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采矿诱发地质灾害评价——以汾西大河煤矿为例

2024-09-04 50 上传者：管理员

摘要：文章通过分析汾西大河煤矿的地质环境条件，划定评价范围，对矿区的地质灾害进行现状调查与评价，并依据相关规程对采矿活动诱发的地质灾害进行定性定量预测评价，为合理开发利用矿产资源、保护矿山地质环境，实施矿山地质灾害防治、生态环境恢复整治及矿山地质环境监督管理提供基础资料和科学依据。

关键词：
地质灾害
大河煤矿
矿山环境
采矿
预测评价
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大规模的煤炭开采不可避免会对矿山环境造成较大破坏，导致采空塌陷、地面裂缝、地下水位下降、煤矸石堆放等一系列地质环境和地质灾害问题。矿山地质环境复杂多变使得地质灾害特征多样化，不同种类的地质灾害由于形成机制不同呈现出不同的变化形态。本文以汾西大河煤业为例，查明矿山地质灾害现状特征的同时，定量预测了灾害体的发展变化，为矿山防灾减灾提供科学依据。

1、矿区地质环境

1.1 自然地理条件

大河煤矿位于汾西县城南约15 km处，属暖温带半干旱大陆季风性气候，平均气温10.1℃，年平均降水量521.0 mm。降水年内分配不均，为汾西县诱发地质灾害的主要因素，雨季持续强降雨常导致崩塌、滑坡等地质灾害发生。

矿区属对竹河流域，对竹河在汾西县境内流长36km，为季节性河流。研究区地处吕梁山南段东麓，地形总体北东高西南低，地形切割较为强烈，黄土冲沟发育，属黄土丘陵区。

1.2 区域地质条件

研究区为黄土覆盖区，根据区域地层及煤矿钻孔揭露情况判定研究区地层由老到新依次为：奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、二叠系下统下石盒子组、第四系。

从区域构造看，该区域构造体系属祁吕贺山字型构造前弧东翼汾渭断陷盆地的内侧。东西两侧受霍山断层和紫荆山断层及次一级罗云断层控制。

研究区总体构造表现为走向近南北、倾向向东的单斜，以此单斜构造为基础，衍生了一系列小褶曲构造，这些小褶曲倾斜度较小，倾角大多8°～14°。据调查，研究区内有为数不多的小正断层，同时该范围内未发现有陷落柱及岩浆岩侵入现象。

1.3 水文地质条件

矿区内主要含水层有奥陶系、石炭系碳酸盐岩裂隙岩溶水含水层、二叠系碎屑岩类孔隙裂隙含水层及第四系松散岩类孔隙含水层。区内地下水主要为大气降水补给，地下水沿孔隙裂隙运移，在地形控制下，在地势低处溢出地表，或垂直下渗补给岩溶水，最终在灰岩裸露区以岩溶大泉的形式排泄。

1.4 工程地质条件

矿区上覆地层为新生界松散地层，黄土覆盖厚度可达50～80 m，地貌形态为黄土梁、峁及冲沟，黄土梁峁及边坡中上部黄土垂直节理发育，在长时间风化和强降雨条件下易形成崩塌与滑坡。

矿区内煤系以上地层主要为砂岩、泥岩、页岩和石灰岩，其中灰岩、砂岩厚度中等，质地偏硬，呈层状，赋存于沟谷边坡进而形成陡坡；页岩、泥岩为软弱岩类，强度偏低，可风化性强。

2、矿区地质灾害

2.1 评价范围

根据《山西省矿山地质环境影响评价技术要求》，结合汾西大河煤矿矿区实际，确定本次评价范围为矿区及矿山开采对矿区外地表、地下水的最远影响范围，总面积约1.0385 km2。

2.2 岩土体影响现状

评价区现状条件下存在地下开采活动。目前，采空区上地表尚未出现明显移动变形，但矿采活动破坏了原来岩体的应力平衡，采空区上覆岩体需要通过本身的变形来重新分布应力直到达到新的应力平衡。采空区上形成“三带”：跨落带、导水裂隙带与弯曲带。伴随开采的持续进行，“三带”不停地向地表延伸。

2.3 泥石流影响现状

主井口附近沟谷长0.75 km，由北向南展布于评价区西北部，具有多条微型支沟。沟谷强烈切割，最大深度40 m。两侧山较陡，坡度可达45°，均为土质边坡。在沟谷上游，沿沟谷边坡堆积有长约160 m、高约9 m、厚约8 m、体积约1.15万m3矸石堆。这些堆积物形成泥石流物源，同时占领了沟谷空间，一定程度上阻碍了沟谷排洪。

汾西县1974—2003年年平均降水量为521.0mm，对照我国泥石流易发区的降雨量条件表，符合诱发泥石流的降水条件。根据原国土资源部编制的《县（市）地质灾害调查与区划基本要求》实施细则中泥（水）石流沟谷易发程度判定表，对沟谷进行泥石流易发程度综合评分，判定泥石流易发性较低。

