不穩(wěn)固巖層地質(zhì)災害機理及對策

李玉欽

摘要：經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求越來越大，促使礦山開采工作不斷擴展，開采深度也在日漸加深。不僅增加了礦山開采難度，而且還造成嚴重的地質(zhì)災害問題，不僅嚴重影響礦山開采活動的穩(wěn)步進行，同時還給人民、企業(yè)、環(huán)境等方面帶來了極為嚴重的負面影響。而礦山地質(zhì)災害發(fā)生過程當中，不穩(wěn)固巖層是引發(fā)礦山地質(zhì)災害的重要因素之一，常常造成礦山地質(zhì)災害頻繁發(fā)生，給礦山企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟損失，嚴重威脅到人民的生命財產(chǎn)安全。為此下文針對不穩(wěn)定巖層開采過程當中存在的一些問題進行詳細分析和探討，研究主要地質(zhì)災害的發(fā)生概率，介紹了有關(guān)礦山地質(zhì)災害類型充分結(jié)合對應采取的對策。參照類似礦山地質(zhì)災害實例，提出不穩(wěn)固巖層前期新技術(shù)預測和治理相結(jié)合的反饋體系模型，為控制和減少不穩(wěn)固巖層礦山地質(zhì)災害，起到有效的參考作用。

關(guān)鍵詞：不穩(wěn)固巖層；地質(zhì)災害；安全監(jiān)測

1.引言

我國地大物博，礦產(chǎn)資源非常豐富，同時還存在很多零星礦藏，這些礦床整體開采條件較差，常常發(fā)生一些地質(zhì)災害問題，給礦山安全開采造成很大影響。近年來我國經(jīng)濟快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求越來越大，這對于礦產(chǎn)品市場的發(fā)展起到了刺激作用。各大礦山企業(yè)也不斷擴大礦產(chǎn)資源勘探工作，大量購買礦藏資源。在此背景下涌現(xiàn)出很多私人采礦隊和礦山企業(yè)，他們在礦山開采過程當中，一味地追求礦山開采利益最大化，不重視礦山安全管理工作，投入方面還存在很大不足，開采觀念比較落后，缺少先進的技術(shù)力量，而且還存在環(huán)境保護意識淡薄的情況，再加上不規(guī)范的民采活動，對于開采環(huán)境造成了巨大破壞，致使礦山開采過程當中，不斷集聚災害隱患，一旦礦山災害爆發(fā)，不僅對礦山企業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失，影響采礦工作的順利進行，而且還會造成人員傷亡，破壞周圍環(huán)境，并造成嚴重的礦產(chǎn)資源浪費，得不償失。

近年來，非礦庫泄漏、滑坡以及礦坑突水、礦山冒頂、地表塌陷等地質(zhì)災害頻繁發(fā)生，不僅對礦山建設(shè)造成巨大影響，還造成嚴重的經(jīng)濟損失，威脅著人們的生命財產(chǎn)安全，也影響到礦山企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，對國家經(jīng)濟建設(shè)及社會發(fā)展也會造成嚴重的不良影響。

2.礦山地質(zhì)災害類型及機理

礦山地質(zhì)災害是一種破壞性巨大的地質(zhì)災害，主要是由于自然地質(zhì)因素與人為因素共同作用引發(fā)的礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境惡化，會對人類造成生命財產(chǎn)損失，以及破壞人們賴以生存物質(zhì)資源。

目前的礦山地質(zhì)災害主要有：（1）由于地下開采活動導致的地震災害以及巖爆、突水冒頂片幫以及地表裂隙和塌陷等；（2）山體滑坡、尾礦庫泄漏以及各種坍塌災害；（3）排土場穩(wěn)定性下降引發(fā)的泥石流災害；（4）礦山開采過程當中對地下水抽排，導致的地下水位下降、污染以及水源枯竭等各種災害。另外，礦山開采過程當中大量的廢渣堆積以及剝離礦山堆土造成的環(huán)境污染問題也很嚴重。一些礦床分布于不穩(wěn)固巖層之下，常常發(fā)生采空區(qū)塌陷以及崩塌泥石流災害等，同時還有片幫，冒頂與水土流失等各種災害。尤其是地下礦山開采過程當中，采空區(qū)塌陷問題非常突出，而露天礦山開采過程當中，常常導致滑坡、崩塌、泥石流等各種災害，文中主要對不穩(wěn)固巖層下礦山開采過程中產(chǎn)生地質(zhì)災害的機理進行分析探討，并在此基礎(chǔ)上提出有效的防治對策，希望能夠控制和降低不穩(wěn)固巖層地質(zhì)災害造成的不良影響，推動礦山開采工作的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展。

