礦-城型露天礦環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害綜合治理與利用思路

繆海賓，趙 賀，王海洋

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

礦業(yè)城市，是一個古今中外都有的概念。圍繞一個礦產(chǎn)資源豐富的地區(qū)形成一個以礦石開采、加工、冶煉為主要產(chǎn)業(yè)的城市，就是礦業(yè)城市。但在不同的發(fā)展階段、不同的生產(chǎn)力水平條件下，礦業(yè)城市的數(shù)量、規(guī)模、地位和作用是不同的。在社會主義計劃經(jīng)濟時期，為滿足工業(yè)發(fā)展的需要，建立了一大批礦業(yè)城市。這類礦業(yè)城市發(fā)展迅速，其規(guī)模龐大，各種生產(chǎn)、服務(wù)、管理機構(gòu)完善。前蘇聯(lián)的頓巴斯（煤）、庫茲巴斯（煤）、巴庫（石油）、磁山（鐵）、米爾內(nèi)（金剛石）等，德國的萊因區(qū)（煤），我國的阜新（煤）、大同（煤）、克拉瑪依（石油）、大慶（石油）、銅陵（銅）、攀枝花（鐵）、金川（鎳）、平頂山（煤）、烏海（煤）、六盤水（煤）等都是在計劃經(jīng)濟時期發(fā)展起來的礦業(yè)城市。

我國的礦業(yè)城市發(fā)展有2 個高峰期：1 個高峰在“3 年經(jīng)濟恢復(fù)時期”到“文革”之前，在此期間對煤、鐵、石油、有色金屬的勘探取得一系列突破，許多大型、超大型礦床和礦床群集區(qū)的發(fā)現(xiàn)為建立礦產(chǎn)開發(fā)基地奠定了資源條件，而每1 個大型礦產(chǎn)開發(fā)基地的建設(shè)藍圖就是1 座礦業(yè)城市, 這一時期形成了如平頂山、石嘴山、烏海、克拉瑪依、包頭、白銀等的全新的礦業(yè)城市, 還有一些城市是在原來就是礦業(yè)城市的基礎(chǔ)上擴大發(fā)展的，如阜新、撫順、黃石、銅陵等；第2 個高峰是“三線”建設(shè)時期，攀枝花、六盤水是這一時期形成的具有代表性的礦業(yè)城市。改革開放以后，除個別石油城市（如東營、盤錦、庫爾勒）外，我國基本上已不再形成新的礦業(yè)城市。礦業(yè)城市為新中國的發(fā)展做出了極其重大的貢獻，與此同時，隨其逐漸步入衰竭期，環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問題日益凸顯。

1 礦業(yè)城市分類

城礦關(guān)系是判斷城市對資源依存度的重要指標。城礦關(guān)系可分為三級[1-3]：一級表示城市對礦山的依存度高，屬于這一級的城市，其礦山主要在城市的城區(qū)和郊區(qū)；二級表示城市對礦山的依存度較高，屬于這一級的城市，其礦山部分位于城市的城區(qū)和郊區(qū)，部分位于城、郊之外該城市所管轄的行政區(qū)的其他地方；三級表示城市對礦山的依存度較低，屬于這一級的城市其礦山不在城區(qū)和郊區(qū)，而是散布在該城市所管轄的行政區(qū)內(nèi)。

如果1 座城市城礦之間具有一級依存度，且礦業(yè)為該城市的最主要支柱產(chǎn)業(yè)，則它是1 座真正的礦業(yè)城市。在這種情況下，城市極力調(diào)動各種管理的、經(jīng)濟的、社會的力量為礦業(yè)服務(wù)。如果屬于二級依存度，該城市只是1 座半礦業(yè)城市，城市除為礦業(yè)服務(wù)外，還為城市內(nèi)的許多其他的產(chǎn)業(yè)提供服務(wù)。如果屬于三級依存度，那么嚴格地說，它應(yīng)該是1 座常規(guī)城市而非礦業(yè)城市，與其他常規(guī)城市的區(qū)別僅在于在該城市所管轄的行政區(qū)內(nèi)，礦山更為密集一些。

