閻 偉
(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)太原有限公司,山西 太原 030006)
煤礦開采中所產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害主要有地面塌陷、滑坡、泥石流以及水土流失等等。隨著煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大,礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類別以及范圍等均進(jìn)一步擴(kuò)大,這對(duì)于礦區(qū)人們正常生活及煤礦開采作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的影響,礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害問題已經(jīng)成了我國(guó)煤礦區(qū)環(huán)境治理的重點(diǎn)問題之一。
董家溝煤礦位于遼寧省境內(nèi),揭露地層主要有古生界奧陶系、石炭系及新生界第四系,露天開采的礦段位于礦區(qū)的中部和東南部,煤層地表出露較好或埋藏較淺的礦段進(jìn)行,主要開采2號(hào)煤層。煤礦總面積為27 km2,其中開采場(chǎng)地面積為7 km2,排矸場(chǎng)所占地面積為13.7 km2,工業(yè)場(chǎng)地所占面積為3.9 km2,居民生活區(qū)域占地面積為2.2 km2。礦區(qū)最高海拔標(biāo)高為+200 m,最低海拔標(biāo)高為+160 m,平均海拔標(biāo)高為+170 m。整體來(lái)說東部及南部地勢(shì)相對(duì)較高,西部及北部地勢(shì)相對(duì)較低。
煤礦區(qū)屬于溫帶大陸性氣候,夏季氣溫較高,且降雨量較大;冬季較寒冷,雨雪較少;春季濕度較低,且風(fēng)沙較大。每年降雨多集中在6~8月。
煤礦開采區(qū)域的地下水主要為第四系潛水。含水層深度在2~8m范圍內(nèi),厚度值為6 m。北部潛水坡度值為2‰,滲透系數(shù)在8~19 m/d之間;東南部潛水從東南方向流至西北方向,滲透系數(shù)在25~40 m/d之間。第四系潛水的補(bǔ)給主要來(lái)源依靠大氣降水。
煤礦區(qū)的巖層結(jié)構(gòu)主要為洪積層及沖積層,巖性屬于砂質(zhì)粘土及黃土。礦區(qū)構(gòu)造多為單斜,煤層整體走勢(shì)為NE傾向?yàn)镾E。煤礦區(qū)主要巖石物理性質(zhì)如表1所示。
表1 煤礦區(qū)主要巖石物理性質(zhì)
煤礦區(qū)的巖石的容重、孔隙率及密度等與巖體賦存深度存在直接關(guān)聯(lián)性。頁(yè)巖容重及密度均隨著埋深的增加而增大,另外,巖體孔隙率及含水率隨埋深的不斷增加而降低。
煤礦在開采中常會(huì)出現(xiàn)一些滑坡問題?;聻?zāi)害除對(duì)煤礦開采造成影響外,還會(huì)影響到周圍一些建筑工程。該礦近期出現(xiàn)了較多的滑坡,表明了邊坡的穩(wěn)定性存在著嚴(yán)重問題,未來(lái)可能還會(huì)導(dǎo)致更多的滑坡災(zāi)害出現(xiàn)。導(dǎo)致邊坡體滑坡災(zāi)害的原因主要有以下兩點(diǎn):
(1)巖性。發(fā)生滑坡,很大程度上和邊坡巖體結(jié)構(gòu)及組成存在直接關(guān)聯(lián)性。導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)滑坡問題的主要原因是由于巖體屬于軟弱巖體。由于煤礦區(qū)的巖石主要包含有砂巖、頁(yè)巖以及炭質(zhì)頁(yè)巖等,泥頁(yè)巖巖石在吸水之后將會(huì)發(fā)生相對(duì)大的體積膨脹,而且在飽水之后還會(huì)表現(xiàn)出塑性變形,極易出現(xiàn)碎裂;而砂巖雖然自身的致密性相對(duì)好,巖性相對(duì)也較硬,但由于存在較多的節(jié)理裂縫,使得這種巖體也極易產(chǎn)生破裂。
(2)地下水。和滑坡災(zāi)害存在密切關(guān)聯(lián)性因素便是水的因素。巖體在發(fā)生滑坡災(zāi)害時(shí)基本上都會(huì)受到地下水的影響。根據(jù)煤礦區(qū)滑坡災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,對(duì)整個(gè)井田區(qū)域范圍進(jìn)行調(diào)查,一共發(fā)生滑坡災(zāi)害共56處,在所發(fā)生的大型滑坡災(zāi)害之中,有30次滑坡災(zāi)害是受到了地下水的影響。在煤礦區(qū)之中,尤其在冬季氣溫較低的情況下,邊坡位置地下水滲流至地表,出現(xiàn)凍凝并形成冰壩,嚴(yán)重地阻礙了地下水順利排出地表,導(dǎo)致了地下水位急劇上升,使得地下水壓力不斷增加,從而導(dǎo)致邊坡滑坡災(zāi)害的發(fā)生。
在工業(yè)場(chǎng)地及居住區(qū),很多地方出現(xiàn)地表隆起或地表塌陷的問題,使得很多建筑物發(fā)生開裂變形。在煤礦生態(tài)治理景觀臺(tái)建筑的南側(cè)位置,地面出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫問題,很多區(qū)域的地表下沉量達(dá)到80 cm,而且一些地表出現(xiàn)了較多的空洞。在景觀臺(tái)建筑的東部位置處排水溝同樣也出現(xiàn)了變形。地面沉陷現(xiàn)場(chǎng)見圖1。
圖1 地面沉陷現(xiàn)場(chǎng)照片
