普定猫洞乡可处村地质灾害成因及防治对策研究

2011-12-08胡屿,刘勇

城市地质 2011年4期

胡屿,刘勇

(贵州地质环境监测院,贵阳 550004)

根据1999～2008年完成的全省88个县市地质灾害调查与区划资料,全省共有地质灾害点10109起,其中滑坡为6688起,占灾害总数的67%,崩塌为1727起,占灾害总数的17%,泥石流为499起,占灾害总数的5%,其他灾害占1195起,占灾害总数的11%,共威胁72万余人,潜在经济损失71亿元,其中近一半由矿山开发所引起.

1 地质灾害特征

可处村位于安顺市普定县猫洞乡东北部的可处村,地理坐标为:东经105°54′43″～105°56′03″,北纬26°24′28″～26°25′17″.总体上南西高北东低.区内最高位于可处村寨南西部老鹰坡山顶,高程为1515.8m.最低位于北部三岔河,河床水位高程1055m,相对高差460.80m,地形坡度一般为10°～30°,除元江煤矿、桐鑫煤矿两家私营煤矿之外无其他矿山,区内主要有崩塌危岩体、滑坡、地裂缝、塌陷坑等地质灾害,这些地质灾害不同程度地威胁着可处村寨、公路车辆及行人的安全(图1).

(1)崩塌危岩体

区内共调查崩塌危岩体2处,崩塌危岩体(WY1)位于元江煤矿主井口南侧880m处,形成三面临空的老鹰坡垂直陡崖,危岩体长约60～100m,高约80～120m,宽约30～90m,总体积约500000m3.北侧临空面陡崖上于2009年11月11日、12月3日出现两次掉块石现象:块石(KS1)位于可处村东侧30m处矿山公路旁,块石长1.40m,宽1.10m,厚0.60m,体积0.924m3;块石(KS2)位于可处村南西侧80m处老鹰坡山下矿山公路旁,块石长1.50m,宽1.20m,厚0.70m,体积1.26m3.两次掉块石未伤及人员及房屋,但崩塌危岩体随时都有崩塌的可能,对可处村村民164栋房屋,265户,1507人的生命财产构成严重威胁.

(2)滑坡

区内调查发现滑坡(HP1)1处,于2005年发生,位于三岔河北侧、元江煤矿主井口南东侧200m处.在基岩及风化残坡积层中,滑坡后缘呈弧形,伴生于地裂缝(DL6)下,斜坡地带堆积体积约8000m3,该滑坡下方为斜坡台地,未有村民居住.

(3)地面塌陷

区内有3处地面塌陷,塌陷坑(TX1)位于元江煤矿主井口南西侧1050m处老鹰坡南西侧沟谷台地中,塌陷坑呈椭圆形,长2.50m,宽1.80m,可视深度10m;塌陷坑(TX2)位于元江煤矿主井口南西侧1110m处老鹰坡南西侧沟谷台地后缘,塌陷坑呈圆形,直径1.0m,深1.20m;塌陷坑(TX3)元江煤矿主井口南东侧476m处,呈椭圆形,长8.0m,宽3.0m,可视深度约5m.3个塌陷坑处于变形扩大趋势中,对过往行人和牲畜造成威胁.

(4)地裂缝

该区共有6条地裂缝,地裂缝(DL1、DL2、DL4、DL5、DL6)为2007年发生,裂缝长120～400m,宽5～45cm,可视深度0.1～2m;地裂缝(DL3)为2009年发生,位于元江煤矿主井口南东-北西侧950～1070m 处,老鹰坡山顶至北西侧一线,地裂缝发育南东-北西向,呈弧形,长800m,宽5～50cm,横切老鹰坡山顶山脊,可视深度1.6～6.0m.6条地裂缝均处于发展变形中,对过往行人和牲畜造成威胁.

2 地质灾害成因分析

2.1 相关参数确定

经调查元江煤矿、桐鑫煤矿M8煤层平均厚度为1.0m,M9煤层平均厚度为1.0m,M14煤层平均厚度为0.8m,根据煤矿的储煤构造时代及特征,矿山类别Ⅱ类,地面建筑物保护级别属Ⅱ级,安全系数为K=150.

