礦山工程地質(zhì)勘查及地質(zhì)災(zāi)害治理對策

王 倩

(河南省資源環(huán)境調(diào)查一院，河南 鄭州 450000)

0 引言

作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，礦產(chǎn)工程能夠?yàn)槿嗣裰\福利，增加就業(yè)機(jī)會，提高礦業(yè)工人的收入水平，在我國經(jīng)濟(jì)增長中發(fā)揮著重要的作用。但在礦山工程開采過程中，由于自然因素、人為因素等影響，極易引發(fā)多種地質(zhì)災(zāi)害，比如滑坡、泥石流等，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為了有效治理地質(zhì)災(zāi)害，必須重視礦山工程地質(zhì)勘查工作，采取適合的勘查方法，做好礦山地質(zhì)環(huán)境評價(jià)及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估，最大限度降低地質(zhì)災(zāi)害對工程設(shè)施及周邊環(huán)境的影響，保證礦山生產(chǎn)的安全。

1 礦山工程概述

隨著工業(yè)化程度的加深，對于能源的需求量越來越大，礦產(chǎn)資源在國民經(jīng)濟(jì)中的地位不斷攀升，一躍成為了國家支柱型產(chǎn)業(yè)。據(jù)相關(guān)資料分析，我國一次性能源占比高達(dá)95%，工業(yè)原料占比高于80%，且多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料及35%飲用水均來源于礦產(chǎn)資源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)已開發(fā)及利用的礦種數(shù)量已達(dá)到180多種，全國遍布礦山多達(dá)上萬座，分布在各個(gè)地區(qū)。礦山工程的特點(diǎn)主要有：建設(shè)項(xiàng)目較為分散、地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜、各功能區(qū)對地質(zhì)環(huán)境的要求及破壞程度差異相對較大等。結(jié)合上述特點(diǎn)評估礦山地質(zhì)災(zāi)害的危害性，對如何有效防治礦山地質(zhì)災(zāi)害具有指導(dǎo)性意義。

礦山生產(chǎn)代表著巨大的經(jīng)濟(jì)利益，但與此同時(shí)也帶來了諸多危害，尤其是開采、勘查技術(shù)不先進(jìn)，管理不當(dāng)?shù)龋鶗l(fā)大量地質(zhì)災(zāi)害，甚至造成嚴(yán)重環(huán)境污染問題，最終影響生態(tài)平衡。愈加突出的環(huán)境問題不僅會影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平，甚至?xí){到人民群眾的生命安全。隨著礦山資源的過度或不當(dāng)開發(fā)，將進(jìn)一步加劇崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的影響。

2 地質(zhì)災(zāi)害的類型及原因

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最頻繁、受災(zāi)最嚴(yán)重的國家之一，具有分布廣、時(shí)段集中、損失嚴(yán)重等特點(diǎn)。根據(jù)自然資源部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)2021年中國地質(zhì)災(zāi)害中，山體滑坡數(shù)量為2 335起；崩塌災(zāi)害1 746起，泥石流災(zāi)情數(shù)量為374起，地面塌陷災(zāi)情數(shù)量為285起，地裂縫災(zāi)情數(shù)量21起，地面沉降災(zāi)情數(shù)量11起，可能傷亡人員2.6萬人，同比增長39.96%。礦山地質(zhì)災(zāi)害類型很多，根據(jù)不同的劃分方式，可分為不同的災(zāi)害形式，最常見的有巖土體變形災(zāi)害、地下水位改變引起的災(zāi)害等，其特點(diǎn)具體如下。

