高風險區域資源開發過程中地質災害誘發機制試驗分析

摘要：系統分析資源開發誘發地質災害的主要類型，包括不穩定體失穩型、松散固體物質快速運移型、地下采動誘發型和地下開挖誘發型，并著重探討地質災害誘發機制試驗的關鍵流程，包括試驗場地選址、監測設備布設和數據分析評價等環節。通過山西某煤炭資源開發區案例研究，揭示該區域“采動應力驅動損傷+地下水滲流驅動蠕變+動載荷擾動觸發”的復合驅動機制，為高風險區域資源開發工程的安全實施提供科學依據。

關鍵詞：高風險區域；資源開發；地質災害；誘發機制

中圖分類號：P315.9 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-0-03

Experimental Analysis of Geological Hazard Induction Mechanism in the Process of Resource Development in High-Risk Areas

YAN Wei1，3， PAN Anbang1，3， YAN Pingjun2， LING Rui1，3， LIU Mingxin1，3

（1. Hydrogeological and Engineering Geological Brigade of Hubei Geological Bureau， Jingzhou 434020， China;

2. The Fourth Geological Brigade of Hubei Provincial Geological Bureau， Xianning 437000， China;

3. Hubei Geological Bureau， Hubei Provincial Key Laboratory of Resources and Ecological Environment Geology， Wuhan 430034， China）

Abstract： The main types of geological hazards induced by resource development are analyzed systematically， including unstable body instability， rapid movement of loose solid material， underground mining induced type， and underground excavation induced type. The key process of geological hazard induction mechanism testing is emphasized， including site selection， monitoring equipment layout， and data analysis and evaluation. Through a case study of a coal resource development zone in Shanxi Province， the composite driving mechanism of “mining induced stress driven damage+groundwater seepage driven creep+dynamic load disturbance triggering” is revealed， providing scientific basis for the safe implementation of resource development projects in high-risk areas.

Keywords： high-risk areas; resource development; geological hazards; induction mechanism

高風險區域內蘊藏著豐富的自然資源，大規模的資源開發活動成為當前經濟發展的重要驅動力[1]。然而，資源開發過程通常伴隨著較多地質災害問題，嚴重威脅著人民群眾生命財產安全和工程建設運行安全。揭示資源開發誘發地質災害的機理，建立合理有效的預警措施，成為保障高風險區資源開發工程安全平穩實施的關鍵?；诖?，在總結已有研究成果的基礎上，重點探討高風險區資源開發誘發地質災害的主要類型、試驗研究流程以及誘發機制，以期為高風險區資源開發工程建設提供科學指引和理論支撐。

1 高風險區域資源開發過程中地質災害類型

高風險區域資源開發過程中，工程擾動和環境變化等因素的耦合作用，易引發多種類型的地質災害[2]。根據成因機制和致災程度的差異，可將地質災害類型歸納為4類，具體如表1所示。

2 高風險區域資源開發過程中地質災害誘發機制試驗流程

2.1 試驗場地選址

高風險區域資源開發過程中地質災害誘發機制試驗的場地選址是整個試驗研究工作的首要環節。場地選址需要綜合考慮區域地質環境條件、工程活動特征、地質災害發育程度等因素，以期獲取具有代表性和典型性的試驗數據[3]。

一般應選擇地質構造復雜、新構造運動強烈、不良地質現象發育、災害隱患突出的區域作為試驗場地，如活動斷裂密集分布區、高位陡崖廣泛發育區、飽水松散堆積體廣泛分布區等。同時，應重點關注資源開發活動頻繁、工程擾動強度大的區域，如礦山開采區、能源基地、交通樞紐等。在確定目標區域后，還需對其進行詳細的地質環境調查和災害隱患排查，獲取1∶5 000至1∶10 000比例尺的工程地質圖件，并結合野外踏勘、鉆探取樣、室內試驗等方法，查明場地的地層結構、巖土性狀、水文地質條件等參數，如地下水位埋深、土層滲透系數（10-6～10-4 m/s）、巖體完整性系數（0.3～0.8）、巖石抗壓強度（30～120 MPa）等。在此基礎上，綜合分析比選確定最終的試驗場地，并編制詳盡的場地工程地質調查報告，為后續試驗研究工作的順利實施奠定基礎[4]。

