矿山地质灾害成灾机理与防治技术应用

2022-03-12丁丽萍

世界有色金属 2022年23期

丁丽萍，张勇

（江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏镇江 212000）

矿山地质结构相当复杂，其具有广泛的矿产资源，开采范围相当广泛。社会经济快速发展，我国对矿产资源的需求量与日俱增，给矿山开采工作的开展带来很大的挑战，尤其是地质灾害频繁发生。为了防治矿山地质灾害，本文结合实际情况探讨地质灾害的防治对策，为保障矿山安全生产提供良好的条件。

1 矿山地质灾害主要类型

1.1 岩体变形

开采矿山时可能导致岩土体发生运动，甚至可能面临局部镂空的问题。局部岩土体存在承载能力改变的问题。若上部岩土体荷载能力超标，会增加岩土体变形的概率，且其变形之后还可能破坏土体结构，增加变形灾害的发生率[1]。通常情况下，比较常见的岩土体变形灾害有几种：一是滑坡岩崩。若开采矿山时过量开采，很有可能出现采剥失调，这一问题比较突出的特点就是边坡斜度较大，破坏巷道整体应力结构，若应力无法支撑上部岩土体，又或者倾斜角太大导致岩土体受到影响，同样可能发生岩崩或者是滑坡的问题。二是地震灾害。地震的产生一定程度上与地壳运动有关，且该地质灾害发生之前可以将坑内岩爆当做主要的地震现象。通常情况下，若不规范开采矿山，很有可能导致坑内岩爆问题恶化为地震灾害。此类灾害震源很浅，但整体影响面相当广泛，较大程度上破坏了开采井与开采巷道，还有可能导致其他灾害。三是坑内岩爆。岩土体变形过程中危害性较大的就是坑内岩爆，开采工作逐步深入，加剧了岩土体运动速度，降低了岩土体局部对抗地壳运动的抵抗力，地壳运动过程中采空区产生挤压应力，由此产生岩体碎块。碎块喷发时很有可能掉落到矿山开采人员身上，威胁开采人员的生命安全。

1.2 地下水位变化

我国地质环境比较复杂，地下存在的暗流、河道较多。通常情况下，地下水体不会发生很大的变化，但开采矿山时易导致地下水位受到影响，情况严重时还有可能引发因地下水位变化导致的灾害[2]。一是污染水质。矿山开采时可能产生很多的废水与废料，若没有直接处理直接排放，很有可能导致其沿着河流或地下水流向江河湖海，污染水质。二是地下水流入开采巷道。开采矿山的环境比较复杂，开采的过程中更容易遇到地下水体，因此需要工作人员开采之前科学预估地下水体，尤其要了解其规模与走向。然而地下水体相当复杂，评估期间错误发生率较高，容易增加地下水流入开采巷道中，威胁开采人员的生命安全。三是泥沙堵塞矿坑。若地下水进入巷道，不仅大量泥沙涌入，而且在此影响下水体在带动下更容易在最短的时间内堆积，堵塞了矿坑，因而水流无法流出巷道。

2 矿山地质灾害的特点

2.1 污染性

矿山开采过程中发生的地质灾害与普通地质灾害比较污染性比较严重，这是因为开采矿产的过程中含有重金属元素，如：废石、贫矿、肥矿渣等等。一旦发生地质灾害很有可能导致废弃物流入河流，对水质污染产生较大的危害。

2.2 人为性

矿山开采属于大规模的人为活动，人为因素同样可能引发地质灾害。若开采矿山地质时沟谷中堆积较多的杂物与废土，沟床纵坡降比很有可能增加，若其增加很有可能引发地质灾害，增加地质灾害风险发生率。若无节制开采地下水，很有可能破坏植被，造成严重水土流失的问题；若采空区与边坡开采不够科学，同样可能引发地质灾害。

2.3 频发性

若发生地质灾害，运走了沟谷内的废渣、杂物与废石，无法在短期内构成物源，理论上不会产生地质灾害。但因为开采矿山的过程是循序渐进的，在此期间很有可能再次产生废石废渣。受到废渣土渣比较松散的影响，无法提高外力冲击力，很容易在短期内造成二次灾害。

2.4 可控性

虽然矿山地质灾害具有很大的破坏性，但是其并不是不可控的，需要技术人员从源头上对地质灾害发生的原因进行控制。同时，开采矿山期间还要做好废弃物的堆放，让山体稳定性得以维持，有效规避地质灾害发生率。

