煤矿开采区域地质灾害治理研究

2022-05-30李金刚

能源与环保 2022年5期

李金刚

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州 450001)

随着人们物质生活水平的不断提高，对各种资源的需求量呈现出急剧增长的发展趋势[1]。为了适应人们的生活和社会发展的基本需要，世界范围内每年都需要在海洋深处和地底下开采大量的物质资源供人们使用，其中煤炭资源是最典型的代表[2]。煤矿开采工作一方面为我国社会经济发展作出了不可磨灭的贡献，但与此同时也对煤矿附近区域的生态文明构成了严重威胁，很多位置出现了地面塌陷、水污染、滑坡、泥石流等地质灾害问题，这与我国开展生态文明建设的基本国策是背道而驰的[3]。煤矿开采区一旦出现地质灾害问题，轻则对人们的正常生活和生产过程造成不良影响，重则可能引发重大的安全生产事故，威胁人们的财产和生命安全[4]。针对该问题，国内外很多学者和技术人员开展了相关研究，煤矿开采区地质灾害治理工作已然成为相关领域的热点问题[5]。本文主要以某煤矿开采区域的地质灾害治理过程为例，详细介绍了地质灾害治理措施及其取得的效果，对于提升地质灾害治理水平具有一定的理论和现实意义。

1 煤矿地区自然和地质基本情况

1.1 自然地理情况

某露天煤矿的矿区占地面积约27 km2，主要包括采场、排土及排矸场、工业场地、周边居民生活设施场地，对应的占地面积分别为6、15、4、2 km2。煤矿区域在东西和南北方向上的长度分别为3.9、1.8 km，地势整体上呈现出西北低、东南高的地形地貌趋势，煤矿开采深度约为350 m。煤矿所在地区属于温带大陆性季风气候，四季分明，夏天温度不高但是雨量相对较大，冬天气温不低且降雪量较少，春季湿度很大。根据气象统计数据表明，该地区的年平均气温8.2 ℃，降雨量540 mm，雨季主要集中在6—8月份，此期间的降雨量约占全年降雨量的67%。

1.2 地质基本构成

煤矿开采区域主要是新华夏系构造体系，受到平行力偶的影响衍生出了比较大的主应力，其中主应力的方向为N10°—W30°，在此影响在褶曲整体上呈现出单斜构造，煤岩层倾斜角18°～25°，主要走势方向为N60°—E80°。南部区域的地质同样呈现出倾斜构造，倾斜角度20°～25°，倾斜走势方向主要在N50°—E80°。经过前期的地质勘察，发现整个矿区范围内存在多个断层，对整个地质构造进行了切割，分成了多个块段。地质构造中的断层基本参数见表1。

表1 地质构造中的断层基本参数Tab.1 Basic parameters of faults in geological structures

1.3 煤层、岩层基本情况

整个露天煤矿共包含有7个煤层，各煤层的厚度范围如图1所示。煤层2、煤层5、煤层6的埋藏量相对较少，其他煤层的埋藏量相对较多。煤层1和煤层4所在区域的围岩基本类似，主要包括白砂岩和灰色砂质页岩，煤层3所在区域的围岩主要包括白砂岩、砾岩和灰色砂质页岩。

图1 露天煤矿主要煤层的厚度范围Fig.1 Thickness range of main coal seams in open-pit coal mine

2 地质灾害治理的技术路线方案

对煤矿开采区域进行地质灾害治理是一项非常系统和复杂的工程，必须做好充分的地质调查与研究工作，并结合以往成功实践经验，制定科学的技术方法与路线[6]。

地质灾害具体操作流程和内容：①对煤矿建设和开采期间收集的地质资料进行汇总，对附近区域的地质情况进行调研，明确各种地质灾害及其产生的原因。②对出现地质灾害的区域实施详细地质测绘，对地层基本情况进行勘察，掌握地质灾害基本规律。具体而言，可以采用取样的方式对地质情况进行调查，为灾害治理工作提供必要的数据支持。③针对滑坡、变形、断层等不同地质灾害问题，结合实际情况制定针对性的治理方案，对开采区域地表的植被进行恢复，实现可持续的生态文明建设。④对地质灾害高发区域制定监测方案，对关键点的位移变形和沉降情况进行持续监测，对潜在的灾害问题进行预警。

煤矿开采区域地质灾害治理技术路线如图2所示。由图2可知，通过对煤矿开采区域的地质基本情况进行充分调研分析，明确了地质灾害产生的基本情况。在此基础上，制定了地质灾害治理方案，拟从滑坡治理、塌陷区治理、变形区治理和水治理4个层面对煤矿开采区域的地质灾害情况进行综合治理。

图2 煤矿开采区域地质灾害治理技术路线Fig.2 Technical roadmap for geological disaster control in coal mining area

