撫順西露天礦區滑坡易發性評價與時空特征分析

吳季寰張春山孟華君郭 涵吳坤罡李洪嘉

1.中國地質科學院地質力學研究所,北京 100081;2.新構造運動與地質災害重點實驗室,北京 100081;3.中國地質調查局新構造與地殼穩定性研究中心,北京 100081;4.中國地質大學(北京),北京 100083;5.遼寧有色勘察研究院有限責任公司,遼寧 沈陽 110013

0 引言

自1914年撫順西露天礦開采至今,其已發展成為一座東西長6.6 km、南北寬2.2 km、高差超過400 m的大型露天礦坑。在西露天礦早期開采過程中,礦坑南幫的大鏡面區、楊柏區、西南幫大巖崩區、西端幫等陸續發生多起滑坡事件,對礦區正常生產運營造成巨大影響;1980年前后,礦坑靠界開采和井田開采先后引發礦坑西北幫、北幫西部、北幫中部發生一系列滑坡災害事件,不僅干擾了礦區正常生產,也對北幫水泥廠等工業設施造成一定程度的損壞(申力等,1999);近10年來,礦坑又先后發生了南幫巨型滑坡、北幫大型滑坡等數起滑坡事件。據統計(遼寧省第十地質大隊,2019;趙研,2021),自1927年礦區內首次發生滑坡致災至今,西露天礦區已先后發生地表形變21處,不同規模的滑坡77處,累計滑坡體規模5×108m3,直接威脅撫順石油一廠、撫順發電廠、千臺山公園、4座地面泵站、坑內作業人員和設備以及周邊790戶2370人的生命財產安全。撫順西露天礦區內高頻次、高風險滑坡災害引起學界廣泛關注,并先后基于不同角度開展了相關研究,如區內滑坡工程地質條件研究(傅冰駿,1990)、區內易滑段穩定性研究(何滿潮和霍起元,1986;陳宗基,1989;申力等,2006)、區內滑坡的變形破壞機理研究(祖國林等,1993;劉大勇,2009;崔原,2018)、區內滑坡監測預警研究(佴磊和王日勖,2010;李洪明,2019;王立文,2020)以及礦區滑坡工程治理研究等(楊天鴻等,2005;申力,2008)。這些研究成果為礦區正常運營和地質安全提供了有力的技術支撐。

隨著礦界內資源逐漸枯竭,撫順市作為東北老工業基地的能源城市轉型升級需求越來越迫切,在此背景下,西露天礦開始有計劃、有針對性地實施由采轉治工作。為此,部分學者嘗試在西露天礦區開展地質災害易發性評價研究(紀玉石等,2006;李淑艷,2008;劉碩,2018),為礦山災害防治和礦坑后續利用提供依據。客觀上,近年來礦坑內大規模采掘和填埋壓腳導致坑內地形發生巨大變化,新發滑坡集中在南、北礦幫中部區域(王立文,2020;呂佳進,2020),直接威脅對象也轉變為緊鄰北幫中部的撫順發電廠、南幫的千臺山公園以及周邊居民;礦區滑坡較以往(以2010年首次發現南幫千臺山滑坡時間為界)呈現出規模明顯增加、頻率降低、分布更加集中的時空差異性,這些差異性表明西露天礦區滑坡易發性發生了明顯變化。目前已有研究成果尚未考慮這些變化帶來的影響,因此評價結果無法系統反應礦區滑坡災害易發性的時空變化特征,導致結果時效性、可靠性受限。文章以西露天礦區工程地質條件和采礦工程活動的時空特征為基礎,基于改進頻率比模型分別開展2010年前后礦區滑坡災害易發性評價,對比分析前后時期的易發性變化趨勢,為停采后礦區選擇重點防治區、調整不同區域的工程治理優先級提供科學依據。