煤礦區(qū)中,地面裂縫同樣較嚴(yán)重。在煤礦稱重區(qū)域的下部位置,存在范圍較大的裂縫,整條裂縫的長(zhǎng)度達(dá)到了130m,裂縫最寬處達(dá)到了20 cm。該裂縫發(fā)育原因是由于一些底層強(qiáng)度相對(duì)弱的巖體,受到地下水長(zhǎng)期作用,導(dǎo)致底層性質(zhì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致了底層出現(xiàn)形變而產(chǎn)生錯(cuò)位等地質(zhì)災(zāi)害,最終在地面形成裂縫。
該煤礦開采屬于露天開采,由于受到開采條件、開采工藝、開采設(shè)備,以及斷層結(jié)構(gòu)等多方面因素影響,在采空區(qū)域有較多的殘煤存在。尤其一些部位屬于淺部開挖,與地表的裂隙相互連接,更易導(dǎo)致殘煤自燃問題的發(fā)生。殘煤自燃現(xiàn)場(chǎng)照片見圖2。目前,對(duì)煤礦開采區(qū)域中的發(fā)火點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè),在200處發(fā)火點(diǎn)之中,其中50處發(fā)火點(diǎn)屬于主要發(fā)火點(diǎn)。在對(duì)殘煤自燃進(jìn)行評(píng)價(jià)之后得出,殘煤發(fā)生自燃主要是受到了下列因素的影響:
(1)處于常溫條件下,煤擁有相對(duì)高的氧化活性。
(2)擁有相對(duì)較高的氧濃度值。
(3)不間斷漏風(fēng),且漏風(fēng)的強(qiáng)度大。
(4)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的氧化時(shí)間。
圖2 殘煤自燃現(xiàn)場(chǎng)照片
由于該煤礦的殘煤邊坡表層位置很多煤粉一直暴露于大氣之中,相對(duì)來(lái)說氧氣含量較為充足。并且受到施工的影響,導(dǎo)致了邊坡部位產(chǎn)生非常多的裂隙,存在嚴(yán)重的漏風(fēng)問題。這些因素均導(dǎo)致了煤礦區(qū)中殘煤自燃問題經(jīng)常發(fā)生,而且殘煤自燃問題有著繼續(xù)擴(kuò)大的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
在坡體前端的中部位置,通過設(shè)置抗滑樁,有效的避免滑坡的發(fā)生。設(shè)置抗滑樁的截面大小為2 m×3m,相鄰抗滑樁之間間距值約為8 m,抗滑樁的長(zhǎng)度值為25~30 m,不同位置抗滑樁的長(zhǎng)度依邊坡實(shí)際情況進(jìn)行確定。要確保打入到基巖之中的樁體長(zhǎng)度應(yīng)超出抗滑樁總長(zhǎng)的1/4。此外,還要加強(qiáng)邊坡的綠化工作,采用魚鱗坑種植方式或是采用空心磚圍土種植方式。種植一些喬木植物及灌木植物,還應(yīng)在樹木間種植綠色植被,有效地防止邊坡水土流失,提升邊坡的穩(wěn)定性。邊坡治理見圖3。
圖3 邊坡治理
在煤礦區(qū)之中出現(xiàn)地表塌陷,導(dǎo)致地表及建筑物均出現(xiàn)了不同程度的變形與開裂。對(duì)這些地面沉陷進(jìn)行分析,認(rèn)為造成地表沉陷的主要原因是因?yàn)檫@些區(qū)域之中存在著隱伏的滑動(dòng)邊坡層結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@些滑動(dòng)邊坡層的運(yùn)動(dòng),使地表產(chǎn)生了一定的變形以及沉陷。在對(duì)沉陷及裂縫進(jìn)行治理的中,采用水泥砂漿注漿的方式灌注處理。而對(duì)于一些空化區(qū)域則通過鉆孔注漿的方式進(jìn)行,再填充相應(yīng)的加固物質(zhì),從而達(dá)到加固效果。
采用注水對(duì)殘煤進(jìn)行冷卻處理,達(dá)到降溫的同時(shí)將殘煤和空氣有效隔絕。采用注水降溫方案,可以通過輸水管路經(jīng)由泵站將水輸送至火區(qū),完成滅火工作。此外,還可以采用輸水車進(jìn)行輸水滅火。對(duì)一些自燃范圍相對(duì)小的火區(qū),自燃范圍不超過2 m,則通過輸水車滅火的方式進(jìn)行滅火。此種方法能夠快速的達(dá)到滅火效果。不過,一些火區(qū)由于范圍相對(duì)大,在滅火之后也易出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。
另外,還能夠?qū)⒁恍碛薪禍匾约白枞甲饔玫臐{液注入至巖石之中,能夠有效的將可燃物質(zhì)屏蔽,同時(shí)還能夠降低殘煤的溫度值,可以有效防止殘煤自燃問題的發(fā)生,其適用于一些范圍較大的火區(qū)防火工作之中。
選取綜合治理區(qū)域中6個(gè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),治理前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。
在對(duì)綜合治理現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)之后發(fā)現(xiàn),利用相應(yīng)方案進(jìn)行治理之后,可以有效的控制邊坡穩(wěn)定性,確保邊坡的變形區(qū)域緩和,這也證明了綜合治理效果非常顯著,所制定的方案具有較強(qiáng)可行性,為煤礦礦區(qū)未來(lái)進(jìn)行地質(zhì)景觀公園的建設(shè)建立了良好的基礎(chǔ)保障。
表2 治理前后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)