3 地质灾害治理方案的具体实施

3.1 滑坡防治方案

主要通过修缮排水工程以及建设抗滑桩的方式，对滑坡地质灾害问题进行治理。

(1)支护工程设计。抗滑桩建设在坡体前端中部区域，建设的抗滑桩截面尺寸为3 m×2 m，长度为25～30 m，具体长度需要综合考虑所在位置的滑体规模及其厚度选择。相邻抗滑桩之间的距离控制在8 m左右，每根抗滑桩深入基岩的长度至少超过总长度的25%。

(2)排水工程设计。虽然出现滑体的区域已经建设了排水系统，但仍然无法满足实际使用需要，导致滑体上存在积水，影响滑体的稳定性。需要采取措施对排水系统进行修缮，提升其排水性能。改造后的排水沟截面如图3所示。

图3 排水沟截面示意Fig.3 Schematic diagram of drainage ditch cross section

由图3可以看出，排水沟截面为梯形结构，梯形的底边宽1.0 m、顶边宽1.5 m，高度为1.0 m。排水沟的侧边厚度300 mm、底部厚度400 mm。沟体采用M40块石以及M10水泥砂浆建设，表面采用水泥砂浆进行抹平防渗处理，其中水泥砂浆的水灰比为1∶3，抹灰层厚度控制在2 cm左右。

考虑到滑坡体可能出现的不均匀位移变形和沉降现象，建设排水沟时每隔20 m需要设置一个伸缩缝，伸缩缝的宽度一般为30 mm，可结合实际情况适当调整，伸缩缝需要利用沥青对其进行回填。本案例中共修建了3条主排水沟以及若干条截水沟，均相互贯通，整体长度超过了600 m。

(3)边坡治理。对于边坡不稳定的区域，通过打入抗滑桩的方式进行强化处理。其中抗滑桩的直径为1 m，且抗滑桩需深入硬性岩石5 m以上，抗滑桩的间距控制在1.5 m左右。边坡表面采用钢筋混凝土梁进行加固，梁的规格尺寸为300 mm×300 mm，混凝土梁呈网格方式布置，纵向和横向方向上的梁间距均设置为4.0 m，在混凝土梁的连接部位设置锚索，其长度为20～30 m。

3.2 盘顶塌陷区和地表变形区的治理

(1)地表变形区治理方案。通过现场调研发现，煤矿开采区域的北侧方向有部分地表出现了塌陷变形，导致地表建筑物墙体出现了变形裂纹。分析认为，地表出现变形的主要原因在于此区域下方包含有隐伏的滑动边坡层，滑动边坡长时间地位移和沉降导致地表出现裂纹和变形[7]。针对该问题，一方面，对已经出现裂纹的建筑物进行拆除；另一方面，通过钻孔注浆的方式对地表进行加固处理，然后对处理后的地表进行土地复垦处理，在地表种植对应的植被，以恢复其生态。

(2)盘顶塌陷区治理方案。针对该问题分3个步骤进行治理：①平盘治理，设置平盘宽度在20～40 m，平盘外侧和内侧需分别设置排水沟和截水梗；②钢筋混凝土格构锚索加固，具体处理方式见前文；③绿化处理，具体操作中可以通过空心砖围土和鱼鳞坑方式在边坡上种植植物。为了防止平盘区域积水向坡面流动过程中对泥土造成冲刷，需要在平盘侧面设置挡水埂，其中挡水埂宽度为0.8 m，高度可设置在0.8～1.0 m，坡面底部位置也要设置挡墙，防止坡面冲下的泥沙进入排水沟，对排水设施造成堵塞或者损坏。边坡治理方案如图4所示。如果坡面主要为岩石，则可以通过回填方法将适宜种植的土壤铺在坡面上，再种植植被。

图4 边坡治理方案Fig.4 Schematic diagram of slope treatment plan

3.3 煤层开采与治理

本文研究的露天煤矿目前已经闭坑，但是煤层4中仍然有30万t左右的煤储量未得到有效开采。此次地质灾害治理过程中，需要对该煤层剩余的煤储量进行开采。这不仅是对煤资源的有效利用，也可有效防止地质灾害问题。这些煤储量如果不加以开采，后期有发生自燃以及塌陷的风险[8]。采用回采的方式对剩余的煤储量进行开采，同时需要做好支护工作。

(1)煤层倾角约为20°，相对较大，且旁边有其他建筑物及已经开采完毕的松散层，回采过程中需要将坡度严格控制在18°～20°，根据台阶方向自上而下进行开采。

(2)基于抗滑桩和钢筋混凝土加锚索的方式进行联合支护，具体参数与上文所述相同。

(3)本项目中完成地质灾害治理工作后，需要将该区域建设成为地质公园。为了方便后期游客深入坑底参观，在回采过程中需要设置平面台阶作为道路。

(4)对煤矿原有的通道进行合理利用，必要情况下可以进行重建修复，为煤矿输送提供方便。

(5)预留的台阶水平方向宽度为3～5 m，垂直方向高度为8 m，上下台阶之间的边坡坡度设置为38°。为了确保台阶之间边坡的稳定性，需要采用锚索方式进行支护，具体如图5所示。在确保边坡稳定的情况下，在其表面喷射混合料，厚度为100 mm，混合料主要为有机质，可以在上面种植植被，实现绿化处理。

