寧武昌元煤礦火區(qū)塌陷區(qū)治理綜合技術(shù)應(yīng)用

葛 治 勛

(中冶三局山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002)

1 概述

寧武縣昌元煤礦火區(qū)塌險(xiǎn)區(qū)綜合治理項(xiàng)目主要是對作業(yè)區(qū)的火區(qū)、塌陷區(qū)進(jìn)行恢復(fù)治理，消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，改善生態(tài)環(huán)境。從地面沉降、火區(qū)、地下塌陷的治理，到地表生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程。治理過程一定要從組成地質(zhì)災(zāi)害的微觀材料組成來認(rèn)識它，因巖土類材料在外荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變變化過程是其內(nèi)部微裂紋的萌生、演化和發(fā)展的過程[1]，建立本區(qū)各相關(guān)巖土層材料的“本構(gòu)模型”，系統(tǒng)全面地反映材料演化的力學(xué)行為，科學(xué)地指導(dǎo)本區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理，這將是一項(xiàng)十分具有應(yīng)用價(jià)值的工作。

2 研究區(qū)基本特征

2.1 自然地理特征

研究區(qū)隸屬山西省忻州市寧武縣新堡鄉(xiāng)管轄，位于山西省北中部管涔山主峰蘆芽山之東麓，屬中高山區(qū)。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造格局的影響，研究區(qū)地勢總體呈北東—南西向，地形由北西向南東傾斜。蘆芽山保護(hù)區(qū)森林茂密，氣候潮濕，鳥語花香，自古便是消夏避暑圣地?！熬硟?nèi)山川秀美，峰巒疊嶂，關(guān)城巍峨，寺廟林立”。中國最早的《辭?！酚涗浟藘商幪斐?，寧武天池為其一，是鑲嵌在海拔1 954 m高山之巔的湖泊群中最大的湖泊，面積為0.8 km2。天池水“陰霖不溢，陽旱不涸，澄清如鏡”，自古早有盛譽(yù)。

區(qū)內(nèi)水資源極為豐富。區(qū)域主要河流北部屬桑干河水系，其支流恢河發(fā)源于寧武管涔山北麓；中部屬滹沱河水系，陽武河為其重要的支流，發(fā)源于管涔山東麓，向南流經(jīng)恒山與五臺山之間，至界河折向東流，切穿系舟山和太行山，東流至河北獻(xiàn)臧橋與滏陽河，相匯成子牙河入海河；南部為汾河，發(fā)源于管涔山南東寨西北樓子山腳下之雷鳴寺泉。

2.2 地質(zhì)特征

區(qū)域出露的地層主要為太古界五臺群；古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系；中生界三疊系地層、新生界第四系地層。工作區(qū)地層主要為石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組地層，其上大多覆蓋有礫石層、黃土質(zhì)粉土層及第四系殘坡積砂土層。巖石地層走向呈北東—南西向，巖層傾向98°～148°，傾角57°～75°。

2.3 致災(zāi)因素分析

地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)環(huán)境中各因子異變耦合作用的產(chǎn)物，地質(zhì)災(zāi)害狀態(tài)要隨著各類致災(zāi)因子耦合作用模式及程度而演繹、異變熵增，使致災(zāi)環(huán)境熱寂而成災(zāi)[3]。通過對研究區(qū)的各種致災(zāi)因素進(jìn)行全面綜合分析，為可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)際工作基礎(chǔ)。

2.3.1巖層間地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)大地構(gòu)造屬于華北地臺之山西斷隆中北部，呂梁斷窿之北東部，寧武—靜樂斷陷盆地之中段西緣(見圖1)。寧武—靜樂塊坳[2]顯示為自北東向南西揪斜的復(fù)向斜，工作區(qū)為其中段，表現(xiàn)為陡傾斜的單斜構(gòu)造，傾角58°～75°。巖層層面節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，普遍發(fā)育成為一組共扼節(jié)理，兩組節(jié)理走向交角一般35°～60°，較大處達(dá)63°(見圖2)。在受到震動(dòng)、爆破及其他因素干擾時(shí)，節(jié)理迅速發(fā)展成裂隙，進(jìn)一步發(fā)展成斷層構(gòu)造。在受到層間裂隙水的長期浸泡，及雨水的滲透，常沿?cái)鄬用嫘纬苫瑒?dòng)面。當(dāng)滑坡巖土體在吸水蠕變、強(qiáng)度降低，當(dāng)其強(qiáng)度衰減達(dá)到閥值后，滑坡開始啟動(dòng)，隨之就可能發(fā)生局部或較大范圍的滑坡災(zāi)害。大量實(shí)際邊坡(滑坡)的現(xiàn)場踏勘和勘察以及數(shù)值摸擬計(jì)算表明，巖土體的垮塌現(xiàn)象發(fā)展過程是非線性的、復(fù)雜的耦合作用過程。目前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及專家、學(xué)者對裂隙巖體滲流理論展開研究，已取得很多研究成果[4，5]。大量失穩(wěn)成果表明：巖體破壞系大都由巖體滲流而誘發(fā)[6]，而且裂隙滲流場是一個(gè)多場(應(yīng)力場、變相場、滲流場等)、多相介質(zhì)(流體、固體、顆粒體等)耦合的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問題[1]，其機(jī)理十分復(fù)雜，理論與實(shí)踐的融合還有待完善。

