矿山环境地质灾害问题及其勘查方法.pdf

第1 9 卷第2 期 2008 年6 月 地质灾害与环境保护 J o u r n a lo fG e o l o g i c a lH a z a r d sa n dE n v i r o n m e n tP r e s e r v a t i o n V 0 1 ．1 9 ，N o ．2 J u n e2 0 0 8 文章编号1 0 0 6 4 3 6 2 2 0 0 8 0 2 0 1 0 4 - - 0 5 矿山环境地质灾害问题及其勘查方法 赵永久 河南大学环境与规划学院，开封4 7 5 0 0 1 摘要由于掠夺式开采以及环境保护滞后于经济发展，我国矿产资源开发利用产生了比较严重的环 境地质灾害问题。为了保护矿山环境，本文论述了主要矿山地质灾害问题，包括地质灾害的类型、危害、 诱发因素和产生机理，结合工作实际提出了矿山地质灾害的工程治理措施。地质灾害的勘查应该综合 使用地球信息技术、地球物理技术和土质土力学实验等方法。最后提出了矿山环境地质灾害的预防对 策，建立灾害的监测、预报和评估信息系统，这样才可以走矿山可持续发展的道路。 关键词矿山；地质灾害；勘查 中图分类号 T D 7 4 5 2文献标识码A 矿产资源是人类赖以生存和发展的物质基础， 是人类生产资料和生活资料的重要来源。随着我国 矿产资源开发规模的增大，矿山地质灾害问题日渐 突出，而采矿和选矿作为矿产资源开发过程中的主 要活动对矿山地质灾害产生了多方面的影响。 我国是地质灾害的多发国家之一，地质灾害种 类多、分布广、影响大、造成损失严重。矿山地质灾 害是地质灾害的一个小分支，是人类开采矿山而直 接诱发的人为地质灾害。我国是采矿大国，开采技 术和设备相对落后，导致矿山开采环境不断恶化。 近年来，各种矿山地质灾害明显上升，本文作者结 合在湖南省多年矿山勘查的工作经验，详细介绍了 矿山各种地质灾害的类型、产生、危害和防治对策， 并提出相应的勘查方法。 1 地质灾害诱发因素 1 ．1 疏干排水 采矿时对地下水必须进行疏干排水，甚至要深 降强排，由此而出现了一系列的地质灾害问题。首 先是矿井突水事故不断发生。许多煤矿的上覆和下 伏地层为含水丰富的石灰岩，特别是北方石炭二叠 纪煤系地层，不仅煤系内部有含水性强的地层，其下 伏为巨厚的奥陶纪灰岩。这些矿床随着开采的延 伸，地下水经深降强排，产生了巨大的水头差，使煤 收稿日期2 0 0 8 0 4 一O l改回日期2 0 0 8 0 5 1 0 层受到来自下部灰岩地下水高水压的威胁，在一些 构造破碎带和隔水薄层的地段发生突水事故，严重 地威胁着矿井和职工生命的安全。 其次是由于疏干排水，使许多岩溶充水矿区引 起地面塌陷，严重影响地面建筑、交通运输以及农田 耕作与灌溉。各矿区附近均有地面塌陷现象，水位 下降很多，使厂矿、工业和生活供水原有系统发生吊 泵，形成无法供水的局面[ 1 ] 。 再次是某些矿山由于排水，疏干了附近的地表 水，浅层地下水长期得不到补充恢复，影响植物生 长；有的矿区甚至形成土地石化和沙化、水土流失、 荒漠化严重，生态环境遭到破坏。 1 ．2 其他因素 矿山地质灾害诱发因素很多，有些是开采过程 中难以避免的，如开采深度的增加，使得地应力相 应增大引起冒顶、片帮、脱盘甚至岩爆的严重地压灾 害；有的是开采中忽视预防或开采不规范、管理不科 学导致的，如采空区不及时充填、废渣废水随意排 放、水文地质及构造不了解、巷道偏离、盲目指挥、违 章作业、私挖乱采等，非稳定因素积聚到一定限度 引发各种灾害；有的矿山片面追求经济利益或为摆 脱一时的经营危机，摈弃常规，如采富弃贫、求近 避远，结果为后期发展埋下灾害隐患；曾一度泛滥 的民采风潮掠夺式的开采活动也对部分国有大中型 万方数据 第1 9 卷第2 期赵永久矿山环境地质灾害问题及其勘查方法 1 0 5 矿山造成严重干扰和资源、环境破坏。 2 主要地质灾害特征和治理措施 2 ．1 泥石流 泥石流灾害具有很强的破坏性，但人们并不是 被动地去接受泥石流灾害，而是通过科学研究，不 断认识其成灾机理和成灾规律，提高预测预报水 平，加强防御建设，与泥石流灾害进行斗争[ 2 ] 。