普定貓洞鄉(xiāng)可處村地質(zhì)災(zāi)害成因及防治對策研究

胡 嶼,劉 勇

(貴州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,貴陽 550004)

根據(jù)1999～2008年完成的全省88個縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃資料,全省共有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)10109起,其中滑坡為6688起,占災(zāi)害總數(shù)的67%,崩塌為1727起,占災(zāi)害總數(shù)的17%,泥石流為499起,占災(zāi)害總數(shù)的5%,其他災(zāi)害占1195起,占災(zāi)害總數(shù)的11%,共威脅72萬余人,潛在經(jīng)濟(jì)損失71億元,其中近一半由礦山開發(fā)所引起.

1 地質(zhì)災(zāi)害特征

可處村位于安順市普定縣貓洞鄉(xiāng)東北部的可處村,地理坐標(biāo)為:東經(jīng)105°54′43″～105°56′03″,北緯26°24′28″～26°25′17″.總體上南西高北東低.區(qū)內(nèi)最高位于可處村寨南西部老鷹坡山頂,高程為1515.8m.最低位于北部三岔河,河床水位高程1055m,相對高差460.80m,地形坡度一般為10°～30°,除元江煤礦、桐鑫煤礦兩家私營煤礦之外無其他礦山,區(qū)內(nèi)主要有崩塌危巖體、滑坡、地裂縫、塌陷坑等地質(zhì)災(zāi)害,這些地質(zhì)災(zāi)害不同程度地威脅著可處村寨、公路車輛及行人的安全(圖1).

(1)崩塌危巖體

區(qū)內(nèi)共調(diào)查崩塌危巖體2處,崩塌危巖體(WY1)位于元江煤礦主井口南側(cè)880m處,形成三面臨空的老鷹坡垂直陡崖,危巖體長約60～100m,高約80～120m,寬約30～90m,總體積約500000m3.北側(cè)臨空面陡崖上于2009年11月11日、12月3日出現(xiàn)兩次掉塊石現(xiàn)象:塊石(KS1)位于可處村東側(cè)30m處礦山公路旁,塊石長1.40m,寬1.10m,厚0.60m,體積0.924m3;塊石(KS2)位于可處村南西側(cè)80m處老鷹坡山下礦山公路旁,塊石長1.50m,寬1.20m,厚0.70m,體積1.26m3.兩次掉塊石未傷及人員及房屋,但崩塌危巖體隨時都有崩塌的可能,對可處村村民164棟房屋,265戶,1507人的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅.

(2)滑坡

區(qū)內(nèi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)滑坡(HP1)1處,于2005年發(fā)生,位于三岔河北側(cè)、元江煤礦主井口南東側(cè)200m處.在基巖及風(fēng)化殘坡積層中,滑坡后緣呈弧形,伴生于地裂縫(DL6)下,斜坡地帶堆積體積約8000m3,該滑坡下方為斜坡臺地,未有村民居住.

(3)地面塌陷

區(qū)內(nèi)有3處地面塌陷,塌陷坑(TX1)位于元江煤礦主井口南西側(cè)1050m處老鷹坡南西側(cè)溝谷臺地中,塌陷坑呈橢圓形,長2.50m,寬1.80m,可視深度10m;塌陷坑(TX2)位于元江煤礦主井口南西側(cè)1110m處老鷹坡南西側(cè)溝谷臺地后緣,塌陷坑呈圓形,直徑1.0m,深1.20m;塌陷坑(TX3)元江煤礦主井口南東側(cè)476m處,呈橢圓形,長8.0m,寬3.0m,可視深度約5m.3個塌陷坑處于變形擴(kuò)大趨勢中,對過往行人和牲畜造成威脅.

(4)地裂縫

該區(qū)共有6條地裂縫,地裂縫(DL1、DL2、DL4、DL5、DL6)為2007年發(fā)生,裂縫長120～400m,寬5～45cm,可視深度0.1～2m;地裂縫(DL3)為2009年發(fā)生,位于元江煤礦主井口南東-北西側(cè)950～1070m 處,老鷹坡山頂至北西側(cè)一線,地裂縫發(fā)育南東-北西向,呈弧形,長800m,寬5～50cm,橫切老鷹坡山頂山脊,可視深度1.6～6.0m.6條地裂縫均處于發(fā)展變形中,對過往行人和牲畜造成威脅.

2 地質(zhì)災(zāi)害成因分析

2.1 相關(guān)參數(shù)確定

經(jīng)調(diào)查元江煤礦、桐鑫煤礦M8煤層平均厚度為1.0m,M9煤層平均厚度為1.0m,M14煤層平均厚度為0.8m,根據(jù)煤礦的儲煤構(gòu)造時代及特征,礦山類別Ⅱ類,地面建筑物保護(hù)級別屬Ⅱ級,安全系數(shù)為K=150.

