矿-城型露天矿环境地质灾害综合治理与利用思路

缪海宾，赵 贺，王海洋

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

矿业城市，是一个古今中外都有的概念。围绕一个矿产资源丰富的地区形成一个以矿石开采、加工、冶炼为主要产业的城市，就是矿业城市。但在不同的发展阶段、不同的生产力水平条件下，矿业城市的数量、规模、地位和作用是不同的。在社会主义计划经济时期，为满足工业发展的需要，建立了一大批矿业城市。这类矿业城市发展迅速，其规模庞大，各种生产、服务、管理机构完善。前苏联的顿巴斯（煤）、库兹巴斯（煤）、巴库（石油）、磁山（铁）、米尔内（金刚石）等，德国的莱因区（煤），我国的阜新（煤）、大同（煤）、克拉玛依（石油）、大庆（石油）、铜陵（铜）、攀枝花（铁）、金川（镍）、平顶山（煤）、乌海（煤）、六盘水（煤）等都是在计划经济时期发展起来的矿业城市。

我国的矿业城市发展有2 个高峰期：1 个高峰在“3 年经济恢复时期”到“文革”之前，在此期间对煤、铁、石油、有色金属的勘探取得一系列突破，许多大型、超大型矿床和矿床群集区的发现为建立矿产开发基地奠定了资源条件，而每1 个大型矿产开发基地的建设蓝图就是1 座矿业城市, 这一时期形成了如平顶山、石嘴山、乌海、克拉玛依、包头、白银等的全新的矿业城市, 还有一些城市是在原来就是矿业城市的基础上扩大发展的，如阜新、抚顺、黄石、铜陵等；第2 个高峰是“三线”建设时期，攀枝花、六盘水是这一时期形成的具有代表性的矿业城市。改革开放以后，除个别石油城市（如东营、盘锦、库尔勒）外，我国基本上已不再形成新的矿业城市。矿业城市为新中国的发展做出了极其重大的贡献，与此同时，随其逐渐步入衰竭期，环境地质灾害问题日益凸显。

1 矿业城市分类

城矿关系是判断城市对资源依存度的重要指标。城矿关系可分为三级[1-3]：一级表示城市对矿山的依存度高，属于这一级的城市，其矿山主要在城市的城区和郊区；二级表示城市对矿山的依存度较高，属于这一级的城市，其矿山部分位于城市的城区和郊区，部分位于城、郊之外该城市所管辖的行政区的其他地方；三级表示城市对矿山的依存度较低，属于这一级的城市其矿山不在城区和郊区，而是散布在该城市所管辖的行政区内。

如果1 座城市城矿之间具有一级依存度，且矿业为该城市的最主要支柱产业，则它是1 座真正的矿业城市。在这种情况下，城市极力调动各种管理的、经济的、社会的力量为矿业服务。如果属于二级依存度，该城市只是1 座半矿业城市，城市除为矿业服务外，还为城市内的许多其他的产业提供服务。如果属于三级依存度，那么严格地说，它应该是1 座常规城市而非矿业城市，与其他常规城市的区别仅在于在该城市所管辖的行政区内，矿山更为密集一些。

在98 座矿业城市中，开发煤炭资源的城市有45 座，开发油气、铁矿、有色金属及其他资源的城市有53 座，煤城占全部矿业城市数目将近1/2。

按城矿关系，城矿之间具有一级依存度的城市共有48 座（占全部矿城的49%），其中煤城29 座，油气城、钢铁城等19 座。由此可见，在真正意义的矿城中，煤城占了很大比重。城矿之间具有二级依存度的城市共有16 座；属于三级依存度的矿城有34 座。在98 座矿业城市中，属于发展期的城市有10座，占矿业城市总数的10.2%；属于稳定期的城市有70 座，占71.4%；属于衰竭期的城市有18 座，占18.4%。处于稳定期的矿业城市占了大多数，这是符合我国现阶段矿业城市的兴衰规律的。按照资源开发展阶段对矿业城市分类属于衰竭型的矿业城市有阜新、抚顺、大同、鸡西等,大部分是煤城。衰竭型矿业城市是各方面关注的重点，制订这类城市的改革、转型和发展战略也最为急迫。我国资源枯竭型城市名单（2013）见表1。

