陳 毓
(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113122; 2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)
撫順西露天礦作為中國(guó)露天采礦史上唯一的一座連續(xù)開采的百年露天礦,該礦為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。石油一廠、發(fā)電廠及水泥廠位于撫順西露天礦采空區(qū)北部區(qū)域,該區(qū)域?qū)儆诰ら_采與露天開采復(fù)合影響區(qū)域[1]。多年來(lái),該區(qū)域的巖土體風(fēng)化、變形破壞等環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題和地表穩(wěn)定性問(wèn)題,一直表現(xiàn)得十分突出[2]。開展區(qū)域礦山地質(zhì)災(zāi)害綜合整治、地質(zhì)環(huán)境重建對(duì)撫順市的生態(tài)環(huán)境文明建設(shè)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。
前蘇聯(lián)學(xué)者通過(guò)建立巖體彈性基本模型,分析了采空區(qū)上覆巖體在彈性條件下的沉降破壞機(jī)理,認(rèn)為地下井工開采是造成地表沉陷的重要原因[5];Hausse等建立了覆巖變形移動(dòng)與地表下沉間的相關(guān)理論模型,認(rèn)為采空區(qū)上方有“三帶”分布的沉陷模式[6];曹蘭柱等采用SLOPE/W軟件建立數(shù)值模型,基于檢測(cè)數(shù)據(jù)分析了滑動(dòng)區(qū)邊坡工程治理前后的穩(wěn)定性,并對(duì)治理措施的有效性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[7]。目前,在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域中,地表沉陷數(shù)值模擬及地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用最為廣泛,然而,在國(guó)內(nèi)外相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)的研究中,數(shù)據(jù)的選取和理論模型的建立相對(duì)理想化[8-10]。筆者以撫順西露天礦采空區(qū)北部區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,通過(guò)劃分地質(zhì)災(zāi)害類型,提取影響地質(zhì)災(zāi)害的控制因子,建立基于權(quán)重分析的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)內(nèi)石油一廠、發(fā)電廠及水泥廠廠區(qū)的地表適應(yīng)性。
研究區(qū)由西向東依次分布著水泥廠、石油一廠及發(fā)電廠,位于撫順市區(qū)南部的撫順西露天礦北幫的北側(cè),屬于井工開采、勝利礦井田與撫順西露天礦開采復(fù)合影響區(qū)域,該區(qū)域面積為1.24 km2。撫順?biāo)鄰S、石油一廠及發(fā)電廠廠區(qū)交通位置如圖1 所示。

圖1 撫順?biāo)鄰S、石油一廠及發(fā)電廠廠區(qū)交通位置圖
研究區(qū)地處北—中溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候區(qū),四季溫差較大。據(jù)撫順市氣象臺(tái)近5年氣象資料[12]顯示,市區(qū)平均氣溫為6.6 ℃、平均降水量為702.9~1 291.0 mm/a、 7~8月降水量占全年的1/2。
距離研究區(qū)北部約1 000 m處為主干河流(渾河),枯水期平均流量為8.5 m3/s,汛期平均流量為221 m3/s,年平均流量為46.5 m3/s,平均流速為1.6 m/s。礦坑北幫與河床之間沖積層連續(xù)分布,基底以約0.2%坡度緩向礦坑,渾河成為定水頭充水補(bǔ)給源。
研究區(qū)內(nèi)有6條規(guī)模較大的斷層,其中,F(xiàn)1斷層自西向東在礦坑北幫上部沿走向共揭露1 600 m,是控制北幫上部邊坡穩(wěn)定性的主要地質(zhì)構(gòu)造因素;受勝利礦、西露天礦等采煤活動(dòng)的影響,F(xiàn)41斷層在研究區(qū)東側(cè)產(chǎn)生的局部影響較大。
根據(jù)遼寧省地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃,研究區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,峰值加速度為0.10g,反應(yīng)譜特征周期為0.35 s,該區(qū)域受地震影響并不嚴(yán)重[11]。