3 矿山地质灾害发生的原因

3.1 主观原因

3.1.1 开采不节制

矿山企业为了提高经济效益，通常存在扩大规模生产的问题。不少管理者过于重视企业经济效益，以为可以通过其提高企业竞争能力，忽略了长远利益，具体表现为重眼前利益，轻环境保护与企业管理，不节制地开采矿产资源，破坏了自然环境。过度开采矿山地质灾害导致山体稳定性受到影响，地质灾害风险指数显著提升，破坏了水文环境，增加了地质灾害发生率。

3.1.2 违规开采

企业违规开采是造成矿山地质灾害与安全事故的主要原因。部分矿山企业更重视经济利益忽略安全问题，甚至存在为了降低投资成本采购二手设备，设备落后，满足不了当前时期开采矿产资源的要求。还有的企业使用了落后与老旧的设备，无法确保矿山开采的安全性。因为企业管理模式与管理理念相当落后，不重视有效管理施工团队，施工人员安全意识不强，安全防护措施不到位，没有严格按照相关要求开采施工，安全隐患较大。

3.1.3 不科学开采

我国为了确保矿山行业安全、持续与健康发展，积极探索科学合理的开采方法，保证安全开采的前提下提高开采效率，提高企业经济效益。然而近年来我国矿产资源的开采方法科学性不足，具体表现为严重破坏自然资源与生态环境，无法解决这一根本性的问题。

3.2 客观原因

3.2.1 地表压力失衡

我国矿山企业施工中“长臂式”是常用的施工方法。因为矿产资源存在于山体内部与地下，开采期间需要将大量的地表土壤挖掘出来，挖掘土壤后直接在周边堆积，容易增加周边松散层的土壤厚度，压力失衡的问题比较常见，由此发生了地表裂缝，导致矿区内部面临踩空坍塌的问题。我国东北区域固体矿产区具有丰富的地下水资源，地表水位很显然超过平均水准线，若存在压力失衡的问题，容易导致该地地表水成为湖泊。而西北地区缺乏水资源，一旦矿区周边面临地表水压力失衡问题，增加水资源匮乏问题的发生率，地表裂缝问题更为突出[3,4]。结合相关数据可知，若矿区周边面临地表塌陷与裂缝问题，该问题与随意堆积土壤问题导致的地表压力失衡有很大的联系。一般情况下，塌陷地表中耕地大约占比43%，给当地农业发生造成很大的影响，导致人们的生活质量显著降低。目前，我国越来越多的需求煤炭与金属能源，逐步增加了矿产开采量，地表塌陷与地表裂缝问题愈加显著，除了导致地质灾害之外还面临相当严重的生态破坏问题。

3.2.2 地下水径流变化

开采矿山时通常需要挖掘到地底，一定程度上影响了地下水的流动性。虽然各个矿区有着不同的矿层构成成分，但是阻隔了地下水。为了提高地下矿产开采的安全性，工作人员应在开采前将地下水抽干，为顺利做好采矿施工奠定基础。然而矿山开采工作的持续深入，相应地减少了地下水两侧的隔离物，增加了地下水自由流动的空间，出现地下水和矿物融合的问题。开采矿山的后期爆破施工产生的动能较多，让本身稳定性不足的地下水层跟着爆炸发生动荡，导致矿区顶板结构开裂，还有可能存在严重塌陷的问题。此时无法通过隔离带做好地下水的阻隔工作，矿洞中融入了大量地下水后淹没矿区。地下水位发生变化，增加了地表水流速度，采矿形成的岩体裂缝除了无法在压力下就近排放之外还容易导致直接向矿洞内排水。此时，阻断了河道中的水流来源，减少了径流量，在采矿工作深化推进中降低了地下水的推动力与阻隔力，甚至容易出现地表径流量较小的河流完全断流。

3.2.3 破坏含水层结构

因为采矿施工必然导致矿山地质环境遭受破坏，矿山含水层受到的影响最大。含水层在采矿活动不断深入的今天更容易受到影响，破坏了水层整体结构，由此引发了地面塌陷问题。含水层结构破坏具体可以表现在三点：一是拓宽了导水裂隙后矿井中渗入了含水层。二是矿井建设时充分暴露了含水层。三是含水层可以通过裂隙进入采空区，由此引发板底突水的问题。上述因素影响下阻碍了矿山覆岩发育，含水层渗透速度明显加快。同时，岩层贯穿后容易导致地表塌陷与拉伸裂隙的问题，塌陷区域内积水对施工安全产生很大的影响。破坏了含水层结构后还可能导致储蓄型排水的问题，形成了地下水降水漏斗，增加了漏斗面积，严重破坏矿山内部结构，无法提高矿山的稳定性，增加了滑坡与坍塌地质灾害发生率。