表1 我国资源枯竭型城市名单（2013）Table 1 List of resource exhausted cities in China（2013）

建国以来建设的98 座矿业城市，构成了新中国能源和原材料工业的脊梁，成为我国矿业的资源、生产、技术、教育、管理和服务中心，支撑起我国独立的、强大的能源和原材料供应体系，对新中国突破冷战封锁，实现工业化和现代化发挥了不可替代的作用。因此，矿业城市对新中国的资源安全功不可没。

2 矿-城型环境露天矿地质灾害分类及成因

随着矿产资源开发力度的不断加大，矿山地质灾害也频繁发生，严重威胁矿区正常生产和周边城市的安全，针对露天矿地质灾害的研究也逐渐引起人们的重视。通过现场勘查和数据资料分析，矿-城型露天矿典型的环境地质灾害主要有崩塌、滑坡、泥石流、煤自燃、地裂缝等[4-8]。这些地质灾害的孕育、诱发、形成与矿区环境地质等因素密切相关，随着时间的推移这些灾害会有积累效应，各灾害之间相互影响极有可能形成连锁反应，对露天矿区和周边造成严重的影响。露天矿常见的地质灾害类型如图1。

图1 露天矿常见的地质灾害类型Fig.1 Common types of geological disasters in open pit mines

总体来看，影响露天矿地质灾害的主要因素可以分为内外2 个方面：①内在因素主要为矿区的地质条件，包括岩性特征、断裂带活化、老滑体、边坡岩体弱层、破碎带、软弱结构面、地质构造、边坡应力状态等；②外在因素为气候、人类活动，包括汛期降雨、冻融、采矿、人工爆破等。露天矿地质灾害成因如图2。

2.1 内在因素

1）岩性特征。不同矿物的强度不同，某些原生矿物易溶于水，易风化，强度随时间而减弱；长石类矿物风化后分解成次生黏土矿物，其中蒙脱石吸水性较强，往往遇水导致滑坡。我国露天煤矿中顺层面滑坡多为此类[9]。

2）软弱夹层。露天煤矿中常遇到的软弱夹层有黏土层、炭质页岩层、泥岩层、薄煤层、页岩层等，这些软弱夹层在雨水和地下水的作用下变软发生滑动。海州露天矿滑坡区普遍发育薄煤层和碳质、泥质页岩夹层；平庄西露天矿非工作帮发育软泥岩薄层等，这都是导致滑坡的重要因素。

图2 露天矿地质灾害成因Fig.2 Causes of geological disasters in open pit mines

3）地质构造。切割、分离坡体的地质构造越发育，形成滑坡的规模往往也就越大越多。岩石的层理、页理、片理等构造使得岩石的强度具有方向性，沿层理等方向岩石的强度比垂直方向底很多，容易引发地质灾害；断层既可以构成滑动面，又可以构成滑体两侧的界面。如抚顺西露天矿北帮附近的F1和F1A的断层直接控制矿区的地质灾害的发生。

4）水与岩石相互作用。露天煤矿发生滑坡绝大部分与水的直接或间接参与有关，降水，暴雨、强降雨对坡面进行冲刷、浸泡使岩石力学性质发生改变，由于水化学作用，导致滑面处的软岩力学性质发生改变；地下水地下水位较高，受地下水的浸泡，软岩出现软化现象，含水率增大，蠕变性能增大，最终导致滑坡、泥石流等灾害。

2.2 外在因素

1）气候条件。暴雨或长期降雨使边坡岩体过分湿润；温度的剧变加速岩体的风化作用。这些都会降低岩体强度，破坏了边坡的稳定性，造成严重的地质灾害。具体为：①降水：大气降水是造成滑坡、泥石流等地质灾害的重要因素，海州露天矿非工作帮第21 次滑坡因阜新地区50 年一遇的大雨造成，日降雨量151 mm，造成了严重的影响；②冻结与融化：一方面岩石裂隙中水冻结会增大体积，导致裂隙加宽，降低岩石黏聚力，另一方面冰层融化时会加大岩层含水量，造成边坡失稳；③风化作用：是指雨水冲刷、温度变化等对边坡岩体的破坏作用，导致岩体结构面增大，条件恶化，势必对边坡稳定性造成不利影响；④残煤自燃：由于开采方式和开采设备等条件的限制，会有部分煤残留在地层内，在一定条件下形成残煤自燃现象，造成地层内出现空区，降低岩层强度，造成岩层移动，形成新的缝隙，导致滑坡,2020 年6 月海州露天矿南帮2 起地质灾害就是由于残煤自燃引起的。