2.1采空區(qū)塌陷機理

在地下礦山開采過程當中，由于采礦階段的不同，同時再加上各個采礦盤區(qū)中的礦塊被采出之后，造成大量缺少支撐的空區(qū)面積。由于采空區(qū)面積不斷擴大，加上頂板自身存在的重量和上覆層帶來的巨大壓力作用，會逐漸出現(xiàn)變形問題，引發(fā)彎曲或者移動現(xiàn)象。當逐步積累到一定程度之后，頂板巖層內(nèi)部所形成的拉應力大于該巖層的抗拉強度極限值時，便會導致空區(qū)頂板出現(xiàn)斷裂或者破壞，導致頂板破碎的巖石出現(xiàn)冒落。在破壞采空區(qū)頂板時，處于上覆的巖層還會不斷向下進行彎曲與移動，導致冒落災害的發(fā)生，特別是由于開采范圍逐漸增大，再加上礦山開采過程當中爆破因素影響以及人體自身存在的重量，采空區(qū)頂板穩(wěn)定性被徹底打破，同時對周圍巖體也造成很大影響，并且這種影響是持續(xù)性的還會不斷加大。隨著礦層開采范圍逐漸擴大，由于爆破因素擾動，導致采空區(qū)頂板以及分布在上覆巖體和周邊破碎的圍巖不斷下落，或者突然垮塌，造成嚴重的地面塌陷，形成崩落帶，如果這些破壞區(qū)域存在建筑物或者農(nóng)田，也必定會受到相應的影響。

2.2邊坡失穩(wěn)與滑坡機理

由于風化侵蝕以及水、爆破震動等各種因素影響導致坡體底部軟弱結(jié)構(gòu)面強度出現(xiàn)改變，順著軟弱的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生傾倒或者滑動，便會引發(fā)邊坡失穩(wěn)災害的發(fā)生。露天開采過程當中，應當開挖一段臺階，這一階段礦山開采活動結(jié)束之后，需要對一定臺階坡度進行保留，來確保臺階外側(cè)巖體穩(wěn)定性。伴隨露天采礦工作的不斷擴大，形成很多臺階面，產(chǎn)生很多工作幫或者非工作幫，而在朝向采場一側(cè)，幫坡面上的巖體處于一種臨空狀態(tài)，側(cè)面支撐能力缺失。而且在開采過程當中臺階面逐漸擴大，由于并幫，致使邊幫的角度越來越大，減弱了破體穩(wěn)定性，同時重新分布巖體中的各種應力，導致坡體發(fā)生變形，坡體的平衡難以維持，某一結(jié)構(gòu)面剪切強度無法承受巖體應力，結(jié)構(gòu)弱面逐漸延伸，破壞巖體結(jié)構(gòu)，而導致滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生，滑移在不斷積累過程當中，便會形成滑坡災害。

2.3冒頂與片幫機理

在礦山開采過程當中，冒頂片幫具有普遍性，同時也具有偶然性，近年來礦山安全生產(chǎn)問題受到了人們的普遍關(guān)注。但是礦山開采過程當中，伴隨開掘活動以及采礦活動等對巖石進行切割，原來的應力平衡被打破，導致應力條件在井巷以及周圍巖礦中進行重新分布。很多節(jié)理層理發(fā)育于不穩(wěn)固的巖層當中，形成很多新的裂隙，難以有效支撐圍巖，同時具有應力集中現(xiàn)象存在于巷道頂板以及兩側(cè)，由于風化以及水解等各種因素影響，頂板以及兩幫的巖礦不斷變形引發(fā)垮落。采掘活動又擾動頂板及其兩側(cè)圍巖，由于重力因素影響，出現(xiàn)脫落與垮塌，在缺少支護或者支護不對時，極易導致冒頂片幫事故出現(xiàn)。

