董家溝煤礦地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與治理

閻 偉

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)太原有限公司，山西 太原 030006）

煤礦開采中所產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害主要有地面塌陷、滑坡、泥石流以及水土流失等等。隨著煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類別以及范圍等均進(jìn)一步擴(kuò)大，這對(duì)于礦區(qū)人們正常生活及煤礦開采作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害問題已經(jīng)成了我國(guó)煤礦區(qū)環(huán)境治理的重點(diǎn)問題之一。

1 董家溝煤礦自然地質(zhì)情況概述

1.1 自然地理情況

董家溝煤礦位于遼寧省境內(nèi)，揭露地層主要有古生界奧陶系、石炭系及新生界第四系，露天開采的礦段位于礦區(qū)的中部和東南部，煤層地表出露較好或埋藏較淺的礦段進(jìn)行，主要開采2號(hào)煤層。煤礦總面積為27 km2，其中開采場(chǎng)地面積為7 km2，排矸場(chǎng)所占地面積為13.7 km2，工業(yè)場(chǎng)地所占面積為3.9 km2，居民生活區(qū)域占地面積為2.2 km2。礦區(qū)最高海拔標(biāo)高為+200 m，最低海拔標(biāo)高為+160 m，平均海拔標(biāo)高為+170 m。整體來(lái)說東部及南部地勢(shì)相對(duì)較高，西部及北部地勢(shì)相對(duì)較低。

煤礦區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，夏季氣溫較高，且降雨量較大；冬季較寒冷，雨雪較少；春季濕度較低，且風(fēng)沙較大。每年降雨多集中在6～8月。

1.2 水文地質(zhì)和工程地質(zhì)情況

煤礦開采區(qū)域的地下水主要為第四系潛水。含水層深度在2～8m范圍內(nèi)，厚度值為6 m。北部潛水坡度值為2‰，滲透系數(shù)在8～19 m/d之間；東南部潛水從東南方向流至西北方向，滲透系數(shù)在25～40 m/d之間。第四系潛水的補(bǔ)給主要來(lái)源依靠大氣降水。

煤礦區(qū)的巖層結(jié)構(gòu)主要為洪積層及沖積層，巖性屬于砂質(zhì)粘土及黃土。礦區(qū)構(gòu)造多為單斜，煤層整體走勢(shì)為NE傾向?yàn)镾E。煤礦區(qū)主要巖石物理性質(zhì)如表1所示。

表1 煤礦區(qū)主要巖石物理性質(zhì)

煤礦區(qū)的巖石的容重、孔隙率及密度等與巖體賦存深度存在直接關(guān)聯(lián)性。頁(yè)巖容重及密度均隨著埋深的增加而增大，另外，巖體孔隙率及含水率隨埋深的不斷增加而降低。

2 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

2.1 邊坡體滑坡災(zāi)害

煤礦在開采中常會(huì)出現(xiàn)一些滑坡問題?；聻?zāi)害除對(duì)煤礦開采造成影響外，還會(huì)影響到周圍一些建筑工程。該礦近期出現(xiàn)了較多的滑坡，表明了邊坡的穩(wěn)定性存在著嚴(yán)重問題，未來(lái)可能還會(huì)導(dǎo)致更多的滑坡災(zāi)害出現(xiàn)。導(dǎo)致邊坡體滑坡災(zāi)害的原因主要有以下兩點(diǎn)：

（1）巖性。發(fā)生滑坡，很大程度上和邊坡巖體結(jié)構(gòu)及組成存在直接關(guān)聯(lián)性。導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)滑坡問題的主要原因是由于巖體屬于軟弱巖體。由于煤礦區(qū)的巖石主要包含有砂巖、頁(yè)巖以及炭質(zhì)頁(yè)巖等，泥頁(yè)巖巖石在吸水之后將會(huì)發(fā)生相對(duì)大的體積膨脹，而且在飽水之后還會(huì)表現(xiàn)出塑性變形，極易出現(xiàn)碎裂；而砂巖雖然自身的致密性相對(duì)好，巖性相對(duì)也較硬，但由于存在較多的節(jié)理裂縫，使得這種巖體也極易產(chǎn)生破裂。

