矿-城型露天矿环境地质灾害综合治理与利用思路_缪海宾.pdf
Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 矿-城型露天矿环境地质灾害综合治理 与利用思路 缪海宾 1,2, 赵 贺 1,2, 王海洋1,2 (1.煤科集团沈阳研究院有限公司, 辽宁 抚顺 113122; 2 煤矿安全技术国家重点实验室, 辽宁 抚顺 113122) 摘要为研究矿-城型露天矿环境地质灾害综合治理与利用思路,调查了全国矿业城市的分 布, 结果显示 3 个级别的矿业城市中一级依存度城市多为资源枯竭型城市, 经济发展形势严峻, 综合治理和利用迫在眉睫; 矿-城型露天矿常见的地质灾害主要有崩塌、 滑坡、 地裂缝等, 对城市 以及露天矿的协调发展产生不利的影响; 软弱夹层发育和水对岩土的作用为影响环境地质灾害 的主导因素; 矿-城型露天矿的治理应包含露天矿山内部和周边扰动区; 总体利用应遵循 “国家 支持, 地方主导” 、“多灾并治, 治用结合” 、“尊重自然, 保持地貌” 、“资源再生, 循环利用” 等发展 思路。 关键词 矿-城型露天矿; 地质灾害; 综合治理; 露天矿坑利用; 露天矿边坡 中图分类号 TD824文献标志码 B文章编号 1003-496X (2020 ) 10-0289-05 Comprehensive Treatment and Utilization Ideas of Environmental Geological Disasters in Mining City Open-pit Mine MIAO Haibin1,2, ZHAO He1,2, WANG Haiyang1,2 (1.China Coal Technology 2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China) Abstract In order to study the comprehensive treatment and utilization ideas of environmental geological disasters in mining city open-pit mines, the distribution of mining cities across the country have been investigated. The results show that among the three- level mining cities, most of the first-level dependent cities are resource-exhausted cities, and the economic development situation is grim. It is imminent to take comprehensive governance and utilization. Common geological disasters of mining city open-pit mines include collapses, landslides, ground fissures, etc., which have adversely affected the coordinated development of cities and open-pit mines. The development of weak interlayers and the effect of water on rock and soil are the leading factors affecting environmental geological disasters. The treatment of the mine-city open-pit mine should include the open-pit mine interior and the disturbance zone around the open-pit mine. The