岳修德,李 斌
(1.晋能控股煤业集团有限公司,太原 030006; 2.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)
矿山开采引发各类地质灾害的问题由来已久,在不同程度上给煤矿安全生产、矿区自然生态环境及居民生命财产安全带来严重威胁。加强对矿区地质灾害的调查与研究,科学掌握其发生条件、发育特征、发展规律及有效防治措施,已成为煤矿可持续、安全、绿色开采的重要保障,日益受到各级政府、生产单位及从业者的重视。近年来,相关矿区地质灾害研究工作陆续开展并取得一定成果。肖和平[1]综合分析了我国煤矿区矿震、地面沉陷、滑坡、崩塌等主要地质灾害的特征、形成机理及危害,认为煤矿地质灾害普遍为矿区正常生产与人民生活带来严重危害;段丽军等[2]讨论了山西省矿山地质灾害现状及发展趋势,研究结果显示,近年来山西省矿山地质灾害发展速度较快;李昌盛[3]基于2015年山西省矿山地质灾害统计数据,分析了山西矿山地质灾害的宏观分布特征,研究结果表明,煤矿地质灾害是全省主要的矿山地质灾害,在发育规模方面,地面塌陷以小型和中型为主,崩塌和滑坡灾害以小型为主;吕义清等[4-7]以山西矿区为例,对煤矿开采诱发的地质灾害特征进行了分析,认为采矿活动引起的地质灾害具有群发性、衍生性、区域性等多面性。在防治措施方面,李东林等[8-12]讨论了我国煤矿地质灾害综合防治的必要性、可行性、技术思路与方法等;刘瑾[13]系统研究和讨论了山西省地质灾害防治的现状、特点与防治技术措施等。上述研究成果,促进了人们对矿区地质灾害现状、发育特征、成灾机理、危害及防治方法措施的认识与理解。但仔细分析不难发现,前人所做工作更多是从宏观角度来研究与剖析矿区地质灾害。然而矿区地质灾害的发育与成灾具有典型的区域特征,其有效防治需要各矿区基于具体的灾害发育特点，制定并落实针对性的防治规划与防治措施。此外,山西作为煤炭大省,各级政府在历年的地质灾害防治规划与方案中,均将矿区地质灾害列为省内重要防治工作的重点[14]。晋能控股煤业集团泰山隆安煤业有限公司地处河东煤田,煤炭资源丰富,矿井密集。区内采矿活动及其他工程活动强烈,引发的地质灾害和地质环境问题日益突出,严重危害和威胁煤矿安全生产和居民生命财产安全。本文以泰山隆安煤业矿区为研究对象,在广泛收集、分析资料的基础上,结合地质灾害现状及灾害发育的地质环境条件,在全区开展了详细的地质灾害调查与核查、地质灾害特征分析、地质灾害易发分区与评价，以及地质灾害防治措施等综合研究工作,以期为全区地质灾害防治措施的科学制定，及我国类似矿区地质灾害的研究与防治提供理论参考。
晋能控股煤业集团泰山隆安煤业有限公司(以下简称研究区)位于山西省保德县桥头镇北部,距保德县城约10 km。矿区整体呈南北长条状,北至冀家沟村,南至桥头镇,西至吴家沟村,东至白家墕村,南北长约8.0 km,东西宽约3.5 km,面积约20.32 km2。地势总体北东高、南西低,起伏较大,地形最高点位于区内北中部,地面标高1 175.1 m,最低点位于桥头一带朱家川河河床低洼处,地面标高911.0 m,相对高差达264 m。研究区地处晋西北黄土高原,地表多为第四系黄土覆盖,因受风雨侵蚀,形成了支离破碎的复杂地貌,区内冲沟发育,冲沟中可见零星基岩出露。研究区地质概况如图1所示。
图1 研究区地质概况
2.1 地质灾害类型