矿 山建设对泥石流形成条件的影响主要有以下几个方 面 1 产生并加速松散固体物质的积累，露天开 采及坑采剥离废石速度较快，产生大量废土，是泥石 流源地的主要形成原因，另外矿山修筑公路破坏山 坡植被，产生大量弃土，矿山选矿排出的废渣也是泥 石流物质来源。 2 增大了水体补给量。矿山建设中植被遭严 重破坏，改变了地面结构，调节雨水的能力显著降 低，汇流时间缩短，洪峰流量和洪水总量增大，暴发 泥石流的可能性也增大；矿山废石堵沟成湖，蓄积了 大量的水体；有时在掘进坑道的过程中，掘开了地下 水的主要通道，形成地下水突涌，使水体补给量增 大。 3 矿山建设改变了地形条件，增强动力条件。 大量的矿山废石堆放使山坡变陡，地面高差增大，从 而加强了侵蚀能力；大量矿山废石压缩沟床，增大流 深和流速，也就增强了流体的动能和冲刷力，废石堆 放减少了过流断面，使流体受压缩，流速增大，侧蚀 和下蚀能力加强。 泥石流的治理措施包括工程措施和生物措 施‘3 | 1 工程措施的治理目的是减少灾害的发生频 度，降低灾害的危害程度。一般是拦挡、排导和支护 措施。对物质来源即上游的矿渣松散体进行拦挡， 阻拦了泥石流的物质来源。修建拦挡坝或谷坊，同 时，布置合理的排水措施，使土水分离。中下游进行 排导，疏通沟道，防止沿途淤积漫流，冲毁田地，对沿 途沟道边坡进行支护，防止塌方和道路毁坏。合适 的地点修建速流通道，加速泥石流的排导。 2 生物措施生物措施的治理目的一是治理 水土流失；二是吸收有害物质，净化土壤。 3 生物措施和工程措施相结合金属矿围岩 一般为较硬的岩石，开采过程中开采堆积物除了上 覆土层和风化岩石外，均为较大块的难风化的块状 堆积物，易形成的地质灾害为崩塌、滑坡以及泥石 流，另外有些金属矿床在开采和冶炼过程中对土和 地下水造成一定的污染，也需要进行治理；非金属矿 多数为沉积形成，其开采要挖掘较多的松散沉积生 成物，而且开采出来的物质也较易风化，易形成地面 塌陷、泥流、泥石流、滑坡等地质灾害。 2 ．2塌陷 当地下矿层被采出之后，采空区的顶板岩层在 自身重力和其上覆岩层的压力作用下，产生向下的 弯曲和移动。当顶板岩层内部所形成的拉张应力超 过该层岩层的抗拉强度极限时，直接顶板首先发生 断裂和破碎并相继冒落。接着是上覆岩层相继向下 弯曲、移动，进而发生断裂和离层。随着采矿工作面 的向前推进，受到采动影响的岩层范围不断扩大。 当矿层开采的范围扩大到某一时刻，在地表就会形 成一个比采空区大得多的塌陷盆地，从而危及地表 的各种建筑物和农田等。 岩溶塌陷是岩溶充水矿床疏排地下水所引起 的。塌陷不仅出现在煤炭矿山而且也出现在有色金 属、黑色金属、化工及核工业矿山。从地理方面看， 几乎遍布南方各省，尤以湘、粤、鄂、桂、赣诸省居多。 采空区塌陷对土地资源的破坏，在采矿中占有重要 地位，主要由地下开采造成的。采矿塌陷的过程是 十分复杂的，并且涉及岩层的结构、构造、岩性、成分 等许多因素，加之现场观察和测量极为困难，矿层压 力的变化和岩层的移动状况难以详细观测，因而至 今尚未形成公认的通用的采矿塌陷机理。但是几种 假说 如拱形冒落论和压力拱假说、悬臂梁 板 冒落 论和冒落岩块碎胀充填论、冒落岩块铰结论和砌体 梁平衡学说等 ，可以从不同角度解释各类矿山塌 陷的形成机制。 对矿山采空区塌陷的治理方案很多，但较常用 的方法是充填复垦法[ 4 ] 。这种方法是利用矿区附近 的煤矸石、粉煤灰、露天矿剥离物等可供利用的充填 材料充填采空塌陷地复田。这种方法多用于有足够 的充填材料且充填材料无污染，可经济有效防护治 理的地区，因其既解决了塌陷地复垦问题，又解决了 矿山固体废弃物的处理问题，所以经济效益最佳。 2 ．3 滑坡 滑坡活动受多种因素影响，主要发生在雨季。 而软硬相间岩层，由于差异风化，坚硬岩体突出， 由结构面切割或重力蠕变，坚硬岩体就会产生崩 塌、落石。地质构造发育使完整岩石被分割成割裂 体，割裂体在诱发因素下失稳而形成崩场，因此构 造越发育，岩体越破碎，越易产生崩塌、落石。人 为影响主要是开挖坡脚、改变应力场，使坡体内积 存的弹性应变能释放而造成应力重新分布，岩体产 万方数据 1 0 6地质灾害与环境保护 生卸荷裂隙，它们多张开且平行于边坡面并使原有 裂隙扩展和张开，由其所切割的岩体，可能失稳而 形成崩塌滑坡。目前露天煤矿、铁矿、采石场所发生 的滑坡，大多数是由于违反开采顺序，乱采滥挖而 造成的。为了使露天采掘、剥离作业正常进行，采场 边坡岩体应该具有一定的稳定性。