李金剛

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，對(duì)各種資源的需求量呈現(xiàn)出急劇增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。為了適應(yīng)人們的生活和社會(huì)發(fā)展的基本需要，世界范圍內(nèi)每年都需要在海洋深處和地底下開采大量的物質(zhì)資源供人們使用，其中煤炭資源是最典型的代表[2]。煤礦開采工作一方面為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，但與此同時(shí)也對(duì)煤礦附近區(qū)域的生態(tài)文明構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，很多位置出現(xiàn)了地面塌陷、水污染、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害問題，這與我國(guó)開展生態(tài)文明建設(shè)的基本國(guó)策是背道而馳的[3]。煤礦開采區(qū)一旦出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害問題，輕則對(duì)人們的正常生活和生產(chǎn)過程造成不良影響，重則可能引發(fā)重大的安全生產(chǎn)事故，威脅人們的財(cái)產(chǎn)和生命安全[4]。針對(duì)該問題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和技術(shù)人員開展了相關(guān)研究，煤礦開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理工作已然成為相關(guān)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[5]。本文主要以某煤礦開采區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害治理過程為例，詳細(xì)介紹了地質(zhì)災(zāi)害治理措施及其取得的效果，對(duì)于提升地質(zhì)災(zāi)害治理水平具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤礦地區(qū)自然和地質(zhì)基本情況

1.1 自然地理情況

某露天煤礦的礦區(qū)占地面積約27 km2，主要包括采場(chǎng)、排土及排矸場(chǎng)、工業(yè)場(chǎng)地、周邊居民生活設(shè)施場(chǎng)地，對(duì)應(yīng)的占地面積分別為6、15、4、2 km2。煤礦區(qū)域在東西和南北方向上的長(zhǎng)度分別為3.9、1.8 km，地勢(shì)整體上呈現(xiàn)出西北低、東南高的地形地貌趨勢(shì)，煤礦開采深度約為350 m。煤礦所在地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏天溫度不高但是雨量相對(duì)較大，冬天氣溫不低且降雪量較少，春季濕度很大。根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，該地區(qū)的年平均氣溫8.2 ℃，降雨量540 mm，雨季主要集中在6—8月份，此期間的降雨量約占全年降雨量的67%。

1.2 地質(zhì)基本構(gòu)成

煤礦開采區(qū)域主要是新華夏系構(gòu)造體系，受到平行力偶的影響衍生出了比較大的主應(yīng)力，其中主應(yīng)力的方向?yàn)镹10°—W30°，在此影響在褶曲整體上呈現(xiàn)出單斜構(gòu)造，煤巖層傾斜角18°～25°，主要走勢(shì)方向?yàn)镹60°—E80°。南部區(qū)域的地質(zhì)同樣呈現(xiàn)出傾斜構(gòu)造，傾斜角度20°～25°，傾斜走勢(shì)方向主要在N50°—E80°。經(jīng)過前期的地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)整個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi)存在多個(gè)斷層，對(duì)整個(gè)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了切割，分成了多個(gè)塊段。地質(zhì)構(gòu)造中的斷層基本參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)構(gòu)造中的斷層基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of faults in geological structures

1.3 煤層、巖層基本情況

整個(gè)露天煤礦共包含有7個(gè)煤層，各煤層的厚度范圍如圖1所示。煤層2、煤層5、煤層6的埋藏量相對(duì)較少，其他煤層的埋藏量相對(duì)較多。煤層1和煤層4所在區(qū)域的圍巖基本類似，主要包括白砂巖和灰色砂質(zhì)頁(yè)巖，煤層3所在區(qū)域的圍巖主要包括白砂巖、礫巖和灰色砂質(zhì)頁(yè)巖。

圖1 露天煤礦主要煤層的厚度范圍Fig.1 Thickness range of main coal seams in open-pit coal mine

2 地質(zhì)災(zāi)害治理的技術(shù)路線方案

對(duì)煤礦開采區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害治理是一項(xiàng)非常系統(tǒng)和復(fù)雜的工程，必須做好充分的地質(zhì)調(diào)查與研究工作，并結(jié)合以往成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，制定科學(xué)的技術(shù)方法與路線[6]。

