地下采礦誘發山體崩滑地質災害分析

姬曉東

地下工程活動量的不斷增高，導致地下開采所誘發的山體滑坡地質災害也在不斷增加，此類地質災害不僅會影響采礦工程的進展，帶來嚴重損失，甚至會威脅采礦工人的生命安全。因此，需深入研究采動滑坡的發生機制，加強對礦山地質環境的保護，合理選擇地下開采方式，減少誘發山體崩滑地質災害的發生機率。雖然我國采礦歷史發展悠久，礦體露頭較淺，可選擇的開采地點較多，但整體開采規模較小，而且我國礦業生產的大規模發展起步較晚，導致整體開采水平較低，所以在地下開采過程中，容易誘發山體崩滑地質災害。所以結合上述問題，需進一步深入研究地下采礦引發地質災害的相關內容，結合采動滑坡發生機制，研究地質災害的防治措施，減少山體崩滑地質災害的發生。

1 地下采礦誘發地質災害的相關內容

1.1 引發災害的條件

地下采礦會對周圍的地質環境造成持續性破壞，而采礦工作本就是一項較為重復的工作，且涵蓋范圍較大，會直接引發地質災害，同時也會導致地質災害問題加重。地質災害發生的主要條件包括地形地貌、巖土構成、地層沿性等，而在此類發生條件中，區域性地質構造以及巖土侵蝕，直接影響著地質災害的發生。其中最為常見的地質因素以地形地貌為主，地形地貌會直接影響地質災害的種類、發育程度以及發生范圍，同時帶來地質災害的機率也高于其他條件。

1.2 災害形成的原因

礦山開采層的厚度、采深以及采厚等開采方式，影響著礦山開采塌陷等問題的發生機率。在礦山開采過程中，會在地下形成一定空間，使得巖體的平衡狀態受到影響，且無法保障巖體的平衡性，由上至下的巖層可能會出現斷裂、裂隙等情況。又由于在采礦過程中上覆巖層會遭到破壞，從而對覆巖層地質性質產生影響，發生一些嚴重的變化，從而導致采空區遭到破壞。如果礦山的內部拉應力超出巖層的極限值范圍，可能會導致頂板出現斷裂、破壞等多項問題，甚至會導致冒落問題；同時也可能會出現移動與彎曲等現象，直接造成裂縫與離層等問題。因此可見，地下采礦會引發嚴重的地質環境問題，在地下開采過程中也可能會引發滑坡、泥石流等多項災害，甚至會導致地面出現沉降，間接引起土地破壞等現象，從而直接影響礦產開采單位以及工作人員的生命安全。

2 地下采礦對礦山地質環境的影響

2.1 地下巖體應力

在地下開采過程中會形成一定的空間，使得巖體原有的平衡狀態無法有效維持，從而導致巖體由下至上出現斷裂、裂縫。所開發的內部空間在開采過程中會超出原有的減壓范圍，使其壓應力逐漸消失，聚合的巖層彈性逐漸釋放出來，使得巖石開挖空間出現特殊現象。同時，在開挖空間的頂部與底部會形成減壓區域，對周圍的巖石造成破壞，導致地層發生移動或變形。如果礦山內部拉應力超出巖層能夠承受抗拉的極限值后，則可能會導致頂板出現斷裂或者破壞問題，甚至引發冒落現象。而在此基礎上可能會出現移動或者彎曲現象，從而直接造成裂縫、結構破壞等問題。在變化過程中，如果逐漸發展到表面，則可能在發掘范圍內形成更為廣大的下沉型盆地，并引發一系列的地質與環境問題。因此在地下開采過程中，除了會引發滑坡泥石流等災害以外，也可能會出現地面沉降災害，導致水資源污染或土地結構破壞。