在广泛收集、整理与分析研究区基础地质、井下掘进、综合勘探、地形地貌、地质灾害发育条件、发育现状等资料的基础上,对全区开展了详细的地质灾害(隐患)实地调查与核查工作,共调查村庄25个，地质灾害(隐患)点150个。野外实地调查发现,区内地质灾害(隐患)类型主要为地面塌陷、滑坡、地裂缝、崩塌和不稳定斜坡。全区内直接威胁人类生命财产安全的地质灾害隐患点共59处,其中滑坡灾害隐患点7处,占总数的11.9%;地面塌陷隐患点23处,占总数的39%;崩塌灾害隐患点13处,占总数的22%;不稳定斜坡灾害隐患点13处,占总数的22%;地裂缝灾害隐患点3处,占总数的5.1%。图2为研究区59处地质灾害(隐患)点位置分布图及8处需进行工程治理的灾害点现场照片,具体类型统计信息详见表1所示。
图2 研究区59处地质灾害(隐患)点分布图及8处需进行工程治理的灾害点现场照片
表1 泰山隆安煤业地质灾害隐患点类型统计表
续表1
2.2 地质灾害特征分析
2.2.1灾害发育特征
在野外调查的基础上,对研究区内各地质灾害(隐患)点进行了灾害发育与成因分析,并基于现行的《县(市)地质灾害调查与区划规范》(2018)[15],对各地质灾害(隐患)点的规模逐一进行了划分，如表2所示。结果显示,研究区内发育的地质灾害(隐患)规模主要为小型和中型灾害。直接威胁人类生命财产安全的59处地质灾害(隐患)点中,中型规模灾害(隐患)点2处,占总数的3.4%;小型57处,占总数的96.6%。此外,对59处地质灾害(隐患)点的险情评估结果显示,研究区地质灾害(隐患)的险情等级均为小型。
表2 泰山隆安煤业地质灾害隐患点规模统计表
续表2
2.2.2灾害成因特征
表3为研究区各地质灾害(隐患)点的成因统计结果。在研究区直接威胁人类生命财产安全的59处地质灾害(隐患)点中,以自然因素为主而引发的地质灾害(隐患)点数量仅2处,占总数的3.4%;以人为因素为主而引发的地质灾害(隐患)点数量为57处,占总数的96.6%。鉴于研究区特殊的地质地貌条件及人类活动程度,综合认为研究区发育的地质灾害主要由采矿活动所引发,采空区的形成在地表诱发了地面塌陷、地裂缝和滑坡等地质灾害;同时,切坡修路筑房工业广场建设以及特殊的地形地貌条件为滑坡、不稳定斜坡等地质灾害隐患的形成提供了基本条件。
表3 泰山隆安煤业地质灾害隐患点成因统计表
3.1 易发分区评价方法
对研究区开展地质灾害易发区划分，是评价区域地质灾害易发程度的常用方法。易发分区需建立在详细的地质灾害野外调查基础上,通常依据区内地质灾害的发育现状,如发生(或潜在发生)地质灾害的数量、密度、波及范围,以及致灾的各类自然与人为因素等进行综合研判。根据评价结果,通常可划分为高、中、低易发区,每个易发区内还可细划出不同的亚区。在划分时,首先定性分析划分各个评价单元,其次对各个评价单元进行定量确定,最后进行综合评定。
3.1.1定性划分
地质灾害的发育与发生往往受区域地形地貌、岩性特征、地层构造、水文地质条件、矿产分布及人类工程活动强度等因素影响。因此,基于上述致灾影响因素与区域地质灾害发育现状(地质灾害数量、密度、发育程度、波及范围等),首先将研究区定性划分出数个评价单元;然后依据《县(市)地质灾害调查与区划规范》(2018)[15],根据地质灾害易发程度分区主要特征,对各个评价单元进行定性评价。
3.1.2定量确定
对各个评价单元的定量确定,采用了地质灾害综合危险性指数法，即基于野外调查结果分析，获得各评价单元地质灾害形成的地质条件、地形地貌条件、气候植被条件、人类工程活动条件,以及已发育灾害点密度、灾害面积密度及灾害体积密度等参数。首先，求取评价单元的潜在地质灾害强度指数(Zq)与现状地质灾害强度指数(Zx);在此基础上分级赋值进行换算叠加,计算得到各评价单元的地质灾害综合危险性指数。具体计算评价过程包括以下5个步骤:
1)单元网格划分。运用栅格数据处理法对研究区进行1 km×1 km网格剖分。
2)潜在地质灾害强度指数(Zq)计算。
Zq=∑TiAi=D·AD+X·Ax+Q·AQ+R·AR.