撫順煤田為一套新生代老第三系內(nèi)陸沼澤相沉積地層。煤田內(nèi)地層系統(tǒng)包括太古界鞍山群、下白堊統(tǒng)龍鳳坎組、老第三系撫順群和第四系,其中,太古界鞍山群為一套淺紅/灰綠或灰白色花崗片麻巖、黑云母片麻巖或角閃片麻巖;下白堊統(tǒng)龍鳳坎組自下而上依次為暗紫色砂質(zhì)頁(yè)巖、暗紫色砂質(zhì)頁(yè)巖夾玄武巖、雜色凝灰碎屑巖、礫巖和雜色砂頁(yè)巖。前兩者構(gòu)成煤田基底和下部地層,地層系統(tǒng)各組賦存于煤系向斜核部和兩翼。研究區(qū)內(nèi)存在軟硬巖石互層巖組、硬巖巖組、砂/頁(yè)巖及礫巖互層巖組、斷層泥—構(gòu)造角礫巖巖組、花崗片麻巖巖組和沖積層松散巖組工程地質(zhì)空間組合單元。
撫順西露天礦采空區(qū)北部區(qū)域是人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈的影響區(qū),區(qū)內(nèi)環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷裂規(guī)模大、巖性巖相變化大,巖土工程地質(zhì)性質(zhì)和工程水文地質(zhì)條件不佳[12-14]?;趯?duì)區(qū)域及周邊地段地表沉降、破壞和水文地質(zhì)等資料的分析研究,綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察認(rèn)為,研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害及隱患主要包括:傾倒—座落滑移變形、傾倒滑移變形、沉陷滑移變形、滑坡和地裂縫。
露天采掘造成F1斷層出露標(biāo)高降低、下盤支撐減弱后,碎裂介質(zhì)鑲嵌結(jié)構(gòu)的玄武巖變形使其后巖體松弛,碎裂結(jié)構(gòu)砂頁(yè)巖組及第四系沖積層在地下水作用下產(chǎn)生壓密變形,形成一系列反映座落壓密性質(zhì)的北高南低裂縫。雖然地表及28干線下沉達(dá) 2~3 m,前緣F1斷層帶隆起近1 m,但由于其傾倒—松弛—壓縮變形性質(zhì),并未形成因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的巖體內(nèi)剪損帶[15-17]。在變形邊界條件未被進(jìn)一步破壞的情況下,沒(méi)有形成大規(guī)模滑坡。該類采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害歸結(jié)于碎裂介質(zhì)鑲嵌結(jié)構(gòu)控制下的傾倒—座落滑移變形,主要位于研究區(qū)西部的水泥廠區(qū)域。
研究區(qū)北幫靠界、邊坡加陡,由于綠色泥巖在牽引主向斜北翼的陡傾與倒轉(zhuǎn),加之綠色泥巖與褐色頁(yè)巖的軟、硬相間的互層結(jié)構(gòu),極易產(chǎn)生傾倒變形。邊坡加陡導(dǎo)致順層滑移段尺寸減小、抗力降低,在傾倒段巖體傾倒力推壓下產(chǎn)生順層滑移;當(dāng)傾倒巖柱底面破裂且貫通時(shí),整個(gè)傾倒滑移變形體將以滑坡的形式產(chǎn)生破壞[18-19]。傾倒段使各梯段的傾倒變形迭加,擴(kuò)大了傾倒變形的影響范圍。該類地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在研究區(qū)中段的石油一廠區(qū)域。
當(dāng)露天與地下聯(lián)合開采同一煤層時(shí),因露天開采誘發(fā)地下開采巖移活化或地下開采重復(fù)采動(dòng)引起邊坡變形,進(jìn)而產(chǎn)生沉陷滑移變形。特定的地質(zhì)條件、礦井采動(dòng)及邊坡體地下水位是地質(zhì)災(zāi)害形成與地質(zhì)災(zāi)害破壞規(guī)模的主要控制因素[20]。由于降雨可引起地下水位變化及對(duì)地層軟巖體沖刷,進(jìn)而促進(jìn)沉陷滑移變形的發(fā)生。因此,該類地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性等特點(diǎn)。該類地質(zhì)災(zāi)害主要分布于研究區(qū)地下開采活躍的發(fā)電廠區(qū)域。
研究區(qū)內(nèi)軟(褐色頁(yè)巖)、硬(綠色泥巖)互層泥巖占邊坡總面積的88%,層厚比為1∶3,其中,綠色泥巖厚度為1.0~10.0 m;褐色頁(yè)巖厚度為0.3~2.0 m,最大厚度不超過(guò)5.0 m?;麦w主要由綠色泥巖或軟硬互層綠泥巖組成,含少量灰綠色泥灰?guī)r,滑動(dòng)面為褐色泥質(zhì)頁(yè)巖。在揚(yáng)起端向斜核部和復(fù)式褶皺區(qū),褐色頁(yè)巖間流動(dòng)明顯、層理清晰并發(fā)育有剪切帶,形成泥化層(厚度1~10 cm,最大厚度小于20 cm)。雖然泥化層總厚度不大,但由于遇水泥化,強(qiáng)度急劇降低,在工程狀態(tài)和降雨誘導(dǎo)作用下極易沿泥化層發(fā)生錯(cuò)動(dòng),進(jìn)而發(fā)生較大規(guī)模的滑坡。
統(tǒng)計(jì)顯示,研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有滑坡37個(gè),其中,西露天礦西區(qū)有26個(gè),中部有11個(gè),主要分布在水泥廠廠區(qū)東南部和石油一廠廠區(qū)南部。部分滑坡體分布如表1所示。

表1 部分滑坡體分布
