陕西黄陵彬长矿区地质灾害的评价预测.pdf

第12卷 第3期地质灾害与环境保护Vol . 12, No. 3 2 0 0 1年9月Journal of Geological Hazards and Environment PreservationSeptember2001 文章编号 1006- 4362200103- 0038- 04 收稿日期 2000211206 基金项目 煤炭科学基金 93 地10413资助项目,“陕西黄陵彬长矿区地质灾害与防治对策研究” 陕西黄陵彬长矿区地质灾害的评价预测 杨梅忠① 李鹏② 宋继华② ①西安科技学院,西安 710054 ②铜川市地质矿产局,铜川 727000 摘要 通过对黄陵彬长矿区地质灾害类型、 现状与特点的分析研究,确立了矿区地面塌陷、 斜坡变形 等各类地质灾害评价预测的原则与模型,依据评价预测的计算与分析结果,将矿区划分为稳定区、 次稳 定区、 危险区和极危险区,确定出12个灾害段。 关键词 地质灾害;开采塌陷;斜坡变形;矿区 中图分类号 P694 文献标识码 A 1 矿区概况 黄陵彬长矿区位于陕北黄土高原南部的低山丘 陵区,地处陕西北部的黄陵、 旬邑、 彬县、 长武四县境 内,矿区面积约3 875 km 2。区内有大中型煤矿 18 个,乡镇、 地方和个体煤矿170余个,其中大部分分 布在黄陵矿区境内, 1998年开采原煤能力大于800 104t。 黄陵彬长矿区基本上为黄土覆盖,表现为千沟 万壑、 支离破碎、 丘陵起伏的黄土残塬、 长梁为主的 低山丘陵景观。区内各煤矿主要分布在沟道沟坡边 缘。矿区地质构造为缓倾NW的单斜,倾角2～8, 断层稀少,煤系地层及煤层基本沿区内平缓向斜分 布。 黄陵彬长矿区由于内、 外地质营力的共同作用 加之开采等人类工程活动的影响,地质环境非常脆 弱,尤其是近年来矿区实施以煤炭建设为主的经济 开发战略,导致矿区内各类地质灾害事件频繁发生, 矿区环境质量急剧恶化,严重制约了矿区经济的发 展。 矿区内地质灾害类型多、 分布广、 致灾重,发生时 间与空间分布上有明显的规律性,影响因素上有明 显的一致性,致灾程度上有明显的叠加性,构成了煤 矿床开发影响下的地质灾害系统。 2 矿区开采塌陷现状评价与预测 矿区地面塌陷主要是由于开采煤层而形成,它 几乎分布于每一煤矿采空区,是矿区分布最广、 危害 较大的一种人为工程地质灾害。 2. 1 矿区地面塌陷的特点 1地面塌陷的主要表现为裂缝和差异沉陷,裂 缝宽013～0. 8 m不等,延伸20～50 m ,差异沉陷主 要分布于基岩露头采空区,与矿井工作面基本一致; 2下沉系数大,下沉系数较非黄土覆盖区增大 28 ,初采下沉系数可达0185以上 ; 3 移动角大, 一般冲积层移动角45,矿区黄土层移动角一般为 53～64 ; 4 地表移动变形周期短,速度快,地表最 大下沉主要发生在活跃阶段 ; 5 在梁峁河谷斜坡带 诱发斜坡重力地质灾害,塬上平坦区则表现为下沉 盆地 ; 6 地面塌陷不仅大矿开采区可区,小煤窑由 于无计划且无地面保护措施,地面变形致灾更重。 2. 2 矿区地面塌陷预测参数与模型 根据对矿区大中型煤矿地面塌陷进行实验与监 测,采用概率积分法,其预测参数分别为下沉系数, 初次采动q 0. 81,一次重复采动q’ 0. 88,二次 重复采动q″ 0. 94;开采影响传播角 Η 87. 28;水 平移动系数b 0. 31;岩层移动角 ∆为70,边界角 ∆ 。为60,裂缝角 ∆″ 为75 ;表层移动角 Ω 50。 预测时以采区为塌陷预测单元[1],重点预测地 表移动最大值,从而得出矿区地表塌陷的影响范围 和程度。