在98 座礦業(yè)城市中，開發(fā)煤炭資源的城市有45 座，開發(fā)油氣、鐵礦、有色金屬及其他資源的城市有53 座，煤城占全部礦業(yè)城市數(shù)目將近1/2。

按城礦關(guān)系，城礦之間具有一級依存度的城市共有48 座（占全部礦城的49%），其中煤城29 座，油氣城、鋼鐵城等19 座。由此可見，在真正意義的礦城中，煤城占了很大比重。城礦之間具有二級依存度的城市共有16 座；屬于三級依存度的礦城有34 座。在98 座礦業(yè)城市中，屬于發(fā)展期的城市有10座，占礦業(yè)城市總數(shù)的10.2%；屬于穩(wěn)定期的城市有70 座，占71.4%；屬于衰竭期的城市有18 座，占18.4%。處于穩(wěn)定期的礦業(yè)城市占了大多數(shù)，這是符合我國現(xiàn)階段礦業(yè)城市的興衰規(guī)律的。按照資源開發(fā)展階段對礦業(yè)城市分類屬于衰竭型的礦業(yè)城市有阜新、撫順、大同、雞西等,大部分是煤城。衰竭型礦業(yè)城市是各方面關(guān)注的重點，制訂這類城市的改革、轉(zhuǎn)型和發(fā)展戰(zhàn)略也最為急迫。我國資源枯竭型城市名單（2013）見表1。

表1 我國資源枯竭型城市名單（2013）Table 1 List of resource exhausted cities in China（2013）

建國以來建設(shè)的98 座礦業(yè)城市，構(gòu)成了新中國能源和原材料工業(yè)的脊梁，成為我國礦業(yè)的資源、生產(chǎn)、技術(shù)、教育、管理和服務(wù)中心，支撐起我國獨立的、強大的能源和原材料供應(yīng)體系，對新中國突破冷戰(zhàn)封鎖，實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化發(fā)揮了不可替代的作用。因此，礦業(yè)城市對新中國的資源安全功不可沒。

2 礦-城型環(huán)境露天礦地質(zhì)災(zāi)害分類及成因

隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)力度的不斷加大，礦山地質(zhì)災(zāi)害也頻繁發(fā)生，嚴重威脅礦區(qū)正常生產(chǎn)和周邊城市的安全，針對露天礦地質(zhì)災(zāi)害的研究也逐漸引起人們的重視。通過現(xiàn)場勘查和數(shù)據(jù)資料分析，礦-城型露天礦典型的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害主要有崩塌、滑坡、泥石流、煤自燃、地裂縫等[4-8]。這些地質(zhì)災(zāi)害的孕育、誘發(fā)、形成與礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)等因素密切相關(guān)，隨著時間的推移這些災(zāi)害會有積累效應(yīng)，各災(zāi)害之間相互影響極有可能形成連鎖反應(yīng)，對露天礦區(qū)和周邊造成嚴重的影響。露天礦常見的地質(zhì)災(zāi)害類型如圖1。

圖1 露天礦常見的地質(zhì)災(zāi)害類型Fig.1 Common types of geological disasters in open pit mines

總體來看，影響露天礦地質(zhì)災(zāi)害的主要因素可以分為內(nèi)外2 個方面：①內(nèi)在因素主要為礦區(qū)的地質(zhì)條件，包括巖性特征、斷裂帶活化、老滑體、邊坡巖體弱層、破碎帶、軟弱結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)構(gòu)造、邊坡應(yīng)力狀態(tài)等；②外在因素為氣候、人類活動，包括汛期降雨、凍融、采礦、人工爆破等。露天礦地質(zhì)災(zāi)害成因如圖2。

2.1 內(nèi)在因素

1）巖性特征。不同礦物的強度不同，某些原生礦物易溶于水，易風(fēng)化，強度隨時間而減弱；長石類礦物風(fēng)化后分解成次生黏土礦物，其中蒙脫石吸水性較強，往往遇水導(dǎo)致滑坡。我國露天煤礦中順層面滑坡多為此類[9]。