4 矿山地质灾害防治技术的应用

4.1 坍塌防治

坍塌的防治可以从主动与被动两个方面着手：一方面，主动措施。削弱处理高危坡体，在此工作开展之前应提高岩体斜坡的稳定性，确保其可以承受相应的施工。若在斜坡上做好高危岩体的开挖工作，确定倾斜角开挖深度、开挖位置时需要以危岩岩体倾斜角为依据。同时，保证爆破使用量达到坡体削坡体积，避免因过度爆破面临更为严重的地质灾害。削坡处理除了让高危斜坡风险得以降低之外还有利于做好斜坡体荷载的减轻工作。削坡处理后暴露了矿山表面与新鲜的岩体，斜坡稳定性更高，保障工作人员清除危岩的工作期间的生命安全。若使用机械设备做好危石、孤石与浮石等工作，为了提高其安全性，很有必要在采矿中断与间歇期两个不同时间段进行。同时，尽量对开采活动进行控制，平衡岩体结构，提高荷载强度。另一方面，被动措施。技术人员应在矿山的坡脚位置做好落石槽的开挖工作，确保落石槽的广度与深度均可以容纳因不当防护产生的落石。设计时应确保可以完全将落石拦截在保护区域以外。若客观条件对该工作产生限制，技术人员可以结合实际需要做好落石槽宽度与深度的增加工作。总之，必须全面发挥落石槽的功能。因为无法准确地预测坍塌的频率与规模，技术人员可以在机械设备的布置、设计矿山施工时预留安全的避让空间。

4.2 滑坡防治

因为雨水冲刷和滑坡二者是同时存在的。滑坡还可能受到矿石浅层地质的影响。为了有效预防滑坡灾害，技术人员可以采取的措施有导滑设施修建、挖除浅层滑坡，让滑坡形成的问题得到消除，做好滑坡滑动方向的调整工作；加大力度修建排水沟与截水沟；修建盲沟与渗沟，做好地下水的排导工作；做好挡水墙与护坡的修建，削弱雨水的冲刷度。雨水对滑坡造成很大的破坏，技术人员修建排水设施时还要通过其他措施做好滑坡控制工作。技术人员可以在治理初期借助成本不高的临时排水设施治理，并将水泥或粘土填充在滑体的后缘，将聚乙烯布覆盖在其表面。治理后期技术人员可以建设永久性的排水设施，建设防渗设施时可以在滑坡形状建设，避免滑坡区域渗入地表水。

4.3 泥石流防治

因为矿山开采的建筑与线路都是固定的，因此很有必要应用一定的工程措施防治泥石流。若发生泥石流地质灾害，很有必要做好引流工程建设工作，开设引水渠与截流坝，确保泥石流的支沟与上游都可以被引入到主河流。为了对泥石流的规模进行控制，很有必要使用导流的方法有效降低主沟构成的动力条件与水量，最大程度将泥石流的影响范围控制到最小。

此外，做好水流排导设施的建设，比如：设置明洞渡槽与急流槽，确保泥石流可以顺利地流入矿山。稍微控制了泥石流之后可以将拦粗排细与上拦下排两种防治方法结合。在泥石流中的上游选择合适的位置做好钢筋混凝土拦沙坝的修建工作，适当将坝上游侵蚀基准面抬高，避免存在沟道下切的问题，且可以有效地阻挡泥石流。同时，合理利用拦挡建筑物对泥石流的方向进行控制，避免泥石流破坏重要区域与重要设施。

总之，对泥石流灾害进行处理时很有必要统筹规划与总体布局，基于实际情况采取科学合理的预防措施，促进防灾工作更可行且更具经济性。

4.4 地面塌陷防治

首先，在开采矿山前需要做好开采方案的制定工作，确保有充足的安全矿柱留置于采空区，确保安全支护到位，做到开采与支护同步进行。其次，对于矿山，特别是金属矿山，由于采矿而引发的地表崩塌通常是由于采空区引发塌陷所导致而成。在开采金属矿山中通常都是不充分开采的类型，加上地表沉降、地质条件等有着随机性、规律性、居于性以及突发性等特点，所以极易出现地表沉降以及崩塌。停止开采矿山后需要开展充填复垦工作，将矿区周边的废土、矿渣等充分利用起来并对采空塌陷区域实施充填与复垦工作。