理不科學(xué)導(dǎo)致的，如采空區(qū)不及時(shí)充填、廢渣廢水隨意排放、水文地質(zhì)及構(gòu)造不了解、巷道偏離、盲目指揮、違章作業(yè)、私挖亂采等，非穩(wěn)定因素積聚到一定限度引發(fā)各種災(zāi)害；有的礦山片面追求經(jīng)濟(jì)利益或?yàn)閿[脫一時(shí)的經(jīng)營(yíng)危機(jī)，擯棄常規(guī)，如采富棄貧、求近避遠(yuǎn)，結(jié)果為后期發(fā)展埋下災(zāi)害隱患；曾一度泛濫的民采風(fēng)潮掠奪式的開采活動(dòng)也對(duì)部分國(guó)有大中型礦山造成嚴(yán)重干擾和資源、環(huán)境破壞。

2 主要地質(zhì)災(zāi)害特征和治理措施

2.1 泥石流

泥石流災(zāi)害具有很強(qiáng)的破壞性，但人們并不是被動(dòng)地去接受泥石流災(zāi)害，而是通過科學(xué)研究，不斷認(rèn)識(shí)其成災(zāi)機(jī)理和成災(zāi)規(guī)律，提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平，加強(qiáng)防御建設(shè)，與泥石流災(zāi)害進(jìn)行斗爭(zhēng)。礦山建設(shè)對(duì)泥石流形成條件的影響主要有以下幾個(gè)方面：（1）產(chǎn)生并加速松散固體物質(zhì)的積累，露天開采及坑采剝離廢石速度較快，產(chǎn)生大量廢土，是泥石流源地的主要形成原因。（2）增大了水體補(bǔ)給量。礦山廢石堵溝成湖，蓄積了大量的水體；有時(shí)在掘進(jìn)坑道的過程中，掘開了地下水的主要通道，形成地下水突涌，使水體補(bǔ)給量增大。（3）礦山建設(shè)改變了地形條件，增強(qiáng)動(dòng)力條件。

泥石流的治理措施包括工程措施和生物措施：（1）工程措施的治理目的是減少災(zāi)害的發(fā)生頻度，降低災(zāi)害的危害程度。一般是攔擋、排導(dǎo)和支護(hù)措施。（2）生物措施：生物措施的治理目的一是治理水土流失；二是吸收有害物質(zhì)，凈化土壤。（3）生物措施和工程措施相結(jié)合：金屬礦圍巖一般為較硬的巖石，開采過程中開采堆積物除了上覆土層和風(fēng)化巖石外，均為較大塊的難風(fēng)化的塊狀堆積物，易形成的地質(zhì)災(zāi)害為崩塌、滑坡以及泥石流。

2.2 塌陷

當(dāng)?shù)叵碌V層被采出之后，采空區(qū)的頂板巖層在自身重力和其上覆巖層的壓力作用下，產(chǎn)生向下的彎曲和移動(dòng)。當(dāng)頂板巖層內(nèi)部所形成的拉張應(yīng)力超過該層巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，直接頂板首先發(fā)生斷裂和破碎并相繼冒落。接著是上覆巖層相繼向下彎曲、移動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生斷裂和離層。隨著采礦工作面的向前推進(jìn)，受到采動(dòng)影響的巖層范圍不斷擴(kuò)大。當(dāng)?shù)V層開采的范圍擴(kuò)大到某一時(shí)刻，在地表就會(huì)形成一個(gè)比采空區(qū)大得多的塌陷盆地，從而危及地表的各種建筑物和農(nóng)田等。對(duì)礦山采空區(qū)塌陷的治理方案很多，但較常用的方法是充填復(fù)墾法。這種方法是利用礦區(qū)附近的煤矸石、粉煤灰、露天礦剝離物等可供利用的充填材料充填采空塌陷地復(fù)田。這種方法多用于有足夠的充填材料且充填材料無污染，可經(jīng)濟(jì)有效防護(hù)治理的地區(qū)，因其既解決了塌陷地復(fù)墾問題，又解決了礦山固體廢棄物的處理問題，所以經(jīng)濟(jì)效益最佳。