2）軟弱夾層。露天煤礦中常遇到的軟弱夾層有黏土層、炭質(zhì)頁巖層、泥巖層、薄煤層、頁巖層等，這些軟弱夾層在雨水和地下水的作用下變軟發(fā)生滑動。海州露天礦滑坡區(qū)普遍發(fā)育薄煤層和碳質(zhì)、泥質(zhì)頁巖夾層；平莊西露天礦非工作幫發(fā)育軟泥巖薄層等，這都是導(dǎo)致滑坡的重要因素。

圖2 露天礦地質(zhì)災(zāi)害成因Fig.2 Causes of geological disasters in open pit mines

3）地質(zhì)構(gòu)造。切割、分離坡體的地質(zhì)構(gòu)造越發(fā)育，形成滑坡的規(guī)模往往也就越大越多。巖石的層理、頁理、片理等構(gòu)造使得巖石的強度具有方向性，沿層理等方向巖石的強度比垂直方向底很多，容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；斷層既可以構(gòu)成滑動面，又可以構(gòu)成滑體兩側(cè)的界面。如撫順西露天礦北幫附近的F1和F1A的斷層直接控制礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

4）水與巖石相互作用。露天煤礦發(fā)生滑坡絕大部分與水的直接或間接參與有關(guān)，降水，暴雨、強降雨對坡面進行沖刷、浸泡使巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，由于水化學(xué)作用，導(dǎo)致滑面處的軟巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變；地下水地下水位較高，受地下水的浸泡，軟巖出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，含水率增大，蠕變性能增大，最終導(dǎo)致滑坡、泥石流等災(zāi)害。

2.2 外在因素

1）氣候條件。暴雨或長期降雨使邊坡巖體過分濕潤；溫度的劇變加速巖體的風(fēng)化作用。這些都會降低巖體強度，破壞了邊坡的穩(wěn)定性，造成嚴重的地質(zhì)災(zāi)害。具體為：①降水：大氣降水是造成滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的重要因素，海州露天礦非工作幫第21 次滑坡因阜新地區(qū)50 年一遇的大雨造成，日降雨量151 mm，造成了嚴重的影響；②凍結(jié)與融化：一方面巖石裂隙中水凍結(jié)會增大體積，導(dǎo)致裂隙加寬，降低巖石黏聚力，另一方面冰層融化時會加大巖層含水量，造成邊坡失穩(wěn)；③風(fēng)化作用：是指雨水沖刷、溫度變化等對邊坡巖體的破壞作用，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)面增大，條件惡化，勢必對邊坡穩(wěn)定性造成不利影響；④殘煤自燃：由于開采方式和開采設(shè)備等條件的限制，會有部分煤殘留在地層內(nèi)，在一定條件下形成殘煤自燃現(xiàn)象，造成地層內(nèi)出現(xiàn)空區(qū)，降低巖層強度，造成巖層移動，形成新的縫隙，導(dǎo)致滑坡,2020 年6 月海州露天礦南幫2 起地質(zhì)災(zāi)害就是由于殘煤自燃引起的。

2）人類活動。人類活動對礦山地質(zhì)條件的改造及對礦山安全的影響巨大，極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。具體為: ①井工開采：在露天礦端幫下部進行井工開采，使端幫形成地裂縫、地面沉陷等，地表水沿裂縫進入巖體，使得巖石強度降低，引發(fā)滑坡；②震動誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害：由于井下開采引起的礦震，在巖體中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)面，從而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，另外礦區(qū)生產(chǎn)所產(chǎn)生的煤爆、運輸?shù)壬a(chǎn)活動均可以誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；③露天開采與地下開采相互影響：露天開采與地下開采同時進行，互相作用也會誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；④開采方式：在坡底搶采殘留煤壁，人為增大邊坡坡腳，造成邊坡失穩(wěn)發(fā)生危險。

3 礦-城型露天礦環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害綜合治理思路

礦-城型露天礦的地質(zhì)災(zāi)害治理不僅要考慮露天礦本身情況，還要兼顧礦區(qū)對周圍擾動區(qū)的損害與治理。

3.1 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理

我國露天礦常用的治理方法有很多[10-12]，結(jié)合邊坡失穩(wěn)的因素和地質(zhì)災(zāi)害形成的內(nèi)外部條件，綜合治理方法主要有：

