矿山地质灾害成灾机理与防治技术应用

2022-06-06刘清泉

中国金属通报 2022年4期

刘清泉

矿山的地质结构复杂，矿产资源分布广泛，矿山开采范围极广。在社会经济、科技飞速发展的21 世纪，我国对矿产资源的需求也在不断提高，一方面，矿山开采业迎来了新的契机，另一方面，矿山开采也面临严峻的挑战与风险。时有发生的地质灾害严重阻碍了矿业的稳定发展，如何解决地质灾害问题，保障矿山开采的安全性，始终是企业管理的重点。

1 矿山地质灾害的特点分析

1.1 人为性特点

矿山开采是大规模的人为活动，因此，主观的人为因素与地质灾害的发生密切相关。开采过程中，如果在沟谷中堆积大量松散的废土与杂物，就会增加沟床纵坡降比，为地质灾害的形成埋下隐患，增加了地质灾害的发生风险。无节制的过度开采会对植被造成破坏，水土流失严重；不科学的开采边坡与采空区，同样会给地质灾害的发生埋下隐患。

1.2 污染性特点

与普通的地质灾害相比，矿山开采引起的地质灾害具有更为严重的污染性。因为开采所产生的贫矿、废石、尾矿渣中含有重金属元素，地质灾害发生后，废弃物会流入河流，造成水质污染。

1.3 频发性特点

当地质灾害发生后，堆积在沟谷内的杂物、废石、废渣被运走，短时间内不会形成物源，理论上就不会再发生地质灾害。但矿山开采是持续进行的，因此会不断的产生废渣与废石，废弃的土渣非常松散，抵御外力冲击的能力较弱，所以短时间内很容易出现二次灾害。

1.4 可控性特点

尽管矿山地质灾害具有极大的破坏性，但同时也是可控的，只要从源头上控制地质灾害的诱因，合理堆放矿山开采所产生的废弃物，维持山体的稳定性，就能够有效避免地质灾害的发生。

2 矿山地质灾害的危害性分析

如今，全球范围内的很多国家都深受地质灾害的困扰，南极洲以外的各大洲基本都发生过地质灾害，尤其是处于断裂带的地区，地质灾害的发生更加频繁，这主要是地质构造的特点所决定的。就我国来讲，昆仑山、黄土高原、台湾、太行山等，都是地质灾害的多发地区，造成的危害主要表现在三方面：①农田：耕地分布广泛的地区更容易发生地质灾害，灾害发生后，大面积的农田都被掩埋，农作物遭到严重破坏，作物产量大幅度降低，严重情况下甚至会绝产。②矿山道路：进行矿山开采的地区，一旦发生地质灾害，对周围道路的破坏则是巨大的，甚至还会威胁人类的生命财产安全，造成长时间道路堵塞。近年来，我国因地质灾害对道路造成的破坏，直接经济损失高达数十亿。而且地质灾害发生时经常会裹挟着大量泥沙，严重影响航道通航。③水利与电力：我国的水利与电力设施主要建设在大型河道的中下游，为大片地区提供充足的水能、电能。然而，在地质灾害的破坏下，这些电力和水利设施被冲毁，造成部分水渠的堵塞，严重影响能源供应。

3 矿山地质灾害的发生原因分析

3.1 主观原因

3.1.1 违规开采

很多安全事故、地质灾害的发生，均与违规开采行为有关。部分矿山企业一味的追求经济利益，没有树立安全第一的经营理念，为了节约成本而采购大量的二手设备，很多采矿设备的性能、规格已经完全无法满足矿产资源的开采需求，甚至一些老旧、落后的设备也投入使用，这种情况下，根本无法保障矿山开采的安全性。由于企业管理理念与管理模式的落后，缺乏对施工团队的有效管理，施工人员普遍缺乏安全意识，没有做好安全防护措施，也没有按照规范要求进行开采施工，从而埋下了重大的安全隐患。

3.1.2 无节制开采

矿山企业追求经济利益、扩大规模原本无可厚非，但很多企业管理者片面的将利益最大化当作企业的核心竞争力，只重视眼前利益，忽略了企业管理与环境保护问题，毫无节制的开采矿产资源，给自然环境造成了极大破坏。长期的过度开采会降低山体的稳定性，提高地质灾害风险指数，水文环境的破坏又进一步促进了地质灾害的发生。

3.1.3 不科学开采

为了推动矿产业的持续、健康、安全发展，我国始终都在积极探索科学、合理的开采方式，在保证开采效率、开采安全的基础上提高企业的经济效益。但从近年来的研究情况来看，矿产资源的开采方式仍然缺乏科学性，主要表现在对生态环境、自然资源的严重破坏等方面，而且这一问题始终得不到根本性的解决。