预测模式为 最大下沉值 Wmaxq McosΑ 最大倾斜值 ImaxWmaxr 最大水平变形值Emax1. 52bImax 最大水平移动值UmaxbWmax 式中,M为煤层开采厚度m ; Α为煤层倾角 ; r 为开采影响半径r 60～139 m。 2. 3 地面塌陷预测 每个采区主剖面点的移动和变形计算,在充分 考虑矿区地形地貌影响指数下,矿区地面塌陷表现 为开采引起塌陷在大于25～30 的斜坡地上易发 生滑坡;采动引起的地面裂缝多环绕开采工作面展 布;移动范围明显比平原区加大,下坡方向为 0. 5 ～ 1. 0 r,上坡方向上为 0. 2 ～ 0. 5 r;下沉值在斜坡与 川地的分布差异较大。黄陵主要矿井地表变形预测 值见表1。 表1 黄陵矿区主要矿井地表变形值预测 Table 1 Prediction to ground deation of main pit in Huangling m ining district 矿井名称WmaxmmUmaxmmImaxmmEmaxmm移动范围m 黄陵一号一区1 212～2 020376～62710. 7～33. 35. 1～15. 7125～300 红石岩矿1 315～3 507411～1 09716. 1～64. 06. 0～30. 450～250 车村矿1 213～3 507373～99615. 4～53. 56. 4～25. 1125～250 建庄井田4 639～8 3501 439～29134. 0～96. 216. 1～45. 4300～550 3 矿区斜坡变形现状评价与预测 滑坡、 崩塌是矿区内斜坡变形中规模大、 危害 重、 性质复杂且分布具一定规律的地质灾害。 黄陵彬 长矿区是陕西省滑坡灾害严重区[2]。 3. 1 矿区斜坡灾害的特点 据调查资料,区内各类斜坡、 边坡数量多、 分布 广,更严重的是许多斜坡由于受自然与人类工程活 动等因素的影响,目前正处于活动状态和极限稳定 状态,给矿区工农业生产造成了极大危害和威胁。 黄 陵彬长矿区沟壑纵横,梁峁相间,加之长期受地质外 营力的作用和新构造运动的影响,风化剥蚀与水土 流失严重,给滑坡等斜坡变形灾害创造了有利的地 形条件;矿区人类工程活动的日益加剧,已成为改变 矿区的一种巨大营力,它与自然地质作用相互交织、 彼此重叠,致使相对稳定的古滑坡复活,同时亦产生 新滑坡;矿区滑坡、 崩塌类型以土体变形为主,切层 或基岩斜坡变形灾害次之;矿区斜坡变形灾害的孕 育发生,时间上取决于季节性降水过程,空间上取决 于人类工程活动等外部诱发扰动因素[3]。 3. 2 数学分析法评价斜坡稳定性 斜坡的稳定性与多种因素有关,分析影响斜坡 变形的自然因素及人为因素,对其综合评价是非常 重要的。 但影响斜坡变形的主要因素不仅十分复杂, 而且各因素间有一定联系,用一种数学方法将其定 性研究是困难的,采用地质地貌法和模糊判别法相 结合的综合评判法是比较科学和实用的。 评价中引入影响斜坡稳定的主要因素地形地 貌、 岩性结构、 地质构造、 大气降水、 地下水及人类工 程活动,除此之外地震、 冲刷、 侧蚀等对其亦有影响, 但在黄陵彬长矿区前6种比较重要。为了准确指导 矿区生产,对稳定程度可分为稳定、 次稳定、 次不稳 定、 不稳定4级。 依据调查、 分析与计算资料,每一因 素对应4级可给出相应数值[4],见表2。 