2.2 監測設備布設

針對高風險區資源開發過程中地質災害誘發機制的監測設備布設，需要遵循全面性、針對性、可靠性及經濟性等基本原則，合理配置多種類型的監測儀器設備，構建集變形監測、應力監測、孔隙水壓力監測、微震監測等于一體的立體化監測體系。具體布設時，應重點關注地質災害易發區、工程建設影響區等重點區域，并結合地質構造、地形地貌、巖土性狀等條件，優化確定監測設備的類型和布設位置。例如，針對巖質邊坡開挖卸荷區，可布設基于激光掃描技術的雷達斷面儀（量程為100 m，分辨率為1 mm）、基于激光三角測量原理的位移傳感器（量程為50 mm，精度為0.01 mm）等，動態監測巖體變形；針對松散堆積體分布區，可布設滲壓計（量程為2 MPa，靈敏度為1 kPa）、孔隙水壓力計（量程為1 MPa，分辨率為0.25 kPa）等，實時監測土體內部滲流場和孔隙水壓力的時空分布特征；針對井工開采區，可布設音頻微震監測系統（頻率為1～1 000 Hz，采樣頻率為2 kHz）、電容式加速度傳感器（靈敏度為500 mV/g，頻響在20～4 500 Hz）等，實時捕獲采動響應和區域應力場變化信息[5]。

2.3 數據分析評價

高風險區資源開發過程中地質災害誘發機制試驗獲取的海量監測數據，具有豐富的孕災環境和致災機理信息，需要采用Big Data理論和人工智能技術，建立包括數據預處理、特征提取、模式識別、趨勢預測等功能的智能分析系統，全面挖掘數據的時間序列特征（均值、方差、趨勢、周期等）和空間分布特征（相關性、各向異性、分維等）。在數據挖掘的基礎上，可利用機器學習算法，如支持向量機（Support Vector Machine，SVM）、隨機森林（Random Forest，RF）、人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN）等，建立地質災害預測預警模型，能夠動態智能預警滑坡體位移速率、泥石流堵塞河道長度、采空區陷落漏斗體積等關鍵參數，預警周期在5～7 d，預警準確率在75%～90%。同時，可利用三維可視化、虛擬現實等技術手段，展示監測數據和模型分析結果，為地質災害防治策略的優化調整提供直觀準確的數據支撐和輔助決策。

3 案例試驗分析

3.1 研究區概況

以山西某高風險煤炭資源開發區為例展開研究。研究區位于山西省中部，隸屬呂梁山地域，地形以低山丘陵為主，海拔在800～1 500 m。區內地層主要為古生界和中生界沉積巖地層，發育多套含煤巖系，以石炭系和二疊系最為典型，煤層傾角在5°～20°，為典型的穩定型煤田。雖然區內地質構造相對簡單，褶皺和斷層不甚發育，但是受構造應力影響，部分區域發育有順層滑動和坡體失穩現象。區內巖性以泥巖、砂巖為主，風化程度較高，易形成孤石、危巖等不穩定體。氣候類型屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫在8～12 ℃，年降水量在400～600 mm，降水多集中在6～9月。區內植被以落葉闊葉林為主，局部發育灌草叢，植被覆蓋率總體較低。作為國家重要能源基地，區內煤炭開采歷史悠久，現有各類煤礦150余處，年產原煤量超過5 000萬t，以井工開采為主，開采深度在800 m以上，現狀采區面積達150 km2。受長期大規模開采影響，區內地表有大面積采空塌陷區，嚴重破壞地表植被、水系、農田等，并誘發地面塌陷、地裂縫、滑坡等多種地質災害。