(1)礦區(qū)煤層安全開采深度的計(jì)算與評價

為了使地面建筑物或主要井巷不會遭受坍塌或破壞,必須要有個距地表的開采安全深度,即通常所說的頂板安全厚度,根據(jù)《地方煤礦實(shí)用手冊》[2]中安全煤柱的留設(shè)規(guī)定,元江煤礦和桐鑫煤礦開采安全深度按下式計(jì)算:

Hδ(M9)=MXK=4.4X150=660m

Hδ(M14)=MXK=3.74X150=561m

式中:Hδ--安全深度(m)

M--綜合作用厚度(m)

K--安全系數(shù)

M9煤層、M14煤層綜合作用厚度按下式進(jìn)行計(jì)算:

當(dāng)煤層厚度小于2.20m時,使用最小采高2.20m參與計(jì)算.

M8=2.20m

M9=2.20m h1=14.00m h1/m9=6.36m

M14=2.20m h2=117.00m h2/m14=53.18m

C9=1.0 C14=0.35

M9綜合作用厚度= M9+C9XM8=2.20+1.0X2.20=4.4m

M14綜合作用厚度= M14+C14X(M9+M8)=2.20+0.35X 4.4=3.74m

元江煤礦開采的M9號煤層,上覆巖體厚度為108.6～150.0m ;桐鑫煤礦采掘的M14號煤層,上覆巖體厚度為206.0～446.0m ,均小于煤礦開采安全深度(Hδ (M9)=660.0m,Hδ(M14)=561.0m).

(2)采空區(qū)地面移動變形影響范圍的確定

煤層采空區(qū)一旦發(fā)生上覆頂板崩落垮塌,其采空區(qū)的影響因垮塌和巖層移動角的上延而遠(yuǎn)大于采空區(qū)范圍.根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷礦柱留設(shè)與壓煤開采程度》[1](簡稱《三下采煤規(guī)程》附表5～3),按覆巖性質(zhì)分區(qū)地表移動參數(shù)的有關(guān)規(guī)定,確定巖層移動參數(shù):走向邊界角δ0,上山方向邊界角γ0,下山方向邊界角β0,按(β0=δ0-0.7α)計(jì)算,公式中α為礦層傾角(度),再根據(jù)《三下采煤規(guī)程》第24條關(guān)于地形坡度對山區(qū)礦移動角擴(kuò)散效應(yīng)的規(guī)定(上坡方向減小5～10°,下坡方向減小2°～3°),綜合分析走向、上山方向、下坡方向邊界角,得出元江煤礦和桐鑫煤礦采空區(qū)最終邊界角取值:

δ0=γ0=50°,β0=48-3°=45°(圖2).

(3)煤礦采礦掘進(jìn)爆破震動影響范圍的確定

元江煤礦、桐鑫煤礦采礦掘進(jìn)爆破震動影響范圍根據(jù)《爆破震動安全規(guī)程》[2],爆破震動安全距離的計(jì)算公式:R(元江煤礦)=(K/V)1/aXQ1/3=(350/0.5)1/1.8X161/3=98.78m;R(桐鑫煤礦)=(K/V)1/aXQ1/3= (350/0.5)1/1.8X161/3=98.78m

式中:

R--爆破震動允許安全距離(m)

K、a--采礦爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對象的地形,地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)

V--保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)震動安全允許速度(cm/S)

Q--炸藥量(kg)

根據(jù)爆破震動影響范圍距離計(jì)算:桐鑫煤礦井口開拓爆破震動影響范圍距離尚未對可處村村民房屋產(chǎn)生影響;元江煤礦2004-2007年采空區(qū)處在可處村部份村民房屋下方或附近,其爆破震動影響范圍均小于M8煤層采空區(qū)邊界角影響范圍.

2.2 地質(zhì)災(zāi)害成因分析

地質(zhì)災(zāi)害的形成與發(fā)展,均受一定的內(nèi)、外因素所控制,自然因素是災(zāi)害形成的內(nèi)因,人類工程活動和降水條件是災(zāi)害形成的外因.

(1)自然因素

區(qū)內(nèi)屬低中山侵蝕、剝蝕、溶蝕山地地貌,地形起伏較大,相對陡峻、復(fù)雜,植被覆蓋差,基巖裸露.老鷹坡山體三面臨空,北側(cè)形成高度320～340m的陡崖,北西側(cè)至將軍巖一線形成長約400m,高度200～250m的陡崖,坡度在80°以上.為地質(zhì)災(zāi)害的形成創(chuàng)造了地形地貌條件.