overall utilization should follow the development ideas of “national support and local leadership” , “treatment of multiple disasters and combination of treatment and use” , “respect for nature and maintenance of lands” ,“renewable resources and recycling” . Key words mine-city open-pit mine; geological disaster; comprehensive governance; open-pit utilization; open-pit mine slope 矿业城市, 是一个古今中外都有的概念。 围绕一 个矿产资源丰富的地区形成一个以矿石开采、 加 工、 冶炼为主要产业的城市, 就是矿业城市。但在不 同的发展阶段、不同的生产力水平条件下,矿业城 市的数量、 规模、 地位和作用是不同的。在社会主义 计划经济时期,为满足工业发展的需要,建立了一 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.050 缪海宾, 赵贺, 王海洋.矿-城型露天矿环境地质灾害综合治理与利用思路 [J] .煤矿安全, 2020, 51 (10 ) 289-293, 297. MIAO Haibin, ZHAO He, WANG Haiyang. Comprehensive Treatment and Utilization Ideas of Environmental Geological Disasters in Mining City Open-pit Mine [J] . Safety in Coal Mines, 2020, 51 (10) 289-293, 297.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 (2017YFC1503101) ; 中煤 科工集团科技创新创业资金专项资助项目 (2019- QN002) 289 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 大批矿业城市。这类矿业城市发展迅速,其规模庞 大, 各种生产、 服务、 管理机构完善。前苏联的顿巴 斯 (煤) 、 库兹巴斯 (煤) 、 巴库 (石油) 、 磁山 (铁) 、 米 尔内 (金刚石) 等, 德国的莱因区 (煤) , 我国的阜新 (煤) 、 大同 (煤) 、 克拉玛依 (石油) 、 大庆 (石油) 、 铜 陵 (铜) 、 攀枝花 (铁) 、 金川 (镍) 、 平顶山 (煤) 、 乌海 (煤) 、 六盘水 (煤) 等都是在计划经济时期发展起来 的矿业城市。 我国的矿业城市发展有 2 个高峰期 1 个高峰 在 “3 年经济恢复时期” 到 “文革” 之前, 在此期间对 煤、 铁、 石油、 有色金属的勘探取得一系列突破, 许 多大型、超大型矿床和矿床群集区的发现为建立矿 产开发基地奠定了资源条件,而每 1 个大型矿产开 发基地的建设蓝图就是 1 座矿业城市, 这一时期形 成了如平顶山、 石嘴山、 乌海、 克拉玛依、 包头、 白银 等的全新的矿业城市, 还有一些城市是在原来就是 矿业城市的基础上扩大发展的,如阜新、抚顺、 黄 石、 铜陵等; 第 2 个高峰是 “三线” 建设时期, 攀枝 花、六盘水是这一时期形成的具有代表性的矿业城 市。改革开放以后, 除个别石油城市 (如东营、 盘锦、 库尔勒) 外, 我国基本上已不再形成新的矿业城市。 矿业城市为新中国的发展做出了极其重大的贡献, 与此同时,随其逐渐步入衰竭期,环境地质灾害问 题日益凸显。 1矿业城市分类 城矿关系是判断城市对资源依存度的重要指 标。