2.1 巖土體變形災(zāi)害

1)礦山地面和采空區(qū)塌陷。地面塌陷主要發(fā)生于地下的井巷開采礦山中，在礦山采空區(qū)域，如果存留的礦柱不夠，或者是由于礦柱損壞等原因而造成支撐力不足，基本上都會引發(fā)地面塌陷。尤其是一些礦體埋藏深度不夠、產(chǎn)狀相對平緩的煤礦，一旦地面塌陷，勢必會造成嚴(yán)重?fù)p失，甚至出現(xiàn)人員傷亡，這也是礦山生產(chǎn)危險(xiǎn)性較大的因素。針對那些礦體埋藏深度較大的地下開采礦山，若采空區(qū)回填不及時(shí)，一旦出現(xiàn)問題，同樣會引發(fā)塌陷。除此之外，由于礦山排水疏干等問題，在巖溶分布區(qū)域很容易出現(xiàn)溶洞上方地面塌陷現(xiàn)象。地面塌陷之后，不僅會損壞耕地和構(gòu)筑物，還會對周圍的道路等造成嚴(yán)重?fù)p壞，甚至導(dǎo)致礦山地下巷道塌陷。最嚴(yán)重的情況下，順著塌陷裂縫將會有大量地表水、雨水滲入，出現(xiàn)淹井危害，影響礦山生產(chǎn)安全。烏魯木齊煤礦采礦區(qū)塌陷圖如圖1所示。

圖1 烏魯木齊煤礦采礦區(qū)塌陷

2)采礦場邊坡失穩(wěn)、滑坡及巖崩。若礦山開采不合理，比如邊坡角度不合理、采剝不協(xié)調(diào)等，均會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，這類災(zāi)害多發(fā)生于露天開采的礦山，比如一些非金屬礦山或者建材礦山等。美國猶他州銅礦山滑坡如圖2所示。

圖2 美國猶他州銅礦山滑坡

3)坑內(nèi)巖爆。也被稱之為礦山?jīng)_擊，其原因是由于在強(qiáng)大的地殼應(yīng)力作用，礦坑周邊及頂?shù)装鍑鷰r會被強(qiáng)烈壓縮，若采掘挖空之后會產(chǎn)生自由面，極易出現(xiàn)巖石地應(yīng)力瞬間激發(fā)，進(jìn)而出現(xiàn)巖石破裂，并快速向坑內(nèi)爆散，危害礦山工程安全。

4)采礦誘發(fā)地震。采礦過程中，由于不正確的操作，很可能會誘發(fā)地震，即使地震震級小、震源淺，但依舊會產(chǎn)生較大危害，嚴(yán)重破壞井下和地表結(jié)構(gòu)。

5)場庫失穩(wěn)。當(dāng)尾礦壩潰決崩塌之后，極易發(fā)生泥石流災(zāi)害，出現(xiàn)場庫失穩(wěn)危害。這種災(zāi)害不僅會危害礦區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，也會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。

2.2 地下水位改變引起的災(zāi)害

1)礦坑突水涌水。在礦山地質(zhì)災(zāi)害當(dāng)中，礦坑突水涌水規(guī)模較大，且具有很強(qiáng)的突發(fā)性，一旦出現(xiàn)此類災(zāi)害，將會造成嚴(yán)重的后果。在礦山生產(chǎn)時(shí)，若無法準(zhǔn)確估算礦坑涌水量，或者采掘時(shí)打穿老窿，將透水?dāng)鄬哟蚱?，一旦遇到有蓄水溶洞等情況，便會涌入大量地下或地面水，淹沒井巷。

2)坑內(nèi)潰沙涌泥。作為一種與礦坑突水相生相伴的一種災(zāi)害，在礦山采掘生產(chǎn)環(huán)節(jié)，若突然遇到蓄水溶洞，在涌入地下水的同時(shí)，往往還會涌入泥沙、巖屑等物質(zhì)，這種情況下，泥沙將會堵塞坑道，淹埋機(jī)械設(shè)備甚至工作人員，危害礦山安全。

3 礦山工程地質(zhì)勘查的常用方法

由于礦山工程施工條件及作業(yè)環(huán)境差，將會大幅增加施工難度，進(jìn)而引發(fā)一系列的問題，其中地質(zhì)災(zāi)害危害性最大。一旦誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，將會帶來無法挽回的嚴(yán)重?fù)p失。為此，必須重視礦山工程地質(zhì)勘查工作，勘查作為礦山開發(fā)的首要階段，必須充分發(fā)揮其在這一過程的重要作用?？碧缴a(chǎn)可以利用先進(jìn)的技術(shù)條件進(jìn)一步查明礦山的真實(shí)情況，能夠加快采礦過程中的工作運(yùn)轉(zhuǎn)周期和效率。為增加儲量，延長礦山開采年限，在開采中應(yīng)加大平行度，在上下壁及深部尋找和研究雙軌或其他盲礦體，開展土地利用綜合研究，進(jìn)行最適宜的開采。結(jié)合工程實(shí)際，采取合理的勘查方法，目前最常見的地質(zhì)勘查方法有以下兩種。