目前，该沟谷无泥石流发生记录。矸石堆影响范围是该沟沟头部分，汇水面积小，发生泥石流的可能性小。

3、采矿诱发地质灾害评价

3.1 地面裂缝、地面塌陷地质灾害预测评价

3.1.1 地面裂缝、地面塌陷预测评价

评价区地貌属黄土丘陵低山区，沟谷深切，地形变化大。所采煤层底板标高介于730～530 m，埋深介于45～220 m之间，煤层厚度平均2.69 m。深厚比介于17～82之间，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（以下简称《规程》），煤层开采判定为易变形-较易变形。

为进一步定量计算煤矿开采后地表变形情况，根据《规程》中的经验公式预测该矿煤层开采对地表的影响程度。

概算公式如下：

式中：

矿区开采煤层埋深介于45～220 m之间，采空区平均厚度2.69 m，将这些数据代入上述公式计算，得出采空区影响范围内地表预测变形值如表1。同时，依据《规程》计算“三带”，预测结果表明，矿区会出现地面变形，沟谷边斜坡上将出现地面裂缝与地面塌陷，影响范围为矿界外5～85 m。

表1 矿区煤层采空后地表最大变形值表

3.1.2 开采引起的地表移动时间估算

开采引起的地表移动速度初始值为0，随时间推移先增大后逐渐减小为0。由于研究区缺乏岩移实测资料，因此地表移动的延续时间（T）采用《规程》的公式进行估算，公式如下：

式中：H0为工作面平均采深，m。

矿区内开采煤层埋深介于45～220 m之间。将数据代入上述计算公式可得到：煤层开采后引起的地表移动时间为113～550天，即0.31～1.53年。

依据公式计算的仅是主要变形阶段（初始期和活跃期）影响时间，其残余变形还会延长较长时间，采煤诱发的地面裂缝、地面塌陷地质灾害具有长期灾害效应。

3.2 崩塌、滑坡预测评价

评价区现状条件下没有崩塌与滑坡的分布。但是采空区形成地面塌陷后，倾斜一侧会产生向下滑移，打破原有应力平衡，边坡两侧产生相反应力变形，凸形边坡水平拉伸变形，凹形地貌水平压缩变形，进而在沟谷边坡产生裂缝。随着开采程度的不断加大，采空区下沉会更明显，下沉系数的增大使得矿区沟谷边坡倾斜地表产生的附加采动滑移增大，更易于形成采动崩塌与采动滑坡。同时，根据前文预测，矿区煤层采空后会出现地面变形，沟谷边斜坡上将会出现地面裂缝与地面塌陷，强降雨沿已有地表裂缝下渗，持续破坏岩土体应力平衡，也会导致滑坡、崩塌地质灾害。

采煤产生的裂缝可根据变化形态分为静态裂缝和动态裂缝。地表永久性静态裂缝产生于岩土性质确定、无特殊断裂构造、单一矩形工作面开采条件下地表水平拉伸变形处；由于开采程度的不断加大，附加水平拉伸持续作用于矿区沟谷，位于山顶和梁峁边缘的动态裂缝不断加宽，密度和落差不断加大，当达到甚至超过临界条件（地表倾角40°且高差30 m）时，开采影响范围内极易发生采动滑坡。

3.3 泥石流预测评价

矿区工业广场所在沟谷汇水面积0.202 km2，主沟长0.75 km。矿区内主沟断面为“U”型，纵向坡降较小。支沟断面整体呈现“V”字型，纵坡陡峭，目前沟中松散堆积物堆积量较小。矿区开采后，随着地下采空区范围的不断扩大，地表沟谷边坡因地下应力场改变的累积效应使其稳定性逐渐变差，导致崩塌与滑坡增多。松散堆积物不断累积，为泥石流的形成提供了丰富物源。随着开采活动的不断进行，该沟谷泥石流易发程度明显增强。

本次开采活动产生的煤矸石不出井口，堆放在采空区中，所以原固体废弃物的堆放量不会明显增加，增加的只是一些生活废弃物。但是由于开采活动有可能促使沟岸发生崩塌滑坡地质灾害，崩滑物堆积于沟谷中会进一步堵塞沟谷，所以随着开采活动的加大，该沟谷泥石流易发程度增大。

对沟谷进行泥石流易发程度综合评分，判定泥石流易发性较低。但由于崩塌、滑坡数量急剧增多，泥石流物源充足，在特大降水导致矸石场排水廊道堵塞、矸石坝破坏的情况下，发生泥石流的可能性较大。

4、结论

在自然气候、人工活动等因素影响下，采矿易诱发多种地质灾害。

1）现状调查发现，评价范围内采空区上地表尚未出现明显移动变形；2）对研究区沟谷进行泥石流易发程度评价，判定现状泥石流易发性较低；3）依据《规程》中的经验公式计算采空区影响范围内地表预测变形值，预测采空区影响范围内地表会出现地裂缝和地面塌陷；4）根据地质灾害的形成机制及开采特点，定性判定评价范围内易发生滑坡、崩塌；结合采煤对地质环境条件影响特征，定量分析研究区泥石流发展趋势，结果表明泥石流易发程度低。

参考文献:

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文章来源:张波涛.采矿诱发地质灾害评价——以汾西大河煤矿为例[J].华北自然资源,2024,(05):118-120+127.