当工作台阶采掘 到最边界时，便形成最终边坡；当最终边坡角过陡 时，稳定性差，易滑坡，危及人员和设备的安全，导致 停产闭坑；当其过缓时，会降低采矿经济效益[ 5 ] 。 露天矿边坡，必须对其进行经常性的检查和维 护，用以保证边坡稳定，防止灾害发生。建立一支 边坡维护专业队伍，加强检查维修，必要时进行人 工放坡，铺上草皮，植上灌木，砌筑局部挡土墙或 者预埋防滑坡的木桩。要设置排水网络，防止地表 雨水流入矿坑冲刷边坡，润滑层理深凹露天矿要在 坑外周围设置防山洪、防泥石流的阻挡或者疏导的 设施。排水网络包括以下3 个部分，地表排水、地下 排水、立体排水系统。在临近边坡进行爆破时，宜采 用预裂和减震爆破法，减少单孔装药量而增大孔数， 减少每次延时爆破的炮孔数，以防止因为露天爆破 作业而破坏边坡的稳定性。 抗滑工程是防止山体滑坡的不可缺少的一部 分，尤其对于事关生命、财产安全的矿区坡体来说， 意义非同寻常。抗滑工程包括抗滑挡墙、加筋挡墙、 锚定板挡墙、预应力锚索挡墙、锚杆挡墙。抗滑桩大 截面积排式抗滑单桩、抗滑链、钢管桩、承台式抗滑 桩、抗洪桩、桩基挡墙、椅式挡墙、排架式抗滑桩、抗 滑刚架桩、板桩抗滑桩和锚固桩。土质改良注浆、微 型桩。 3 矿山地质灾害的勘查方法 3 ．1 地球信息技术综合方法 遥感技术 R S 主要是针对大面积区域宏观解 释，可形成不同比例尺所需要的航卫片解译结果。 利用航、卫片进行解译，具有直观、真实、准确、实效 性强等特点，可大大提高工作效率和质量[ 6 ] 。 G P S 具有全天候、全球覆盖和高精度的优良性 能，而且其用户设备无源工作，体积小，重量轻，耗电 少，使用方便和价格低廉，因此，G P S 的应用越来越 广泛。在矿山环境野外调查中，可采用G P S 定位仪 进行矿山环境三维坐标数据的现场采集工作。 矿山地质灾害的许多问题都是由多种空间域因 子共同作用的结果，而G I S 本身又具有强大的空间 分析操作功能和多源多因素信息复合叠加技术，因 此G I S 完全可以实现对矿山环境和灾害问题进行 动态模拟与评价的目的。其评价思路首先是在对矿 山环境的具体实际地质条件分析基础上，建立影响 矿山环境和地质灾害的各主控因素的子专题层图 如水土流失，土地沙漠化，地下水环境，矿山泥石流 等 ，然后通过对这些子专题层进行空间分析与操 作，从而对相关矿山地质灾害问题作出定量评价。 总之，“3 S ”技术的应用，可以从宏观上掌握地 质灾害的分布、发生、发展规律。如G P S 可以对灾 害发生地进行精确定位；R S 技术可以利用矿区的 多时相遥感图像进行叠加分析，获取矿区不同时期 的地貌破坏程度、塌陷区的形态、面积、矿业废弃物 的类型及分布状况、环境污染状况及生态环境状况； G I S 技术可以对矿山灾害信息数据进行空间有效分 析，方便管理人员迅速掌握灾情，有效进行防灾减灾 工作。“3 S ”技术的应用弥补了以前常规的技术手 段 如地形测量等 难于胜任的空白，特别是对危险 地带的矿山灾害的调查，如矿山积水塌陷区等。 3 ．2 水文地质与岩土力学试验方法 水文地质与岩土力学试验类型很多，是矿山地 质灾害调查的重要手段之一，许多调查成果的基础 数据和资料，均需水文地质与岩土力学试验而获得。 在矿山地质灾害调查工作中，水文地质试验主要包 括水质测试、淋滤试验、浸泡试验、含水层吸附试验、 含水层顶板渗透性试验、采矿引起周围地层渗透性 变化试验、矿石及固体废弃物中有毒有害元素测试 试验、土壤污染试验、溶质迁移与富集规律试验等； 岩土力学试验主要包括室外原位力学试验和室内岩 土物理力学性质试验等。 3 ．3 地球物理勘查方法 高密度电阻率法是以岩土体导电性差异为基础 的一类物探方法，该方法一次即可进行多装置数据 采集，既可研究深度方向的电性变化，也可研究水平 方向的电性变化，通过参数换算取得更多突出的有 效异常的比值参数，利于潜在灾害的埋深、范围等的 推断解释口] 。它对不太深的采空区、地下水系、岩石 风化层等的勘查十分有效。例如，山西平定矾土矿 采空区，通过采用高密度电阻率法进行测量，获得深 部的闭合圈异常，结合钻探资料，圈定了该区采空区 的平面分布范围。 视电阻率法可用于圈定采空区。