2）人类活动。人类活动对矿山地质条件的改造及对矿山安全的影响巨大，极易发生地质灾害。具体为: ①井工开采：在露天矿端帮下部进行井工开采，使端帮形成地裂缝、地面沉陷等，地表水沿裂缝进入岩体，使得岩石强度降低，引发滑坡；②震动诱发的地质灾害：由于井下开采引起的矿震，在岩体中产生结构面，从而引发地质灾害，另外矿区生产所产生的煤爆、运输等生产活动均可以诱发滑坡等地质灾害；③露天开采与地下开采相互影响：露天开采与地下开采同时进行，互相作用也会诱发地质灾害；④开采方式：在坡底抢采残留煤壁，人为增大边坡坡脚，造成边坡失稳发生危险。

3 矿-城型露天矿环境地质灾害综合治理思路

矿-城型露天矿的地质灾害治理不仅要考虑露天矿本身情况，还要兼顾矿区对周围扰动区的损害与治理。

3.1 矿区地质灾害治理

我国露天矿常用的治理方法有很多[10-12]，结合边坡失稳的因素和地质灾害形成的内外部条件，综合治理方法主要有：

1）削坡减载。用降低边坡高度或放缓坡角来改善边坡的稳定性。削坡设计应尽量削减不稳定岩土体的高度，而阻滑部分岩土体不应削减。此法并不总是最经济、最有效的措施，要在施工前作经济技术比较。

2）疏干排水。在有水活动的地段，布置排水构筑物，以进行拦截与疏导。包括排出边坡地下水和防止地表水进入。常用的方法有：水平钻孔疏干、垂直孔排水、竖井抽水、隧洞疏干、支撑盲沟。

3）人工加固。通过一定的工程技术措施，改善边坡岩土体的力学强度，提高其抗滑力，减小滑动力。常用的方法有：①支挡：修筑挡土墙、护墙等支挡不稳定岩体；②抗滑桩：钢筋混凝土抗滑桩或钢筋桩作为阻滑支撑工程；③预应力锚杆或锚索：适用于加固有裂隙或软弱结构面的岩质边坡；④注浆：固结灌浆或电化学加固法加强边坡岩体或土体的强度；⑤镶补沟缝：对坡体中的裂隙、缝、空洞，可用片石填补空洞，水泥沙浆沟缝等以防止裂隙、缝、洞的进一步发展。

每一种治理方法都各有特点，要结合露天矿的地质条件和工作现状进行分析，选择最合适的治理方法。

3.2 周边地区地质灾害治理

周边地区地质灾害治理，首先对露天矿周边城区建筑物的详细调查，综合分析城区地质情况、地表监测数据和数值模拟，得到边坡影响区的地表变形规律，分析位于露天矿边坡不同距离、修建年代、结构形式的建筑物损害特征，依据相关规范对露天矿周边建筑物破损情况进行分区，并提出针对不同区位建筑物的加固建议和措施。

以抚顺西露天矿城地区为例，针对不同位置，采用不同的治理手段，抚顺西露天矿周边建筑物治理方法见表2。

表2 抚顺西露天矿周边建筑物治理方法Table 2 Treatment method of surrounding buildings in Fushun west open pit mine

4 矿-城型露天矿利用思路

1）坚持国家支持，地方主导的基本政策。要明确任务目标，落实国家支持，确定实施责任主体。国家有关部门加大各项政策和资金支持力度，做好指导工作。地方政府负实施主体责任，地方相关企业配合政府做好由采转治、总体规划、工程实施和开发建设等相关工作。理顺企业和城市行政管理体制，确保城企联动、形成合力。积极鼓励和支持各类企业、科研院所等社会力量参与露天矿综合治理与整合利用。