2.3 滑坡

滑坡活動(dòng)受多種因素影響，主要發(fā)生在雨季。而軟硬相間巖層，由于差異風(fēng)化，堅(jiān)硬巖體突出，由結(jié)構(gòu)面切割或重力蠕變，堅(jiān)硬巖體就會(huì)產(chǎn)生崩塌、落石。地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育使完整巖石被分割成割裂體，割裂體在誘發(fā)因素下失穩(wěn)而形成崩場(chǎng)，因此構(gòu)造越發(fā)育，巖體越破碎，越易產(chǎn)生崩塌、落石。人為影響主要是開挖坡腳、改變應(yīng)力場(chǎng)，使坡體內(nèi)積存的彈性應(yīng)變能釋放而造成應(yīng)力重新分布，巖體產(chǎn)生卸荷裂隙，它們多張開且平行于邊坡面并使原有裂隙擴(kuò)展和張開，由其所切割的巖體，可能失穩(wěn)而形成崩塌滑坡。目前露天煤礦、鐵礦、采石場(chǎng)所發(fā)生的滑坡，大多數(shù)是由于違反開采順序，亂采濫挖而造成的。為了使露天采掘、剝離作業(yè)正常進(jìn)行，采場(chǎng)邊坡巖體應(yīng)該具有一定的穩(wěn)定性。當(dāng)工作臺(tái)階采掘到最邊界時(shí)，便形成最終邊坡；當(dāng)最終邊坡角過陡時(shí)，穩(wěn)定性差，易滑坡，危及人員和設(shè)備的安全，導(dǎo)致停產(chǎn)閉坑；當(dāng)其過緩時(shí)，會(huì)降低采礦經(jīng)濟(jì)效益。

抗滑工程是防止山體滑坡的不可缺少的一部分，尤其對(duì)于事關(guān)生命、財(cái)產(chǎn)安全的礦區(qū)坡體來說，意義非同尋常。抗滑工程包括抗滑擋墻、加筋擋墻、錨定板擋墻、預(yù)應(yīng)力錨索擋墻、錨桿擋墻。抗滑樁大截面積排式抗滑單樁、抗滑鏈、鋼管樁、承臺(tái)式抗滑樁、抗洪樁、樁基擋墻、椅式擋墻、排架式抗滑樁、抗滑剛架樁、板樁抗滑樁和錨固樁。土質(zhì)改良注漿、微型樁。

3 礦山環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問題及其勘查方法研究

3.1 地球信息技術(shù)綜合方法

遙感技術(shù)（RS）主要是針對(duì)大面積區(qū)域宏觀解釋，可形成不同比例尺所需要的航衛(wèi)片解譯結(jié)果。利用航、衛(wèi)片進(jìn)行解譯，具有直觀、真實(shí)、準(zhǔn)確、實(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，可大大提高工作效率和質(zhì)量。GPS具有全天候、全球覆蓋和高精度的優(yōu)良性能，而且其用戶設(shè)備無源工作，體積小，重量輕，耗電少，使用方便和價(jià)格低廉，因此，GPS的應(yīng)用越來越廣泛。在礦山環(huán)境野外調(diào)查中，可采用GPS定位儀進(jìn)行礦山環(huán)境三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集工作。礦山地質(zhì)災(zāi)害的許多問題都是由多種空間域因子共同作用的結(jié)果，而GIS本身又具有強(qiáng)大的空間分析操作功能和多源多因素信息復(fù)合疊加技術(shù)，因此GIS完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山環(huán)境和災(zāi)害問題進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬與評(píng)價(jià)的目的。