1）削坡減載。用降低邊坡高度或放緩坡角來改善邊坡的穩(wěn)定性。削坡設(shè)計應(yīng)盡量削減不穩(wěn)定巖土體的高度，而阻滑部分巖土體不應(yīng)削減。此法并不總是最經(jīng)濟、最有效的措施，要在施工前作經(jīng)濟技術(shù)比較。

2）疏干排水。在有水活動的地段，布置排水構(gòu)筑物，以進行攔截與疏導(dǎo)。包括排出邊坡地下水和防止地表水進入。常用的方法有：水平鉆孔疏干、垂直孔排水、豎井抽水、隧洞疏干、支撐盲溝。

3）人工加固。通過一定的工程技術(shù)措施，改善邊坡巖土體的力學(xué)強度，提高其抗滑力，減小滑動力。常用的方法有：①支擋：修筑擋土墻、護墻等支擋不穩(wěn)定巖體；②抗滑樁：鋼筋混凝土抗滑樁或鋼筋樁作為阻滑支撐工程；③預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索：適用于加固有裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡；④注漿：固結(jié)灌漿或電化學(xué)加固法加強邊坡巖體或土體的強度；⑤鑲補溝縫：對坡體中的裂隙、縫、空洞，可用片石填補空洞，水泥沙漿溝縫等以防止裂隙、縫、洞的進一步發(fā)展。

每一種治理方法都各有特點，要結(jié)合露天礦的地質(zhì)條件和工作現(xiàn)狀進行分析，選擇最合適的治理方法。

3.2 周邊地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理

周邊地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理，首先對露天礦周邊城區(qū)建筑物的詳細調(diào)查，綜合分析城區(qū)地質(zhì)情況、地表監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，得到邊坡影響區(qū)的地表變形規(guī)律，分析位于露天礦邊坡不同距離、修建年代、結(jié)構(gòu)形式的建筑物損害特征，依據(jù)相關(guān)規(guī)范對露天礦周邊建筑物破損情況進行分區(qū)，并提出針對不同區(qū)位建筑物的加固建議和措施。

以撫順西露天礦城地區(qū)為例，針對不同位置，采用不同的治理手段，撫順西露天礦周邊建筑物治理方法見表2。

表2 撫順西露天礦周邊建筑物治理方法Table 2 Treatment method of surrounding buildings in Fushun west open pit mine

4 礦-城型露天礦利用思路

1）堅持國家支持，地方主導(dǎo)的基本政策。要明確任務(wù)目標，落實國家支持，確定實施責(zé)任主體。國家有關(guān)部門加大各項政策和資金支持力度，做好指導(dǎo)工作。地方政府負實施主體責(zé)任，地方相關(guān)企業(yè)配合政府做好由采轉(zhuǎn)治、總體規(guī)劃、工程實施和開發(fā)建設(shè)等相關(guān)工作。理順企業(yè)和城市行政管理體制，確保城企聯(lián)動、形成合力。積極鼓勵和支持各類企業(yè)、科研院所等社會力量參與露天礦綜合治理與整合利用。

2）保證多災(zāi)并治，治用結(jié)合的基本方案。露天礦地質(zhì)條件復(fù)雜，各種災(zāi)害同時發(fā)育，開展本質(zhì)安全型的治理方式，將為后續(xù)循環(huán)開發(fā)利用和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定穩(wěn)定基礎(chǔ)。綜合治理與整合利用方案應(yīng)在安全可靠的前提下，遵循綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展理念，深度考慮多災(zāi)多治、多災(zāi)同治、協(xié)同治災(zāi)等方面的綜合治理模式，有序?qū)崿F(xiàn)“治用一體化”“治建一體化”，實現(xiàn)綜合治理與開發(fā)利用協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

3）堅持尊重自然，保持地貌的基本原則。遵循自然規(guī)律，將生態(tài)功能自我修復(fù)和系統(tǒng)功能重塑有機結(jié)合起來，充分利用大自然的自我恢復(fù)能力，對其必要過程、重點環(huán)節(jié)、特殊因素等方面采取工程修復(fù)，最大限度的實現(xiàn)露天礦資源價值開發(fā)利用和城市生態(tài)系統(tǒng)和諧統(tǒng)一。