一般金属矿山 都是块状硫化物矿体，它是一种良导电体，具有极低 的电阻率，而有待探明的采空区为空气充填，空气是 绝缘高阻，其电阻率与硫化物矿体的电阻率有显著 差别，利用视电阻率法揭示这种差别存在的范围就 是圈定的采空区。 万方数据 第1 9 卷第2 期赵永久矿山环境地质灾害问题及其勘查方法 瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地 下发送一次脉冲电磁场，在一次脉冲磁场的间歇期 间，利用线图或接地电极观测地下半空间二次涡流 场的变化，从而达到探测的目的。同时，该方法信噪 比高、分辨力强、探测深度大、探测速度快，较容易发 现矿区的采空区异常。 浅层地震法是由人工手段激发地震波，再通过 研究地震波在地层中的传播规律，以查明地下地质 小构造及获取地层岩性信息的一种物探方法。其中 的浅层反射法，不仅能直观地反映地层界面的起伏 变化，而且还能探测地下隐伏断层、空洞、陷落柱以 及各种异常物体，是滑坡、断裂面、采空区等潜在地 质灾害的有效勘查方法之一。 3 ．4 其他方法 在矿山地质灾害的勘查中，地球化学勘查方法 也可发挥重要作用，特别是对矿区环境污染的勘查， 化探方法可以充分发挥其优势，在污染因素查定、探 测污染源、污染机制 过程 研究、圈定污染异常区， 以及提出污染治理方案等方面将起决定性作用。 4 矿山地质灾害的预防 愈演愈烈的矿山灾害、大量潜伏的灾害隐患、E l 渐恶化的矿山环境说明矿山地质灾害的防治必须上 升到政府监管的高度。政府主管部门要加大对矿山 环境与灾害源的监管与治理力度，防止新的隐患发 生。矿山企业要规范开采行为，合理开发矿产资源， 处理好短期经济利益和长远发展的关系，将防灾减 灾工作始于矿山设计并延续到闭坑之后。注重矿山 地质灾害的防治研究，将其列入矿业领域的基础性 研究，把矿山灾害、环保、安全生产统一起来。灾害 研究要充分依靠科技进步，采用高新技术，研究灾害 的发生机制，建立灾害的监测、预报和评估信息系 统嘲。 例如，将矿业开发产生的地下空区改建尾矿库， 既能消除因地下空区给矿山带来的安全隐患，又能 减少尾矿库建设、经营、灾害治理等费用，改善矿山 生产和生活环境，把矿山建设成为环保型和无公害 型的新矿山，它将是我国今后开发矿业的发展方向。 确定了采空区的位置以后，防治矿山采空区地质灾 害的方法很多，主要有以下几种 1 采矿过程中， 及时回填采空区。 2 对可能造成塌陷的位置提出 预警措施，对现有的建筑和设置采取必要的预防措 施。 3 矿山设计应避开城市和重要设施。此外， 构建信息化矿山，开创安全、高效、可持续的矿业发 展新模式，是中国采矿业未来发展的必由之路。 5结语 我国矿山种类繁多、分布广、户数多、规模小、基 础差，由于技术、管理及效益等原因的影响，资源开 发中的安全形势相当严峻，地表塌陷、山体崩塌、矿 山边坡滑坡、废石场泥石流、尾矿库垮塌、采场冒顶、 巷道坍塌、矿山地震、岩爆、采空区大面积地压、井下 突水、深井高温等灾害，给社会稳定和人民生命财产 安全带来了严重影响。 经分析采矿引发地质灾害的原因大都是由于采 用不科学的采矿方法造成的，当人们注意到了环境 对人类生存的重要性，懂得如何正确解决资源需求 与保护人类生存环境的矛盾时，科学的采矿方法将 被越来越广泛地采用，因为现有的技术手段完全可 以避免矿山开采引发的不良地质灾害的产生。在矿 山开采问题上我们必须坚持“谁开发谁保护，谁闭坑 谁复垦，谁破坏谁治理”的原则，加强对矿山环境的 管理。只有解决好矿山开采与环境保护之间的矛 盾，才能促进中国采矿业的持续发展。 参考文献 [ 1 ]李永忠．福建省安溪县矿山地质灾害防治对策浅谈[ J ] 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o n ，s e r i o u se n v i r o n m e n t a lg e o l o g i c a ld i s a s t e r sh a v eO C - c u r r e di nC h i n a ．