礦山地質環境及主要工程地質問題研究

孫曉鵬

（蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730207）

由于我國山脈眾多，其中蘊藏了十分豐富的礦產資源儲量，所含礦產種類非常的齊全，迄今為止我國共發現有180多種礦產資源，具有明顯存儲量的礦產資源約占170種，在所有的礦產資源中能夠位于世界前列的探明性資源儲量高達30多種。在社會市場經濟的不斷進步和發展下，大規模地開發礦產資源已經成為我國能源結構變化的重要必經階段。礦產資源在開發和合理利用的過程中，能夠有效促進我國的經濟及社會發展，但由于資源的過度和不合理開發常常導致礦山地質災害的發生，引起植被破壞礦山周圍生態環境的惡化甚至退化。許多礦物廢料做不到及時的清理，造成不合理堆渣使得當地的地表水和地下水發生污染，已經嚴重的影響了當地人們的生活質量，阻礙社會經濟可持續發展的步伐[1]。

面對礦山資源開發所引起的環境問題以及地質災害，國內外各界學者其研究時間比較晚，基本上在20世紀末期才開始，仍屬于需要開發的新領域范疇。而我國作為能源使用和輸出大國，針對礦山開采所引發的各種地質災害和生態破壞問題，進行了強有力的研究。對于礦山生態系統的環境保護，不只是保證礦山資源的持續開發，更主要的是后續礦山可持續發展提供理論依據。

1 礦山地質環境現狀

礦山的地質環境主要表現為，一個曾經被和正在開發利用的礦山，以及準備進入開發的礦山個體之間，和毗鄰的地球圈層之間，所組成的相對獨立的生物與環境交換系統。此系統以巖石圈作為基礎，礦山資源的開發利用作為其主導條件，逐步影響了地球表面上各個巖石圈所處的自然環境。為了能夠更好地掌握礦山目前的地質條件和現狀，根據礦山內的地層巖性、水文條件以及形成的地勢地貌三方面來分析[2]。

1.1 礦山內地層巖性

首先礦山地層的形成年代和環境決定了地層的礦物質成分，地層的巖性不同其巖體所產生的結構構造就不同，每個地層巖性都有其各自所屬的物理性質，其內在的礦物質成分能夠直接決定該礦山的抗風化能力。在我國大多數的礦山中，均包含多個層級以上的地層巖性，在古生代、中生代以及新生代的組成下，礦山內的地層露出情況較為齊全。從巖性發育的厚度和疊層年代，能夠對礦山內部的地層巖性進行詳細分析，選擇較為代表性的巖性進行闡述，對礦山中的地質環境進行描述。厚度在0m～50m范圍之內，此系統的巖性為淺黃色砂質粘土，以及砂礫卵石層和煤矸石等；厚度在100m～500m范圍之間，多為侏羅紀系統時期，按照中統和中下統以及下統分類，基本上多為砂巖和泥巖，其中以紫紅色泥巖夾灰紫色巖屑長石砂巖，形成頂為黃灰或者深灰色的葉肢介頁巖；厚度在500m范圍以上的處于三疊系內，形成的巖性基本為深灰色或者灰色的白云巖，以泥質灰巖和膏鹽層為頂，底為凝灰質水云母粘土巖。綜合出露面積來看，形成地層巖性較大的為三疊系和侏羅系地層，主要巖性為洪積和沖積而形成的砂質粘土層和礫卵石層。

1.2 礦山內水文條件

其次水文因素是指礦山地下水對地質環境的營力作用，主要體現在其自身所產生的物理特性，時而運動時而靜止。運動狀態的礦山地下水能夠將巖體的結構面起到潤滑效果，使其開采結構面的阻力減少，其巖體更容易軟化崩裂；而靜止的地下水會對巖體造成一定的溶解和沉淀作用，在裂縫中存在的靜止水產生一定壓力時，其巖體裂縫程度增加，使得礦山巖體表面的土壤發生移動。

