抚顺市是伴随着煤田开采逐步建设发展起来的城市，百年的煤炭开采，在为国家创造财富的同时，因采煤而引发了滑坡、崩塌、地面沉陷、地裂缝等地质灾害，导致土地占压、耕地损毁、地貌景观破坏、地表水污染、空气污染等地质环境问题[1-2]。对城市发展、生态环境、居民安全和社会稳定带来巨大影响，西露天矿影响区面积约15.52 km2，老虎台矿等采煤沉陷区面积约18.41 km2，东露天矿规划面积9.2 km2，排土场占地面积约21.49 km2，矿山地质环境问题涉及的面积合计约64.62 km2，企事业单位450多家直接影响人口10万余人。

国外城市地质环境研究兴起于20世纪初，60年代后获得较大发展；我国比较全面系统的城市地质环境研究开始于20世纪80年代，90年代中后期，环境评价工作进一步系统化[3-4]。

为此，结合矿山地质灾害时空分布规律和地质环境综合治理2个方面综合分析，并对抚顺西露天矿资源开发过程中的城市地质环境影响进行了评价，以期为矿业城市转型期安全及地质灾害综合治理提供参考依据。

1、西露天矿资源开发引发的地质灾害问题

抚顺西露天矿工程地质条件极其复杂，同时受到井工采动的影响，在如此复杂的工程地质和采矿技术条件下进行露天开采，形成采深超400 m的高陡边坡，边坡变形破坏（滑坡）规律极为复杂。由于矿山毗邻城区的特殊地理位置局限性，相较于其他矿业城市，面临的城市安全问题更为突出、典型、易发和敏感。基于各种原因，目前矿区面临产业转型发展、矿山地质灾害防治、城市空间结构调整等诸多资源枯竭城市转型期问题，成为制约工矿企业与城市规划建设的瓶颈[5-6]。在矿山开采期间，抚顺西露天矿北帮地表原石油一厂、发电厂厂区为满足安全生产的要求，矿山、企业联合科研院所专业技术人员，采用多种加固技术手段进行科学试验与工程处置，以减缓变形扰动，防治地裂缝等地质灾害，取得了一定的减缓变形作用。限于地质环境条件的复杂性，现阶段断层带一线地裂缝仍处于不稳定状态，并有可能进一步扩展[7-12]。

1）近矿城区空间布局。抚顺西露天矿区城市空间结构特征为矿业城市的空间布局结构，具有明显的资源指向性。抚顺煤田矿产资源储量大且分布集中，矿区布局紧凑、相关产业围绕矿区分布。城市用地布局相对集中，城区中心职能和设施完善，规模较大，属于集中分布型空间结构。

2）地质灾害发育特征。在抚顺西露天矿资源开发过程中，由于生产规模大、地质构造复杂、岩性变化大等一系列因素影响，发生过许多：滑坡、地裂缝、地面沉陷变形、煤岩自燃等地质灾害。据历史资料记载，抚顺西露天矿从1927年起南帮开始出现滑坡，截至2021年末，据不完全统计曾发生类型各异的地质灾害120次，几乎各种边坡变形破坏形式都出现过。随着西露天矿的降深开采，采掘深度及内排土量的增加，到界边坡不断风化出现裂缝，进而引发内排土场的油页岩和煤矸石自燃火。自燃产生的大量CO、SO2、H2S等有害气体对大气环境造成了经常性的污染，同时内排土场废岩渣和边坡底部煤矸石的自燃发火，易造成岩体疏松强度降低，不利边坡稳定形成滑坡灾害，危及安全。

2、地质灾害综合治理概述

抚顺西露天矿资源开发过程中，针对一系列的滑坡、崩塌、变形破坏等小规模矿山灾害与城区地裂缝灾害，进行了行之有效的工程技术措施予以整治，一定时期内取得了积极效果，保障了工矿企业生产平稳运行，如换填法、保留临时煤壁法、支挡加固、防排水及注浆加固措施等等；但对于规模较大的滑坡及变形灾害仍存在着较为棘手的处置难度。