T op r o t e c tt h em i n ee n v i r o n m e n t ，t h ek i n do fg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，h a r m ，f a c t o r sa n ds o l v i n gm e t h o d so fe n g i n e e r i n gm e a s u r e sc o m b i n e dw i t hp r a c t i c ew e r ea n a l y z e d ．T h ei n v e s t i g a t i o no fg e o l o g i c a ld i s a s t e r ss h o u l db ep u ti np r a c t i c es u c h a sg e o i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，p h y s i c a lg e o g r a p h yt e c h n o l o g ya n ds o i lm e c h a n i c sa n dp r o p e r t y ．A tl a s tt h ea u t h o r sp u tf o r - w a r ds o m et h ec o n t r o lo fc o u n t e r m e a s u r e s ，i n c l u d ec o n s t i t u t i n gt h ei n f o r m a t i o ns y s t e mo fs c r u t i n y ，p r e d i c t i o na n de v a l u a t i o ni n m i n ea r e a s ，w h i c hc a nl e a dt os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti np r o t e c t i n gt h em i n ee n v i r o n m e n t ． K e yw o r d s m i n ee n v i r o n m e n t ；g e o l o g i c a ld i s a s t e r s ；c o n t r o lc o u n t e r m e a s u r e 作者简介赵永久 1 9 6 4 一 ，男，博士，主要从事地质学教学与研究。 卜- 卜卜- 卜‘卜- 卜‘卜- 卜- - - 卜- ●- 卜- - 卜卜卜- - - - 卜- - - - - 卜- - - - 卜- 卜卜- - ’- 卜- - - - - - 卜 - 卜卜- - - 地质灾害与环境保护征订启事 本刊主管单位四川省教育厅；主办单位成都理工大学、地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验 室。学术性期刊，季刊。1 9 9 0 年创刊，国内外公开发行。大1 6 开，每期1 1 2 页，约2 2 万字。欢迎订阅。 定价 2 0 0 8 年每期定价1 5 元，全年4 期，年定价6 0 元；2 0 0 5 ～2 0 0 7 年每期定价1 0 元，全年4 期，年定 价4 0 元；1 9 9 1 ～2 0 0 4 年过刊每套定价1 5 4 元 包括总第3 期～总2 8 ，3 0 ～5 3 期，计4 2 册 ；也可分年分期选 订1 9 9 1 ～1 9 9 3 年，半年刊，每册定价1 ．O o 元；1 9 9 4 ～1 9 9 7 年，季刊，每册定价2 ．o o 元；1 9 9 8 ～1 9 9 9 年，季 刊，每册定价3 ．o o 元；2 0 0 0 ～2 0 0 1 年，季刊，每册定价4 ．0 0 元；2 0 0 2 ～2 0 0 4 年，季刊，每册定价5 ．0 0 元。 订阅办法 1 ．2 0 0 0 年起开始邮发，邮发代号6 2 1 4 0 ，可在全国各地邮局订阅。 2 ．本刊已参加“2 0 0 0 年全国非邮发报刊联合征订”，代号5 3 1 4 号。 3 ．向本刊编辑部订阅请用邮局汇款。收款单位地质灾害与环境保护编辑部。 地址成都市二仙桥东三路1 号成都理工大学；邮政编码6 1 0 0 5 9 。 编辑部联系电话 0 2 8 8 4 0 7 8 4 8 1 。 地质灾害与环境保护编辑部 2 0 0 8 年6 月2 5 日 万方数据