1 西露天礦滑坡災害孕災背景

西露天礦區位于中朝準地臺膠遼臺隆,屬郯廬斷裂東北延主要分支斷裂——“敦化-密山”深大斷裂西南段的渾河斷裂控制區。礦區內構造發育(圖1),主要控災構造為北幫右旋兼逆沖性質的渾河斷裂主斷層F1、F1A,西端幫、南幫分支正斷層F3、F2、F5,以及北幫西部牽引向斜和北幫中部復向斜褶曲。受構造運動控制,礦區地層以白堊系砂礫巖與古近系玄武巖、凝灰巖、泥巖、頁巖和煤層,下伏太古代鞍山群花崗質片麻巖等巖性為主,其中泥巖、頁巖和煤層均含有軟弱結構面,礦區巖層具有南幫、東北幫向北傾,西北幫地層倒轉的產狀特征,形成了礦區內南幫順向坡、東北幫逆向坡,北幫中西部順逆兼具的坡體結構特征。據北幫地區鉆孔資料揭示,礦幫巖體受歷史構造面切割較為破碎,百米深度內圍巖巖體質量為Ⅲ—Ⅴ級,為礦區滑坡提供有利介質條件。同時,由于礦幫主體為基巖邊坡,坡體巖層斷裂、節理、裂隙發育、基巖風化強烈,形成儲水、導水構造,利于地下水存儲運移,且礦區周邊分布渾河、古城子河和南花園水泡子,補給源充足,坡體長期濕水浸潤,強度不足,促使邊坡變形失穩。復雜多變的坡體結構、破碎軟弱的邊坡巖土體和持續的地下水滲流成為西露天礦區滑坡的主控因素。

圖1 西露天礦區孕災地質背景Fig.1 Disaster-bearing geological background of the West open-pit mining area. (a) Structural distribution. (b) Geological conditions.

近年來,礦區滑坡發生的頻率、規模、空間位置等較以往有了較大變化。自2010年礦區南幫千臺山滑坡發生至今,坑內共發生滑坡4次,方量約4×108m3(崔原,2018),以大型、巨型滑坡為主,集中分布于南北幫中部地區。滑坡發育的位置、規模較歷史滑坡分布明顯不同,究其原因為近年礦坑內地形變化巨大,西部填埋,起到壓坡腳作用,西部邊坡穩定性提高;東部挖方,穩定性降低,導致滑坡聚集區呈現向中部遷移態勢,如圖2。因此文中以2010年為時間節點,將西露天礦滑坡歷史分為兩階段:第一階段為2010年前,以中小滑坡為主,主要分布在礦區西南、西北部,少量分布于北幫中部和南幫東部;第二階段為2010年后,以大型、巨型滑坡為主,集中在礦區南、北幫中部。對比分析兩個階段礦區滑坡的時空分布特征,評價其易發性的變化,為礦坑地質災害防治提供依據。

圖2 礦區滑坡分布變化Fig.2 Distribution changes of landslides in the mining area. (a) Changes of pit topography and spatial distribution of landslides. (b) Diagram showing landslides occurred over time in the mining district.

2 西露天礦滑坡易發性評價體系

2.1 評價指標——致災因子

綜合考慮研究區內滑坡形成機理,遵循獨立、可信、可獲取原則,基礎數據在經相關性分析后,歸納為兩類七項評價指標。

(1)工程地質條件:地形地貌,地質構造,坡體結構,工程巖組,水文地質。

(2)采礦工程擾動:露天開采,井工開采。

2.1.1 地形地貌

研究區屬于人工負地貌:露天礦坑,境界由人工邊坡環繞組成,除崩滑改造外,整體具有人工設計、幾何規整的特點。從地形角度考慮,坡度、坡高是斜坡內部應力分布和斜坡變形破壞的主要影響因素(張倬元等,2009),且通常與斜坡災害發育呈正相關性。研究區內坡角范圍0° ～57°,邊坡最大高差約450 m,但由于兩因子相關性系數達0.73,顯著相關。因此文中引入坡形值將二者整合,定義為坡高與坡角的乘積,如公式(1):