地質(zhì)災(zāi)害具體操作流程和內(nèi)容：①對(duì)煤礦建設(shè)和開采期間收集的地質(zhì)資料進(jìn)行匯總，對(duì)附近區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)研，明確各種地質(zhì)災(zāi)害及其產(chǎn)生的原因。②對(duì)出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域?qū)嵤┰敿?xì)地質(zhì)測(cè)繪，對(duì)地層基本情況進(jìn)行勘察，掌握地質(zhì)災(zāi)害基本規(guī)律。具體而言，可以采用取樣的方式對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查，為災(zāi)害治理工作提供必要的數(shù)據(jù)支持。③針對(duì)滑坡、變形、斷層等不同地質(zhì)災(zāi)害問題，結(jié)合實(shí)際情況制定針對(duì)性的治理方案，對(duì)開采區(qū)域地表的植被進(jìn)行恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的生態(tài)文明建設(shè)。④對(duì)地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)域制定監(jiān)測(cè)方案，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的位移變形和沉降情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)潛在的災(zāi)害問題進(jìn)行預(yù)警。

煤礦開采區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害治理技術(shù)路線如圖2所示。由圖2可知，通過對(duì)煤礦開采區(qū)域的地質(zhì)基本情況進(jìn)行充分調(diào)研分析，明確了地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的基本情況。在此基礎(chǔ)上，制定了地質(zhì)災(zāi)害治理方案，擬從滑坡治理、塌陷區(qū)治理、變形區(qū)治理和水治理4個(gè)層面對(duì)煤礦開采區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害情況進(jìn)行綜合治理。

圖2 煤礦開采區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害治理技術(shù)路線Fig.2 Technical roadmap for geological disaster control in coal mining area

3 地質(zhì)災(zāi)害治理方案的具體實(shí)施

3.1 滑坡防治方案

主要通過修繕排水工程以及建設(shè)抗滑樁的方式，對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害問題進(jìn)行治理。

(1)支護(hù)工程設(shè)計(jì)?？够瑯督ㄔO(shè)在坡體前端中部區(qū)域，建設(shè)的抗滑樁截面尺寸為3 m×2 m，長(zhǎng)度為25～30 m，具體長(zhǎng)度需要綜合考慮所在位置的滑體規(guī)模及其厚度選擇。相鄰抗滑樁之間的距離控制在8 m左右，每根抗滑樁深入基巖的長(zhǎng)度至少超過總長(zhǎng)度的25%。

(2)排水工程設(shè)計(jì)。雖然出現(xiàn)滑體的區(qū)域已經(jīng)建設(shè)了排水系統(tǒng)，但仍然無(wú)法滿足實(shí)際使用需要，導(dǎo)致滑體上存在積水，影響滑體的穩(wěn)定性。需要采取措施對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行修繕，提升其排水性能。改造后的排水溝截面如圖3所示。

圖3 排水溝截面示意Fig.3 Schematic diagram of drainage ditch cross section

由圖3可以看出，排水溝截面為梯形結(jié)構(gòu)，梯形的底邊寬1.0 m、頂邊寬1.5 m，高度為1.0 m。排水溝的側(cè)邊厚度300 mm、底部厚度400 mm。溝體采用M40塊石以及M10水泥砂漿建設(shè)，表面采用水泥砂漿進(jìn)行抹平防滲處理，其中水泥砂漿的水灰比為1∶3，抹灰層厚度控制在2 cm左右。

考慮到滑坡體可能出現(xiàn)的不均勻位移變形和沉降現(xiàn)象，建設(shè)排水溝時(shí)每隔20 m需要設(shè)置一個(gè)伸縮縫，伸縮縫的寬度一般為30 mm，可結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，伸縮縫需要利用瀝青對(duì)其進(jìn)行回填。本案例中共修建了3條主排水溝以及若干條截水溝，均相互貫通，整體長(zhǎng)度超過了600 m。