表2 矿区斜坡变形各影响因素分级表 Table 2 Classification of various effect factors on slope de2 ation in the m ining district 因 素 等 级 d1d2d3d4 地形地貌 U 1 10203040 岩性结构 U 2 1234 地质构造 U 3 1234 大气降水 U 4 5102025 地下水活动 U 5 1234 人类工程活动 U 6 351020 对斜坡稳定性评价就是研究环境因素论域U 和V两个模糊子集A和B,并进行模糊推断,当A 和B确定后,即可对R作出推论,BAR,其中R 为计算模糊子集B而确定的U、V两个论域间的关 系矩阵。 在计算过程中,应先对单项环境因素作评价,然 后进行综合评价,由此可确定各斜坡对稳定级别的 93第12卷 第3期杨梅忠、 李鹏、 宋继华陕西黄陵彬长矿区地质灾害的评价预测 隶属度,其中相对于隶属度最大的等级即为该斜坡 的稳定状态。 在确定出各斜坡的稳定状态后,依据各 滑坡或斜坡的分布与各地质因素在矿区发展中的变 化趋势,将矿区斜坡划分出稳定等级并作出评价预 测。通过对矿区150余处主要斜坡和危险边坡的评 价证明,该评价方法简便、 快速且准确性较高。 4 其他地质灾害评价 4. 1 地形缝 地裂缝产生的环境与条件比较复杂,许多内外 地质营力作用均可导致地裂缝的产生与发展。在矿 区地质灾害调查中发现,除矿区开采地面裂陷、 裂缝 外,在许多地点和斜坡地带发育有规模不等的黄土 裂缝或裂缝带,它们轻则为崩塌、 滑坡提供了诱发条 件,重则直接造成塌窑、 毁窑灾害。矿区发育的黄土 地裂缝属风化侵蚀溶蚀型,主要沿黄土节理或泥页 岩节理垂直延伸,地表上可见不同规模的陷落洞或 落水洞,主要分布于沟坡黄土陡崖或窑洞后缘以及 崩塌、 滑坡壁后缘。 4. 2 水土流失 由于矿区属半干旱大陆季风气候区,降水集中, 且受矿区大规模资源开发的人类工程活动影响,矿 区内水土流失严重,彬县、 旬邑、 长武三县是陕西省 水土流失重点县。 据调查统计,目前矿区水土流失面 积占全区面积的8114 ,侵蚀模数2 546 tkm 2 a , 其中黄土沟壑农业区为2 451 tkm 2a , 平均 冲刷深度116 mm ,黄土沟壑工矿区为3 367 tkm 2 a , 平均冲刷深度213 mm ,土石山区地面较为完 整或植被较好,水土流失较轻,年侵蚀模数小于500 tkm 2a , 平均冲刷深度小于011 mm。矿区水土 流失类型以流水侵蚀和流水侵蚀堆积为主,而重 力侵蚀和人为侵蚀越来越明显,二者叠加造成矿区 新的更大面积和高强度水土流失是导致矿区生态平 衡严重破坏的主要原因。 5 矿区地质灾害的评价预测与分区 依据黄陵彬长矿区地质灾害特点,矿区地质灾 害评价的基本原则如下一是根据矿区地质地貌、 岩 性结构、 水文气象条件的组合分布与发育特征;二是 根据目前地质灾害调查和历史灾害事件活动的频 度、 强度和空间分布特征;三是根据生态环境的变迁 与发展趋势;四是根据人类工程活动的区域、 强度、 规模等因素的组合特征。其评价指标主要以致灾所 涉及的经济损失指数和人员伤亡指数为量度依据, 即用双因子来标度灾害的大小。矿区地质灾害评价 预测一般可分三级,见表3。一级、 二级主要为区域 空间上的划分,三级主要是灾害程度上的划分。 一级 划分是从较大范围内笼统地划分出地质灾害的危害 区或稳定区,二级划分是在一级划分基础上对某一 范围内依据上述四原则及地质灾害的链状关系,圈 出次稳定区,三级划分是在危险区段内进一步划分, 主要结合人文要素及工程活动状况,分析地质灾害 造成的环境质量急剧恶化或造成严重损失的地段或 井田。 