公式中:PX代表坡形值,h代表坡高,φ代表坡度。

礦區坡形值介于0～310.81,可依據表1(吳丹等,2012;劉東燕等,2013)將礦區邊坡劃分為高陡坡、過渡坡、低緩坡三級,如圖3a。

表1 坡形劃分依據Table 1 Basis for slope shape classification

2.1.2 地質構造

西露天礦區地質構造十分發育,由受多期次歷史地質作用逐漸形成的北東東向渾河斷裂帶、斷裂活動伴生形成的倒轉向斜和復式褶曲共同組成的礦區構造系統,直接控制了礦區地層建造和坡體結構,間接控制了滑坡發育的介質條件,進而影響礦區滑坡的發育。如北幫主向斜、復褶皺和斷層 F1基本控制了北幫邊坡的巖性組合和坡體結構,導致北幫不同地段滑坡發育情況呈巨大差異。同時,斷裂具有對周圍的巖石構造定向化作用和巖體強度削弱效應,結合西露天礦開采改變地表淺部局地應力環境,導致渾河斷裂淺表發生活化,促使早期形成的處于擠壓閉合狀態的密集節理面、片理面等軟弱面逐漸張開,成為地裂縫、沉陷帶和滑坡等災害的位移陡變帶,控制滑坡災害變形擴張的邊界。礦區構造影響帶見圖3b。

2.1.3 坡體結構

坡體結構是影響斜坡穩定性的關鍵因素,由礦坑邊坡坡向和地層產狀共同控制。受渾河斷裂牽引褶皺影響,北幫西部主向斜控制地層,呈軸跡北東向,軸面傾北西的斜臥閉合向斜式展布,北幫中部復褶皺控制地層產狀呈拖曳揉皺狀;礦區其余部分地層受控于渾河斷裂,整體傾向北北西。將地層產狀與直觀的邊坡坡向組合,主要斜坡坡體結構包括順向坡、反向坡、斜切坡、主向斜控制坡和復褶皺控制坡,如圖3c(申力等,1999;李愛華等,2010;崔原,2018;高安琪等,2021)。

2.1.4 水文地質

礦區地下水主要為沖洪積層潛水和基巖裂隙水。上層潛水蘊藏于渾河河谷平原內沖洪積層,接受大氣降水和周邊地表水系的定水頭補給,渾河以2 ‰的水力坡度自北向南往西露天礦方向徑流,是北幫第四系孔隙潛水層主要補給源。西露天礦南幫地下水補給以大氣降水滲入為主,同時接受南花園水泡子滲流補給。礦區水文地質條件同時受人類工程活動制約,開采階段,礦區為保證邊坡安全對礦幫長期疏干排水,周邊地下水以8%～15%水力坡降向礦坑徑流,形成局部人工流場(郝喆等,2020;鄧焱等,2021);停采階段,隨著疏干工程逐漸失效,地下水水位勢必上升,邊坡巖體含水量增加,強度降低,將加速邊坡失穩破壞。綜合近年礦區地下水位和地形變化,按圖3d進行分區。

2.1.5 工程巖組

礦區內地層巖性主要包含白堊系砂礫巖與古近系玄武巖、凝灰巖、頁巖和煤層,下伏太古代鞍山群花崗質片麻巖(圖1)。依據巖石力學參數可將礦區巖土體劃分為軟巖、較硬巖和硬巖三個工程巖組(表2)。其中泥頁巖、油母頁巖和煤層屬軟巖組,砂礫巖屬較硬巖組,凝灰巖及玄武巖屬硬巖組(圖3e)。

表2 礦坑及鄰區巖體強度Table 2 Rock mass strength of the mine pit and adjacent area

2.1.6 露天開采

露天開采一方面形成了高達400多米的人工高陡邊坡,是滑坡體孕育和賦存的環境;另一方面,相對于漫長地質歷史時期的地應力累積,露天開采相當于短歷時應力釋放,會導致邊坡應力重分布、突然性坡腳應力集中、斜坡應力釋放和卸荷回彈,邊坡表層巖層由于應力釋放風化,這些變化都不利于邊坡穩定。據資料統計(遼寧省第十地質大隊,2019),礦區內采礦挖角直接誘發的歷史滑達39次。根據近年地形變化,按圖3f進行分區。