(1)
式中:Ti分别为控制评价单元地质灾害形成的地质条件(D)、地形地貌条件(X)、气候植被条件(Q)、人为条件(R)充分程度的表度分值;Ai分别为各形成条件的权值。
3)现状地质灾害强度指数(Zx)计算。通常基于灾害点密度、灾害面积密度以及灾害体积密度来求得。对于崩塌、滑坡灾害,其强度指数(Zx)可表示为:
(Zx)=a+b+c.
(2)
而对于地面塌陷灾害,强度指数(Zx)通常为:
(Zx)=a+b.
(3)
式中:a为归一化处理后的灾害个数密度系数;b为归一化处理后的灾害面积密度系数;c为归一化处理后的灾害体积密度系数。
4)地质灾害综合危险性指数计算。
Z=Zq·r1+Zx·r2.
(4)
式中:Z为地质灾害综合危险性指数;r1为潜在地质灾害强度权值;r2为现状地质灾害强度权值。
根据上述判别方法,利用Mapgis空间分析功能与分级赋值进行换算叠加,计算得到各评价单元的地质灾害综合危险性指数。
5)地质灾害易发区划分。依据上述计算得到的各评价单元的地质灾害综合危险性指数,合并相同单元格,划定地质灾害易发区。
3.1.3综合评定
综合评定一般遵循定性分析为主,定量评价为辅的原则。通过综合评价,最终可将评价单元评定为地质灾害高易发区、中易发区和低易发区,且按灾害的分布、类型、数量、成因等进一步划分亚区,并以主要灾种命名,如图3所示。
图3 研究区地质灾害易发分区图
3.2 易发分区结果
基于上述评价分区原则与评价方法,结合本次野外调查结果及基础资料,将研究区地质灾害易发程度划分为高易发区、中易发区和低易发区3个大区及5个亚区。其中，高易发区有2个亚区,中易发区有1个亚区,低易发区有2个亚区(图4),各分区地质灾害发育特征及其他详细信息见表4所示。
图4 研究区地质灾害防治分区图
表4 研究区地质灾害易发区划分及易发程度评定结果
基于“以人为本、预防为主,分级分类、属地管理,统筹部署、突出重点,依法依规、科学减灾”的地质灾害综合防治原则,同时结合研究区地质灾害产生的地质环境条件、地质灾害特征、易发区特征,以及研究区未来经济发展战略和规划,重点从防治分区与工程治理措施等技术层面进行了地质灾害防治工作的研究与实施。
4.1 防治分区
地质灾害防治的重要措施之一是对研究区进行科学的地质灾害防治分区,进而确立重点防治区,为后续防治工作的统筹部署、重点突出与科学减灾提供科学依据。本文地质灾害重点防治区的划分,是基于以定性为主、定量和定性相结合的原则,即在综合分析研究区地质环境条件、地质灾害(隐患)类型及发育特征、地质灾害易发区的分布特征、人类工程建设和经济活动强度,遵循“以人为本”的原则,结合研究区经济发展战略和规划,将全区划分为2个地质灾害重点防治区、1个地质灾害次重点防治区、2个地质灾害一般防治区(图4)。
地质灾害重点防治区(A)主要分布于矿区的西南部和中东部一带(图4),该防治区地质灾害发育,受矿业开采、切坡修路筑房等人类工程活动影响,形成显著的地面塌陷、地裂缝、滑坡、泥石流及不稳定斜坡等地质灾害(隐患)。防治区面积约1.25 km2,占全区总面积的6.2%。区内共发育地质灾害隐患点20处,占全区地质灾害隐患点总数的33.9%。其中，地面塌陷4处,滑坡5处,崩塌5处,不稳定斜坡6处,受威胁人数6人,初步预测经济损失317.65万元。
地质灾害次重点防治区(B)主要分布于研究区中西部一带(图4),受矿业开采和人类工程活动影响,形成较多地面塌陷、地裂缝、滑坡、不稳定斜坡和崩塌等地质灾害(隐患)。防治区面积约7.89 km2,占全区总面积的38.8%。区内共发育地质灾害隐患30处,占全区地质灾害隐患点总数的50.8%。其中，地面塌陷13处,滑坡1处,地裂缝1处,崩塌8处,不稳定斜坡7处，受威胁人数19人,初步预测经济损失约148.205万元。