礦山內部的地下水資源較為豐富，一般來講動態的變化較大，受雨季和旱季影響，在不同地區內會形成不同的補給情況。在雨季尤其是大暴雨天氣，南方地區的地下水水位會出現大幅度升高，動水壓力將會進一步增大。而北方地區一般會出現兩個時段，一是雨季二是積雪融化都會對地下水位產生影響，但不會出現大幅度上升的效果，主要是由于北方降水量在總體上，要少于南方地區。地下水類型主要劃分為四類：裂隙水、孔隙水、巖溶水及斷層帶地下水。根據地下水的補給和徑流途徑以及排放條件，能夠分析出其動態的變化規律，地下水位的抬升和下降不僅與該地區的降雨量和地表水息息相關，同時又受到地層巖性和地質構造，以及地形地貌等條件的控制。其中以孔隙水類型最為標準，在季節性含水層中，隨著雨季和旱季的水位變化，從而形成彼此聯系的地下水位變化特征，在礦山內部具有排泄條件良好等優勢。

1.3 礦山內地勢地貌

最后是地勢地貌對地質環境的影響主要表現在，我國大多數礦山形成于板塊交接地帶，其山系的結構構成以褶皺山和盆地為主，褶皺的構造能夠對地表產生一定的應力，使變形力量大幅度積聚，如果在開采過程中不及時處理就會發生十分嚴重的事故。

礦山的起伏形成一般由板塊運動引起，在地勢呈現出顯示出較大的起伏狀態，在礦山中的海拔高程中逐漸上升，在內部形成礦山內的最高山峰定點。受地質構造影響，在礦區內會形成危崖聳峙和溝壑縱橫的兩種狀態，對應較為危險的壟脊狀山脈。而對于較為平緩的地帶，一般由丘陵和平壩等形態作為地貌地勢，此時海拔高程也不會超過400m的高度，形成較為渾圓的低平地勢為主，壟狀和脈狀的深丘較少。當海拔超過1000m時會出現中山地脈，而當礦山內部具有廣布的石灰巖時，會形成喀斯特地貌成為眾多溶洞，土壤的肥力低下，不適宜作為農耕條件，而一旦礦山開采不合理會造成水土流失問題。

2 礦山主要工程地質問題

2.1 露天采場產生滑坡

人們在礦產資源的開采過程中，由于沒有按照相關規定進行開采，常常導致采礦場邊坡發生失穩，出現滑坡現象。一般來說，此類災害常常發生與建材開采礦山中，主要是建材開采常為露天狀態，而大多數礦山的露天開采礦床位于斷裂帶邊緣，地層的巖石結構由變質砂巖和砂巖組成，由于其砂質較細，礦體受斷層控制，在上盤形成了一系列的分支結構，當礦床的梯段以上采場邊緣處于下盤斷層時，其邊緣會和斷層形成平行狀態，如圖1如示。

圖1 礦床滑坡橫截面解剖示意圖

如圖所示，露天采場的邊坡具有一定的高度，從最低標高到最高標高的設置，兩者要大于一百米，且在兩者之間要設定多個標高平臺，當地下水流經礦山巖體地下時軟化了砂巖層表面，使其抗剪強度降低，變成邊坡滑動的形成面，造成邊坡穩定性減弱。其次由于采場附近的樹木會阻礙礦產廢料的堆放，將周邊的樹木改造成了彎曲狀態，形成了明顯的滑坡區，在礦床爆破的影響下，其土壤松動，產生裂縫，通過大氣降水的因素影響，原有生態平衡被破壞，產生山體滑坡[3]。

2.2 嚴重坍塌冒頂事故

根據礦山巖石的形成年代來看，大多數存在于侏羅紀時期的煤系地層，其底部的巖體屬性為鐵質礫巖，其性質容易被氧化。

礦山內的巖石礦化特征會隨著高度的增加而強度增大，越接近礦山頂部的巖性所屬品位越高，而向底部發展的巖性逐漸減弱，直到其在礦山開發過程中不再出現。一般情況下，礦山發生坍塌事件主要由于開采方式采取不當，人們在礦山內部進行資源開采時，由于頂部的礦石強度很高，在空采區不進行礦柱保留，或者礦柱遭到破壞，那么在頂部的礦體壓力不斷增加下，礦山會發生嚴重的坍塌冒頂事件。