3.2 客观原因

3.2.1 地下水径流的变化

矿山开采施工中，挖掘的深度往往会到达地底，从而对地下水的流动产生影响。尽管各矿区矿层的构成成分不同，但都具有阻隔地下水的作用，要想保证地下矿产开采的安全性，必须在采矿之前抽干地下水，以保证采矿施工的顺利开展。然而，随着矿山开采施工的推进，地下水两侧的隔离物也在持续减少，相应的，让地下水自由流动的空间越来越大，最终地下水与矿物层相互融合。矿山开采后期，爆破施工产生巨大动能，原本已经不够稳定的地下水层随着爆炸而发生动荡，从而导致矿区顶板结构层的断裂，部分地区还会出现严重塌陷。此时，隔离带已经无法阻隔地下水，大量地下水涌入矿洞，将矿区淹没。随后，地表水流也会受到地下水的影响而改变，采矿形成的基岩裂缝不仅不具备在压力下就近排放的特点，反而会直接向矿洞内排水。此时，河道中的水流失去来源，径流量大幅度减少，随着矿区开采的不断深入，矿洞内部对地下水产生的阻隔力、推动力也在不断降低，地表径流量小的河流甚至会完全断流。

3.2.2 地表压力失衡

“长臂式”是目前我国矿山企业采矿的主要施工方式，矿产资源深埋在地下或者山体内部，开采时需要挖掘大量的地表土壤，挖出的土壤直接堆积在周围。这种情况下，地表周围的松散层的土壤就会越来越厚，从而产生压力失衡现象，继而又会引起地表裂缝，增加了矿区内部踩空塌陷的风险。我国东北地区的煤矿产区，地下水资源非常丰富，地表水位普遍超过了平均水准线，出现压力失衡现象后，该地区的地表水就会形成湖泊。然而，在水资源严重不足的西北地区，如果矿区周围出现地表压力失衡问题，则水资源匮乏问题就会更加突出，由此形成明显的地表裂缝。大数据分析结果显示：矿区周围地表裂缝与塌陷问题，主要是随意堆积土壤引起的地表压力失衡所致。塌陷地区中，超过43%的区域为耕地，给该地区农业生产造成的不良影响可想而知，严重制约了该地区经济的发展，降低人们的生活质量。现阶段，我国对金属、煤炭等资源的需求量越来越大，矿产开采量也在逐年上升，因此造成的地表裂缝、塌陷等问题层出不穷，不仅容易引起地质灾害，而且还严重破坏了生态环境。

3.2.3 大气与水质污染

采矿施工中会产生大量的固体废物，如果只是将这些废弃物随意堆积在周围，而没有采取妥善的处理措施，则会给周围的生态和自然环境造成严重破坏。采矿时还会用到火药，火药爆炸后会释放一氧化碳、二氧化硫等有毒有害气体，这些气体与大气中的水蒸气相互结合后，随着降雨落到地面，最后渗入土壤，从而影响该地区的土壤环境，造成大面积植物死亡，甚至出现“寸草不生”的现象，周围动物如果饮用了含有有毒有害物质的水源，同样会生病或死亡。由此一来，矿山开采区域的动植物生存受到严重威胁，生态环境惨遭破坏，土壤愈发疏松，河道两旁的泥土逐渐变成淤泥，然后流进河流与湖泊。久而久之，河床逐渐升高，该区域的抗洪涝灾害的能力下降。在台风、暴雨等恶劣天气环境下，矿山开采地区极容易形成泥石流，威胁矿区居民的生命财产安全。矿山开采造成的水土环境污染情况如表1 所示：

表1 矿山水土环境污染

3.2.4 含水层结构破坏

采矿作业必然会破坏矿山的地质环境，受到影响最严重的便是矿山的含水层。随着开采活动的深入，含水层的导水与隔水能力受到影响，水动力层出现扰动，水层整体结构遭到破坏，从而引起地面塌陷等灾害。含水层结构破坏表现在三方面：①建设矿井时导致含水层暴露；②导水裂隙拓宽后，含水层渗入矿井；③含水层通过裂隙进入采空区域，导致底板突水。以上因素都会对矿山覆岩发育带来不良影响，加快含水层的渗透速度。岩层贯穿后，地表会形成拉伸裂隙与塌陷，塌陷区域内积水，影响施工安全。含水层结构遭到破坏，随之出现持续性的排水活动，形成地下水降落漏斗，如果采矿施工仍在进行，则漏斗的面积也会越来越大，对矿山内部结构的破坏越来越严重，矿山变得越来越不稳定，甚至出现崩塌、滑坡等地质灾害。

4 矿山地质灾害类型

4.1 坍塌

这是最常见的、也是对施工人员生命威胁最大的一种矿山地质灾害，主要指的是矿洞内岩石土壤坍塌。矿山的地质结构因采矿而受到破坏，山体表面的岩石脱落、地层陷落，在能够形成矿脉的区域内部，岩石层与软弱夹层之间的结构缺少补位，形成一片稳定性较差的区域，为坍塌事故的发生埋下隐患。矿区内岩石层与软弱夹层十分普遍，因此坍塌事故的发生地点没有规律性，任何采矿区域都可能面临坍塌风险。