表3 矿区地质灾害危害程度分级标准 Table 2 Classification standard of geological disasters’ dan2 ger degree in m ining district 分级伤亡人数人经济损失万元 危害严重 10 100 危害较大1～1010～100 中小危害010 依据矿区地质灾害的空间展布规律和灾害系统 评价结果,黄陵彬长矿区可划分为百子沟、 三水河、 水帘河与店头井田极危险区,太峪与沮水河危险区 或潜在危险区,泾河至红崖河段与建庄、 双龙井田次 稳定区和矿区外围稳定区。 L0Va PΑMb 式中,L0为地质灾害经济损失值;V为社会固定资 产价值;a为各种地质灾害平均损失率;PΑ为地质灾 害人员伤亡值;M为矿区或某区人口总数;b为各种 地质灾害平均伤亡率。 据上式计算可得出地质灾害某区段的经济损失 值和人员伤亡情况,依据实际调查数据和计算综合 值的大小,在矿区内灾害分区的基础上可进一步划 分出12个灾害段,即彬县百子沟重灾段,彬县水帘 煤矿灾害段,彬县火石咀矿灾害段,彬县新堡子乡灾 害段,彬县太峪煤矿灾害段,旬邑原底煤矿灾害段, 旬邑黑沟煤矿灾害段,旬邑城关镇灾害段,黄陵店头 镇灾害段,黄陵苍村井田灾害段,黄陵城区灾害段 等。以上灾害段目前对人民生命财产和工农业生产 的威胁很大,是矿区防灾减灾工作的重点。 黄陵彬长矿区的地质灾害系统构成,一般均与 人类工程活动有关,尤其是煤矿建设与开采,人类活 动往往是致灾的主要诱发因素,如与自然因素叠加 作用致灾更重。 加强矿区地质环境管理,规划人类工 程活动,把地质灾害的防治与矿区发展建设协调统 一起来,使资源开发地质环境人类工程活 04 地质灾害与环境保护2001年 动三者达到动态平衡,促进矿区生态环境向良性转 化。 参考文献 [ 1] 沈光寒.采矿沉陷的现代理论[J ].世界煤炭技术, 1991, 6 2126. [2] 陕西省滑坡工作办公室.陕西省滑坡灾害预测图说明书[S]. 西安地图出版社, 1995. [3] 夏玉成,杨梅忠,等.渭北煤矿区地质与灾害防治[M ].西安地 图出版社, 1996 159178. [4] 杨梅忠,等.彬长矿区环境地质灾害的分析预测[J ].煤矿环境 保护, 1999, 5 3032. [5] 纪万斌,等.工程塌陷与治理[M ].地震出版社, 1998 19. ANALYSIS AND PRED ICTI ON OF GEOLOGICAL D ISASTERS IN HUANGL ING BINCHANGM INING D ISTRICTIN IN SHANXI YAN GM ei2zhong Xi’an Institute of Science m ining collapse; slope deation; m ining district 作者简介 杨梅忠1957 , 男,教授。1982年7月毕业于山东矿业学院,主要从事环境地质与灾害地质的教学与科研工作。 本 刊 启 事 为适应我国信息化建设需要,扩大作者学术交流渠道,本刊已加入 中国 学术期刊光盘版 和 “中国期刊网”http www. chinajournal . net. cn,或 http www. cnki . net、 中国科技信息研究所万方数据 集团公司 科技期刊 群http www. chinainfo. gov. cnperiodicaldzzhyhjbh。作者著作权使用费 与本刊稿酬一次性给付,如作者不同意将文章编入上述数据库,请在来稿时声 明,本刊将作适当处理。 谨启 地质灾害与环境保护 编辑部 二○○一年九月 14第12卷 第3期杨梅忠、 李鹏、 宋继华陕西黄陵彬长矿区地质灾害的评价预测