3.1 綜合信息技術(shù)勘查

礦山工程地質(zhì)勘查中信息技術(shù)發(fā)揮著十分重要的作用。最常見的地質(zhì)勘查信息技術(shù)有GPS、RS、GIS，這3種信息技術(shù)的功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)傳感、衛(wèi)星定位等功能。在礦山工程生產(chǎn)過程中，可用于采集空間信息并進(jìn)行分析。其中地理信息系統(tǒng)(GIS)是以采集、存貯、管理、分析和描述整個(gè)或部分地球表面(包括大氣層在內(nèi))與空間和地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)。近幾年，隨著GIS相關(guān)技術(shù)的成熟，利用GIS的可視化管理功能和強(qiáng)大的空間分析功能，結(jié)合專業(yè)模型解決地球科學(xué)中相關(guān)問題的探索越來越多，并取得了豐碩的成果，但以往的GIS工作多集中在地質(zhì)環(huán)境的評價(jià)上，對GIS在工程地質(zhì)環(huán)境評價(jià)中的應(yīng)用還未見過十分系統(tǒng)的研究報(bào)告。21世紀(jì)是信息化的時(shí)代，通過大量先進(jìn)的信息化技術(shù)的應(yīng)用，可以克服傳統(tǒng)勘查技術(shù)的缺陷，突破以往的局限性，提高生產(chǎn)的安全性。同時(shí)，通過遠(yuǎn)程控制技術(shù)的合理應(yīng)用，能夠及時(shí)確定勘查的范圍，確保收集到的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確、客觀，并評價(jià)地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的危害性，增強(qiáng)地質(zhì)勘查的工作效率，有效預(yù)防及防治地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 物理勘查

目前，在礦山工程地質(zhì)勘查工作當(dāng)中，不僅要掌握礦山的一些地質(zhì)基本信息，比如地形地貌地勢等，此外，還要注重物理勘查，對土壤巖石等進(jìn)行深入了解與剖析。在這一方面，主要有2種常用的物理勘查方法。

1)淺層地震法。作為一種重要的地質(zhì)災(zāi)害勘查方法，淺層地震勘探具有極強(qiáng)的分辨能力，且能夠準(zhǔn)確進(jìn)行空間定位。淺層地震法在使用過程中，還涉及到其他技術(shù)，比如反射波技術(shù)、折射波技術(shù)等，總體來講，該項(xiàng)技術(shù)具有很高的精準(zhǔn)度，且經(jīng)濟(jì)性良好，十分符合礦山工程地質(zhì)勘查工作需求。在實(shí)際工作中，通過淺層地震儀，便可對巖石、土壤的物理參數(shù)進(jìn)行分析與處理，由此對礦山工程地質(zhì)情況進(jìn)行判斷。

2)高密度電阻率法。該方法主要是利用地質(zhì)勘探的方法找出并分析巖石、土壤的導(dǎo)電性能及其之間的關(guān)系。在電流作用下，不同巖土的傳導(dǎo)性存在一定差異，利用這一原理，便可獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)勘查信息。

4 礦山工程地質(zhì)災(zāi)害治理對策

隨著地質(zhì)勘查方法的不斷進(jìn)步，在提高礦山地質(zhì)災(zāi)害的勘測結(jié)果準(zhǔn)確性上也有了較大的進(jìn)步。在礦山開采過程中，會由于地質(zhì)環(huán)境的影響而導(dǎo)致礦山地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)影響到開采的安全性的情況。針對礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行解決和預(yù)防，不斷深化對礦山地質(zhì)災(zāi)害的研究，保障礦山開采工作的順利進(jìn)行。

