青山河地质灾害的成因及治理的探究.pdf

I s S N 1 6 712 9 o o C N 4 31 3 4 7 ／ TD 采矿技术第7卷第3期 Mi n i n g T e c h no l o g y，Vo 1 ． 7， No． 3 2 0 0 7年 9月 S e p ． 2 0 0 7 青 山 河 地 质 灾 害 的 成 因 及 治 理 的 探 究 李相军， 曹钟广 大冶有色金属公司铜绿山矿， 湖北 黄石市4 3 5 1 0 1 摘要 通过水文地质分析和理论计算， 揭示了青山河地质灾害的内在和外部成因， 总结 治理的经验教训 ， 提 出了最佳治理方案 ， 经过 实施 ， 遏制 了地质 灾害的危 害程度 ， 为地质 灾 害治理作 了成功的探 索。 关键词 地质 灾害； 灾害成 因； 灾害治理 青山河位于铜绿 山矿南露天西侧 ， 由南向北流 人大冶湖 ， 流域汇水 面积 7～8 k m ， 主要接受 大气 降雨补给 ， 为间歇性小溪 ， 最大瞬 间洪水流量为 6 ． 4 4 m ／ s ， 最高洪峰水位为 2 3 ． 1 3 m。该 河中下游距 南露天矿采场约 5 0 m， 属喀斯特地貌， 1 9 8 0年代开 始产生沉陷、 塌坑现象。 随着南露天开采境界增大 ， 深度加 深及周边抽 取地下水 ， 特别是进入 2 O世纪末 ， 周边小井采掘深 度越来越深 ， 每年汛期 ， 洪水决堤 、 漫坝 ， 从塌坑灌人 溶岩 ， 造成采矿 的极 大隐患。铜绿山矿及 当地政府 对该河进行了长达 2 O多年的治理 ， 但 由于对地质灾 害规律的认识和研究不够， 不能从根本上遏制灾害 的发生。 进入 2 l 世纪 ， 矿里组织技术人员作了大量地质 勘察工作， 研究塌陷规律， 总结历年来的经验教训。 2 0 0 3年财政部、 国土资源部青 山河地质灾害治理批 准列为矿 山地质环境治理项 目 财建【 2 0 0 3 】 5 3 0 号 ， 矿山配合投入相当资金， 为探究更有效遏制和 治理青山河地质灾害创造 了条件。 1 地质灾害的成因 1 ． 1 工程地质及水文地质 青山河及矿区地层为三叠系大冶群的灰岩和白 云质灰岩。岩浆岩为燕山早期第三次岩浆侵入形成 的石英闪长岩。岩浆岩除环绕大理岩残留体外还沿 层间断裂带侵入与大理岩发生接触。接触带为断裂 活动持续叠加的部位， 进一步发育为接触破碎带。 青 山河中下游长约 1 0 0 0 m区域的喀斯特地质 构造与矿区破碎大理岩相连 ， 是矿区岩溶的补给源。 基金项 目 国家 矿山地质环境治理项 目 财建 2 0 0 3 5 3 0号 。 区域内5 ～ 1 0 m厚表层土下为较破碎碳酸盐岩体， 主要 由大冶群第 5 ， 6 ， 7个岩性段的大理岩组成。 第 5岩性段 T ． d y 岩石呈黄 一褐黄， 略带色 ， 层 面缝合线较稀疏， 胶结构较紧密 ， 性脆而坚硬。 第 6岩性段 T ． d y 。 层面缝构成 ， 胶结 紧密 ， 性 较脆而坚硬。 第 7岩性段 T ． d y 层理较闭合 ， 胶结紧密．， 性 脆且坚硬。 青 山河矿区大理岩岩溶裂隙含水量 的分布范围 与 一 5 0 0 m标高以上的大理岩残留体相一致。含水 岩 自风化带以下 的深度至少超过 2 0 0 m， 与大理岩 风化破碎的发育深度相一致， 沿接触带与围岩裂隙 含水层无严格分界线。 青 山河靠近南露天流域 ， 岩溶发育 ， 以岩溶裂隙 为主的地下水与西南边坡相连为径 流通道 ， 在洪水 期 ， 南露天坑涌水量突然增大 ， 涌水量 达 1 6 8 m ’ ／ h ， 压力 0 ． 0 1～ 0 ． 0 6 M P a 。 1 ． 2 地质灾害的成因及演化 青 山河地质灾害有其发生 、 发展 、 形成 的过程 ， 是其深刻的内部原因及特殊的外部条件共同作用的 结果。 ， 1 ． 2 ． 1 流域岩溶裂隙水流的渗流及塌陷机理 青山河岩溶区域地表层 5～1 0 m冲积土层， 下 为较破碎大理岩， 从工程勘探资料可看出， 有一定数 量的大小溶洞分布且与南露天相连 。区域近似地构 成了多孔介质中变形场、 渗流场、 温度场以及多场耦 合作用的模型。假设土层和岩层为饱和与准饱和的 多孔介质， 固体颗粒不可压缩， 水是可压缩的， 渗流 服从达西定律， 热质在固、 液介质中传导， 对流为主。 