當(dāng)?shù)V井開挖或巖土體巖性差異導(dǎo)致巖土體變形、塌陷或斷層帶沉陷時(shí),由于地表巖土體水平、垂直差異運(yùn)動(dòng)形成了地表開裂裂縫。在研究區(qū)內(nèi),地裂縫常伴隨滑坡、邊坡變形等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,距離采空區(qū)最近的石油一廠廠區(qū)地裂縫最為發(fā)育。由于采礦活動(dòng)引發(fā)巖土體內(nèi)部裂隙或孔隙增大、增多,在地下水潛蝕、滲透的綜合作用下使巖土體發(fā)生變形,斷裂集中地段發(fā)生地面沉陷進(jìn)而形成地裂縫。
通過(guò)研究地質(zhì)災(zāi)害類型與形成機(jī)理發(fā)現(xiàn),研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害控制因素包括自然與人為工程??紤]研究區(qū)現(xiàn)階段區(qū)域狀態(tài)與地表建筑等因素,將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害判據(jù)因子劃分為:地質(zhì)背景條件因子、人為工程背景因子、地質(zhì)體現(xiàn)階段穩(wěn)定性因子和地表影響重要性因子。
地質(zhì)背景決定了地質(zhì)災(zāi)害的類型和強(qiáng)度,地質(zhì)背景越復(fù)雜,越容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。在研究區(qū)內(nèi),斷層附近、構(gòu)造翼部及含軟巖泥巖的順層巖體區(qū)域?yàn)閺?fù)雜地質(zhì)背景條件;斷層附近或含軟巖泥巖的順層巖體但非構(gòu)造翼部區(qū)域?yàn)檩^復(fù)雜地質(zhì)背景條件;遠(yuǎn)離斷層或陡峭斷面、順層巖體但非構(gòu)造翼部或非順層巖體區(qū)域?yàn)楹?jiǎn)單地質(zhì)背景條件。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布情況將地質(zhì)背景條件因子劃分為復(fù)雜、較復(fù)雜和簡(jiǎn)單3種,地質(zhì)背景條件因子值分別為3、2、1,對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害判定條件劃分為容易、較易和不易發(fā)生。
人為工程是造成地質(zhì)災(zāi)害的重要誘因,在研究區(qū),人為工程背景因素主要包括:露天開采、地下開采形成的采空區(qū)、地面工程震動(dòng)、生產(chǎn)活動(dòng)等。根據(jù)人為工程改造程度、采空區(qū)范圍和邊坡坡度等參數(shù),結(jié)合采空區(qū)巖體性質(zhì)變化等因素,將研究區(qū)人為工程背景因子劃分為易引發(fā)、較易引發(fā)、不易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害3種類型,對(duì)應(yīng)因子值分別為3、2、1。根據(jù)生產(chǎn)及閉坑時(shí)采礦技術(shù)特征、最終幫坡角(或采空區(qū))及歷史上發(fā)生滑坡采煤沉陷等地質(zhì)災(zāi)害的情況對(duì)比分析,確定撫順西露天礦閉坑最終邊坡坡度對(duì)應(yīng)分類為:易引發(fā)滑坡(最終邊坡角≥32°),對(duì)應(yīng)因子值為3;最終邊坡角約30°,歷史上發(fā)生過(guò)滑坡或雖常發(fā)生滑坡但已有內(nèi)排壓腳,為較易發(fā)生滑坡,對(duì)應(yīng)因子值為2;最終邊坡角<28°或歷史上未發(fā)生過(guò)滑坡的邊坡,為不易發(fā)生滑坡,對(duì)應(yīng)因子值為1。
在沒(méi)有誘導(dǎo)因素引發(fā)的前提下,活動(dòng)后的地質(zhì)體在自適應(yīng)能力下逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡。在研究區(qū)內(nèi),地質(zhì)體活動(dòng)主要體現(xiàn)為邊坡滑坡。根據(jù)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)的儲(chǔ)備充足、儲(chǔ)備中等、儲(chǔ)備不足和臨界值4種狀態(tài)進(jìn)行因子賦值。其中,當(dāng)?shù)刭|(zhì)體穩(wěn)定性儲(chǔ)備充足,不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,因子值賦為1;當(dāng)?shù)刭|(zhì)體穩(wěn)定性儲(chǔ)備中等,在無(wú)大型誘導(dǎo)因素(如:暴雨、采空區(qū)塌陷等)作用下,地質(zhì)體不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,因子值賦為2;當(dāng)?shù)刭|(zhì)體欠穩(wěn)定,如火車等地表震動(dòng)、降雨導(dǎo)致的地下水位變化均可能導(dǎo)致一定范圍的地質(zhì)災(zāi)害,因子值賦為3;當(dāng)?shù)刭|(zhì)體極度不穩(wěn)定,該類地質(zhì)體通常是剛發(fā)生過(guò)地質(zhì)災(zāi)害不久尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的地質(zhì)體,因子值賦為4。