（2）地下水。和滑坡災(zāi)害存在密切關(guān)聯(lián)性因素便是水的因素。巖體在發(fā)生滑坡災(zāi)害時(shí)基本上都會(huì)受到地下水的影響。根據(jù)煤礦區(qū)滑坡災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，對(duì)整個(gè)井田區(qū)域范圍進(jìn)行調(diào)查，一共發(fā)生滑坡災(zāi)害共56處，在所發(fā)生的大型滑坡災(zāi)害之中，有30次滑坡災(zāi)害是受到了地下水的影響。在煤礦區(qū)之中，尤其在冬季氣溫較低的情況下，邊坡位置地下水滲流至地表，出現(xiàn)凍凝并形成冰壩，嚴(yán)重地阻礙了地下水順利排出地表，導(dǎo)致了地下水位急劇上升，使得地下水壓力不斷增加，從而導(dǎo)致邊坡滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

2.2 地面變形與裂縫

在工業(yè)場(chǎng)地及居住區(qū)，很多地方出現(xiàn)地表隆起或地表塌陷的問題，使得很多建筑物發(fā)生開裂變形。在煤礦生態(tài)治理景觀臺(tái)建筑的南側(cè)位置，地面出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫問題，很多區(qū)域的地表下沉量達(dá)到80 cm，而且一些地表出現(xiàn)了較多的空洞。在景觀臺(tái)建筑的東部位置處排水溝同樣也出現(xiàn)了變形。地面沉陷現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

圖1 地面沉陷現(xiàn)場(chǎng)照片

煤礦區(qū)中，地面裂縫同樣較嚴(yán)重。在煤礦稱重區(qū)域的下部位置，存在范圍較大的裂縫，整條裂縫的長(zhǎng)度達(dá)到了130m，裂縫最寬處達(dá)到了20 cm。該裂縫發(fā)育原因是由于一些底層強(qiáng)度相對(duì)弱的巖體，受到地下水長(zhǎng)期作用，導(dǎo)致底層性質(zhì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了底層出現(xiàn)形變而產(chǎn)生錯(cuò)位等地質(zhì)災(zāi)害，最終在地面形成裂縫。

2.3 殘煤自燃

該煤礦開采屬于露天開采，由于受到開采條件、開采工藝、開采設(shè)備，以及斷層結(jié)構(gòu)等多方面因素影響，在采空區(qū)域有較多的殘煤存在。尤其一些部位屬于淺部開挖，與地表的裂隙相互連接，更易導(dǎo)致殘煤自燃問題的發(fā)生。殘煤自燃現(xiàn)場(chǎng)照片見圖2。目前，對(duì)煤礦開采區(qū)域中的發(fā)火點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，在200處發(fā)火點(diǎn)之中，其中50處發(fā)火點(diǎn)屬于主要發(fā)火點(diǎn)。在對(duì)殘煤自燃進(jìn)行評(píng)價(jià)之后得出，殘煤發(fā)生自燃主要是受到了下列因素的影響：

（1）處于常溫條件下，煤擁有相對(duì)高的氧化活性。

（2）擁有相對(duì)較高的氧濃度值。

（3）不間斷漏風(fēng)，且漏風(fēng)的強(qiáng)度大。

（4）經(jīng)歷了較長(zhǎng)的氧化時(shí)間。

圖2 殘煤自燃現(xiàn)場(chǎng)照片

由于該煤礦的殘煤邊坡表層位置很多煤粉一直暴露于大氣之中，相對(duì)來(lái)說氧氣含量較為充足。并且受到施工的影響，導(dǎo)致了邊坡部位產(chǎn)生非常多的裂隙，存在嚴(yán)重的漏風(fēng)問題。這些因素均導(dǎo)致了煤礦區(qū)中殘煤自燃問題經(jīng)常發(fā)生，而且殘煤自燃問題有著繼續(xù)擴(kuò)大的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