维普资讯 李相军， 等 青山河地质灾害的成因及治理的探究 3 1 3 场全耦合模型的控制方程由考虑渗流与热应 力影响的静力平衡方程； 考虑岩体骨架位移与温度 影响在内的可压缩流体的渗流连续性方程； 以及热 传导、 对流及热、 液、 固耦合的能量守恒方程构成。 应用奥地利岩石工程软件 F I N A L进行有限元分析。 土层、 岩层的参数及边介条件分别见表 1 、 表 2 。 表 1 土层、 岩层、 3场耦合分析参数 表 2 3场耦合分析边界条件 边界面 水平位移竖直向位移 渗流 温度 底 面 固定 固定 不透水 不散热 顶面 自由 自由 透水 散热 右面 固定 自由 不透水动态边界 左面 固定 自由 不透 水动态边界 分析结果表 明， 在 3场耦合 的作用下 ， 水 分迁 移、 固体颗粒运动而引起不均匀沉降， 沉降点在域中 心段比边界多 2 5 ％， 沉降量中间为 1 6 ． 9 m m， 两边 为 1 2 ． 9 m m， 水头呈梯度降低。根据水文地质资料 进行理论计算， 证明了以下事实 1 青山河岩溶区域因采矿尤其是露天采矿使 地下水位从地表下 1 m降至 一 2 O～一 9 0 m， 呈漏斗 梯度分布 ； 2 常年经历 干旱一大气补水一干旱 的循环 。 导致表土层、 岩层沉降一有限恢复一再沉降， 同时， 土体岩体颗粒被渗流场的水不断地运走， 形成溶洞 空区， 逐渐破坏岩体平衡， 形成垮落带， 深部断裂带 形成后， 靠近地表开始形成弯曲带； 3 由于区域岩体为较破碎风化的大理岩， 又 有地表水渗透， 使岩体 c 、 值迅速下降， 加速垮陷， 弯曲带也成为断裂垮落带， 诱成地表沉陷、 塌陷等地 质灾害 。 、 1 ． 2 ． 2 塌陷区地质灾害的演化 青山河流域原是一派山青水秀的田园景色 。2 0 世纪 8 O年代初期， 南露天向海平面标高以下剥离日 渐加深， 南露天西南帮地下涌水逐渐加大。青山河 出现小范围塌陷， 主要集中在以公路桥为中心左右 约2 o 0 m的河床附近， 有时出现崩堤。汛期洪水灌 入岩溶后， 增加了南露天的涌水量。铜绿山矿在河 床及塌陷区采取了一些工程措施 ， 在一定程度上缓 解了灾害损失 。 2 O 世纪 9 O 年代中期以后， 一方面， 周边小矿井 无序开采， 形成许多未充填新空区， 损坏原有治水设 施， 大量抽取地下水使地下水位急速下降， 加剧地表 塌陷程度， 扩大塌陷区范围； 另一方面， 流域内许多 不规范的小选厂， 随意在河床筑坝栏水取水 ， 尾砂浆 又排人河床 ， 造成河堤破损 ， 河床淤塞 ， 过流量大为 减少 ， 汛期洪水决堤、 漫坝从塌 陷坑流人岩溶， 给露 天及井下采矿造成极大威胁 ， 不仅严重制约矿山正 常安全生产 ， 而且植被破损 ， 影响环境保护 ， 还引起 复杂的工农关系问题 。 2 地质灾害治理的探索 2 ． 1 传统治理的历程及误区 知道塌陷区与采矿排水的对应关系后， 对小范 围的塌陷一般采用简单的抛石回填， 对河堤也是简 单地恢复， 对塌陷严重的河床采用或石填、 或钢砼、 或钢板直铺， 最后用钢板河床。结果每年投入巨大， 收益甚微 ， 未能有效地解决 问题 。进入 2 1世纪后 ， 地质灾害危害程度呈上升趋势 ， 主要存在以下误 区 1 对塌陷区危害的严重性、 长期性认识不足， 抱有侥幸心理； 2 对塌陷区产生的发展规律研究不够， 认为 只要回填扎实， 将河堤做牢固就一劳永逸； 3 治理方法单一， 没有综合性措施； 4 对乱采乱挖、 乱排乱放制止不力。 2 ． 2 治理方法 2 ． 2 ． 1 水泥帷幕注浆堵水方法 维普资讯 3 2 采矿技术 离南露天西南帮永久性开采境界 5 01 0 0 m， 长约 5 o o m处， 布置两排钻孔， 孔径 D N 1 0 0 ， 孔深 1 0 0 2 0 0 m， 注浆配合比为水 水泥 砂 0 ． 7 1 ． 00 ． 5 ， 水灰比尽量取小值； 注浆压力控制在2 ． 5 6 ． 0 MP a ； 每孔水用量为 1 ． 58 ． 0 t 。