2.2 破壞巖層結構

由于在地下開采過程中，巖石應力的平衡狀態受到影響，出現由下到上的斷裂與裂縫問題，影響了地下開采的安全性。在地下開采過程中，采空范圍內巖層破壞主要包括以下幾種：第一，冒落現象。冒落是指在巖層移動過程中出現的一種強烈運動形式，一般情況下，只會在采空范圍中的頂板巖層出現冒落現象。這主要是由于在采空范圍內，上部巖層會出現彎曲，從而引發拉伸變形等問題，一旦變形超過預先的抗拉強度，則會對巖層造成破壞，使其形成大小不一的巖塊，并散落在采空范圍內。如果巖層出現嚴重的破碎問題，則可能會逐漸向地表延伸，導致土體出現崩落或者滑移等問題，引發地面開裂等嚴重性破壞。第二，巖石下滑。如果開采區域的傾角較大，上方垮落的巖石可能會直接下滑到采空區，導致采空區上方范圍擴大，下方范圍逐漸縮小，從而導致上方巖層移動問題加劇，下方巖層在移動時出現減弱現象，從而引發地表變形開裂等現象。第三，彎曲現象。彎曲現象也與巖層移動之間密切相關，在進行地下開采時，需要從頂板展開，而巖層沿著法線方向可能會出現彎曲現象，在到達地面時，會發生傾斜與變形等地質災害，從而引發地表塌陷，對周圍環境造成威脅。

2.3 地表發生移動

隨著巖層移動越來越穩定，采空范圍的上方會因為塌陷而形成下沉型盆地，而此區域的面積會超過開采面積。而在開采過程中面積趨向于矩形，下沉盆地趨向于橢圓形。同時，下沉盆地中不同點的移動量有所差異，使得地表的地質形態、生態系統受到干擾而發生變化。最終使得地表高于于水平位置，引發地形變化，影響基礎建筑的安全性，對周圍的生活環境造成威脅。嚴重的情況下會形成塌陷坑，植被與水資源也會受到危害，對于生態環境的穩定性而言十分不利。

3 山體崩滑地質災害的國內外研究現狀

現代科學技術的快速發展為研究采動滑坡提供了支持，并取得了諸多研究成果，為掌握采動滑坡形成條件與成災機制奠定了基礎。早期在研究采動滑坡時，主要從滑坡學的角度出發，分析了地層、構造、巖性結構、地下水等多個方面的因素，在此基礎上，研究了采動滑坡的形成原因，結合地下開采模式、上覆巖體等應變關系探討坡體的穩定性。但過去研究主要圍繞著地形地質等條件對滑坡進行分析，采動滑坡的研究也只是結合經驗。隨著對采動滑坡研究的深入，物理模擬與數值模擬也越來越廣泛，系統化研究隨之深入，采動滑坡研究也逐漸涉及到采礦學、滑坡學、巖石力學、開采沉陷學等綜合領域。

在20世紀70年代，國外就采用了采動滑坡災害系統，并詳細分析了場地條件、地質構造、開采沉陷規律、時間效應等關鍵要素，并最終得出滑坡的發生與地下開采有著密切關系，通過對觀測數據以及經驗預測結果的對比，對采動滑坡的了解也更加深入。也有研究認為地下采礦是導致邊坡變形的主要因素，在地下采礦時所形成的廢舊巷道，會導致地表下沉或者形成地裂縫，而地表水會從裂縫滲入到巷道中，導致邊坡變形并受到損害。在研究淺表層滑坡時，采用了物理模擬與數值模擬的方法，最終結果發現在地下開采時會出現采空區，而采空范圍內的頂板會形成拉應力，使得裂縫在弱結構面中擴展，從而導致邊坡安全系數降低。也有實驗模擬了不同開采深度、開采位置以及開采方式對邊坡地形的影響。

國內對采動滑坡的研究也較為深入，比如，包頭白灰廠滑坡事件就進行了深入研究，認為其誘發因素主要與地下采煤相關；此外，陜西韓城電廠滑坡也與地下采煤密切相關，由于地下采空，導致地表發生變形問題。研究學者對韓城電廠滑坡的采動滑坡機制進行的研究，分別采取了物理模型實驗與數值模擬計算，分析了采動滑坡的基本規律。經過多項實驗研究，認為形成采動滑坡的主要因素包括地形上高陡臨空、山體下部有小規模采礦史，并在山體中形成了具有良好貫穿性的垂直體系，為山體開裂崩滑提供了條件。此外，對不同地區發生過的滑坡事故也都進行了深入研究，最終發現采動滑坡與坡體應力環境改變、巖體發生差異沉降密切相關。總之，當前對采動滑坡的研究大多數圍繞著現場監測、物理模型實驗、數值模擬實驗而展開。

