地下采礦擾動影響區(qū)研究

薛永安,喬清海,呂義清,劉 碩,樊俊文

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院,太原 030024;2.太原理工大學 地震與地質災害防治研究所,太原 030024;3.太原市國土資源局,太原 030009;4.太原市國土資源局 萬柏林分局,太原 030024)

目前,針對資源型城市(或稱礦業(yè)城市)的土地資源利用多從其土地利用變化[1-2]、土地利用優(yōu)化配置[3]、土地利用變化驅動因素[4]、土地集約利用[5]、生態(tài)安全[6]、生態(tài)演化[7]等方面展開研究,同時,還有學者從土地利用的角度出發(fā)進行礦業(yè)城市生態(tài)控制區(qū)的劃定研究[8],但對資源型城市的土地安全利用研究較少[9-10],如何評價處于采礦區(qū)的土地資源是否處于安全狀態(tài),受人類采礦活動影響下的土地資源是否可以安全利用,是資源型城市發(fā)展不得不面對并解決的問題。當前,常用概率積分法對地下采礦區(qū)地表任意點任意方向的垂直和水平移動變形值進行預計,進而獲得地下采礦擾動影響區(qū)的界線。但是,資源型城市地下采礦情況一般分為國有大礦開采、地方小礦開采和非法違法開采,其中,國有大礦的地下開采資料可以收集,所以可以進行沉陷預計,而地方小礦開采和非法違法開采資料掌握不全,開采煤層、厚度、范圍等具有不確定性,因此無法開展沉陷預計。同時,地方小礦和非法違法開采區(qū)域大多位于國有大礦的礦界周圍,在空間上形成了圍繞大礦的小礦開采條帶。因此,盡管可以使用沉陷預計方法對國有大礦進行計算,但是無法解決其邊緣小礦開采的沉陷預計。本文在現(xiàn)有研究的基礎上,初步提出了地下采礦擾動影響區(qū)的概念,對其特征、地表表現(xiàn)形式、調查方法進行了詳細闡述,以期為資源型城市地下采礦區(qū)土地的可持續(xù)利用及再利用提供基礎探索。

1 地下采礦擾動影響區(qū)特征

地下采礦擾動影響區(qū)是指地下采礦打破地質體應力平衡狀態(tài),并可能引起地表變形和破壞及可能產生地質災害的區(qū)域。地下采礦擾動影響區(qū)的主要特征表現(xiàn)為:

1)關聯(lián)性。地下采礦區(qū)域分為工作面、采區(qū)和礦區(qū),單工作面、單采區(qū)和單礦區(qū)開采必然受到相鄰工作面、相鄰采區(qū)和相鄰礦區(qū)的擾動影響,從而使擾動影響的范圍呈現(xiàn)空間上的相互關聯(lián)。

2)復雜性。地下采礦擾動是對含礦地質體原有狀態(tài)的破壞,其影響程度受地質構造、頂?shù)装鍘r性、采礦方法、礦體采厚和采深、采空區(qū)尺寸等諸多因素影響,從而形成一個復雜的多因素耦合地下采礦擾動體系。

3)針對性。地下采礦擾動影響不是傳統(tǒng)的開采沉陷預計,其目的是針對資源型城市采礦區(qū)土地的安全再利用,因此劃定地下采礦擾動影響范圍是對資源型城市可持續(xù)發(fā)展提供本安型紅線。

4)潛在性、不確定性。含礦地質體原有應力狀態(tài)的被打破,再次恢復到平衡狀態(tài)需要一定的時間,在這期間,自然與人為因素有可能再次誘使其失去平衡,從而發(fā)生災害,這一過程表現(xiàn)為不確定性和潛在性。

5)隱蔽性、突發(fā)性。含礦地質體應力體系再次回歸平衡狀態(tài)過程中,其何時達到再次穩(wěn)定很難評價,一旦遭遇強烈的內力或外力導致地質體急劇失去平衡,則表現(xiàn)為災害的突發(fā),在目前的科學技術下,這類災害發(fā)生很難預計,具有隱蔽性和突發(fā)性。