除此以外，在地下水流的不斷滲透作用中，鐵質礫巖的顆粒周圍受壓力影響，其結合水的吸力增加，而位于孔隙中的水難以自然流出，在砂巖的暴露過程中，會使頂部板塊發生掉塊和嚴重涌砂現象。隨著砂巖中水的不間斷流出，大多數砂巖在遇到水后處于完全濕化的狀態，其中度和粗度的砂巖強度會減少至一半以下的狀態，一旦砂巖內部存在保水現象，在工程被揭穿或者采場的頂層板暴露時，會發生坍塌和冒頂事故[4]。對于埋藏比較深的礦體資源，在開采完畢后若沒有及時對空采區進行回填，那么空采區會造成大面積的坍塌，尤其在較為平緩的地區更明顯。

2.3 坑道發生嚴重變形

受礦山開采條件影響，產生的礦山坑道一般成沉積式回旋結構，底部一般為礫巖，向上依次由砂巖和粘土巖組成，其礦山開采的煤層均不小于12層，每個層面的巖體組成結構各不相同，以某礦山第十層為主要開采對象，該煤層含有四個分層，每個粘土巖層的厚度不盡相同，對其內在巖石特性進行研究，其性質如表1所示。

表1 某礦山第十層巖石特性

根據表內特性所示，在礦山挖掘坑道后，分化出來的粘土層會受到坑內環境所致，不斷吸收坑內水分，使得巖體體積不斷膨脹，尤以紫色粘土為主。在不斷地膨化過程中，受風化作用影響，其內部的壓力使得巖體強度降低，在漲大過程中會破壞坑道設置的支架，使坑道發生嚴重變形甚至將坑道直接堵死，造成人員傷亡。

2.4 地下水位改變引起地質災害

在礦山開采過程中，技術人員通過不同的方法進行探測，雖然在實際工作中能夠發揮出使用價值，但受各類條件因素，在礦山開采中會存在不同程度的地質問題，除了對礦內環境的影響外，其中以地下水位改變引起的地質災害最為常見。分別對不同程度的礦山地質環境進行分析，按照災害程度和礦區含水層進行對比，以防治的難易度為側重點，證明地下水位改變對地質災害的迫害程度。選擇開成程度較輕和較重兩個類型，按照地下開采的程度進行土地資源統計，對照兩個類型所處的地貌景觀，具體情況如下表2所示。

表2 某礦山地質環境現狀評估數據

根據表中內容所示，在將該礦山的地質環境分為兩個類型后，按照較嚴重區和較輕區進行評估，以開采時間為標準兩者的開采程度不一致。較輕區域開采時間較短，破壞的土地面積也較少，對照嚴重區域所產生的空礦區面積，僅為嚴重區域的十分之一。而據評估后的結果來看，基本上空礦區對地質災害的防治難度，均為地下水位改變，以此確定地下水位改變會引發不同程度的地質災害問題。

地下水改變引起的地質災害，包括兩個方面：一是礦內涌水和突水問題，此類現象在礦產資源開發中較多，且產生的災害后果最為嚴重。涌水主要是在開采過程中，受技術限制人們對礦坑的用水量進行分析，為節省開采成本和時間，直接對礦內結構完成測量后，直接選擇位置進行打穿，一旦出現事物會造成空洞，礦內的大量地下水會突然涌入，導致各類安全事故發生。突水的關鍵在于地下水一定條件進行突破，地下水想要沖破巖體必須找到突破口，而在長期開采中巖體特性發生改變，地下水自身的力學特性，能夠產生應力和采動內在聯系，成為其突水現象的關鍵。二是在礦山開采過程中，產生的廢物和廢渣直接排入在地下水中，因為不能及時對污水進行處理，導致地下水環境受到污染。長期以往下去地下水一直處于污染狀態，對其所在的巖層和土壤進行侵蝕，從而引發水土流失和土地沙化等自然問題。

3 結語

通過對現有的礦山環境因素的了解，分析目前我國礦山地質環境現狀，找出礦山主要工程存在的地質問題包括三方面。但由于在調研過程中，由于個人精力和水平有限，在分析影響因素時只通過文獻查找和對比法進行分析，沒有依托礦山實際進行考察，有些影響因素可能會因為當地的氣候影響變成有利因素，這一點并未考慮進去。因此在后續的研究中，希望合理分配自己的時間，在大量閱讀文獻的基礎上，能夠走出去親自在礦山開采工作的現場感受，進一步觀察礦山資源開發所帶來的影響，做更深入的研究。