城矿关系可分为三级[1-3] 一级表示城市对矿山 的依存度高,属于这一级的城市,其矿山主要在城 市的城区和郊区;二级表示城市对矿山的依存度较 高,属于这一级的城市,其矿山部分位于城市的城 区和郊区,部分位于城、郊之外该城市所管辖的行 政区的其他地方;三级表示城市对矿山的依存度较 低,属于这一级的城市其矿山不在城区和郊区, 而 是散布在该城市所管辖的行政区内。 如果 1 座城市城矿之间具有一级依存度, 且矿业 为该城市的最主要支柱产业, 则它是 1 座真正的矿业 城市。在这种情况下, 城市极力调动各种管理的、 经 济的、社会的力量为矿业服务。如果属于二级依存 度, 该城市只是 1 座半矿业城市, 城市除为矿业服务 外,还为城市内的许多其他的产业提供服务。如果 属于三级依存度, 那么严格地说, 它应该是 1 座常规 城市而非矿业城市,与其他常规城市的区别仅在于 在该城市所管辖的行政区内, 矿山更为密集一些。 在 98 座矿业城市中,开发煤炭资源的城市有 45 座, 开发油气、 铁矿、 有色金属及其他资源的城市 有 53 座, 煤城占全部矿业城市数目将近 1/2。 按城矿关系,城矿之间具有一级依存度的城市 共有 48 座(占全部矿城的 49) ,其中煤城 29 座, 油气城、 钢铁城等 19 座。由此可见, 在真正意义的 矿城中,煤城占了很大比重。城矿之间具有二级依 存度的城市共有 16 座;属于三级依存度的矿城有 34 座。 在 98 座矿业城市中, 属于发展期的城市有 10 座, 占矿业城市总数的 10.2; 属于稳定期的城市有 70 座,占 71.4;属于衰竭期的城市有 18 座, 占 18.4。处于稳定期的矿业城市占了大多数, 这是符 合我国现阶段矿业城市的兴衰规律的。按照资源开 发展阶段对矿业城市分类属于衰竭型的矿业城市有 阜新、 抚顺、 大同、 鸡西等,大部分是煤城。衰竭型矿 业城市是各方面关注的重点, 制订这类城市的改革、 转型和发展战略也最为急迫。我国资源枯竭型城市 名单 (2013) 见表 1。 建国以来建设的 98 座矿业城市, 构成了新中国 能源和原材料工业的脊梁,成为我国矿业的资源、 生产、 技术、 教育、 管理和服务中心, 支撑起我国独 表 1我国资源枯竭型城市名单 (2013) Table 1List of resource exhausted cities in China (2013) 行政类别城市数量 地级 行政区 乌海市▲、 阜新市▲、 盘锦市△、 抚顺市▲、 辽源市△、 白山市△、 鹤岗市▲、 双鸭山市▲、 七台河市▲、 伊春 市△、 大兴安岭地区△、 淮北市▲、 铜陵市△、 景德镇 市△、 新余市△、 萍乡市△、 枣庄市▲、 焦作市▲、 濮阳 市▲、 黄石市△、 韶关市△、 泸州市▲、 铜川市▲、 白银 市▲、 石嘴山市▲ 25 县级市 霍州市▲、 阿尔山市△、 北票市、 九台市△、 舒兰市 ▲、 敦化市△、 五大连池市、 孝义市▲、 新泰市、 灵宝 市、 钟祥市、 大冶市、 松滋市、 潜江市、 常宁市、 耒 阳市△、 资兴市△、 冷水江市△、 涟源市△、 合山市▲、 华蓥市▲、 个旧市、 玉门市△ 23 县 (自治县 ) 汪清县△、 大余县、 昌江黎族自治县、 易门县、 潼 关县 5 市辖区 (开发区、 管理区 ) 井陉矿区▲、 下花园区△、 鹰手营子矿区△、 石拐区 △、 弓长岭区△、 南票区△、 杨家杖子开发区、 二道 江区△、 贾汪区△、 淄川区△、 平桂管理区、 南川区、 万盛经济开发区△、 万山特区、 东川区、 红古区△ 16 注 ▲号标记为煤矿资源型城市; △号标记为以煤为主的包括 煤炭资源在内的综合型资源城市。资料来源于国发[2013] 45 号 全国资源型城市可持续发展规划 (2013-2020 年) 。 290 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 2露天矿地质灾害成因 Fig.2Causes of geological disasters in open pit mines 图 1露天矿常见的地质灾害类型 Fig.1Common types of geological disasters in open pit mines 立的、强大的能源和原材料供应体系,对新中国突 破冷战封锁,实现工业化和现代化发挥了不可替代 的作用。