2.1 治理工程

1988年11月，国家计委在北京召开“抚顺西露天矿边坡稳定研讨会”，确定了既保西露天矿生产，又保石油一厂安全的“双保”方针，并重新研究、确定北帮最终境界。1991年煤炭科学研究总院抚顺分院在“七五”期间国家攻关项目“抚顺矿务局西露天矿北帮边坡稳定性研究”的基础上，提出了新的最终开采境界（D界）。1996—2005年，投入了1.26亿元资金对边坡进行治理。2006—2010年西露天矿继续按照总体方案设计中提出的D界进行开采，并累计投入近5 000万元资金进行边坡综合治理。具体措施包括：①排土工艺改造，对开采剥离物进行了跟踪内排，排土场自西向东沿到界边坡排弃，内排持续推进，减缓了整体边坡的帮坡角，边坡稳定性提高显著；②边坡加固，在露天坑下14段采取了工字钢抗滑桩加固和锚杆加固防滑止变工程；③削坡减重，在有滑坡迹象的地段，采用电铲、推土机或铲车清理滑体上部物料，对防止滑坡继续发展，取得较好效果。对于近期发生的滑坡、变形破坏等地质灾害，各级政府与抚顺西露天矿为保障矿山生产安全与城市的和谐共存发展，本着“以人为本，预防为主，防治结合”的原则，采取了综合整治措施，使得地质灾害的危害性得到有效遏制，矿区与城区陆续建立了地质灾害监测系统，目前滑坡区域与变形区域基本稳定。地裂缝灾害发育于原石油一厂、发电厂厂区及城区站前地表区段，国家及企业投资数亿开展大规模治理与避险搬迁工程，发挥了一定的缓解作用，但作为重大地质灾害体，其地表构造变形区至今仍影响地面民用、工业建筑的安全。

2.2 环境恢复治理和避险搬迁工程

财政部、国土资源部2003—2009年分别批准立项并实施了《抚顺西露天矿北帮环境治理示范区一期（局部）工程》、《辽宁抚顺西露天矿北帮地质环境综合治理工程》（二期-四期），并于2012年批准实施了《2010资源枯竭城市矿山地质环境治理重点工程》及辽宁省批准实施的一系列地质灾害治理项目。矿区整体规划形式有效推进实施的是2018年开始的基本稳定区内排土场上部区段生态恢复治理工程。主要在矿坑北帮近地表区域实施环境恢复治理工程。

针对抚顺矿区地质灾害频发的现实问题，各级政府、厂矿高度重视，并积极应对，自2013年3月，抚顺西露天矿南帮发生地质灾害险情，辽宁省、抚顺市、抚顺矿业集团，对南帮危险区内的10户企业、404人和118户居民、176人进行应急避险撤离，并及时对118户居民、176人进行了搬迁安置。同时，抚顺市于2016年6月—2017年有力有序推进并实现了地质灾害区居民的避险搬迁安置工作。此外，因受到地裂缝的严重影响，原石油一厂、发电厂均实施了避险搬迁措施。实施避险搬迁安置工作，极大缓解了抚顺西露天矿地质灾害影响区城市安全所面临的压力，也为进一步保障矿城安全奠定了坚实的基础。

2.3 治理成效与问题

1）综合治理与土地利用规划及项目实施，必须确保综合利用的场地的稳定及保障稳定的措施实施，如一期治理项目，因管理与疏干工程未及时有效开展，受不利的地质环境条件恶化引发了后期的滑坡灾害，治理区遭到破坏。因此，规划和项目实施应充分考虑资源开采的地域影响特点，矿山整治区域多毗邻城区人员密集地段的特点，决定了整治工程更应立足稳定并保障稳定措施有效性。