評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害影響時(shí),地質(zhì)體狀態(tài)是核心因素,對(duì)人類生產(chǎn)生活影響而言,地表建筑體的重要性是其需要考慮的另一個(gè)重要因素。
在研究區(qū),地質(zhì)災(zāi)害影響區(qū)內(nèi)分布著居民建筑、重要工業(yè)建筑、鐵路、公路等,是地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估必須考慮的因素。依據(jù)以人為本的分析思路,將各種場(chǎng)所劃分為重要、中等、一般3種評(píng)估類型,對(duì)應(yīng)因子值分別為3、2、1。地質(zhì)體表面存在居民建筑物、重要工業(yè)建筑時(shí),地質(zhì)災(zāi)害會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成重大損失,因子賦值為3;地質(zhì)體表面為公路、鐵路、綠化區(qū)等時(shí),地質(zhì)災(zāi)害不易造成重大經(jīng)濟(jì)人員損失,因子賦值為2;地質(zhì)體表面為荒地、農(nóng)田等,地質(zhì)災(zāi)害一般不會(huì)對(duì)人類生產(chǎn)生活造成較大影響,其損失是可控的,因子賦值為1。
對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害控制因素分析可知,地質(zhì)背景條件、地表影響重要性為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估定性判別因子;人為工程背景為定性、半定量判別因子;地質(zhì)體現(xiàn)階段穩(wěn)定性為定量判別因子;各因子之間具有相關(guān)性、因果性和迭代性。由于研究區(qū)位于礦業(yè)城市之中,研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害具有環(huán)境地質(zhì)條件復(fù)雜、工程活動(dòng)多樣(露天開采與地下開采復(fù)合作用)、城市對(duì)災(zāi)害發(fā)生敏感等特點(diǎn),因此采用多因子判定才能更確切地符合實(shí)際。根據(jù)不同地質(zhì)體狀態(tài)和參考控制因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度,建立基于權(quán)重分布的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,其表達(dá)式如下:
(1)
式中:Z為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系數(shù);n1~n4為地質(zhì)災(zāi)害判據(jù)因子X1~X4對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。
以研究區(qū)已發(fā)生的37次滑坡體、18次地質(zhì)塌陷與大型地裂縫地質(zhì)災(zāi)害為例,選取16次地質(zhì)災(zāi)害為樣本,通過(guò)SPSS軟件,利用主成分分析法確定各災(zāi)害判據(jù)因子的權(quán)重系數(shù)分別為:n1=1.28,n2=1.03,n3=0.88,n4=1.50。
根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)體現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,建立了33個(gè)樣本的災(zāi)害評(píng)估數(shù)據(jù)表,將其與對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度值(1~4)對(duì)應(yīng),得到研究區(qū)地質(zhì)體災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布情況。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估樣本分布如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估樣本分布圖