地质灾害一般防治区(C)：主要包括研究区北部的一般防治区(C1)与南部的一般防治区(C2)(图4)。其中,C1防治区在本次野外调查中共发现地质灾害隐患点9处,包括地面塌陷6处,地裂缝2处,滑坡1处。地质灾害的成因主要受采矿活动影响。C2防治区在本次野外调查中未发现灾害点。
4.2 工程治理措施
地质灾害防治项目包括基础性工作、搬迁避让、工程治理、监测预警等内容,需要建立健全工作机制、矿区/社会与基层联动、治理技术研究、预案编制、群测群防等综合性工作。在上述研究的基础上,根据地质灾害(隐患)点的危害程度、规模、稳定性、突发性等因素,筛选出8处重点地质灾害(隐患)点，并采取工程措施进行治理(图2)。
马铺头村南地面塌陷灾害(DMTX023)已造成部分公路破坏且发展迅速,威胁道路及行人车辆安全。需采取的工程措施为塌陷回填、公路外侧临空破面桩板支护、加大防渗处理。井道沟村南东崩塌灾害(BT003)为人工切坡修路以及采矿活动扰动所致,稳定性差,威胁下方道路及行人安全。为彻底消除隐患,需采取的工程措施为清理坡脚堆积物、清理坡顶危岩体、整修坡顶避免坡顶积水,按不大于1∶0.75的坡率进行放坡、边坡复绿,降低边坡土层对降水的吸收量,从而降低边坡崩塌发生率。工业广场南西崩塌灾害(BT009)坡度达85°,稳定性差,威胁县级道路通行及行人车辆,可采取清理危岩体、设置被动防护网、修建坡脚挡土墙、修建墙顶落石平台、修建坡顶截水沟等措施。
兴隆寺滑坡灾害(HP004)坡度达80°,威胁坡顶文化遗迹兴隆寺和下方台阶,可采取清理松散堆积物、采用不大于1∶0.75的坡率削坡、坡脚修建挡土墙与已有挡土墙衔接的工程措施,同时对地表裸露部分进行适当的复绿。兴隆寺东北侧滑坡灾害(HP003)坡度达80°,稳定性差,威胁下方台阶,需对坡体后缘裂缝进行监测,用排桩式锚杆挡墙对滑坡进行支护,同时复绿以降低土壤侵蚀力度,控制冲沟进一步发展。桑树梁村滑坡灾害(HP007)坡度达60°,稳定性差,威胁下方道路与行人安全,可采取清理松散堆积物、采用1∶0.75的坡率进行削坡、坡脚修建挡土墙、坡顶修建截水沟、坡脚修建排水沟的工程措施。
项目部处不稳定斜坡灾害(XP007)坡度达80°,稳定性较差,威胁下方彩钢房与工人、居民生命财产安全,可采取的工程措施为进行1∶0.75的坡率削坡、坡顶修建截水沟、坡脚修建排水沟;同时配合种植一些耐旱的植被,防止土壤冲蚀。调度室处不稳定斜坡灾害(XP008)坡度达70°,威胁旁边输电线路安全,威胁财产数目较大,可进行1∶0.75削坡、坡顶修建截水沟对其进行工程治理。
1)对全区的野外调查结果显示,受采矿活动、地表人类工程活动及特殊地质环境条件的叠加影响,研究区多处地质灾害发育,主要灾害类型为地面塌陷、滑坡、地裂缝、崩塌和不稳定斜坡。
2)区内地质灾害(隐患)点发育规模特点以小-中型为主,但均在不同程度上给矿区安全生产、自然生态环境及居民生命财产安全带来严重威胁;成因特点主要为采矿活动所引发,采空区的形成在地表诱发了地面塌陷、地裂缝和滑坡等地质灾害;同时,切坡修路筑房、工业广场建设以及特殊的地形地貌条件为滑坡、不稳定斜坡等地质灾害隐患的形成提供了基本条件。
3)基于地质灾害易发程度评价结果,将全区划分为高易发区、中易发区和低易发区3个大区和5个亚区;其中,研究区西部及中东部各类地质灾害发育,是区内地质灾害高易发区,同时该区域也是全区地质灾害重点防御区。
4)对矿区进行地质灾害易发分区与防治分区研究是地质灾害防治的重要研究内容,研究结果可为矿区地质灾害防治措施的科学制定提供理论依据。
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