4 采動滑坡監測實驗的研究成果

4.1 現場監測

在進行地下采礦時，可能會導致上覆巖層出現移動現象，使得地表出現差異沉降或者引發地裂縫，在監測山體崩滑地質災害時，現場監測的真實數據可作為重要依據。比如，針對宜昌鹽池河磷礦滑坡地質災害的研究，就對其現場監測數據進行了深入分析，結合數據可發現裂縫嚴重影響了山體的穩定性，隨著地下采礦的逐步進行，裂縫也逐漸延伸到崩塌山體底部，而被裂縫切割的滑坡體地形出現了四面臨空現象，并形成了較為不穩定的斜面體系，一旦滑坡體沿著層面開始滑動，地表裂縫則會出現水平與垂直角度的位移，從而引發山體崩滑地質災害。現場監測技術能夠為地質災害預警提供可靠依據，結合現場監測資料，可以發現地下采礦會影響坡體的穩定性，并誘發山體崩滑等地質災害。但當前檢測資料大多數是以地表監測數據為主，缺乏有關于礦井的對照資料，因此后續研究可圍繞著礦井上下的對照資料展開。

4.2 物理模型實驗

隨著工程技術的快速發展，人們逐漸將材料模擬實驗、離心機模擬實驗等方法應用到采動滑坡研究中。在構建物理模型實驗時，其主要模型包括砂、云母、石膏、鋸末等混合物，抽出后組成模型的薄片可模擬地下開采的情況，并觀察巖層破裂面的類型與范圍。實驗結果發現，采動位置處于礦層露頭、礦柱等附近時，采礦區的頂板巖層會遭到破壞，此時礦柱頂地板的壓應力會隨之增加，導致頂底板發生拉伸應變，礦柱逐漸刺入到巖體中，使得邊坡的穩定性受到影響。而在地下開采過程中，各個裂縫的張開度也會隨著面積的增大而增大，物理實驗模型能夠在采動作用下，再現坡體移動變形情況。隨著采礦工作面的逐步推進，位于采空區的上覆巖體會受到垂直與水平方向的作用力，以及先拉后壓的應力，而在坡體的后緣也會形成長裂縫，導致坡體的整體性受到影響。但物理模擬實驗無法詳細的刻畫坡體巖體的結構性質，尤其是在地下開挖過程中模擬可能會出現誤差。

4.3 數值模擬實驗

采動滑坡的數值與一般滑坡穩定性數值相比，更側重于地下開采與其他因素對坡體穩定性的產生影響。一般影響采動滑坡的影響因素較多，在數值模擬過程中需要對其進行簡化。數字模擬器能夠結合采動滑坡的規律，加深對失穩破壞機制機制的了解。比如，武隆雞尾山滑坡失穩機制的研究，就應用了數字模擬法，在模擬過程中應用RFPA軟件，構建了二維計算模型，在保障材料參數與邊界條件一致的情況下，對比了地下有開采活動和無開采活動時的狀態，最終發現，在地下開采時會影響坡體的穩定性。在數值計算模型的支持下，采動坡體的三維問題可以二維模型展示出來，得出一些趨向性的發展規律，但最終的失穩機制難以通過模擬坡體來獲得，尤其是對于巖層傾向與滑動傾向等角度問題，其局限性更為明顯。當前已有的數字模型，大多數是以二維模型為主，其對大部分模型都進行了簡化，最終得出的結論屬于趨向性認知，但也有研究將地下采礦作用作為單獨的影響因素，對開采方式、開采強度等帶來的影響研究還不夠深入，限制了對采動滑坡地質災害的了解。