4.2 泥石流

矿山开采施工中产生大量废弃物，严重破坏生态环境，这也是泥石流灾害发生的主要原因，采矿作业会形成一种特殊的地理环境——矿区外部沟谷纵横、丘壑连绵。在这种环境中，如果遇到台风以及持续的强降雨天气，受到水流的冲击，高处的泥沙便会倾泻而下形成泥石流。水土流失严重的区域，更容易发生泥石流，这些区域的地下岩石层和地上土壤层通常都受到严重侵蚀，地表植被破坏严重，生态环境恶劣。此外，采矿产生的大量碎石、土壤、废渣如果长时间堆积在周围，当泥石流发生后，这些废弃物也会随着洪流倾泻，极大的增加了泥石流的破坏力。

4.3 滑坡

采空区塌陷与滑坡地质灾害的发生密切相关，与前文所讲的坍塌不同，采空区塌陷指的是过度开采地下矿产资源导致的地下岩石洞壁空虚现象。当这一现象达到某种程度和规模后，就会出现采空区塌陷。滑坡灾害的发生区域十分广泛，无论是矿山内部，还是露天的采矿区，亦或是深藏在井下的区域，都可能出现滑坡。区域不同，滑坡灾害的表现也不同，露天区域滑坡往往是矿物带边坡滑落；矿山内部或者井下滑坡通常表现为采空区塌陷，而且危害性更大，造成的经济损失也更为严重。

5 矿山地质灾害的防治方法

5.1 坍塌的防治

5.1.1 主动措施

对高危坡体采取削坡处理，削坡之前首先要保证岩体斜坡足够稳定，能够承受施工。在斜坡上开挖高危岩体，根据危岩岩体的倾斜角度明确开挖位置、开挖深度，并安装爆破装置。爆破物的使用量应符合削坡体积，以免过度爆破引起更严重的地质灾害。削坡处理不仅能够降低高危斜坡的风险，还能减轻斜坡体荷载。新鲜的岩体与矿山表面在削坡后会暴露出来，很大程度上增强了斜坡的稳定性，以保证清除危岩时的安全。使用机械设备清理孤石、浮石、危石，为保证安全性，清理工作应在采矿间歇与中断时进行。尽量控制开采活动，维持岩体结构的平衡，增强荷载强度。

5.1.2 被动措施

在矿山的坡脚处开挖落石槽，要保证落石槽的深度和广度能够容纳因防护疏漏而产生的落石。设计标准为：保证把落石拦截在保护区域之外。如果受到客观条件的限制，则需要继续增加落石槽的深度与宽度，总而言之，要让落石槽能够发挥其功能。由于坍塌规模与频率无法预测，在设计矿山施工、布置机械设备时，应留出一定的避让空间。

5.2 泥石流的防治

矿山的开采线路以及建筑基本都是固定的，所以泥石流的防治应以工程措施为主。泥石流灾害发生后，应开展引流工程，建设截流坝与引水渠，把泥石流的上游和支沟引入主河。通过导流的方式减少主沟形成泥石流的水量、动力条件来控制泥石流规模，将泥石流造成的破坏控制在最小范围内。此外，还应建设水流排导设施，比如急流槽与明洞渡槽，让泥石流顺利通过矿山。当泥石流有所控制后，可采用上拦下排与拦粗排细相结合的防治措施。在泥石流上游选择合适的位置，修建钢筋混凝土拦沙坝，适当抬高坝上游的侵蚀基准面，以免沟道下切，同时还能阻挡一部分泥石流，与此同时，利用拦挡建筑物控制泥石流的流向，避免泥石流对重要设施和区域造成破坏。总之，处理泥石流灾害时，需要在总体布局、统筹规划的基础上，根据实际情况采取针对性的防治措施，保证防灾工作的经济性、可行性。

5.3 滑坡的防治

滑坡与雨水冲刷通常是同时存在的，而且矿石浅层的地质特点也会对滑坡产生影响。防治滑坡灾害，首先通过挖除浅层滑坡、修建导滑设施等措施，消除滑坡形成的主要因素，调整滑坡的滑动方向。修建截水沟与排水沟，排导地表水。修建渗沟与盲沟，排导地下水。修建护坡与挡水墙，降低雨水冲刷力度。滑坡的破坏性受到雨水的影响，在修建排水设施的同时还要采取其他措施才能有效控制滑坡。治理初期，可使用成本低的临时排水设施，在滑体后缘的裂缝处填充黏土或者水泥，在表面覆盖聚乙烯布。治理后期，可修建永久性的排水设施，根据滑坡的形状在周围修建防渗设施，避免地表水渗入滑坡区域。修建人工边坡的参考值如表2 所示。