2）注重项目实施过程与运营的维护。避免不当人为活动对治理区环境条件的造成改变而危及安全。

3）突出民生和规划区成片规模示范效果的体现。针对地表及边坡坡面的植被恢复，因地制宜，需差异化科学制定实施，尤其边坡区段不宜教科书式的过密种植。严格按统一规划、逐步实施的原则进行综合利用的设计、实施和运营。

3、地质灾害影响区的地质环境评价

在抚顺西露天矿开采及城市发展过程中，工程活动与地质环境是相互依存、相互作用的，主要表现为人类工程活动（矿山开采、城市开发建设等）受地质环境的制约，并对地质环境的自然演化过程形成干预，产生环境响应，进而影响（或危害）工程及其周边人类生活环境或工程的安全。在不同进程中通过对地质环境演变规律的认识与反馈，来指导人类工程活动，以期在此复杂的耦合系统中达到和谐共存的动态协调模式，促进矿业城市可持续发展。

3.1 评价模型

对于抚顺西露天矿区地质灾害影响区地质环境评价问题而言，主要根据不同项目的目的和现实需求，是针对具体影响区范围的区段小范围的矿山（采动与修复）与地质环境系统（毗邻城区规划与开发利用）的相互作用及其适宜性评价。主要考虑工程活动类型组合、地质环境开发利用及其保护的基本方向而进行。

依据西露天矿长期以来边坡工程以及城区地裂缝灾害防治工程实践的认识，结合抚顺西露天矿区资源开采历程、城市空间结构、城市发展演化过程及矿区综合利用规划的目的，通过比较相关模型的优点和缺点，选取多因子综合评价模型（DPSR模型），进行抚顺西露天矿开采对城市安全的影响分析评价。DPSR模型最早是由PSR演化而来的，PSR模型即“压力-状态-响应”模型，PSR模型是由加拿大的2位统计学家在1979年提出，后被经济与合作组织用以可持续发展的研究之中，重点用以研究全球环境变化问题（Arnott etal,1979）。DPSR模型，即“驱动力-压力-状态-响应”模型是欧洲环境局提出的用以研究环境发展的变化与社会问题关系的，该模型在PSR模型的基础上又增加了D（驱动力）层，在吸取PSR模型的优势的基础上，进一步丰富了研究的框架，在DPSR模型中，驱动力（D）指的是引起系统发生变化的人类相关的社会经济活动，由于人类的发展活动对生态环境及系统发生作用，于是产生对系统及生态环境的压力（P），其中这种压力表现的形式称之为状态（S），同时人们根据系统压力及状态反应的变化，做出相应的调整即响应（R）。

根据DPSR模型，评价工作基本指标如下：

1）驱动力系统指标。指标包括开采活动人为条件和地质环境自然条件驱动力要素。其中，开采活动人为条件含开采强度（开挖高程、边坡角度及采掘量与规模）、开采方式（露天开采、井工开采及露井联采方式）、开采技术水平与能力（开采设备、工艺、规模及绿色开采技术能力）；地质环境自然条件含：地形地貌、地质构造（断裂构造及断层揭露发育情况）、地层岩性（开采剥离过程中不同岩土体特征、出露情况与占比）、水文地质（地下水给径排条件及埋深）、降雨（降雨强度及平均降雨量）。

2）压力系统指标。指标包括经济发展压力、资源环境压力和城市发展压力要素。其中，经济发展压力含产业结构（采掘业产值比重）、GDP；资源环境压力含矿产资源分布（煤岩资源丰富程度与可利用程度）、土地利用（开发利用程度）；城市发展压力含人口发展（人口数量、人口结构）、交通设施（道路密度及通达度）、基础设施（建筑物类型及分布）。

3）状态系统指标。指标包括地质灾害发育状态和城市发展状态要素。其中，地质灾害发育状态含滑坡、崩塌、地面沉陷变形、不稳定斜坡、煤岩自燃及废弃物堆填；城市发展状态含灾害影响区面积、城市发展阶段（资源开采周期内城市发展受限阶段）。