5 采動滑坡發生機制研究存在的不足

5.1 山體移動規律不清晰

當前已有的物理模型實驗與數值模擬實驗，大多數是結合地質條件等影響因素進行研究，通過對各影響因素的簡化，得出最終的監測結果，但監測結果大多數是以趨向性結論為主。在研究過程中，會將地下開采作為單一的影響因素進行綜合分析，過度強調巖性組合、構造條件的影響。但各項資料表明，在不同地下開采的因素影響下，坡體穩定性受到的影響也會有所差異，因此需要對地下開采因素進行更精細化的研究，使得采動滑坡的發生機制研究更為深入，為預防山體崩滑地質災害提供可靠依據。

5.2 現場資料收集不完整

當前的監測資料大多數是以地表監測數據為主，對于礦井上下的對照資料卻較少，地下采空區擴展與監測數據之間的對應關系也不夠清晰。在研究地下采空區時，只是將其作為影響坡體穩定性的一個因素，對地下開采過程以及采用巖層移動的滯后性卻缺乏關注，使得地下開采方案不夠合理，采動滑坡研究存在困難。在開展現場監測工作時，應當積極調查地下開采的相關因素，并研究上覆巖體的變形規律，通過在坡體中打豎向監測孔，記錄不同地下開采階段的變形狀況。另一方面，在現場資料收集時，也應深入研究地震效應等可能誘發地震的因素。雖然爆破震動所誘發的地震強度不大，但如果過于頻繁也會影響山體的穩定性，尤其是在坡體巖體結構中，可能存在軟弱夾層，一旦出現爆轟波，則會導致夾層處出現反射和折射作用，拉壓應力產生應變作用，并出現局部的震動，導致山體的穩定性受到影響。

5.3 缺少大規模計算模型

在現場收集資料時會受到外界因素的影響，使的數值模型大多數是以二維或者簡化的三維地質模型為主，模型材料與本構關系之間也存在問題，所以在研究 滑坡形成機制時存在漏洞。為了確保數值分析結果與實際狀況之間更為接近，可對現場資料進行全面收集，尤其是掌握地下開采的相關參數，可建立更為精準的三維模型。

6 地下采礦地質災害的防治方法

6.1 合理制定開采計劃

在礦產開采過程中，會引發一系列的地質災害問題，大部分與開采方式不合理相關。在地下開采過程中，許多開采企業采取傳統的生產方式進行開采，所選擇的開采技術未及時更新，從而遺留下諸多安全隱患。為了減少地質災害的發生，維護工作人員的生命安全，就應當制定科學可行的安全開采計劃，結合礦區的實際情況，選擇不同的地下開采方法，并制定周期性開采計劃，使得開采效率、開采質量得到保障，并保障開采的安全性，控制地質災害的發生。

6.2 運用科學開采技術

地下開采容易引發山體崩滑等地質災害，而導致地質災害的原因與開采技術密切相關，因此需要根據開采情況以及開采計劃，合理選擇開采技術，并在開采過程中綜合考慮周圍環境與工作人員的生命安全，保障地下開采工作的有序進行。傳統開采技術缺乏科學理念的支持，工作人員也極易忽視各項安全因素，導致地下開采損失嚴重。在新時代下，地下開采需要綜合考慮各項地質災害的發生因素，并合理應用開采技術，控制廢棄物質的形成，將經濟與安全放在相同位置。

6.3 構建災害預警體系

在防治地質災害過程中，構建完善的預警體系能夠起到有效的預防作用，現代地質災害預警體系的建設，需要合理應用信息技術等先進技術，使得地質災害的管理水平得到有效提升。一般情況下，在構建地質災害預警體系時，可將常見的地質災害類型作為主要內容，而后結合信息技術、物力勘查技術等，完善地質災害預警系統，全方位動態監測可能出現的地質災害。一旦出現異常，預警體系能夠及時報警，工作人員可采取恰當的處理措施，預防地質災害帶來的風險，控制地質災害帶來的破壞，保障地下開采的安全性。

7 結語

綜上所述，山體崩滑地質災害與地下開采密切相關，地下開采才會影響山體的穩定性，在外力因素的作用下，導致地下與地表的建筑工程設施受到破壞，同時也可能引發泥石流等嚴重災害。因此，需要進一步研究地下開采帶來的各項地質災害及其因素，并結合采動滑坡的發生機制與研究方法，選擇新型的監測技術，提前預測災害的發生。