图5 断层两边坡体喷锚支护原理Fig.5 Schematic diagram of the principle of shotcrete anchor support on both sides of the fault

3.4 水治理及其应用

露天煤矿开采导致煤矿区域出现了深坑，坑内会留存大量积水，不仅会对坑体自身的稳定性产生影响，还会对附近矿井的正常运行构成威胁[9]。相关统计数据表明，每年向坑内汇聚的水量超过了400万m3。如果不采取措施对积水进行排除，则遗留坑会逐渐形成大型湖泊，存在很大的安全隐患。水治理过程中，可以在原有排水沟的基础上修建新的沟槽，形成排水网络体系，同时对地下水进行封堵。

(1)对煤矿原有的排水沟及其他排水体系进行修复完善，恢复排水沟应有的功能。

(2)根据实际需要修建全新的截水沟，主要利用石块和砂浆进行修砌。通过边坡面对流水进行拦截，将其导入到排水沟中，控制水流方向。另外，也需要修建新的排水沟，对截水沟中的积水进行汇集，将其集中输送到集水设施中。

(3)在坑底修筑沉沙池，积水经过沉沙池处理后，水中含有的泥沙会自动沉淀，达到对积水进行过滤的效果。其中，沉沙池长40.0 m、宽30.0 m、深1.5 m。过滤后的水通过水泵将其排放到地表。另外，需要在地表区域修建蓄水池，案例中修建的蓄水池规格尺寸为20.0 m×20.0 m×1.5 m，存储一定的水量，方便对各种植被进行灌溉，也可作为消防水使用。

4 监测点的布设及治理前后的数据分析

煤矿开采区是容易发生地质灾害问题的重点区域，一旦出现地质灾害会产生恶劣影响，有必要对重点位置进行持续监测，以便及时发现存在的地质灾害安全隐患，并采取措施进行处理，保障财产和生命安全[10]。

4.1 监测点布设及监测设备的选择

结合煤矿开采区地质灾害前期勘察结果，对重点治理区域的北部方位进行了持续监测。在露天煤矿地质灾害比较显著的位置，选择了9个具有较大滑坡趋势的边坡进行了持续监测，每个监测区域设置有多个监测点。监测区域及对应监测点数量统计情况见表2，表2中还显示了相邻监测区域之间的距离。

表2 监测区域及对应监测点数量统计Tab.2 Statistics of monitoring areas and corresponding monitoring points

研究基于GPS监测方法，对各个监测点的位移和变形情况进行持续性监测，该监测技术具有全天候、精度高、效益高等显著的优势，基本不受地形变化过程对监测精度的影响。具体操作时，只需将GPS天线设置在监测点位置，并安装对应软件即可，操作人员在远程位置通过计算机可实时获取数据，从而对监测点的变形情况进行远程监测。一旦监测点的位移变形量过大，超过了系统设定的安全阈值，会向外发出警报，提示工作人员及时处理。其中，GPS接收设备选用TRIMBLE+GPS双频卫星接收机，该设备在垂直方向和水平方向的静态精度均可以达到1×10-6，动态情况下的精度可以达到2×10-6。

4.2 治理前后效果对比

基于上文所述的GPS监测方法，统计分析了不同监测区域在治理前、治理期间和治理后的累计位移和累计沉降情况，地质灾害治理前后各监测区域的累计位移如图6所示，累计沉降情况如图7所示。

图6 地质灾害治理前后各监测区域的累计位移Fig.6 Cumulative displacement of each monitoring area before and after geological disaster treatment

图7 地质灾害治理前后各监测区域的累计沉降情况Fig.7 Cumulative settlement of each monitoring area before and after geological disaster treatment

从图6、图7可以看出，对煤矿开采区域的地质灾害情况进行治理前，连续1年时间内各个监测区域均出现了非常明显的位移变形和沉降情况，其中累计位移变形在30～60 cm，累计沉降量在6～14 cm。在地质灾害治理期间，各个监测区域的累计位移和沉降量持续增加，在原有基础上累计位移普遍增加了20 cm左右，累计沉降的增加量存在较大差异，个别监测区域累计沉降量几乎没有增加，而累计沉降量增加最多的达到了10.4 cm。从图6、图7可知，完成地质灾害治理工作后的1年内，各监测区域的累计位移和累计沉降量几乎未发生变化。说明采取的地质灾害治理措施取得了应有的效果，确保了地质灾害易发区域的稳定性，不再发生明显的沉降和变形情况，有效保障了煤矿开采区域的安全性，为后续进一步的开发治理奠定了坚实基础。