6)隨機性。地下采礦擾動影響討論的不再是單一工作面、單一采區(qū)和單一礦區(qū)開采的地表影響,而是具有空間關聯(lián)性的含礦地質體在實施地下采礦后的擾動影響范圍,其所表現(xiàn)出的地表影響狀況具有空間上的隨機性。

2 地下采礦擾動影響區(qū)地表表現(xiàn)形式

地下采礦擾動影響的地表表現(xiàn)形式主要為:地形地貌的破壞、地面塌陷與地裂縫、崩塌與滑坡、潛在泥石流。

2.1 地形地貌

受地下采礦擾動影響,含礦地質體表面出現(xiàn)山體垮滑和地面塌陷,同時,崩塌與滑坡災害地貌體涌現(xiàn),對礦區(qū)原生地貌造成直接破壞,其形式見圖1。

圖1 地下采礦擾動影響地形地貌破壞Fig.1 Topography destruction caused by disturbance effect of underground mining

2.2 地面塌陷與地裂縫

地下采礦受開采方式及開采條件的不同,其擾動影響傳遞到地面后形成了塌陷盆地、塌陷坑、塌陷槽、塌陷臺階、地裂縫等,靠近山坡處還會形成陡崖。其形式見圖2。

圖2 地下采礦擾動影響地面塌陷Fig.2 Ground collapse caused by disturbance effect of underground mining

2.3 崩塌與滑坡

地下采礦擾動打破了原有地質體的應力平衡狀態(tài),地質結構遭到破壞,坡地重力災害發(fā)生風險增大,表現(xiàn)為崩塌與滑坡,其形式見圖3。

圖3 地下采礦擾動影響崩塌與滑坡Fig.3 Caving and landslides caused by disturbance effect of underground mining

2.4 潛在泥石流

受地下采礦擾動影響,含礦地質體結構發(fā)生松動,山體邊坡易發(fā)生巖土體崩落堆積,嚴重時形成崩塌、滑坡地質災害,成為泥石流災害發(fā)生的重要物源,從而使礦區(qū)小流域存在泥石流災害發(fā)生的潛在風險,其形式見圖4。

圖4 太原市萬柏林區(qū)虎峪河流域泥石流溝Fig.4 Debris flow gully in Huyuhe Basin in Wanbailin District, Taiyuan City

3 地下采礦擾動影響區(qū)調查方法

地下采礦擾動影響區(qū)調查工作涉及礦山企業(yè)多、采空分布范圍廣、采空形成原因復雜,且缺乏作業(yè)依據(jù),因此,可選擇資料分析法作為調查的技術手段。

3.1 調查走訪,搜集歷年采礦相關數(shù)據(jù)

資源型城市礦山企業(yè)多、地下采礦分布范圍廣、形成原因復雜、歷史圖件尺度不一、空間信息基準不一,且缺乏作業(yè)規(guī)范與理論依據(jù)。因此,主要收集現(xiàn)存的歷史采礦資料、各大型國有礦井采掘資料、礦產資源開發(fā)規(guī)劃資料、采煤沉陷區(qū)治理資料和煤炭資源私挖亂采分布資料等。

對于存在資料缺失的小煤礦和私挖亂采黑窯等客觀情況時,可采用實地調查、訪問知情人或群訪,輔助該部分區(qū)域采礦擾動影響區(qū)的劃定。

3.2 工作范圍內的多源、多尺度數(shù)據(jù)融合

收集的數(shù)據(jù)來自不同的管理部門和礦山企業(yè),其所采用的數(shù)據(jù)尺度、基準、表現(xiàn)內容等大多不同,并且各種數(shù)據(jù)來源不一、精度各異,進行后續(xù)分析之前必須對其進行融合加工,使其具有統(tǒng)一的空間參考模型。同時將多種尺度的數(shù)據(jù)進行制圖綜合,達到數(shù)據(jù)的尺度統(tǒng)一。

根據(jù)國家相關的基礎地理信息數(shù)據(jù)的保密規(guī)定,刪除所收集數(shù)據(jù)中涉及國防、軍事相關的地名等信息,防止成果數(shù)據(jù)包含軍事、國防等信息而泄密。