2.4排土場崩塌與滑坡機理

礦山開采過程當中產(chǎn)生大量的廢棄巖石、廢土，大量堆放在排土場，逐漸的累加在一起，導致邊坡不穩(wěn)情況出現(xiàn)，加劇滑坡災害的發(fā)生。這些邊坡災害的發(fā)生和路堤邊坡以及路塹邊坡存在很大不同，這些廢石、廢土是自然堆積，未進行夯實，而且堆積的這些廢石料都有自然安息角存在。如果堆積的坡度超過這個自然安息角之后，堆體將會出現(xiàn)一些滑移現(xiàn)象應引起崩塌，對排土場不合理的選址以及過度堆積，在山洪作用因素影響下，滑坡災害發(fā)生時便會是崩塌和泥土共同下泄，產(chǎn)生泥石流，引發(fā)嚴重的災害。

3.地質(zhì)災害實例及對策

3.1采空區(qū)塌陷事件及對策

這種災害的事例非常多，而且造成的破壞和影響非常的大。都里鐵礦是安陽市的一個重要鐵礦，在開采過程中突然出現(xiàn)大面積的地面塌陷，塌陷坑長、寬、深分別為100m、50m、60m。定遠縣石膏礦在開采過程當中，也出現(xiàn)大面積的采空區(qū)塌陷，達到23000m2，大于2m的最大沉降。黑龍江的西林鉛鋅礦以及河北壽王墳銅礦在開采過程當中，也產(chǎn)生大面積的采空區(qū)崩塌問題。

在治理這些采空區(qū)塌陷過程當中，應當對應力集中位置進行轉(zhuǎn)移，避免巖體應力過度集中，也可釋放圍巖中的應力，來減少此類災害發(fā)生，確保礦山安全生產(chǎn)。對于這些采空區(qū)塌陷，可以通過崩落圍巖手段進行處理，也可利用充填料進行填充，還可預留礦柱進行支撐，并可開展封閉隔離，通過混合法進行處理。

3.2邊坡失穩(wěn)與滑坡事件及對策

這類災害造成的破壞性非常巨大，常常會引發(fā)嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。如姑山露天采場在礦山開采過程當中，東北角區(qū)域曾經(jīng)出現(xiàn)嚴重的坍塌位移，滑體的長、寬分別為120m、25m，達到8×104m3。拉拉銅礦在2001年時，出現(xiàn)的滑坡災害、滑坡體達到3×104m3的塌方量；在2006年時還在同一位置再次發(fā)生滑坡災害，而且此次發(fā)生面積更大，塌方量達到了6×104m3。在應對此類災害過程當中，應當對坡面角合理確定，并做好監(jiān)測檢查工作，將維護工作充分落到實處，把防洪設(shè)施設(shè)置于露天礦的邊緣進行水流疏導，同時加固邊坡，有效監(jiān)測滑坡體，避免無證開采情況，嚴禁非法開采。

3.3冒頂與片幫事件及對策

在采礦作業(yè)過程當中，冒頂片幫事故發(fā)生概率在40%左右，規(guī)模相對較小，然而引發(fā)的破壞性卻非常巨大。如羅子溝油頁巖礦在2007年曾經(jīng)發(fā)生過嚴重的冒頂片幫事故，造成二人死亡。包頭泉山金礦在2008年4月發(fā)生一次嚴重的冒頂片幫事故，引發(fā)一人死亡。為了更好地應對冒頂片幫事故發(fā)生，應當及時檢查頂板松石并做好相應的處理工作，對采礦方法科學選擇，以免延時長時間暴露，及時支護、錨固，做好位移監(jiān)測預報。