因此,矿业城市对新中国的资源安全功不 可没。 2矿-城型环境露天矿地质灾害分类及成因 随着矿产资源开发力度的不断加大,矿山地质 灾害也频繁发生,严重威胁矿区正常生产和周边城 市的安全,针对露天矿地质灾害的研究也逐渐引起 人们的重视。通过现场勘查和数据资料分析, 矿-城 型露天矿典型的环境地质灾害主要有崩塌、滑坡、 泥石流、 煤自燃、 地裂缝等[4-8]。这些地质灾害的孕 育、 诱发、 形成与矿区环境地质等因素密切相关, 随 着时间的推移这些灾害会有积累效应,各灾害之间 相互影响极有可能形成连锁反应,对露天矿区和周 边造成严重的影响。露天矿常见的地质灾害类型如 图 1。 总体来看,影响露天矿地质灾害的主要因素可 以分为内外 2 个方面①内在因素主要为矿区的地 质条件, 包括岩性特征、 断裂带活化、 老滑体、 边坡 岩体弱层、 破碎带、 软弱结构面、 地质构造、 边坡应 力状态等; ②外在因素为气候、 人类活动, 包括汛期 降雨、 冻融、 采矿、 人工爆破等。露天矿地质灾害成 因如图 2。 2.1内在因素 1 ) 岩性特征。不同矿物的强度不同, 某些原生 矿物易溶于水, 易风化, 强度随时间而减弱; 长石类 矿物风化后分解成次生黏土矿物,其中蒙脱石吸水 性较强,往往遇水导致滑坡。我国露天煤矿中顺层 面滑坡多为此类[9]。 2) 软弱夹层。露天煤矿中常遇到的软弱夹层有 黏土层、 炭质页岩层、 泥岩层、 薄煤层、 页岩层等, 这 些软弱夹层在雨水和地下水的作用下变软发生滑 动。海州露天矿滑坡区普遍发育薄煤层和碳质、 泥 质页岩夹层;平庄西露天矿非工作帮发育软泥岩薄 层等, 这都是导致滑坡的重要因素。 3) 地质构造。切割、 分离坡体的地质构造越发 育,形成滑坡的规模往往也就越大越多。岩石的层 理、 页理、 片理等构造使得岩石的强度具有方向性, 沿层理等方向岩石的强度比垂直方向底很多,容易 引发地质灾害; 断层既可以构成滑动面, 又可以构成 滑体两侧的界面。 如抚顺西露天矿北帮附近的 F1和 F1A的断层直接控制矿区的地质灾害的发生。 4) 水与岩石相互作用。露天煤矿发生滑坡绝大 部分与水的直接或间接参与有关, 降水, 暴雨、 强降 雨对坡面进行冲刷、 浸泡使岩石力学性质发生改变, 由于水化学作用,导致滑面处的软岩力学性质发生 改变; 地下水地下水位较高, 受地下水的浸泡, 软岩 出现软化现象, 含水率增大, 蠕变性能增大, 最终导 致滑坡、 泥石流等灾害。 2.2外在因素 1) 气候条件。暴雨或长期降雨使边坡岩体过分 湿润;温度的剧变加速岩体的风化作用。这些都会 降低岩体强度, 破坏了边坡的稳定性, 造成严重的地 质灾害。具体为 ①降水 大气降水是造成滑坡、 泥 石流等地质灾害的重要因素,海州露天矿非工作帮 第 21 次滑坡因阜新地区 50 年一遇的大雨造成, 日 降雨量 151 mm, 造成了严重的影响; ②冻结与融化 一方面岩石裂隙中水冻结会增大体积,导致裂隙加 宽, 降低岩石黏聚力, 另一方面冰层融化时会加大岩 层含水量, 造成边坡失稳; ③风化作用 是指雨水冲 刷、 温度变化等对边坡岩体的破坏作用, 导致岩体结 构面增大, 条件恶化, 势必对边坡稳定性造成不利影 响; ④残煤自燃 由于开采方式和开采设备等条件的 限制, 会有部分煤残留在地层内, 在一定条件下形成 残煤自燃现象,造成地层内出现空区,降低岩层强 291 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 度, 造成岩层移动, 形成新的缝隙, 导致滑坡,2020 年 6 月海州露天矿南帮 2 起地质灾害就是由于残煤自 燃引起的。 2) 人类活动。人类活动对矿山地质条件的改造 及对矿山安全的影响巨大,极易发生地质灾害。具 体为 ①井工开采在露天矿端帮下部进行井工开 采, 使端帮形成地裂缝、 地面沉陷等, 地表水沿裂缝 进入岩体, 使得岩石强度降低, 引发滑坡; ②震动诱 发的地质灾害由于井下开采引起的矿震,在岩体 中产生结构面,从而引发地质灾害,另外矿区生产 所产生的煤爆、运输等生产活动均可以诱发滑坡等 地质灾害;③露天开采与地下开采相互影响露天 开采与地下开采同时进行,互相作用也会诱发地质 灾害; ④开采方式 在坡底抢采残留煤壁, 人为增大 边坡坡脚, 造成边坡失稳发生危险。 