4.1 完善排水設(shè)施

在礦山工程建設(shè)過程中，綜合考慮水質(zhì)所帶來的潛在安全事故和風(fēng)險(xiǎn)，避免造成礦山工程地質(zhì)災(zāi)害問題。

1)設(shè)置礦山地表水防截排設(shè)施。在防治因地下水所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，可利用挖掘斷面、設(shè)置排水溝、夯實(shí)表土等方式，這樣不僅能夠有效避免及控制滑坡外水流量，還能合理地轉(zhuǎn)化大氣降水，將其轉(zhuǎn)化為徑流排放，最大限度降低了礦山工程出現(xiàn)滑坡等災(zāi)害的概率。

2)地下排水。在礦山滑坡前緣設(shè)置一些排水設(shè)施，可以有效收集礦山滑坡體中的地下水，進(jìn)而起到減小地下水壓力和滑體重量的作用，同時(shí)還能增強(qiáng)礦山的抗滑能力，加強(qiáng)滑坡體的穩(wěn)固性。

4.2 削坡、刷方減荷處理

為了避免邊坡破壞，可根據(jù)礦山工程的實(shí)際情況，適當(dāng)減小礦山周邊梯田、公路的坡度，從而減小滑坡體的坡度及滑坡的重量，恢復(fù)邊坡的穩(wěn)定性。若為切割類巖石，則可采用多樣式的堆放方式，減小荷載，提高邊坡穩(wěn)定性。此外，還可選用埋入式抗滑樁，利用樁和圍巖的共同作用，向穩(wěn)定地層傳遞傳動推力，以此達(dá)到穩(wěn)定土層錨固的效果，并穩(wěn)定滑坡。對于穩(wěn)定邊坡而言，削坡減荷處理無疑是最經(jīng)濟(jì)、最合理的一項(xiàng)措施。在獲取滑坡段滑坡推力及剩余滑坡推力的前提下，如何保證削坡減荷設(shè)計(jì)的合理性，需要進(jìn)行分析。根據(jù)相關(guān)要求，可按設(shè)計(jì)工況條件下，滑坡體剪出口位置的剩余下滑力進(jìn)行削坡位置、規(guī)模等參數(shù)的確定，其根本目的是為了消除或控制剪出口位置的不平衡推力，將其降低到小于等于0，以此確保設(shè)計(jì)工況下滑坡具有穩(wěn)定性。例如，某滑坡總體上可看作是牽引式滑坡失穩(wěn)，其下部滑坡已出現(xiàn)滑走現(xiàn)象，殘留滑體的體積量相對較小，為此，在設(shè)計(jì)時(shí)，提出了2種方案：徹底削除剩余滑坡，按1：1.5將滑坡后緣放緩處理，削坡之后，種植植被護(hù)坡；先用黏土夯實(shí)后緣裂隙并封閉處理，將植被種植于滑坡體前緣滑動面。經(jīng)過比對分析，由于方案2中邊坡過于陡峭，施工起來較為困難，加上所需粘土用量多，從工期、經(jīng)濟(jì)來看，方案2并不符合要求。為此，最終選擇了方案1，即徹底削除剩余滑坡，表1為具體削坡方量。

表1 三個(gè)剖面削坡方量統(tǒng)計(jì)表

在邊坡上部刷邊，可以起到減小坡面坡度的效果，同時(shí)，還能夠?qū)⒌乇砩系乃缮㈦s物清理干凈，以此穩(wěn)定邊坡。

堅(jiān)持“以防為主，防治結(jié)合”的原則。對可能形成塌陷的區(qū)域，必須提高礦井設(shè)計(jì)階段就體現(xiàn)預(yù)防的意識。煤礦在采礦當(dāng)中采用的減塌方案，如充填采礦法或條帶采礦法，井下采用支撐結(jié)構(gòu)和軟弱巖層實(shí)施加固等措施應(yīng)大力推廣。對已經(jīng)發(fā)生的采空塌陷，采取鉆孔灌漿等技術(shù)手段盡快將采空區(qū)關(guān)閉。需要加強(qiáng)監(jiān)測網(wǎng)工程建設(shè)，深入研究地面變形規(guī)律及發(fā)展趨勢，多方法限制災(zāi)情的擴(kuò)展。