(3)邊坡治理。對(duì)于邊坡不穩(wěn)定的區(qū)域，通過打入抗滑樁的方式進(jìn)行強(qiáng)化處理。其中抗滑樁的直徑為1 m，且抗滑樁需深入硬性巖石5 m以上，抗滑樁的間距控制在1.5 m左右。邊坡表面采用鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固，梁的規(guī)格尺寸為300 mm×300 mm，混凝土梁呈網(wǎng)格方式布置，縱向和橫向方向上的梁間距均設(shè)置為4.0 m，在混凝土梁的連接部位設(shè)置錨索，其長(zhǎng)度為20～30 m。

3.2 盤頂塌陷區(qū)和地表變形區(qū)的治理

(1)地表變形區(qū)治理方案。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煤礦開采區(qū)域的北側(cè)方向有部分地表出現(xiàn)了塌陷變形，導(dǎo)致地表建筑物墻體出現(xiàn)了變形裂紋。分析認(rèn)為，地表出現(xiàn)變形的主要原因在于此區(qū)域下方包含有隱伏的滑動(dòng)邊坡層，滑動(dòng)邊坡長(zhǎng)時(shí)間地位移和沉降導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂紋和變形[7]。針對(duì)該問題，一方面，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的建筑物進(jìn)行拆除；另一方面，通過鉆孔注漿的方式對(duì)地表進(jìn)行加固處理，然后對(duì)處理后的地表進(jìn)行土地復(fù)墾處理，在地表種植對(duì)應(yīng)的植被，以恢復(fù)其生態(tài)。

(2)盤頂塌陷區(qū)治理方案。針對(duì)該問題分3個(gè)步驟進(jìn)行治理：①平盤治理，設(shè)置平盤寬度在20～40 m，平盤外側(cè)和內(nèi)側(cè)需分別設(shè)置排水溝和截水梗；②鋼筋混凝土格構(gòu)錨索加固，具體處理方式見前文；③綠化處理，具體操作中可以通過空心磚圍土和魚鱗坑方式在邊坡上種植植物。為了防止平盤區(qū)域積水向坡面流動(dòng)過程中對(duì)泥土造成沖刷，需要在平盤側(cè)面設(shè)置擋水埂，其中擋水埂寬度為0.8 m，高度可設(shè)置在0.8～1.0 m，坡面底部位置也要設(shè)置擋墻，防止坡面沖下的泥沙進(jìn)入排水溝，對(duì)排水設(shè)施造成堵塞或者損壞。邊坡治理方案如圖4所示。如果坡面主要為巖石，則可以通過回填方法將適宜種植的土壤鋪在坡面上，再種植植被。

圖4 邊坡治理方案Fig.4 Schematic diagram of slope treatment plan

3.3 煤層開采與治理

本文研究的露天煤礦目前已經(jīng)閉坑，但是煤層4中仍然有30萬(wàn)t左右的煤儲(chǔ)量未得到有效開采。此次地質(zhì)災(zāi)害治理過程中，需要對(duì)該煤層剩余的煤儲(chǔ)量進(jìn)行開采。這不僅是對(duì)煤資源的有效利用，也可有效防止地質(zhì)災(zāi)害問題。這些煤儲(chǔ)量如果不加以開采，后期有發(fā)生自燃以及塌陷的風(fēng)險(xiǎn)[8]。采用回采的方式對(duì)剩余的煤儲(chǔ)量進(jìn)行開采，同時(shí)需要做好支護(hù)工作。

(1)煤層傾角約為20°，相對(duì)較大，且旁邊有其他建筑物及已經(jīng)開采完畢的松散層，回采過程中需要將坡度嚴(yán)格控制在18°～20°，根據(jù)臺(tái)階方向自上而下進(jìn)行開采。

(2)基于抗滑樁和鋼筋混凝土加錨索的方式進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，具體參數(shù)與上文所述相同。

(3)本項(xiàng)目中完成地質(zhì)災(zāi)害治理工作后，需要將該區(qū)域建設(shè)成為地質(zhì)公園。為了方便后期游客深入坑底參觀，在回采過程中需要設(shè)置平面臺(tái)階作為道路。