3.2 水文地質(zhì)與巖土力學(xué)試驗(yàn)方法

水文地質(zhì)與巖土力學(xué)試驗(yàn)類型很多，是礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的重要手段之一，許多調(diào)查成果的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料，均需水文地質(zhì)與巖土力學(xué)試驗(yàn)而獲得。在礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中，水文地質(zhì)試驗(yàn)主要包括水質(zhì)測(cè)試、淋濾試驗(yàn)、浸泡試驗(yàn)、含水層吸附試驗(yàn)、含水層頂板滲透性試驗(yàn)、采礦引起周圍地層滲透性變化試驗(yàn)、礦石及固體廢棄物中有毒有害元素測(cè)試試驗(yàn)、土壤污染試驗(yàn)、溶質(zhì)遷移與富集規(guī)律試驗(yàn)等；巖土力學(xué)試驗(yàn)主要包括室外原位力學(xué)試驗(yàn)和室內(nèi)巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)等。

3.3 地球物理勘查方法

高密度電阻率法是以巖土體導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一類物探方法，該方法一次即可進(jìn)行多裝置數(shù)據(jù)采集，既可研究深度方向的電性變化，也可研究水平方向的電性變化，通過參數(shù)換算取得更多突出的有效異常的比值參數(shù)，利于潛在災(zāi)害的埋深、范圍等的推斷解釋。它對(duì)不太深的采空區(qū)、地下水系、巖石風(fēng)化層等的勘查十分有效。淺層地震法是由人工手段激發(fā)地震波，再通過研究地震波在地層中的傳播規(guī)律，以查明地下地質(zhì)小構(gòu)造及獲取地層巖性信息的一種物探方法。其中的淺層反射法，不僅能直觀地反映地層界面的起伏變化，而且還能探測(cè)地下隱伏斷層、空洞、陷落柱以及各種異常物體，是滑坡、斷裂面、采空區(qū)等潛在地質(zhì)災(zāi)害的有效勘查方法之一。

4 礦山地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防

愈演愈烈的礦山災(zāi)害、大量潛伏的災(zāi)害隱患、日漸惡化的礦山環(huán)境說明礦山地質(zhì)災(zāi)害的防治必須上升到政府監(jiān)管的高度。政府主管部門要加大對(duì)礦山環(huán)境與災(zāi)害源的監(jiān)管與治理力度，防止新的隱患發(fā)生。礦山企業(yè)要規(guī)范開采行為，合理開發(fā)礦產(chǎn)資源，處理好短期經(jīng)濟(jì)利益和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)系，將防災(zāi)減災(zāi)工作始于礦山設(shè)計(jì)并延續(xù)到閉坑之后。注重礦山地質(zhì)災(zāi)害的防治研究，將其列入礦業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究，把礦山災(zāi)害、環(huán)保、安全生產(chǎn)統(tǒng)一起來。災(zāi)害研究要充分依靠科技進(jìn)步，采用高新技術(shù)，研究災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制，建立災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和評(píng)估信息系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

宜昌市礦山種類較多、分布廣、戶數(shù)多、規(guī)模小、基礎(chǔ)差，由于技術(shù)、管理及效益等原因的影響，資源開發(fā)中的安全形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻，地表塌陷、山體崩塌、礦山邊坡滑坡、廢石場(chǎng)泥石流、尾礦庫(kù)垮塌、采場(chǎng)冒頂、巷道坍塌、礦山地震、巖爆、采空區(qū)大面積地壓、井下突水、深井高溫等災(zāi)害，給社會(huì)穩(wěn)定和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重影響。經(jīng)分析采礦引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的原因大都是由于采用不科學(xué)的采礦方法造成的，當(dāng)人們注意到了環(huán)境對(duì)人類生存的重要性，懂得如何正確解決資源需求與保護(hù)人類生存環(huán)境的矛盾時(shí)，科學(xué)的采礦方法將被越來越廣泛地采用，因?yàn)楝F(xiàn)有的技術(shù)手段完全可以避免礦山開采引發(fā)的不良地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生。在礦山開采問題上必須堅(jiān)持“誰(shuí)開發(fā)誰(shuí)保護(hù)，誰(shuí)閉坑誰(shuí)復(fù)墾，誰(shuí)破壞誰(shuí)治理”的原則，加強(qiáng)對(duì)礦山環(huán)境的管理。只有解決好礦山開采與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，才能促進(jìn)采礦業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

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