3矿-城型露天矿环境地质灾害综合治理思路 矿-城型露天矿的地质灾害治理不仅要考虑露 天矿本身情况,还要兼顾矿区对周围扰动区的损害 与治理。 3.1矿区地质灾害治理 我国露天矿常用的治理方法有很多[10-12], 结合 边坡失稳的因素和地质灾害形成的内外部条件, 综 合治理方法主要有 1) 削坡减载。用降低边坡高度或放缓坡角来改 善边坡的稳定性。削坡设计应尽量削减不稳定岩土 体的高度,而阻滑部分岩土体不应削减。此法并不 总是最经济、最有效的措施,要在施工前作经济技 术比较。 2 ) 疏干排水。在有水活动的地段, 布置排水构 筑物,以进行拦截与疏导。包括排出边坡地下水和 防止地表水进入。常用的方法有 水平钻孔疏干、 垂 直孔排水、 竖井抽水、 隧洞疏干、 支撑盲沟。 3) 人工加固。通过一定的工程技术措施, 改善 边坡岩土体的力学强度,提高其抗滑力,减小滑动 力。常用的方法有 ①支挡 修筑挡土墙、 护墙等支 挡不稳定岩体;②抗滑桩钢筋混凝土抗滑桩或钢 筋桩作为阻滑支撑工程;③预应力锚杆或锚索 适 用于加固有裂隙或软弱结构面的岩质边坡;④注 浆固结灌浆或电化学加固法加强边坡岩体或土体 的强度; ⑤镶补沟缝 对坡体中的裂隙、 缝、 空洞, 可 用片石填补空洞, 水泥沙浆沟缝等以防止裂隙、 缝、 洞的进一步发展。 每一种治理方法都各有特点,要结合露天矿的 地质条件和工作现状进行分析,选择最合适的治理 方法。 3.2周边地区地质灾害治理 周边地区地质灾害治理,首先对露天矿周边城 区建筑物的详细调查, 综合分析城区地质情况、 地表 监测数据和数值模拟,得到边坡影响区的地表变形 规律, 分析位于露天矿边坡不同距离、 修建年代、 结 构形式的建筑物损害特征,依据相关规范对露天矿 周边建筑物破损情况进行分区,并提出针对不同区 位建筑物的加固建议和措施。 以抚顺西露天矿城地区为例, 针对不同位置, 采 用不同的治理手段,抚顺西露天矿周边建筑物治理 方法见表 2。 4矿-城型露天矿利用思路 1) 坚持国家支持, 地方主导的基本政策。要明 确任务目标, 落实国家支持, 确定实施责任主体。国 家有关部门加大各项政策和资金支持力度,做好指 导工作。地方政府负实施主体责任,地方相关企业 配合政府做好由采转治、总体规划、工程实施和开 发建设等相关工作。理顺企业和城市行政管理体 制, 确保城企联动、 形成合力。积极鼓励和支持各类 企业、科研院所等社会力量参与露天矿综合治理与 整合利用。 2) 保证多灾并治, 治用结合的基本方案。露天 矿地质条件复杂,各种灾害同时发育,开展本质安 全型的治理方式,将为后续循环开发利用和新兴产 业发展奠定稳定基础。综合治理与整合利用方案应 在安全可靠的前提下, 遵循绿色发展、 循环发展、 可 持续发展理念, 深度考虑多灾多治、 多灾同治、 协同 表 2抚顺西露天矿周边建筑物治理方法 Table 2Treatment of surrounding buildings in Fushun west open pit mine 0100建筑物基础 水泥浆或混凝土 注浆加固 筏板基础或者 楔形基础 100500墙体及梁柱 裂缝填充、 增大梁柱 面积、 外加钢板、 外包碳纤维 设置构造柱、 圈梁等 500700墙体及阳台 阳台梁增加三角型 型钢或钢拉杆 设置构造柱、 变 形缝, 门窗洞口 处设置加强带 7001 000阳台砂浆填充裂缝影响较小 与矿坑距离 /m 工作重点 治理方法 既有建筑新建建筑 292 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 序号名称地理位置再利用模式 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 圣米歇尔足球中心 马赫拉莫恩世界自 行车中心 汉森采石场 Chapadap 采石场 罗马采石场 布拉加市政球场 伊甸园 淡路梦舞台 上海洲际世茂仙境 酒店 上海辰山植物园 焦作市缝山公园 日照银河公园 