區(qū)內(nèi)出露地層由老到新為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)、二疊系上統(tǒng)長興組+大隆組(P3c+d)、三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)、第四系(Q);龍?zhí)督M(P3l)為本區(qū)含煤地層,巖性為泥巖、頁巖、粉砂巖夾灰?guī)r;長興組+大隆組(P3c+d)巖性主要為深灰色中厚層灰?guī)r、頁巖;大冶組巖性為淺灰色薄至中厚層隱晶質(zhì)灰?guī)r,形成老鷹坡陡崖,陡崖段"X"節(jié)理極發(fā)育,斜坡地帶上堆積有零星塊石;第四系巖性由殘坡積、沖積、崩積等所形成的砂泥、礫石、粘土,主要分布在斜坡地帶.以上地層巖性的組合為地質(zhì)災(zāi)害的形成創(chuàng)造了地質(zhì)條件(圖1).

(2)人為因素

調(diào)查區(qū)內(nèi)有元江煤礦和桐鑫煤礦,可處村寨.可處村位于元江煤礦巷道開拓方向的東側(cè),處于元江煤礦采空區(qū)邊界角、采空區(qū)疏排地下水的影響范圍內(nèi)(圖2);桐鑫煤礦巷道向西開拓,可處村位于桐鑫煤礦井口方向的北側(cè),其采空區(qū)邊界角、采空區(qū)疏排地下水的影響范圍未包括可處村.元江煤礦和桐鑫煤礦采礦造成的危害主要有:

①崩塌危巖體

崩塌危巖體(WY1、WY2)位于元江煤礦2007年-1285采空區(qū)邊界角影響范圍中,地裂縫(DL1、DL2、DL3、DL4)出現(xiàn)在崩塌危巖體影響范圍中,加劇了崩塌危巖體中裂隙變形,造成2009年11月11日、12月3日掉塊石現(xiàn)象.

②滑坡

滑坡(HP1)直接位于元江煤礦2004-2006年采空區(qū)上方,系元江煤礦采M8煤層采空區(qū)沉降變形造成.

③塌陷坑

塌陷坑(TX1、TX2)直接位于元江煤礦2007年1285采空區(qū)上方和邊界角影響范圍中,系元江煤礦采M8煤層2007年1285采空區(qū)沉陷變形造成,塌陷坑(TX3)直接位于元江煤礦1185采空區(qū)邊界角影響范圍中,系元江煤礦采M8煤層1185采空區(qū)沉陷變形造成.

④地裂縫

地裂縫(DL1、DL2、DL4)形成在老鷹坡陡巖、斜坡及緩坡臺地上,采空區(qū)的沉降變形加劇,再次將地質(zhì)環(huán)境脆弱的老鷹坡山頂至北西側(cè)一線拉張出現(xiàn)地裂縫(DL3),該4條地裂縫直接位于元江煤礦2007年1285采空區(qū)上方和邊界角影響范圍中,地裂縫(DL5、DL6)直接位于元江煤礦2004-2006年1181、1183采空區(qū)上方,系元江煤礦采M8煤層2004-2006年1181、1183采空區(qū)沉陷變形造成.

3 地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)制

由于元江煤礦強(qiáng)烈的采煤工程活動,形成了較大面積的采空區(qū),上覆巖層厚度小于頂板安全厚度,頂板失去了支撐作用,應(yīng)力發(fā)生變化,使頂板出現(xiàn)開裂垮落,逐漸形成垮落拱,隨著頂板冒落帶裂縫不斷向上延伸,垮落拱不斷增高,頂板冒落帶裂縫逐漸接近地表,導(dǎo)致地表發(fā)生裂縫、塌陷等災(zāi)害的發(fā)生, 破壞了原有的地質(zhì)環(huán)境條件.同時,采空區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大和頻繁的采礦爆破震動將進(jìn)一步加劇采空區(qū)覆巖的移動變形.

(1)崩塌危巖體的形成機(jī)制

老鷹坡崩塌危巖體(WY1、WY2)形成的地質(zhì)模式以彎曲-拉裂式為主.

地形極為陡峻,相對高差200～300m,地形坡度在80°以上,坡度大、勢能高、不利結(jié)構(gòu)面暴露,給崩塌的形成創(chuàng)造了有利的條件.