4）响应系统指标。指标包括社会治理能力响应和环境治理响应要素。其中，社会治理能力响应含灾害监测能力（监测手段及监测系统覆盖程度）、灾害治理能力（单体灾害治理技术手段及应用程度）、灾害救援能力（救援体系建设及应急状态）、法规政策体系（矿山资源开采全生命周期运营规范化程度及执行效率）；环境治理响应含破损区生态恢复率、环境恢复投资力度、地质环境改善力度（矿城整体综合性工程整治实施程度与效果）。

采用满分100分制，将安全性评价结果F分为安全（90<F≤100）、较安全（80<F≤90）、相对安全（65<F≤80）、次安全（50<F≤65）、不安全（F≤50)5级评价等级。

3.2 评价结果

根据资料获取与掌握程度，重点论述不同发展阶段抚顺西露天矿开采对城市安全的影响问题，划分为矿山形成成长期（1950—1980年）、矿山成熟期（1980—2000年）、矿山衰退期（2000—2010年）、后工业再造（2010—2017年）及退煤整治期（2017—2020年）5个时间阶段。安全评价指数如图1所示，不同发展阶段评价示意图如图2所示。

图1 安全评价指数

图2 不同发展阶段评价示意图

20世纪50—60年代，经过前期的恢复工作，调整了采剥关系，改善了生产条件，矿山地质灾害有所改善。但在大跃进时期，因扩大生产规模，剥采失调，造成规模较大的滑坡灾害（如迫使南机电厂区搬迁的体积105万m3的滑坡），同时城下井工矿开采，引发的地表石油一厂厂区地裂缝灾害逐步显现。该阶段驱动力系统、响应系统处于差-较差状态，矿山地质灾害发育，城市地裂缝灾害较发育，整体的安全性状态为次安全，风险较大。20世纪70年代，露天开采再次遭到破坏，期间每年煤炭产量442.64万t，剥采关系严重失调，至1980年底，剥离欠量高达3 700万m3。南帮相继发生较大规模滑坡，造成采煤工作处于半停产状态，而北帮地表石油一厂厂区出现大范围地裂缝灾害，引起政府、厂矿重视。综上，在矿山形成成长期，由于开采强度大、技术水平较差、南帮顺层边坡降深切角及政策与整治投入等响应能力不足等因素的影响，抚顺西露天矿开采对城市安全的影响较大，整体安全性状态为次安全，风险较大。

鉴于西露天矿西北帮靠界与城区变形影响，深部井与胜利矿井工开采相继与1977年、1979年闭坑。20世纪80年代，随着《基本设计》界的实施，采矿规模再上台阶，80年代中后期滑坡、边坡与地面变形破坏渐趋活跃，胜利矿城下限采试验等扰动影响，加剧了城区地裂缝、沉陷变形发展。国家、部委及厂矿“七五”期间调整北帮边坡设计界，并采取“厂矿双保”方针，加大变形整治力度，大规模突发性滑坡灾害得以遏制。因此，该阶段驱动力系统、状态系统处于差-较差状态、响应系统提高至68.0至中等状态，但矿城地质灾害发育，危害程度大，综合评分降至57.0，整体的安全性状态为次安全，风险大。20世纪90年代，由于部分防排水系统的维护不善、剥采比失衡，特别是1993—1995年3年间抚顺地区持续高强度降雨，使早已恶化的边坡、地表稳定状况发生了集中性的改变，平均每年发生地质灾害4.4次。20世纪90年代后期，在积极的实施灾害防治工程的基础上，内排建设的有序进行也极大地抑制了部分地质灾害的发生、发展。因此，该阶段驱动力系统、状态系统处于差-较差状态、响应系统提高至83.6至较好状态，矿城地质灾害较发育，危害程度较大，综合评分提高到65.6，整体的安全性状态达到相对安全状态，风险一般。综上，在矿山成熟期，改革开放后，社会经济基础、政策技术水平、管理水平得以提高，虽然受井工开采及强降雨等不利影响，此阶段中期地质灾害频发、危害程度加大，但在企业安全意识提升及政策与整治投入等响应能力加大等因素影响下，抚顺西露天矿开采对城市安全的影响偏于好转，整体安全性状态由次安全转为相对安全状态。