在破碎第 5 岩性段约 1 5 0 m长段 ， 孔距 由 1 5 2 0 m改为 1 0 m， 注浆水泥改为加人高标号 4 2 5华新水泥， 缩短初凝 时间， 提高早期强度， 同时加人添加物料， 改善提高 堵水效果。经钻孔取样， 胶结凝固构造面岩石渗流 作用明显减少， 露天涌水基本停止， 只有少量渗流现 象； 塌陷区地下水位明显回升到 1 0 m左右。治理效 果较明显。 2 ． 2 ． 2 清理小矿井和充填空区 1 9 9 6年后 ， 个 体业 主西南有数个小矿井 ， 无 序 开采， 采矿量逐年增加， 采掘深度逐年加深， 形成不 填充空区、 破坏水泥幕墙防水 设施， 大量抽排地下 水， 流域地下水位又降至 一 4 5一一1 0 0 m， 又多次大 范围激活了塌陷地质灾害。南露天坑地下涌水增 大， 曾 2次造成淹设备停产事 故， 洪水漫坝 冲毁农 田， 损失很 大。2 0 0 3年 ， 矿 山与地 方管理部 门达成 共识后 ， 对小矿井进行清理 ， 充填空 区， 对渗透层进 行封堵。 2 ． 2 ． 3 桩基钢砼连续槽式河床及其它治理方法 青山河河段、 公路桥 1 0 0多米长是塌陷重灾区。 河床、 河堤常常毁坏， 是洪水灌人岩溶的重要途径， 也是治理重点。人工砼河床一层又一层， 1 9 9 0年， 甚至采用钢板焊制人工河床， 都不能阻止地质灾害 发生。1 9 9 8年， 在公路桥两侧各 1 0 0 m范围内， 采 用桩基钢砼连接槽式人工河床， 桩挖至基岩深 1 m 内， 并对桩基溶洞用砼充填筑实。 钢砼连续槽式人工河床设计成连续箱梁， 保证 了结构整体强度、 刚度和稳定性， 通过洪水能力大大 提高 ， 又不影响发生塌陷时的回填， 大大减少了洪 水灌入岩溶。 汛期时， 应全面检查青山河堤完好性、 淤塞、 塌 陷等情况； 修整河堤， 疏通河道， 回填塌陷坑。回填 时， 先用大块石料， 再铺设土夹石碾压， 最后用 5 0 0 1 0 0 0 I n 粘土覆盖并碾压实。有条件的地方， 应植 树恢复植被或复垦。 2 ． 2 ． 4 治理成果及遗留的问题 2 0 0 5 年 5月， 治理项 目竣工验收合格， 发挥 了 效能 ， 连续 2年南露天减少排水电费约 1 0 0万元 以 上， 减少工农赔偿费3 O万元以上。整个汛期保证了 采矿正常生产、 安全生产， 没有发生洪水漫坝、 塌陷 大范围复活， 洪水灌人岩溶的现象。生态环境得到 了较大改善， 基本制止了水土流失状况， 大片农田已 复垦耕种， 达到了治理的目的。 但是， 极少数个体业主因利益驱动， 仍有偷采、 无序开采治理区地下矿藏， 人为破坏地下治水设施 现象时有发生； 在治理区内私自办小选矿厂， 乱排乱 放， 人为破坏地表治水设施的行为并没彻底制止； 比 较系统的检查监测系统尚未建立， 如地下水位、 水 压、 径流量等数据采集等。 3 结 论 1 青山河塌陷区的形成是由区域特定喀斯特 地质构造、 水文地质、 采矿采动与抽取地下水共同作 用 的结果。地质灾害的发生频度和危害程度与采动 对裂隙破碎渗水带破坏程度、 抽取地下水深度、 区域 内河床畅通与完好程度、 大气降雨强度有直接关系。 2 帷幕注浆， 人工河床、 河床加固与疏通、 塌 陷区回填夯实 、 植被恢复 ， 地下采空区充填与裂隙封 堵等工程措施综合运用， 从根本上遏制了地质灾害 发生的频度， 降低危害程度。同时， 应加强对塌陷区 的管理， 强化 日常监督检查， 处罚人为破坏违法违纪 行为。 3 建立塌陷区科学检测和预报制度。塌陷区 内按水压、 水位梯度设置检测井 ， 定期或不定期检测 数据。对数据进行分析， 发现异常应进一步分析和 研究 ， 加之对塌陷区域地物地貌异常现象分析， 作出 科学而准确 的预报 ， 及时采取技术 、 管理 和工程措 施， 消除或减轻地质灾害损失。 4 只要该区域继续采矿、 大量抽取地下水， 青 山河塌陷区复活的可能性依然存在。因此， 青山河 地质灾害的预防、 预报和治理将是一项长期 、 艰苦的 而有意义的挑战。 收稿 日期 2 0 0 7一 o 51 1 作者简介 李相军 1 9 6 4一 ， 男， 湖北大冶市人， 硕士， 建筑 工程高级工程师， 执业监理工程师， 从 事冶金矿山建设 工程 技术管理与研究工作， E ma i l 一 8 2 9 q q ． c o l n 。 维普资讯