礦山地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估方法研究

屈曉榮

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西太原 030006)

礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理是為減少礦山建設(shè)及生產(chǎn)活動造成的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，改善礦山地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量，保障礦山地質(zhì)環(huán)境治理保證金制度順利實施的一項制度。通過編制保護(hù)與恢復(fù)治理方案，促進(jìn)礦山地質(zhì)環(huán)境問題治理工作的規(guī)范化，實現(xiàn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。保護(hù)與恢復(fù)治理方案是實施保護(hù)、監(jiān)測和恢復(fù)治理礦山地質(zhì)環(huán)境的技術(shù)之一。

1 評估的基礎(chǔ)資料

1)礦山地理位置和社會經(jīng)濟(jì)概況。主要了解當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?、?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、土地利用現(xiàn)狀等內(nèi)容。重點收集當(dāng)?shù)氐耐恋乩矛F(xiàn)狀圖，計算治理區(qū)域內(nèi)戶數(shù)、人口、房屋、耕地面積、林地面積、吃水及工業(yè)用水等情況，以此作為計算工程經(jīng)費的部分依據(jù)。2)礦山開采歷史及現(xiàn)狀。主要了解礦區(qū)以往開采方式、采空區(qū)范圍及礦山開采現(xiàn)狀。3)礦山開發(fā)利用概況。主要描述礦山建設(shè)規(guī)模及工程布局、礦山開采層位及資源儲量、設(shè)計生產(chǎn)能力及服務(wù)年限、礦山采區(qū)布置及開采接替順序、礦山開采方式及頂板管理方式、固體廢棄物及廢水處置等礦山開采的內(nèi)容，該部分內(nèi)容是分析礦山地質(zhì)環(huán)境變化原因及結(jié)果的重要依據(jù)，對開發(fā)利用方案的理解和掌握是礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案成功與否的關(guān)鍵。4)礦山地質(zhì)環(huán)境背景。地質(zhì)環(huán)境背景除了描述自然地理特征、地形地貌特征等表面特征外，重點要寫清楚區(qū)域的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造。礦山開采造成的地質(zhì)環(huán)境變化很大程度上與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造有關(guān)，在構(gòu)造較為簡單，地層巖石較好的地方，開采造成的地質(zhì)環(huán)境破壞相對較小。開采區(qū)的水文地質(zhì)條件也是地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的一項重要內(nèi)容，水資源的保護(hù)是礦區(qū)開采后生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的重要條件，了解礦區(qū)的水文地質(zhì)條件，在礦產(chǎn)資源開發(fā)利用與水資源保護(hù)之間尋找合理的關(guān)系是礦區(qū)集約化、可持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵問題。同時按照工程地質(zhì)條件劃分地層結(jié)構(gòu)也是地質(zhì)環(huán)境保護(hù)需要了解的重要內(nèi)容。作為礦山開采的最終目的，礦體(層)的地質(zhì)特征直接決定了開采時采用的開采方式及開采中可能造成的破壞，對礦體(層)的地質(zhì)特征的了解是礦山地質(zhì)環(huán)境背景中最重要的內(nèi)容。

2 礦山地質(zhì)環(huán)境影響評估

2.1 評估范圍與級別確定方法

礦山地質(zhì)環(huán)境影響評估依照中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0223-2011礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，本文統(tǒng)稱《編制規(guī)范》，根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀、礦山地質(zhì)災(zāi)害種類和地質(zhì)災(zāi)害影響范圍、影響程度、采礦活動影響范圍等來確定地質(zhì)環(huán)境影響評估范圍和級別。評估范圍在采礦活動沒有影響到地下水的區(qū)域以礦界為界，在采礦活動影響到地下水的區(qū)域以對地下水影響的最遠(yuǎn)范圍為界。評估級別的確定根據(jù)《編制規(guī)范》的要求，依據(jù)評估區(qū)重要程度、礦山生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模、礦山地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度等綜合確定。

2.1.1 評估區(qū)重要程度

評估區(qū)重要程度的確定按照《編制規(guī)范》附錄B表B采取上一級別優(yōu)先的原則，綜合分析評估區(qū)內(nèi)的人口、建筑物、公路、鐵路、水源等要素確定。

2.1.2 礦山建設(shè)規(guī)模

礦山建設(shè)規(guī)模按照《礦山生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模分類一覽表》劃分。

2.1.3 礦山地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度

礦山地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜程度對照《編制規(guī)范》，采取就上原則確定，主要從以下幾個方面考慮:1)水文地質(zhì)條件;2)工程地質(zhì)條件;3)地質(zhì)構(gòu)造;4)現(xiàn)狀地質(zhì)環(huán)境問題;5)采空區(qū);6)地形地貌。