3.2 試驗方案

針對研究區內煤炭開采誘發地質災害的特點，制定了系統的試驗方案。在區內選取具有代表性的采空塌陷區和邊坡失穩區作為重點試驗場地，并開展1∶2 000工程地質調查與鉆探取樣工作，獲取場地的地層結構、巖土性狀、水文地質條件等關鍵信息。布設集成全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、雷達干涉、地聲發射等技術的地表變形監測系統，量程為100 mm，精度為1 mm，監測頻率為每天1次；在采空區上方不同埋深布設應力傳感器（量程為5 MPa，靈敏度為10 kPa）和位移計（量程為200 mm，分辨率為0.01 mm），實時監測巖體內部的應力應變狀態；在采動裂隙帶布設隱伏式滲流監測系統，包括滲壓計（量程為1 MPa，靈敏度為1 kPa）、示蹤劑監測儀（示蹤劑濃度檢出限為0.01×10-6）等，動態監測地下水滲流場時空分布特征；布設微震監測系統（頻率為1～1 000 Hz，定位精度為10 m），實時捕獲巖體破裂及塌陷坍塌誘發的震動信號。各監測系統采用太陽能供電，無線傳輸，數據匯集于地質災害監測預警數據分析處理中心。該中心建立了具有數據預處理、特征提取、模式識別以及智能預警等功能的數據分析系統，提取了變形場、滲流場、應力場的多尺度時空分布特征，并構建了采動巖體失穩演化模型和滑坡蠕變閾值模型。同時，地質災害監測預警數據分析處理中心原位獲取降雨、溫度等環境參數，分析環境因素與地質災害發生的相關性，揭示了降雨入滲誘發采空區坍塌、季節性凍融循環引發邊坡失穩的驅動機制。

3.3 誘發機制分析

基于野外試驗獲取的海量監測數據，深入分析研究區煤炭開采誘發地質災害的形成機制。研究表明，采動應力擾動和地下水滲流擾動是引發區內地質災害的兩類關鍵驅動因素。

一方面，煤炭開采改變了區域原始應力平衡，誘發應力調整和應力傳遞，在采空區上方形成應力集中區，應力集中系數最高達2.5，巖體呈現明顯的應力驅動損傷特征，表現為微裂隙開閉、巖體蠕變、損傷強度遞增等，當損傷累積達到巖體強度極限時，在采動應力和上覆巖層自重的共同作用下發生突然失穩，形成采空區坍塌或壓縮型滑坡。

另一方面，采動裂隙的發育為地表水下滲提供了有利通道，地下水沿裂隙網絡大量滲流，呈現出顯著的非線性滲流特征，滲流水力梯度高達5，局部在10以上，水動力擾動顯著。滲流水不僅直接降低巖土體強度，加速其風化蝕變，而且產生的滲透壓力和溶蝕作用會降低巖土體固結強度并增大孔隙率，進而誘發巖土體蠕變變形坡。

4 結論

高風險區域資源開發過程中的地質災害誘發機制研究是一項復雜而重要的工作。試驗分析和案例研究表明，資源開發誘發的地質災害具有多因素耦合、動態演化的特點，研究區域地質災害誘發機制可概括為“采動應力驅動損傷+地下水滲流驅動蠕變+動載荷擾動觸發”的復合驅動模式。未來，研究應著重發展智能化監測預警技術，完善多場耦合作用下的災害演化模型，構建綜合防治體系，為高風險區域資源開發的安全高效實施提供支撐。

參考文獻

1 劉 輝，衛萬順，王繼明，等.城市區域地質條件適宜性評價方法初探[J].城市地質，2017（3）：1-6.

2 柴 潔，梁建國.基于規則格網的區域資源環境承載力測度與綜合評價模型[J].城市勘測，2017（2）：30-36.

3 湯 敏，劉 斌，李仕明.資源環境承載力研究回顧與展望：針對特大地震山地型重災區[J].福州大學學報（哲學社會科學版），2016（6）：10-13.

4 范立民.煤炭資源的開采強度與地質災害研究[C]//2014年陜西省地質災害防治學術研討會.2014.

5 韓紅新.重點災害隱患區域要逐一排查[N].蘭州日報，2008-09-27（1）.

收稿日期：2024-12-17

作者簡介：閆?。?989—），男，湖北隨州人，工程師。研究方向：水文地質、工程地質勘查及地質災害勘查、監測、設計。