绍兴东湖 茂名生态公园 加拿大-蒙特利尔 英国-马赫拉摩恩 美国-洛矶蒙 巴西-圣保罗-坎皮 纳斯 奥地利-圣玛格丽特 葡萄牙-布拉加 英国-康沃尔郡 日本-淡路岛 中国-上海 中国-上海 中国-河南 中国-山东 中国-浙江 中国-广东 足球公园 山地自行车运动场、 旅游景区 蓄水水库 音乐厅 露天剧场、 旅馆 室外运动场 温室植物园 综合旅游园区 酒店及配套 温室园区 城市山体公园 城市景观公园 山水园林景区 生态公园 表 3部分露天矿再利用开发模式 Table 3Reuse development mode of some open pit mines 治灾等方面的综合治理模式,有序实现“治用一体 化”“治建一体化” ,实现综合治理与开发利用协调 统一。 3) 坚持尊重自然, 保持地貌的基本原则。遵循 自然规律, 将生态功能自我修复和系统功能重塑有 机结合起来,充分利用大自然的自我恢复能力, 对 其必要过程、 重点环节、 特殊因素等方面采取工程 修复,最大限度的实现露天矿资源价值开发利用和 城市生态系统和谐统一。 4) 坚持资源再生, 循环利用的基本规划。以露 天矿综合治理和整合利用为突破口, 着力提高矿产 资源回收利用率, 加快推进采煤沉陷区、 尾矿库、 煤 矸石山、 排土场等损毁土地整治力度, 因地制宜逐 步复垦为林地、农田和建设用地。坚持土地节约集 约利用,认真研究重大废弃土地整治到位后的盘活 利用, 结合每个露天矿的实际情况[13-15], 设计再利用 模式,让每一寸土地发挥最大的效益。部分露天矿 再利用开发模式见表 3。 5抚顺西露天矿利用思路 抚顺西露天矿遵照习近平总书记关于“城市建 设要以自然为美,把好山好水好风光融入城市, 使 城市内部的水系、 绿地同城市外围河湖、 森林、 耕地 形成完整的生态网络” 的指示精神, 计划依托原有 地形地貌和已有设施,把西露天矿坑的历史文化和 自然资源有效利用到极致,打造西露天矿坑世界生 态欢乐谷, 成为城市绿肺和文旅康养功能区, 从而彻 底改变城市生态面貌。围绕西露天矿坑及其周边区 域 25.3 km2范围, 初步设想构建 “一核两廊两园四 区” 的城市空间格局。 “一核”即西露天矿坑及西边帮端界范围内的 11.7 km2, 利用独具特色的巨大工业矿坑地貌资源, 构筑面向未来的集生态科学教育、 国家矿山公园、 体 验式旅游和现代竞技活动于一体的城市中央活动 区。 “两廊” 即沿流经矿坑西部的古城子河以及流经 矿坑南部的千金河,建设十字交叉的滨河生态运动 休闲走廊。 “两园” 即进一步完善矿坑东南部已有的 平顶山惨案纪念公园;在矿坑东北帮居民密集区域 结合目前的东观景台,建设开放式城市运动公园。 “四区”即依托矿坑西南部现有的煤炭工业博物馆、 矿坑西北帮原抚顺第一炼油厂等废弃厂房,打造煤 炭文化展示区和工业遗址展示区; 依托胜利矿遗址、 南帮滑移治理区域, 通过综合整治, 恢复开发百年千 金寨历史风貌区; 依托当地医疗资源, 在位于矿坑南 帮和千金河之间的区域, 建设智慧康养小区。 6结语 通过对全国矿业城市的调查,分析典型露天矿 的地质灾害、 治理措施和再利用情况可知 矿业城市 可分为 3 个级别,一级依存度城市目前多为资源枯 竭型城市, 经济发展形势严峻, 综合治理和利用迫在 眉睫; 露天矿常见的环境地质灾害主要有崩塌、 滑 坡、 泥石流、 煤自燃、 地裂缝等, 不同的地质灾害都会 对露天矿造成不利的影响; 软弱夹层的发育和水对 岩土的影响为露天矿环境地质灾害的主导因素;矿 城型露天矿的治理应包含露天矿内部和矿山周围的 扰动区, 应针对不同的地质条件和工作情况, 选用不 同的治理措施;矿城型露天矿的利用应遵循 “国家支 持, 地方主导” 、“多灾并治, 治用结合” 、“尊重自然, 保持地貌” 、“资源再生,循环利用” ,为资源枯竭型 矿业城市的发展提供一种思路。 参考文献 [1] 李裕伟.我国矿业城市的可持续发展战略 [C] //第四届 中国投资环境论坛论文集.北京 经济科学出版社, 2007 120-128. 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