2.1.4 評估級別

在確定上文提到的三個主要指標(biāo)后，對照《編制規(guī)范》附錄A礦山地質(zhì)環(huán)境影響評估精度分級表綜合確定評估級別。

2.2 現(xiàn)狀評估

礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀評估是指對評估區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響作出評估。其主要內(nèi)容包括:分析評估區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型、規(guī)模、發(fā)生時間、表現(xiàn)特征、分布、誘發(fā)因素、危害對象、危害程度;評估由采礦活動導(dǎo)致地下含水層的影響或破壞情況。評估采礦活動對地形地貌景觀、地質(zhì)遺跡、人文景觀等的影響和破壞情況。分析評估區(qū)內(nèi)采礦活動對土地資源的影響和破壞情況。

2.2.1 地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀評估

主要用來分析評估區(qū)內(nèi)現(xiàn)有易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的采空區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)域等危險源的現(xiàn)狀，資料來源主要是礦山開采的采空區(qū)分布位置圖，依據(jù)采空區(qū)范圍踏勘評估區(qū)域內(nèi)各類現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害，分析其類型及特征，同時統(tǒng)計地質(zhì)災(zāi)害危險性現(xiàn)狀引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失。一般采煤引發(fā)的災(zāi)害通常有地面塌陷、地裂縫(包括房屋裂縫)崩塌、工業(yè)廣場建設(shè)挖填方和修建礦區(qū)道路形成的不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)災(zāi)害隱患等，見圖1～圖4。

圖1 地面塌陷

圖2 地面裂縫

圖3 房屋裂縫

圖4 不穩(wěn)定斜坡

在綜合分析各類現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害后，根據(jù)《編制規(guī)范》附錄E礦山地質(zhì)環(huán)境影響程度分級表的規(guī)定，對危險性現(xiàn)狀作出評估。

2.2.2 采礦活動對含水層的影響與破壞現(xiàn)狀評估

通過分析評估區(qū)水文地質(zhì)資料，確定采礦活動對地下水含水層的影響范圍及影響到的含水層。重點分析礦山開采對含礦地層含水層的影響及第四系松散巖類含水層的影響。地表水是人類活動的主要水資源來源，故對第四系松散巖類含水層的評估將直接決定開采區(qū)域內(nèi)人類活動的生活用水，應(yīng)重點分析。分析結(jié)果依照《編制規(guī)范》附錄E的規(guī)定確定影響值。

2.2.3 采礦活動對地形地貌景觀的影響與破壞現(xiàn)狀評估

通過分析采礦活動會因采空形成地表沉陷，造成地面標(biāo)高的變化，地層產(chǎn)狀會沿地裂縫及地面塌陷發(fā)生局部的變化，造成地質(zhì)體斷裂、變形，改變評估區(qū)微地貌形態(tài)。地表沉陷、地裂縫直接破壞農(nóng)作物、林木及原生地表植被，并對地表淺部蓄水結(jié)構(gòu)的破壞也使得地表土體變得疏松，土壤含水量降低，從而使地表植被覆蓋率降低，局部破壞了原生地形地貌景觀等。同時采礦活動必然要對周圍地形進(jìn)行切坡和填方處理，由此在溝谷兩邊形成多處高陡邊坡，溝谷低洼之處均被填平等處理。另外在工業(yè)場地之上建有辦公樓、宿舍樓、住宅樓，以及主副井、庫房、浴室、機(jī)修房、調(diào)度樓、污水處理站等大量的建構(gòu)物，增加景觀破碎度，改變了評估區(qū)的地形地貌景觀格局。

2.2.4 采礦活動對土地資源的影響或破壞現(xiàn)狀評估

我國是人口大國，實行最嚴(yán)厲的土地保護(hù)政策，采礦活動形成的采空沉陷、地裂縫對土地資源的破壞主要表現(xiàn)為地表土體塌陷、疏松，土壤含水量降低，促使土地砂化，加劇水土流失，地表自然植被的存活與生長受到較嚴(yán)重影響，地表自然植被覆蓋率降低，農(nóng)業(yè)植物因土壤水分的降低及土地退化而減產(chǎn)，塌陷嚴(yán)重的土地要棄耕，土地的利用價值明顯降低。對土地的破壞程度依據(jù)《土地復(fù)墾規(guī)定》中的規(guī)定進(jìn)行詳細(xì)劃分。

3 地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估

各類礦山地質(zhì)災(zāi)害危險性評估方法較為相似，本文以山西某煤礦為例說明預(yù)測評估的方法。

3.1 采礦活動引發(fā)和加劇的地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測評估

根據(jù)礦井地質(zhì)報告，該煤礦煤層覆巖相當(dāng)于中硬巖層。類比其他礦區(qū)已有的煤層開采沉陷的基本參數(shù)，同時結(jié)合該礦實際的地質(zhì)構(gòu)造條件，通過類比確定該礦開采地表移動變形基本參數(shù)。根據(jù)《編制規(guī)范》附錄E，以地表預(yù)測變形值為依據(jù)，對各類被破壞對象的破壞程度作出評估。該礦的開采引起的變形為2 m～6 m不等。