2.3.2地層分析

從工作區(qū)自南西段至北東段，煤層底板出露本溪組(C2b)底部的褐黃色、黃綠色、灰褐色厚層狀鋁質(zhì)鐵質(zhì)砂質(zhì)粘土巖，一般10 m～20 m之間，在戈家窯—達(dá)子營段轉(zhuǎn)折部位較薄，約3 m～6 m。該層普遍夾有團(tuán)塊狀、窩狀、似層狀鋁質(zhì)、鐵質(zhì)巖及礫石。礫石其成分較雜，以長石石英(雜)砂巖、灰?guī)r為主，膠結(jié)物以松散的粘土、砂土為主，其中的高嶺土具有遇水濕滑，失水干縮的特性。上伏太原組(C3t)地層由長石石英(雜)砂巖、頁巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、煤、生物碎屑灰?guī)r等多組互層組成，韻律特征明顯。單層巖層厚度一般1 m～5 m，最薄處僅不足0.5 m。加之極陡的巖層傾角，在上層地層及煤層剝采后，整體穩(wěn)定性變差。

2.3.3水的作用

地層間裂隙水和大氣降水，共同構(gòu)成本區(qū)的另一個(gè)主控因子。本治理區(qū)自西向東施工過程中，因雨水誘發(fā)的較大的局部垮塌十多次。這與點(diǎn)、線上的地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)因素極為吻合，全區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型以滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降為主。季節(jié)性降雨屬主控因子，同時(shí)又是敏感因子，屬治理過程中重點(diǎn)防范對象。這涉及到巖土介質(zhì)流—固耦合作用的研究，建立本區(qū)各地層流—固耦合模型，解決在巖土工程中的實(shí)際問題，是十分有應(yīng)用價(jià)值的工作。因此這方面的研究無疑是巖土力學(xué)和流體力學(xué)研究的熱門課題和重大課題[7-10]。

3 治理方法的選擇及應(yīng)急響應(yīng)

3.1 方法的選擇

工程部署采取“分區(qū)分段、分層分塊、自上而下、嚴(yán)禁超挖”的原則。施工采取坡頂卸載、分級留臺階，設(shè)置泄水孔，臺階上留排水溝，設(shè)防護(hù)網(wǎng)。對坡面采取5 m×6 m間距進(jìn)行錨索工程的施工。生態(tài)恢復(fù)建設(shè)是在治理的同時(shí)適時(shí)進(jìn)行植樹種草、灑水綠化。

3.2 技術(shù)手段的應(yīng)用

3.2.1信息化管理

利用信息化管理，有效地指導(dǎo)開挖施工。邊坡的變形監(jiān)測是在平臺坡面設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)(30 m×50 m)，利用徠卡機(jī)器人(TM30，精度±0.5")進(jìn)行監(jiān)測(24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測)，采用后方交會法進(jìn)行測量。將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS傳至GeoMoS監(jiān)測軟件，由GeoMoS分析器自行計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)的位移并繪制位移曲線圖，全方位、立體監(jiān)測全區(qū)施工范圍邊坡三維空間位移，并提供預(yù)警信息，指導(dǎo)施工。下面以J58點(diǎn)進(jìn)行實(shí)例分析：J58點(diǎn)位于工區(qū)一號山體的南側(cè)，山體的南北之分是由山體自身被一條煤線由北向南在2/3處、由上而下呈70°貫穿，J58海拔為1 690 m，巖層為砂巖(見圖3)。2018年6月25日安裝到位，此時(shí)施工山體外部已被采空。6月29日開始以5 mm/d速度勻速下滑(見圖4)，至7月20日，J58的高程、縱向、橫向都同時(shí)成緩慢下降的位移變化。7月24日13：00，J58的高程、縱向、橫向位移突破了-100 mm；24日全天，J58累計(jì)位移高達(dá)2 500 mm并還在加速。25日23：00～26日8：30強(qiáng)降雨，J58所在區(qū)域山體突破臨界點(diǎn)以300 mm/d速度加速下滑，至7月27日21：10，一聲悶響J58區(qū)域帶動(dòng)周邊山體大面積轟然滑落，滑坡面積約8 000 m2，厚度約10 m～15 m。巖土體的破壞形式絕大部分都是剪切破壞[11]，事后對該滑坡滑動(dòng)面進(jìn)行觀察，其滑動(dòng)面邊緣近似圓弧形，屬剪切型滑動(dòng)面無疑[12]。其發(fā)展過程可能自坡頂受拉而出現(xiàn)拉裂隙，并逐漸向下延伸，而剪切裂隙也自下而上沿巖體構(gòu)造面向上延伸，加之雨水的滲透，最終與向下延伸的張拉裂隙貫通而發(fā)生整體失穩(wěn)。