(1)矿区煤层安全开采深度的计算与评价

为了使地面建筑物或主要井巷不会遭受坍塌或破坏,必须要有个距地表的开采安全深度,即通常所说的顶板安全厚度,根据《地方煤矿实用手册》[2]中安全煤柱的留设规定,元江煤矿和桐鑫煤矿开采安全深度按下式计算:

Hδ(M9)=MXK=4.4X150=660m

Hδ(M14)=MXK=3.74X150=561m

式中:Hδ--安全深度(m)

M--综合作用厚度(m)

K--安全系数

M9煤层、M14煤层综合作用厚度按下式进行计算:

当煤层厚度小于2.20m时,使用最小采高2.20m参与计算.

M8=2.20m

M9=2.20m h1=14.00m h1/m9=6.36m

M14=2.20m h2=117.00m h2/m14=53.18m

C9=1.0 C14=0.35

M9综合作用厚度= M9+C9XM8=2.20+1.0X2.20=4.4m

M14综合作用厚度= M14+C14X(M9+M8)=2.20+0.35X 4.4=3.74m

元江煤矿开采的M9号煤层,上覆岩体厚度为108.6～150.0m ;桐鑫煤矿采掘的M14号煤层,上覆岩体厚度为206.0～446.0m ,均小于煤矿开采安全深度(Hδ (M9)=660.0m,Hδ(M14)=561.0m).

(2)采空区地面移动变形影响范围的确定

煤层采空区一旦发生上覆顶板崩落垮塌,其采空区的影响因垮塌和岩层移动角的上延而远大于采空区范围.根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷矿柱留设与压煤开采程度》[1](简称《三下采煤规程》附表5～3),按覆岩性质分区地表移动参数的有关规定,确定岩层移动参数:走向边界角δ0,上山方向边界角γ0,下山方向边界角β0,按(β0=δ0-0.7α)计算,公式中α为矿层倾角(度),再根据《三下采煤规程》第24条关于地形坡度对山区矿移动角扩散效应的规定(上坡方向减小5～10°,下坡方向减小2°～3°),综合分析走向、上山方向、下坡方向边界角,得出元江煤矿和桐鑫煤矿采空区最终边界角取值:

δ0=γ0=50°,β0=48-3°=45°(图2).

(3)煤矿采矿掘进爆破震动影响范围的确定

元江煤矿、桐鑫煤矿采矿掘进爆破震动影响范围根据《爆破震动安全规程》[2],爆破震动安全距离的计算公式:R(元江煤矿)=(K/V)1/aXQ1/3=(350/0.5)1/1.8X161/3=98.78m;R(桐鑫煤矿)=(K/V)1/aXQ1/3= (350/0.5)1/1.8X161/3=98.78m

式中:

R--爆破震动允许安全距离(m)

K、a--采矿爆破点至计算保护对象的地形,地质条件有关的系数和衰减指数

V--保护对象所在地质点震动安全允许速度(cm/S)

Q--炸药量(kg)

根据爆破震动影响范围距离计算:桐鑫煤矿井口开拓爆破震动影响范围距离尚未对可处村村民房屋产生影响;元江煤矿2004-2007年采空区处在可处村部份村民房屋下方或附近,其爆破震动影响范围均小于M8煤层采空区边界角影响范围.

2.2 地质灾害成因分析

地质灾害的形成与发展,均受一定的内、外因素所控制,自然因素是灾害形成的内因,人类工程活动和降水条件是灾害形成的外因.

(1)自然因素

区内属低中山侵蚀、剥蚀、溶蚀山地地貌,地形起伏较大,相对陡峻、复杂,植被覆盖差,基岩裸露.老鹰坡山体三面临空,北侧形成高度320～340m的陡崖,北西侧至将军岩一线形成长约400m,高度200～250m的陡崖,坡度在80°以上.为地质灾害的形成创造了地形地貌条件.

区内出露地层由老到新为二叠系上统龙潭组(P3l)、二叠系上统长兴组+大隆组(P3c+d)、三叠系下统大冶组(T1d)、第四系(Q);龙潭组(P3l)为本区含煤地层,岩性为泥岩、页岩、粉砂岩夹灰岩;长兴组+大隆组(P3c+d)岩性主要为深灰色中厚层灰岩、页岩;大冶组岩性为浅灰色薄至中厚层隐晶质灰岩,形成老鹰坡陡崖,陡崖段"X"节理极发育,斜坡地带上堆积有零星块石;第四系岩性由残坡积、冲积、崩积等所形成的砂泥、砾石、粘土,主要分布在斜坡地带.以上地层岩性的组合为地质灾害的形成创造了地质条件(图1).