3.2 采礦活動對含水層的影響與破壞預(yù)測評估

礦山開采對含水層的影響與破壞主要從疏干的含水層位及高度、礦山開采對奧灰?guī)r溶水的影響、煤炭開采對淺層地下水與礦區(qū)已有供水水源的影響三個方面來預(yù)測評估。

1)疏干的含水層位及高度。據(jù)生產(chǎn)礦井充水情況與礦區(qū)水文地質(zhì)條件來看，本礦區(qū)各可采煤層充水通道主要為煤層頂板以上巖石的裂隙、陷落柱、斷層及開采后形成的導(dǎo)水裂隙帶和采空區(qū)地表塌陷、裂縫，其他因素居次。應(yīng)根據(jù)《三下采煤規(guī)程》關(guān)于煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式，結(jié)合礦區(qū)批采各煤層頂板堅硬程度來確定。2)礦山開采對奧灰?guī)r溶水的影響。對奧灰?guī)r溶水的影響從水文地質(zhì)報告中確定的水位標(biāo)高結(jié)合煤層標(biāo)高及隔水層的厚度確定煤層的開采對奧陶系巖溶含水層的影響。該礦開采對奧灰?guī)r溶水的影響較小。3)煤炭開采對淺層地下水與礦區(qū)已有供水水源的影響。本文3.1所述，煤層開采會引起較大的地表變形從而使裂縫上下貫通，礦坑排水會疏干7號，9號，10號煤層以上所有含水層，會造成所有該層位水井的報廢。礦區(qū)內(nèi)村莊村民目前生活用水取自溝谷第四系孔隙水和基巖裂隙泉水，評估區(qū)煤炭開采對第四系、石炭系含水層影響嚴(yán)重，煤礦礦坑排水會對村民用水造成嚴(yán)重影響。4)地下水影響范圍。煤層開采后將改變采掘場周圍的地下水水位線分布，使煤礦開采區(qū)周邊范圍內(nèi)的水位線將斷裂缺失，出現(xiàn)一定程度的水位下降，形成以開采區(qū)為中心的降水漏斗，地下水的流場也將重新整合分布。對地下水的影響范圍采用下面的經(jīng)驗公式概算。其中，R為影響半徑，m;S為抽水降深，m，取176 m(取自10號煤層平均埋深);K為滲透系數(shù)，m/d，取太原組最大值0.005 2 m/d。

3.3 采礦活動對地形地貌景觀的影響與破壞預(yù)測評估

礦山在建設(shè)與生產(chǎn)過程中對土地資源的破壞主要表現(xiàn)為工業(yè)場地、矸石場建設(shè)等對土地資源破壞及采區(qū)影響范圍內(nèi)地表變形對地形地貌景觀的影響與破壞。開采階段使地面變形引起地表建筑物破壞。根據(jù)前述地面變形計算結(jié)果，該礦開采后會形成2 m～6 m的地表下沉，對原生地形地貌景觀影響程度較嚴(yán)重。工業(yè)廣場大面積的土地平整會使原來地表結(jié)構(gòu)及下墊面植被完全遭到破壞，造成周圍山體破損，巖石裸露。矸石場由于矸石堆放改變了原有溝谷地形，破壞了現(xiàn)有植被，局部改變了周圍地形地貌條件，對原生地形地貌條件改變大。

3.4 采礦活動對土地資源的影響與破壞預(yù)測評估

對土地破壞程度根據(jù)《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程第3部分:井工煤礦》關(guān)于采煤沉陷土地?fù)p毀程度標(biāo)準(zhǔn)得出。

4 結(jié)語

本文分析了礦山地質(zhì)環(huán)境危險性預(yù)測評估的基礎(chǔ)資料，根據(jù)礦山地質(zhì)環(huán)境影響評估規(guī)范的要求，從礦山地質(zhì)環(huán)境影響評估范圍與級別出發(fā)，研究了現(xiàn)狀評估的主要內(nèi)容及評估重點，結(jié)合山西某煤礦的評估實踐，對評估中涉及的相關(guān)技術(shù)規(guī)定及計算標(biāo)準(zhǔn)做了相應(yīng)說明。

［1］國家煤炭工業(yè)局.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［S］.

［2］龔國華，霍 炎.關(guān)于礦山地質(zhì)災(zāi)害評估建模的探討［J］.礦產(chǎn)與地質(zhì)，2009，23(5)：487-489.

［3］鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開采沉陷工程［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［4］李德海，王長江.地表和巖層與工作面推進(jìn)速度的關(guān)系［J］.礦山壓力與頂板管理，1995，23(4)：39-43.

［5］鄒友峰.開采沉陷預(yù)計參數(shù)的確定方法［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，20(4)：253-257.

［6］李晶晶，索效榮.溫家溝煤礦采煤引起的地表沉陷預(yù)測［J］.山西建筑，2009，35(35)：91-92.