3 煤礦地質(zhì)災(zāi)害綜合治理措施

3.1 滑坡防治工程方案的確定

在坡體前端的中部位置，通過設(shè)置抗滑樁，有效的避免滑坡的發(fā)生。設(shè)置抗滑樁的截面大小為2 m×3m，相鄰抗滑樁之間間距值約為8 m，抗滑樁的長(zhǎng)度值為25～30 m，不同位置抗滑樁的長(zhǎng)度依邊坡實(shí)際情況進(jìn)行確定。要確保打入到基巖之中的樁體長(zhǎng)度應(yīng)超出抗滑樁總長(zhǎng)的1/4。此外，還要加強(qiáng)邊坡的綠化工作，采用魚鱗坑種植方式或是采用空心磚圍土種植方式。種植一些喬木植物及灌木植物，還應(yīng)在樹木間種植綠色植被，有效地防止邊坡水土流失，提升邊坡的穩(wěn)定性。邊坡治理見圖3。

3.2 地面變形與裂縫防治工程方案的確定

圖3 邊坡治理

在煤礦區(qū)之中出現(xiàn)地表塌陷，導(dǎo)致地表及建筑物均出現(xiàn)了不同程度的變形與開裂。對(duì)這些地面沉陷進(jìn)行分析，認(rèn)為造成地表沉陷的主要原因是因?yàn)檫@些區(qū)域之中存在著隱伏的滑動(dòng)邊坡層結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@些滑動(dòng)邊坡層的運(yùn)動(dòng)，使地表產(chǎn)生了一定的變形以及沉陷。在對(duì)沉陷及裂縫進(jìn)行治理的中，采用水泥砂漿注漿的方式灌注處理。而對(duì)于一些空化區(qū)域則通過鉆孔注漿的方式進(jìn)行，再填充相應(yīng)的加固物質(zhì)，從而達(dá)到加固效果。

3.3 殘煤自燃防治工程方案的確定

采用注水對(duì)殘煤進(jìn)行冷卻處理，達(dá)到降溫的同時(shí)將殘煤和空氣有效隔絕。采用注水降溫方案，可以通過輸水管路經(jīng)由泵站將水輸送至火區(qū)，完成滅火工作。此外，還可以采用輸水車進(jìn)行輸水滅火。對(duì)一些自燃范圍相對(duì)小的火區(qū)，自燃范圍不超過2 m，則通過輸水車滅火的方式進(jìn)行滅火。此種方法能夠快速的達(dá)到滅火效果。不過，一些火區(qū)由于范圍相對(duì)大，在滅火之后也易出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。

另外，還能夠?qū)⒁恍碛薪禍匾约白枞甲饔玫臐{液注入至巖石之中，能夠有效的將可燃物質(zhì)屏蔽，同時(shí)還能夠降低殘煤的溫度值，可以有效防止殘煤自燃問題的發(fā)生，其適用于一些范圍較大的火區(qū)防火工作之中。

4 煤礦地質(zhì)災(zāi)害治理前后地質(zhì)監(jiān)測(cè)

選取綜合治理區(qū)域中6個(gè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，治理前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

在對(duì)綜合治理現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)之后發(fā)現(xiàn)，利用相應(yīng)方案進(jìn)行治理之后，可以有效的控制邊坡穩(wěn)定性，確保邊坡的變形區(qū)域緩和，這也證明了綜合治理效果非常顯著，所制定的方案具有較強(qiáng)可行性，為煤礦礦區(qū)未來(lái)進(jìn)行地質(zhì)景觀公園的建設(shè)建立了良好的基礎(chǔ)保障。

表2 治理前后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)