3.2.2采取穩(wěn)固作業(yè)面的技術(shù)措施

針對施工現(xiàn)場實(shí)際情況，泄水孔配合錨索工程的施工，取得了較好的施工效果，對巖層坡面起到了很好的穩(wěn)固作用。實(shí)踐證明按照圖紙施工錨索地段，邊坡穩(wěn)定性均明顯增強(qiáng)，山體位移量大幅得到控制。即使發(fā)生意外情況，亦能延遲或減輕危險(xiǎn)的發(fā)生，為作業(yè)人員躲避、逃生贏得寶貴的時(shí)間。

3.2.3加強(qiáng)管理，增強(qiáng)安全意識，提高人的主觀避險(xiǎn)能力

項(xiàng)目部成立以項(xiàng)目經(jīng)理為第一責(zé)任人的安全生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)小組，通過安全生產(chǎn)責(zé)任制的落實(shí)、檢查、考核，充分履行管理職能，增強(qiáng)全員安全意識，提高自我防范的能力，使危險(xiǎn)源和不利環(huán)境因素得到有效控制。安排管理人員、專職安全員每日開工前，先行巡視現(xiàn)場，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，消除可能存在的安全隱患。對危險(xiǎn)因素的防范，歸根到底是讓勞動(dòng)者自身具有安全防范意識，能自覺主動(dòng)地進(jìn)行避險(xiǎn)，這是管理工作的最高境界。2018年1月27日中午1：00，7工區(qū)3號山發(fā)生滑坡事故，作業(yè)員在施工中發(fā)現(xiàn)巖層裂縫中有石粉、砂土冒出，立即避開作業(yè)面(隨后不到5 s即發(fā)生崩塌事故)，成功地躲開危險(xiǎn)的范例見圖5。由圖5可見地層中的裂隙面，是造成巖塊崩塌的主要原因；而施工中的振動(dòng)是事故的誘因。

4 取得的成效

本次綜合治理工作，運(yùn)用了地面調(diào)查、GPS定位、紅外線電子測溫、瞬變電磁物探、高精度磁法測溫等技術(shù)手段；環(huán)境保護(hù)方面，采取“三場一路”(施工現(xiàn)場、排土場、儲煤場、運(yùn)輸?shù)缆?措施，消除治理過程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵污染；生態(tài)方面，堅(jiān)持邊治理、邊修復(fù)生態(tài)，因地制宜，合理利用。截至日前，已恢復(fù)治理火區(qū)115萬m3,塌陷區(qū)10.8萬m3，采空區(qū)25.4萬m3，土地復(fù)墾5 425畝，林地修復(fù)1 150畝。2018年10月31日，在第九屆中國技術(shù)市場協(xié)會上該項(xiàng)目綜合施工技術(shù)“急傾斜煤層露頭火區(qū)塌陷區(qū)治理與環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)”榮獲金橋獎(jiǎng)。

5 成果與展望

1)通過對研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層組成及其力學(xué)性質(zhì)、水(巖層裂隙水和大氣降水)等主控因素、敏感因素的分析，查明了該工作區(qū)發(fā)生邊坡失穩(wěn)的主要原因。并運(yùn)用巖土力學(xué)理論，用微觀力學(xué)原理對巖體發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了探討。

2)因地制宜，采取有效措施，使本區(qū)的綜合治理工作取得預(yù)期效果。

3)希望后來學(xué)者能從材料的微觀方面研究本區(qū)各地層巖土體的力學(xué)性質(zhì)、建立巖土材料的本構(gòu)模型，為地災(zāi)工作的綜合治理提供理論基礎(chǔ)，以造福子孫后代。