2.1.7 井工開采

西露天礦井工開采全部位于北幫邊坡下部,其主要影響是導致渾河斷裂淺部活化和北幫邊坡巖體質量降低,進而引起邊坡變形失穩。井工開采一方面加劇了北幫邊坡內部應力調整,使得應力環境更加復雜;另一方面,施工方式和采空區分布導致邊坡內部塑性變形不同程度擴張,破壞了邊坡內部巖體結構的完整性,不利于北幫邊坡穩定。據野外實測,在礦區北側電廠誘發北東東向地裂縫14條,可推知在更靠近地下采空區的北幫坡體內部亦存在多處因井工開采而張開的結構面。據采空分布,按圖3g分區。

圖3 礦區滑坡易發性評價因子Fig.3 Factors in landslide susceptibility evaluation in the influence zone of open pit mining in the mining area. (a) Topography. (b) Structure-influenced zone. (c) Slope structure (modified after Shen et al., 1999;> Li et al., 2010;> Cui, 2018;> Gao et al., 2020). (d) Underground water depth. (e) Engineering rock group. (f) Open-pit mining influenced zone. (g) Underground mining influenced zone.F1, F1A-Main fault of the Hunhe Fault;> F1-1-No.1 brunch fault of the Hunhe Fault;> F1-2-No.2 brunch fault of the Hunhe Fault;> F1-3-No.3 brunch fault of the Hunhe Fault.

2.2 評價模型——改進頻率比

頻率比模型 (Frequency Ratio,FR)廣泛應用于地質災害易發性評價方面,其原理是通過對災害與某一地質環境因子類型或等級的災害覆蓋關系分析獲取相應單一因子頻率比值,以單位面積內累計因子頻率比為檢驗該區災害易發性的評價標準(仉義星等,2019)。這種模型優點在于能夠客觀真實地反映致災因子的空間變異性與災害事件之間的敏感關系,但具有統計模型的明顯缺陷,即忽略各因子對災害發生影響程度的差異性(王雪輝等,2019;周靜靜等,2019;王昌明等,2019;萬佳威等,2020)。為增加評價結果的可靠性,現對傳統頻率比模型進行優化,提出改進頻率比模型 (Improved Frequency Ratio,IFR):

公式中:i代表第i項致災因子,j代表某因子內第j級或類,m代表評價因子總數,n代表某因子可細分的級別數或類別數。FijR代表第i項致災因子內第j級或類的傳統災害頻率比,P(Landslide)代表研究區內歷史滑坡覆蓋率,在單次評價中為定值,P(Landslide｜Factorij)代表第i項致災因子內第j級或類分布區的歷史滑坡覆蓋率。Cvi代表第i項致災因子內各級或類的頻率比變異系數。IFR代表滑坡易發性指數,是特定位置處各因子的加權頻率比之和。

相較FR,IFR引入變異系數反映因子間致災差異性。變異系數作為概率分布離散程度的歸一化量度,具有突出樣本數據內部差異的性質,而各因子內部不同等級或類型的差異程度是決定該因子對災害發生貢獻程度的關鍵,因此取均一化處理后的各因子內部不同等級或類型頻率比的變異系數進行因子賦權以彌補FR的不足。

3 西露天礦滑坡易發性評價與時空特征分析

3.1 不同時期的西露天礦滑坡易發性評價結果

由于2010年前后礦區滑坡的分布、規模差異巨大,將礦區滑坡史分為前后兩階段。根據兩期滑坡災害數據,文中選擇了上述7項致災因子,基于改進頻率比模型分別計算西露天礦區不同時期的滑坡災害改進頻率比,計算結果見表3。

表3 不同期次致災因子各類別的改進頻率比Table 3 Improved Frequency Ratio of disaster-triggering factors in different periods

綜合分析致災因子累計頻率比和頻率比排序,可知礦區內最主要滑坡致災因素為坡體結構、工程巖組和地下水埋深。通過多因子疊加計算,可得礦區內2010年前滑坡IFR介于[0,14.38],取自然間斷點:5.31、8.28、11.24。2010年后滑坡頻率比介于 [0,14.23],取間斷點:5.08、7.28、10.10。兩期IFR分段協調性高于87.8%,因子權重與自然間斷點取值合理,具有可對比性。評價結果如圖4a、4b,對比2010年前后的滑坡易發性分布見表4。

圖4 礦區滑坡易發性變化對比Fig.4 Changes of landslide susceptibility in the mining area. (a) Landslide susceptibility zoning prior to 2010. (b) Landslide susceptibility zoning after 2010. (c) Change of landslide susceptibility. (d) Numerical model. (e) Contour map of deformation rate under natural conditions. (f) Contour map of displacement in the north side under natural conditions.