4.3 建設(shè)圬工防護(hù)工程

砌體保護(hù)工程與開挖關(guān)系緊密，常見的砌體保護(hù)工程主要有平臺、拱形骨架、側(cè)溝等。針對溝槽，應(yīng)嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)的尺寸大小進(jìn)行開挖，避免尺寸不合適導(dǎo)致開挖有誤，或者邊坡失穩(wěn)等問題。在完成砌體保護(hù)工作之后，還應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行植被保護(hù)，避免施工過程中降雨導(dǎo)致嚴(yán)重沖刷邊坡。

4.4 預(yù)應(yīng)力錨索加固

在大面積滑坡綜合治理當(dāng)中，預(yù)應(yīng)力錨索框架加固是一項(xiàng)至關(guān)重要的處理措施，對于穩(wěn)定邊坡十分有利。因此，礦山工程地質(zhì)災(zāi)害治理中，必須做好預(yù)應(yīng)力錨索加固工作，規(guī)范施工工藝，全面提升工程質(zhì)量。要按照設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定，合理布設(shè)已刷邊坡的錨孔位置，并準(zhǔn)確放入鉆井支架，保證位置準(zhǔn)確，且支架的穩(wěn)定性與承載力均須滿足規(guī)定要求。同時(shí)，還要重視鋼管支架的性能，尤其是穩(wěn)定性、承載力等方面，也可選用鋼管腳手架用于加固。

4.5 植被護(hù)坡處理

礦山工程地質(zhì)災(zāi)害防治中，還需要重視邊坡植被護(hù)坡施工。目前，多采用兩種播種方法，即濕法噴播植草和客土噴播。在植被選擇時(shí)，應(yīng)多采用鄉(xiāng)土植物，保證植物與當(dāng)?shù)氐臍夂?、環(huán)境、土壤條件相符，且生命力頑強(qiáng)，易于成活。同時(shí)，相關(guān)部門應(yīng)該給予一定的資金和政策支持，對礦山工程體系的建設(shè)以及未來的維護(hù)提供完善的工程體系，提高礦山工程抵抗環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害的能力，在一定程度上，也對規(guī)范人類生產(chǎn)行為起到了一定的示范和引導(dǎo)作用。

比如TBS植被技術(shù)的應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)是通過植被根系的力學(xué)加固和地上生物量的水文效應(yīng)，以達(dá)到護(hù)坡及改善生態(tài)環(huán)境的作用。在TBS技術(shù)中，厚層基材是關(guān)鍵，其主要構(gòu)成部分包括綠色基材、纖維與植壤土。表2為綠化基材的主要技術(shù)指標(biāo)，其操作主要流程為清理、平整坡面—鋪設(shè)固定復(fù)合網(wǎng)—攪拌植被混凝土—覆蓋無紡布—噴水養(yǎng)護(hù)。相比傳統(tǒng)漿砌片石坡技術(shù)，厚層基材噴射護(hù)坡技術(shù)更具經(jīng)濟(jì)性，可節(jié)約20%～30%成本，且具有良好的環(huán)境效益。

表2 綠色基材的主要技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)語

采礦業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)，隨著礦山工程建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加，規(guī)模也越來越大，在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，人類工程活動也對地質(zhì)環(huán)境造成了很大影響，加上氣候等因素的作用，礦山工程地質(zhì)災(zāi)害問題引起了人們的廣泛關(guān)注。為了有效防治地質(zhì)災(zāi)害，須做好地質(zhì)勘查工作，根據(jù)勘查參數(shù)及相關(guān)信息，做好地質(zhì)環(huán)境評價(jià)工作，并制定相應(yīng)的防治措施，減少地質(zhì)災(zāi)害所帶來的損失，最大限度減少地質(zhì)災(zāi)害對工程項(xiàng)目運(yùn)行的影響，保障礦山安全生產(chǎn)。