3.4排土場發(fā)生崩落與滑坡事故的分析及對策

在設(shè)計排土場過程中，需要和廠址區(qū)域的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件充分結(jié)合，綜合考慮各種因素，科學地進行選址。在確保穩(wěn)固和安全前提下，對排土場的場址范圍以及技術(shù)規(guī)格和相關(guān)參數(shù)進行確定，并制定相應的進度計劃，科學合理地進行安排，保證經(jīng)濟效益和安全性，并做好環(huán)境保護工作?；袅趾颖甭短斓V排土場在2005年曾經(jīng)出現(xiàn)過嚴重的滑坡事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。在應對這些災害過程當中，可以采用下列措施，如對排土場的排頭設(shè)施進行建設(shè)與完善，合理的建設(shè)護墻擋坡，對排土工藝合理調(diào)整，做好科學的選址，加強排土場位移監(jiān)測。

4.災害預測控制新思路

地質(zhì)災害不僅具有偶發(fā)性的特點，同時還有其發(fā)生的必然性，對各類地質(zhì)災害發(fā)生情況進行分析研究，很多地質(zhì)災害的發(fā)生機理是由于長時間的積累所引發(fā)。在地質(zhì)災害控制過程中，一些礦山企業(yè)采用被動式的措施進行防治。巷道與采場掘進初期采取的措施較為主動，通過支護措施來保護巖層破碎地帶，面對不穩(wěn)固的圍巖采掘過程當中，利用邊采掘邊支護的方式，由于后期階段不重視收集處理巖層信息，致使一些災害發(fā)生之后利用補救措施進行應對，而很多地質(zhì)災害的發(fā)生主要是由于監(jiān)測處理不完善所致，所以，應當針對礦山地質(zhì)災害制定完善的信息反饋系統(tǒng)（見圖1）。

該系統(tǒng)在災害信息收集過程中，基于監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場勘查開展相應檢測。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析處理，并向管理部門反饋預測信息。管理部門依照地質(zhì)災害的實際位置以及嚴重情況，持續(xù)性地進行監(jiān)測，達到防治與預防的協(xié)同發(fā)展。

（1）監(jiān)測系統(tǒng)：能夠自動監(jiān)測巖體的應力以及溫濕度變化和位移情況。

（2）信息采集：采集的信息不僅包括檢測系統(tǒng)返回的信息，而且還涉及工作人員提供的初期切斷地質(zhì)條件，和實際現(xiàn)場觀測與勘察，并收集機器擾動以及爆破、震動等各種因素，同時篩選相應的數(shù)據(jù)，對有用的信息進行選擇，并排除干擾，在動態(tài)數(shù)據(jù)庫中輸入、處理相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）動態(tài)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：對于全部信息進行存儲，對巖石穩(wěn)定性展開綜合分析，對監(jiān)測對象穩(wěn)固性展開預測，并對可能發(fā)生災害的區(qū)域進行預報，向管理部門及時反饋。

（4）管理部門：根據(jù)監(jiān)測預報情況，制定完善的處理措施。

（5）設(shè)計施工：根據(jù)管理部門指示要求，科學合理的設(shè)計施工措施，并在設(shè)計要求下組織施工。該系統(tǒng)主要是預防為主，治理為輔，在控制和降低災害發(fā)生時，避免機械設(shè)備和人員傷亡，同時避免農(nóng)田和建筑物遭受破壞，有效控制了治理費用的投入。

5.結(jié)語

當前，高速發(fā)展的信息化技術(shù)，并在礦山建設(shè)中得到了普遍應用。礦山地質(zhì)災害信息反饋系統(tǒng)的構(gòu)建，對礦山安全生產(chǎn)提供了很大幫助，不僅可以對礦山地質(zhì)災害進行監(jiān)測與分析，同時還能動態(tài)地進行監(jiān)測與預報。這些先進的信息化技術(shù)手段應用于礦山建設(shè)與發(fā)展過程中，不僅大大提升了礦山地質(zhì)災害的監(jiān)測預報能力，還為礦山地質(zhì)災害治理提供了很大的便利，有效預防礦山地質(zhì)災害的發(fā)生，對提高采礦的安全性意義重大。

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