3.3 對所搜集的資料進行定量、定性分析

在定量確定地下采礦擾動影響區(qū)邊界線的基礎上,采用收集到的項目區(qū)內與地下礦體開采有關的資料,結合國有大礦已有的小煤礦分布圖、地質構造分布圖和煤層露頭線分布圖等對邊界線進行修正,得到定量與定性綜合分析的地下采礦擾動影響區(qū)。

3.4 確定地下采礦擾動影響區(qū),并提出相應管控措施

以野外核查、調查訪問的結果對前述確定的地下采礦擾動影響區(qū)進行完善,確定地下采礦擾動影響區(qū)范圍,并提出有針對性的管控措施,供政府規(guī)劃決策參考。總體技術路線見圖5所示。

圖5 總體技術路線圖Fig.5 Overall technology roadmap

4 結束語

本文提出了針對地質體的地下采礦擾動影響區(qū)概念,這是一個全新的課題,為今后深入研究地下采礦區(qū)域受擾動破壞土地再利用奠定了基礎。同時,為地質條件復雜、采礦時間跨度長、各種各類采礦活動變動頻繁等資源型城市地下采礦擾動影響區(qū)空間分布范圍調查提供了技術參考?；诒疚牡奶接?建議推進國家、省一級層面的科技部門開展地下采礦擾動影響專題研究,建立以含礦地質體為研究主體的地下采礦擾動影響區(qū)調查規(guī)范標準,為這一新課題的深入研究和應用提供支持。

[1] 張丁軒,付梅臣,陶金,等.基于CLUE-S模型的礦業(yè)城市土地利用變化情景模擬[J].農業(yè)工程學報,2013,29(12):246-256. ZHANG Dingxuan,FU Meichen,TAO Jin,etal.Scenario Simulation of Land Use Change in Mining City Based on CLUE-Smodel[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2013,29(12):246-256.

[2] 張丁軒.礦業(yè)城市土地利用時空變化及模擬[D].北京:中國地質大學(北京),2013.

[3] 楊鋒.礦業(yè)城市土地利用優(yōu)化配置研究[D].北京:中國地質大學(北京),2011.

[4] 郭平,周偉,袁濤,等.衰退型資源城市土地利用時空變化及驅動因素分析[J].水土保持研究,2016,23(4):191-198. GUO Ping,ZHOU Wei,YUAN Tao.Analysis on the Temporal and Spatial Change of Land Use and Its Driving Factors of Declining Resources-Based City[J].Research of Soil and Water Conservation,2016,23(4):191-198.

[5] 郭平,周偉,曹銀貴.衰退型資源城市土地集約利用研究[J].江蘇農業(yè)科學,2016,44(4):486-490.

[6] 韋仕川,馮科,邢云峰,等.資源型城市土地利用變化及生態(tài)安全數(shù)字模擬[J].農業(yè)工程學報,2008,24(9):64-68. WEI Shichuan,FENG Ke,XING Yunfeng,etal.Digital Simulation of Land Use Change and Ecological Security of Resources-based City[J].Transactions of the CSAE,2008,24(9):64-68.

[7] 渠愛雪.礦業(yè)城市土地利用與生態(tài)演化研究[D].北京:中國礦業(yè)大學,2009.

[8] 饒永恒.基于土地利用的礦業(yè)城市生態(tài)控制區(qū)劃定研究[D].北京:中國地質大學(北京),2016.

[9] 李亮,吳侃.礦山沉陷土地建筑利用安全性評價研究[C]//國際礦山測量協(xié)會(ISM).數(shù)字礦業(yè)城市、數(shù)字礦山建設信息技術學術研討會論文集.北京:國際礦山測量協(xié)會,2006.

[10] 周進生,吳強.礦業(yè)城市國土利用安全動態(tài)監(jiān)測[J].資源與產業(yè),2010,12(5):7-12. ZHOU Jinsheng,WU Qiang.Dynamic monitoring of Land Uilization security in Mining Cities[J].Resources & Industries,2010,12(5):7-12.