4）堅持資源再生，循環(huán)利用的基本規(guī)劃。以露天礦綜合治理和整合利用為突破口，著力提高礦產(chǎn)資源回收利用率，加快推進采煤沉陷區(qū)、尾礦庫、煤矸石山、排土場等損毀土地整治力度，因地制宜逐步復(fù)墾為林地、農(nóng)田和建設(shè)用地。堅持土地節(jié)約集約利用，認真研究重大廢棄土地整治到位后的盤活利用，結(jié)合每個露天礦的實際情況[13-15]，設(shè)計再利用模式，讓每一寸土地發(fā)揮最大的效益。部分露天礦再利用開發(fā)模式見表3。

表3 部分露天礦再利用開發(fā)模式Table 3 Reuse development mode of some open pit mines

5 撫順西露天礦利用思路

撫順西露天礦遵照習(xí)近平總書記關(guān)于“城市建設(shè)要以自然為美，把好山好水好風(fēng)光融入城市，使城市內(nèi)部的水系、綠地同城市外圍河湖、森林、耕地形成完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”的指示精神，計劃依托原有地形地貌和已有設(shè)施，把西露天礦坑的歷史文化和自然資源有效利用到極致，打造西露天礦坑世界生態(tài)歡樂谷，成為城市綠肺和文旅康養(yǎng)功能區(qū)，從而徹底改變城市生態(tài)面貌。圍繞西露天礦坑及其周邊區(qū)域25.3 km2范圍，初步設(shè)想構(gòu)建“一核兩廊兩園四區(qū)”的城市空間格局。

“一核”即西露天礦坑及西邊幫端界范圍內(nèi)的11.7 km2，利用獨具特色的巨大工業(yè)礦坑地貌資源，構(gòu)筑面向未來的集生態(tài)科學(xué)教育、國家礦山公園、體驗式旅游和現(xiàn)代競技活動于一體的城市中央活動區(qū)?！皟衫取奔囱亓鹘?jīng)礦坑西部的古城子河以及流經(jīng)礦坑南部的千金河，建設(shè)十字交叉的濱河生態(tài)運動休閑走廊?！皟蓤@”即進一步完善礦坑?xùn)|南部已有的平頂山慘案紀念公園；在礦坑?xùn)|北幫居民密集區(qū)域結(jié)合目前的東觀景臺，建設(shè)開放式城市運動公園?！八膮^(qū)”即依托礦坑西南部現(xiàn)有的煤炭工業(yè)博物館、礦坑西北幫原撫順第一煉油廠等廢棄廠房，打造煤炭文化展示區(qū)和工業(yè)遺址展示區(qū)；依托勝利礦遺址、南幫滑移治理區(qū)域，通過綜合整治，恢復(fù)開發(fā)百年千金寨歷史風(fēng)貌區(qū)；依托當(dāng)?shù)蒯t(yī)療資源，在位于礦坑南幫和千金河之間的區(qū)域，建設(shè)智慧康養(yǎng)小區(qū)。

6 結(jié) 語

通過對全國礦業(yè)城市的調(diào)查，分析典型露天礦的地質(zhì)災(zāi)害、治理措施和再利用情況可知：礦業(yè)城市可分為3 個級別，一級依存度城市目前多為資源枯竭型城市，經(jīng)濟發(fā)展形勢嚴峻，綜合治理和利用迫在眉睫; 露天礦常見的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害主要有崩塌、滑坡、泥石流、煤自燃、地裂縫等，不同的地質(zhì)災(zāi)害都會對露天礦造成不利的影響; 軟弱夾層的發(fā)育和水對巖土的影響為露天礦環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的主導(dǎo)因素;礦城型露天礦的治理應(yīng)包含露天礦內(nèi)部和礦山周圍的擾動區(qū)，應(yīng)針對不同的地質(zhì)條件和工作情況，選用不同的治理措施;礦城型露天礦的利用應(yīng)遵循“國家支持，地方主導(dǎo)”、“多災(zāi)并治，治用結(jié)合”、“尊重自然，保持地貌”、“資源再生，循環(huán)利用”，為資源枯竭型礦業(yè)城市的發(fā)展提供一種思路。