进入21世纪，矿山衰退期（2000—2010年），此阶段西区内部排土压脚效果显现，虽然部分地段受矿坑深部井田开挖影响，地裂缝灾害有所活跃，在厂区注浆加固工程、对重点区域的灾害治理、环境恢复、监测措施加大资金投入等综合整治的情况下，灾害得到有效治理。因此，该阶段状态系统、响应系统的安全状态有明显提高，综合评分大幅提高至80.4，整体的安全性状态为较好状态，整体安全性改善明显。

矿山后工业再造期（2010—2017年），临近矿山末期，采掘强度加大，降深加大，边坡加陡及不利的地质环境恶化等因素影响，北帮与南帮相继发生规模大、危害大的地质灾害，对城区安全构成严重影响。因此，该阶段驱动力系统、状态系统处于差-较差状态、响应系统虽处于较好状态，但矿城地质灾害发育，危害程度大，综合评分降至62.4，整体的安全性状态为次安全，风险较大。

矿山退煤整治期（2017—2020年），随着综合整治措施的推进与效果体现，城区灾害得到有效遏制，仅境界内矿坑东部的局部高陡边坡地段集中发育滑坡灾害。因此，该阶段响应系统处于好的状态，状态系统提高至中等状态水平。其安全性提高在于矿坑中部内排回填压脚、前期滑坡、变形破坏等地质灾害得到有效治理，加之地质灾害危险区居民和企业避险异地搬迁等工作落实，同时在党和国家加大矿山环境治理力度及政策有效支持下，使得研究区应对灾害的能力大幅提高，进而整体安全水平得以改善，整体的安全性状态为相对安全，面对毗邻城区矿坑长期安全性问题，仍需加大整治力度。

综上，退煤整治期矿山进入闭坑阶段，考虑到近坑范围的既往滑坡、变形及不稳定斜坡变形地段在不利的地下水及工程活动因素影响下，有发生局部灾害的隐患，对矿区整体安全性构成潜在的威胁。因此现阶段提升整体安全性不但要继续提高响应系统抵抗不安全因素的韧性，还须针对突发性滑坡灾害进行针对性的应对措施防范。

4、结语

1）在抚顺西露天矿开采及城市发展过程中，人类工程活动（矿山开采、城市开发建设等）受地质环境的制约，并对地质环境的自然演化过程形成干预，产生环境响应，进而影响（或危害）工程及其周边人类生活环境或工程的安全。

2）以DPSR模型研究矿区地质环境系统简单直接，可以为城市环境系统决策管理提供依据。研究表明，从资源开发利用的角度出发，矿城安全格局的演变服从于矿业城市可持续发展的支撑体系，是通过资源禀赋、资源产业、区域资源支撑系统3个层次来驱动的；城市安全格局的立身之本在于地质环境安全，矿山资源开发过程中，主要通过政策规划约束（例如胜利矿闭坑与境界线调整等），并经过综合整治反馈开发程序调整（例如“厂矿双保”实施），来实现动态平衡。

3）现阶段提升矿区整体安全性不但要继续提高响应系统（即社会治理能力响应和环境治理响应）抵抗不安全因素的韧性，还须针对突发性滑坡灾害进行必要的应对措施防范。

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基金资助:国家重点研发计划资助项目(2017YFC1503106);中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项资助项目(2019-ZD004);

文章来源:郭霁,焉博,侯成恒,等.抚顺西露天矿资源开发对城市地质环境的影响分析[J].露天采矿技术,2024,39(06):7-12.