地層巖性對崩塌的形成具備了條件.調(diào)查表明,T1d巖性為薄至中厚層灰?guī)r,底部泥灰?guī)r和雜色頁巖及砂質(zhì)頁巖,巖石組合特征是堅(jiān)硬巖層上伏,軟弱巖層下覆,軟弱巖層抗風(fēng)化能力弱,風(fēng)化過程中產(chǎn)生坡退地形,上覆堅(jiān)硬巖體形成陡崖,人為作用繼續(xù)擴(kuò)大加深,極易產(chǎn)生卸荷崩塌.

坡體結(jié)構(gòu)對崩塌的形成有重要作用,受構(gòu)造作用和喀斯特作用的影響,巖體的"X"節(jié)理極其發(fā)育、喀斯特裂隙發(fā)育,特別是不當(dāng)?shù)娜藶楣こ袒顒赢a(chǎn)生的裂縫,使巖體向臨空方向卸荷產(chǎn)生崩塌.

(2)滑坡的形成機(jī)制

滑坡(HP1)為切層基巖滑坡.

其特點(diǎn)是滑動面傾向與巖層傾向相反,產(chǎn)生滑坡的過程是由于人類工程活動-元江煤礦采礦活動形成的采空區(qū),改變上覆巖層穩(wěn)定平衡狀態(tài),引起上覆巖層后緣產(chǎn)生拉裂,經(jīng)過一段時間,再產(chǎn)生塑流蠕動,當(dāng)坡肩向外蠕動,拉裂縫從上至下發(fā)展,當(dāng)裂縫切割出上覆巖形成貫通面,此時蠕動向滑-拉轉(zhuǎn)化,最后形成滑坡.

(3)塌陷的形成機(jī)制

塌陷坑(TX1、TX2)按成因劃分屬于采空塌陷.

經(jīng)過調(diào)查,在發(fā)生塌陷坑的上方都有一定厚度的土層,塌陷坑所處的巖性屬于可溶性巖石-碳酸鹽巖,人類工程活動-元江煤礦采礦活動形成的采空區(qū),改變上覆巖層穩(wěn)定平衡狀態(tài),導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度本來就低的頂板巖體失去支撐,再在增荷效應(yīng)下沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動,巖塊脫落下沉,地表土體也隨之下陷,導(dǎo)致采空塌陷的形成.

(4)裂縫的形成機(jī)制

地裂縫(DL1、DL2、DL4)按成因劃分屬于采空裂縫.

由于元江煤礦采煤形成了較大采空區(qū),采空區(qū)疏排地下水,導(dǎo)致頂板失去支撐,迫使井巷(洞穴)的圍巖產(chǎn)生補(bǔ)償性變形,巖體在變形過程中,由于巖體本身發(fā)育有節(jié)理裂隙,巖體在重力作用下,自身產(chǎn)生冒落、彎曲、拉裂,裂縫進(jìn)而延伸至地表形成地裂縫.

4 地質(zhì)災(zāi)害防治措施

(1)建議將受崩塌危巖體(WY1-WY2)威脅的可處村村民臨時搬遷至安全地帶,盡快對老鷹坡崩塌危巖體(WY1)、"將軍巖"危巖體(WY2)采取削坡減荷等工程措施.

(2)對已經(jīng)穩(wěn)定的塌陷坑(TX3)可采用土石填充并夯實(shí),防滲處理等措施;對塌尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的陷坑坑(TX1、TX2),宜采取監(jiān)測、示警及臨時工程措施,消除安全隱患.

(3)對產(chǎn)生的地裂縫(DL1～DL6)可采用土石填充并夯實(shí),防滲處理等措施.

(4)元江煤礦采空區(qū)范圍及邊界角影響范圍內(nèi),由于采礦過程的發(fā)展,正處在發(fā)展變形階段,上方已不宜新建任何類型的建筑物.

5 結(jié)語

(1)本項(xiàng)目通過實(shí)地調(diào)查對可處村地質(zhì)災(zāi)害的時、形、強(qiáng)、害特征進(jìn)行了說明,對災(zāi)害形成的自然因素及人為因素兩大方面進(jìn)行了的分析,提出了針對性的防治措施.

(2)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害形成的條件研究還不夠深入,礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制有待加強(qiáng).

(3)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因理論尚需發(fā)展.加大地質(zhì)災(zāi)害防治宣傳力度,特別是礦區(qū)人民、礦山業(yè)主的防災(zāi)減災(zāi)意識,防止礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生.

[1] 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000(5).

[2] 田旭民,田 力.地方煤礦實(shí)用手冊[M].北京:地質(zhì)出版社,1989.

[3] 地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊(duì).水文地質(zhì)手冊[M].北京:地質(zhì)出版社,1978.

[4] 林在貫,高大釗,顧寶和等.巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[5] GB50021-2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[6] GB6722-2003,爆破安全規(guī)程[S].