表4 2010年前后礦區滑坡易發性對比Table 4 Comparison of landslide susceptibility in the mining area around 2010

3.2 討論與分析

(1)通過2010年前后的評價結果對比(表4)可知,礦區內不同區段的滑坡易發性存在不同程度的增減,(圖4c):礦區西北幫全區易發性大幅降低,約占礦區面積17.59%;礦區東部環邊界50～500 m處易發性輕微降低,約占21.24%;礦區北幫中段與南幫中、西段頂端滑坡易發性增加,約占23.26%;其余地區易發性程度不變,約占37.91%。

(2)2010年前后礦區滑坡易發性變化的原因分析如下。易發性降低區,西端幫歷史滑坡發育,經近十年填埋壓腳等工程治理后,該區域邊坡高差由280 m縮減為80 m,滑坡發育的地形條件明顯改善,邊坡穩定性大幅提高。礦坑東幫“U”型環邊界區域易發性輕微降低與近年西露天礦采掘向礦坑中部轉移有關,受人工擾動明顯減少,邊坡應力重分布,達到新的平衡,因此2010年后少有滑坡發生。

易發性增加區,礦坑北幫坡體結構可分為西部主向斜控制坡、中部復褶皺控制坡和東部反傾坡,中西兩段為易滑坡體結構。但北幫西段在進行了坡腳填埋等工程治理后,坡度大大變緩,不利于滑坡發育。中段尚未全部完成削坡和壓坡腳工作,存在高達350 m的邊坡,坡度由上至下為33°～38°,是復褶皺結構的泥頁巖凸型高邊坡,不利于邊坡穩定。這點可從兩方面證明:①近年滑坡實例表明,中部區域曾于2014年、2015年和2016年接連發生3起坡體垮塌事件,規模分別為3.4×104m3、69×104m3和313.6×104m3,呈遞增趨勢;②綜合考慮巖土體物理力學參數(表1)、地下水(圖3d)以及邊界位移條件影響,通過建立礦區數值模型開展現狀下的模擬分析,揭示了當前礦區內變形速率、位移峰值均分布于礦坑北幫中部(圖4d—4f)。所以中部邊坡的滑坡易發性相對最高。此外,礦坑南幫的中、西段頂部滑坡易發性增加。南幫巨型滑坡發生后,滑坡后緣形成了沿東西向展布“Y”型拉陷槽(長約1.8 km,高差大于30 m,寬50 m以上),槽體兩側地形起伏加劇,匯水能力進一步增強,有利于南幫滑坡持續蠕滑,為拉陷槽南側坡面發育小型滑坡提供了地形條件。

4 結論與建議

(1)基于改進頻率比模型對礦區工程地質條件和采空工程擾動兩大類致災因子進行分析,最利于礦區內滑坡發生的具體因子主要是坡體結構、工程巖組和水文地質條件。

(2)2010年以后西露天礦區滑坡易發程度分為高、較高、較低和低易發4級,高易發區占礦區面積25.87%,較高易發區占比34.06%,兩區范圍較2010年以前減少1.294 km2,減少原因主要是填埋壓腳、疏干減排等工程治理措施和露天采煤向礦坑中部轉移,人工擾動減少,分別使得礦坑北幫西部和南幫東部滑坡易發性降低。礦區較低易發區占比1.16%,低易發區占比38.91%,與2010年之前對比,低、較低易發區相應增加,增加的部分由高、較高易發區轉化而來,當前主要分布于礦區北幫東西部以及礦區東西端幫。

(3)對比兩個時間段的礦區滑坡易發性,礦坑北幫中段與南幫中西段頂部滑坡易發性增加,尤其是北幫中段地區在當前閉坑階段或后期礦區改造階段應加大監測與工程治理措施的力度;西北幫全區滑坡易發性大幅降低,維持監測與邊坡疏水等基本措施即可;東部環礦區境界50～500 m處滑坡易發性輕微降低,在保證安全的同時,可適當減少治理投入。