在研究區(qū),Z>3.2時(shí),易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害且地質(zhì)災(zāi)害可能造成較大人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失;2.1 在建立地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型基礎(chǔ)上,對(duì)研究區(qū)域?qū)嵤┓謪^(qū)、分片災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,研究結(jié)果顯示:區(qū)內(nèi)水泥廠廠區(qū)主要位于安全區(qū);石油一廠廠區(qū)和發(fā)電廠廠區(qū)中南部大部分區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大,僅北部少量區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等。 地質(zhì)災(zāi)害分布的根本原因在于地質(zhì)運(yùn)動(dòng),同時(shí),考慮到地表設(shè)施的分布,因此將研究區(qū)按照斷層、廠區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行災(zāi)害評(píng)估分區(qū)。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估分區(qū)如表2所示。 表2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估分區(qū) 根據(jù)分區(qū)對(duì)應(yīng)各判據(jù)因子,依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)各區(qū)塊進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,各分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果如表3所示。 表3 各分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果 在研究區(qū),石油一廠廠區(qū)大部分區(qū)域處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),僅北部條帶區(qū)域處于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū),該廠區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高,抗災(zāi)害適應(yīng)性差,需要重點(diǎn)防護(hù);發(fā)電廠廠區(qū)較石油一廠廠區(qū)略好,但其中南部同樣處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),整體適應(yīng)性偏差,需要重點(diǎn)加固廠區(qū)中南部區(qū)域;水泥廠廠區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系數(shù)1.92,其處于安全區(qū)域,抗風(fēng)險(xiǎn)適應(yīng)性好。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布如圖3所示。 注:粉紅色為高危險(xiǎn)區(qū)域;黃色為中危險(xiǎn)區(qū)域;灰色為安全區(qū)域。 1)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害及隱患主要包括:傾倒—座落滑移變形、傾倒滑移變形、沉陷滑移變形、滑坡和地裂縫。 2)將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害判據(jù)因子劃分為地質(zhì)背景條件因子、人為工程背景因子、地質(zhì)體現(xiàn)階段穩(wěn)定性因子和地表影響重要性因子。 3)建立了基于權(quán)重分析的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,確定各災(zāi)害判據(jù)因子的權(quán)重系數(shù):n1=1.28,n2=1.03,n3=0.88,n4=1.50。通過(guò)33個(gè)地質(zhì)體現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,建立地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。 4)研究區(qū)內(nèi)水泥廠廠區(qū)主要位于安全區(qū),石油一廠廠區(qū)和發(fā)電廠廠區(qū)中南部大部分區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大,僅北部少量區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等,需要重點(diǎn)關(guān)注石油一廠和發(fā)電廠區(qū)域,制訂相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)策略。5 研究區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)與適應(yīng)性評(píng)價(jià)
5.1 研究區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分區(qū)

5.2 分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害適應(yīng)性評(píng)價(jià)


6 結(jié)論