2）保证多灾并治，治用结合的基本方案。露天矿地质条件复杂，各种灾害同时发育，开展本质安全型的治理方式，将为后续循环开发利用和新兴产业发展奠定稳定基础。综合治理与整合利用方案应在安全可靠的前提下，遵循绿色发展、循环发展、可持续发展理念，深度考虑多灾多治、多灾同治、协同治灾等方面的综合治理模式，有序实现“治用一体化”“治建一体化”，实现综合治理与开发利用协调统一。

3）坚持尊重自然，保持地貌的基本原则。遵循自然规律，将生态功能自我修复和系统功能重塑有机结合起来，充分利用大自然的自我恢复能力，对其必要过程、重点环节、特殊因素等方面采取工程修复，最大限度的实现露天矿资源价值开发利用和城市生态系统和谐统一。

4）坚持资源再生，循环利用的基本规划。以露天矿综合治理和整合利用为突破口，着力提高矿产资源回收利用率，加快推进采煤沉陷区、尾矿库、煤矸石山、排土场等损毁土地整治力度，因地制宜逐步复垦为林地、农田和建设用地。坚持土地节约集约利用，认真研究重大废弃土地整治到位后的盘活利用，结合每个露天矿的实际情况[13-15]，设计再利用模式，让每一寸土地发挥最大的效益。部分露天矿再利用开发模式见表3。

表3 部分露天矿再利用开发模式Table 3 Reuse development mode of some open pit mines

5 抚顺西露天矿利用思路

抚顺西露天矿遵照习近平总书记关于“城市建设要以自然为美，把好山好水好风光融入城市，使城市内部的水系、绿地同城市外围河湖、森林、耕地形成完整的生态网络”的指示精神，计划依托原有地形地貌和已有设施，把西露天矿坑的历史文化和自然资源有效利用到极致，打造西露天矿坑世界生态欢乐谷，成为城市绿肺和文旅康养功能区，从而彻底改变城市生态面貌。围绕西露天矿坑及其周边区域25.3 km2范围，初步设想构建“一核两廊两园四区”的城市空间格局。

“一核”即西露天矿坑及西边帮端界范围内的11.7 km2，利用独具特色的巨大工业矿坑地貌资源，构筑面向未来的集生态科学教育、国家矿山公园、体验式旅游和现代竞技活动于一体的城市中央活动区。“两廊”即沿流经矿坑西部的古城子河以及流经矿坑南部的千金河，建设十字交叉的滨河生态运动休闲走廊。“两园”即进一步完善矿坑东南部已有的平顶山惨案纪念公园；在矿坑东北帮居民密集区域结合目前的东观景台，建设开放式城市运动公园。“四区”即依托矿坑西南部现有的煤炭工业博物馆、矿坑西北帮原抚顺第一炼油厂等废弃厂房，打造煤炭文化展示区和工业遗址展示区；依托胜利矿遗址、南帮滑移治理区域，通过综合整治，恢复开发百年千金寨历史风貌区；依托当地医疗资源，在位于矿坑南帮和千金河之间的区域，建设智慧康养小区。

6 结 语

通过对全国矿业城市的调查，分析典型露天矿的地质灾害、治理措施和再利用情况可知：矿业城市可分为3 个级别，一级依存度城市目前多为资源枯竭型城市，经济发展形势严峻，综合治理和利用迫在眉睫; 露天矿常见的环境地质灾害主要有崩塌、滑坡、泥石流、煤自燃、地裂缝等，不同的地质灾害都会对露天矿造成不利的影响; 软弱夹层的发育和水对岩土的影响为露天矿环境地质灾害的主导因素;矿城型露天矿的治理应包含露天矿内部和矿山周围的扰动区，应针对不同的地质条件和工作情况，选用不同的治理措施;矿城型露天矿的利用应遵循“国家支持，地方主导”、“多灾并治，治用结合”、“尊重自然，保持地貌”、“资源再生，循环利用”，为资源枯竭型矿业城市的发展提供一种思路。