(2)人为因素

调查区内有元江煤矿和桐鑫煤矿,可处村寨.可处村位于元江煤矿巷道开拓方向的东侧,处于元江煤矿采空区边界角、采空区疏排地下水的影响范围内(图2);桐鑫煤矿巷道向西开拓,可处村位于桐鑫煤矿井口方向的北侧,其采空区边界角、采空区疏排地下水的影响范围未包括可处村.元江煤矿和桐鑫煤矿采矿造成的危害主要有:

①崩塌危岩体

崩塌危岩体(WY1、WY2)位于元江煤矿2007年-1285采空区边界角影响范围中,地裂缝(DL1、DL2、DL3、DL4)出现在崩塌危岩体影响范围中,加剧了崩塌危岩体中裂隙变形,造成2009年11月11日、12月3日掉块石现象.

②滑坡

滑坡(HP1)直接位于元江煤矿2004-2006年采空区上方,系元江煤矿采M8煤层采空区沉降变形造成.

③塌陷坑

塌陷坑(TX1、TX2)直接位于元江煤矿2007年1285采空区上方和边界角影响范围中,系元江煤矿采M8煤层2007年1285采空区沉陷变形造成,塌陷坑(TX3)直接位于元江煤矿1185采空区边界角影响范围中,系元江煤矿采M8煤层1185采空区沉陷变形造成.

④地裂缝

地裂缝(DL1、DL2、DL4)形成在老鹰坡陡岩、斜坡及缓坡台地上,采空区的沉降变形加剧,再次将地质环境脆弱的老鹰坡山顶至北西侧一线拉张出现地裂缝(DL3),该4条地裂缝直接位于元江煤矿2007年1285采空区上方和边界角影响范围中,地裂缝(DL5、DL6)直接位于元江煤矿2004-2006年1181、1183采空区上方,系元江煤矿采M8煤层2004-2006年1181、1183采空区沉陷变形造成.

3 地质灾害形成机制

由于元江煤矿强烈的采煤工程活动,形成了较大面积的采空区,上覆岩层厚度小于顶板安全厚度,顶板失去了支撑作用,应力发生变化,使顶板出现开裂垮落,逐渐形成垮落拱,随着顶板冒落带裂缝不断向上延伸,垮落拱不断增高,顶板冒落带裂缝逐渐接近地表,导致地表发生裂缝、塌陷等灾害的发生, 破坏了原有的地质环境条件.同时,采空区范围的不断扩大和频繁的采矿爆破震动将进一步加剧采空区覆岩的移动变形.

(1)崩塌危岩体的形成机制

老鹰坡崩塌危岩体(WY1、WY2)形成的地质模式以弯曲-拉裂式为主.

地形极为陡峻,相对高差200～300m,地形坡度在80°以上,坡度大、势能高、不利结构面暴露,给崩塌的形成创造了有利的条件.

地层岩性对崩塌的形成具备了条件.调查表明,T1d岩性为薄至中厚层灰岩,底部泥灰岩和杂色页岩及砂质页岩,岩石组合特征是坚硬岩层上伏,软弱岩层下覆,软弱岩层抗风化能力弱,风化过程中产生坡退地形,上覆坚硬岩体形成陡崖,人为作用继续扩大加深,极易产生卸荷崩塌.

坡体结构对崩塌的形成有重要作用,受构造作用和喀斯特作用的影响,岩体的"X"节理极其发育、喀斯特裂隙发育,特别是不当的人为工程活动产生的裂缝,使岩体向临空方向卸荷产生崩塌.

(2)滑坡的形成机制

滑坡(HP1)为切层基岩滑坡.

其特点是滑动面倾向与岩层倾向相反,产生滑坡的过程是由于人类工程活动-元江煤矿采矿活动形成的采空区,改变上覆岩层稳定平衡状态,引起上覆岩层后缘产生拉裂,经过一段时间,再产生塑流蠕动,当坡肩向外蠕动,拉裂缝从上至下发展,当裂缝切割出上覆岩形成贯通面,此时蠕动向滑-拉转化,最后形成滑坡.

(3)塌陷的形成机制

塌陷坑(TX1、TX2)按成因划分属于采空塌陷.

经过调查,在发生塌陷坑的上方都有一定厚度的土层,塌陷坑所处的岩性属于可溶性岩石-碳酸盐岩,人类工程活动-元江煤矿采矿活动形成的采空区,改变上覆岩层稳定平衡状态,导致力学强度本来就低的顶板岩体失去支撑,再在增荷效应下沿软弱结构面滑动,岩块脱落下沉,地表土体也随之下陷,导致采空塌陷的形成.

(4)裂缝的形成机制