(4)對(duì)煤礦原有的通道進(jìn)行合理利用，必要情況下可以進(jìn)行重建修復(fù)，為煤礦輸送提供方便。

(5)預(yù)留的臺(tái)階水平方向?qū)挾葹?～5 m，垂直方向高度為8 m，上下臺(tái)階之間的邊坡坡度設(shè)置為38°。為了確保臺(tái)階之間邊坡的穩(wěn)定性，需要采用錨索方式進(jìn)行支護(hù)，具體如圖5所示。在確保邊坡穩(wěn)定的情況下，在其表面噴射混合料，厚度為100 mm，混合料主要為有機(jī)質(zhì)，可以在上面種植植被，實(shí)現(xiàn)綠化處理。

圖5 斷層兩邊坡體噴錨支護(hù)原理Fig.5 Schematic diagram of the principle of shotcrete anchor support on both sides of the fault

3.4 水治理及其應(yīng)用

露天煤礦開采導(dǎo)致煤礦區(qū)域出現(xiàn)了深坑，坑內(nèi)會(huì)留存大量積水，不僅會(huì)對(duì)坑體自身的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)附近礦井的正常運(yùn)行構(gòu)成威脅[9]。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，每年向坑內(nèi)匯聚的水量超過了400萬(wàn)m3。如果不采取措施對(duì)積水進(jìn)行排除，則遺留坑會(huì)逐漸形成大型湖泊，存在很大的安全隱患。水治理過程中，可以在原有排水溝的基礎(chǔ)上修建新的溝槽，形成排水網(wǎng)絡(luò)體系，同時(shí)對(duì)地下水進(jìn)行封堵。

(1)對(duì)煤礦原有的排水溝及其他排水體系進(jìn)行修復(fù)完善，恢復(fù)排水溝應(yīng)有的功能。

(2)根據(jù)實(shí)際需要修建全新的截水溝，主要利用石塊和砂漿進(jìn)行修砌。通過邊坡面對(duì)流水進(jìn)行攔截，將其導(dǎo)入到排水溝中，控制水流方向。另外，也需要修建新的排水溝，對(duì)截水溝中的積水進(jìn)行匯集，將其集中輸送到集水設(shè)施中。

(3)在坑底修筑沉沙池，積水經(jīng)過沉沙池處理后，水中含有的泥沙會(huì)自動(dòng)沉淀，達(dá)到對(duì)積水進(jìn)行過濾的效果。其中，沉沙池長(zhǎng)40.0 m、寬30.0 m、深1.5 m。過濾后的水通過水泵將其排放到地表。另外，需要在地表區(qū)域修建蓄水池，案例中修建的蓄水池規(guī)格尺寸為20.0 m×20.0 m×1.5 m，存儲(chǔ)一定的水量，方便對(duì)各種植被進(jìn)行灌溉，也可作為消防水使用。

4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)及治理前后的數(shù)據(jù)分析

煤礦開采區(qū)是容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害問題的重點(diǎn)區(qū)域，一旦出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害會(huì)產(chǎn)生惡劣影響，有必要對(duì)重點(diǎn)位置進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的地質(zhì)災(zāi)害安全隱患，并采取措施進(jìn)行處理，保障財(cái)產(chǎn)和生命安全[10]。

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇

結(jié)合煤礦開采區(qū)地質(zhì)災(zāi)害前期勘察結(jié)果，對(duì)重點(diǎn)治理區(qū)域的北部方位進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)。在露天煤礦地質(zhì)災(zāi)害比較顯著的位置，選擇了9個(gè)具有較大滑坡趨勢(shì)的邊坡進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置有多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)區(qū)域及對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)情況見表2，表2中還顯示了相鄰監(jiān)測(cè)區(qū)域之間的距離。

表2 監(jiān)測(cè)區(qū)域及對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of monitoring areas and corresponding monitoring points

研究基于GPS監(jiān)測(cè)方法，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移和變形情況進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全天候、精度高、效益高等顯著的優(yōu)勢(shì)，基本不受地形變化過程對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響。具體操作時(shí)，只需將GPS天線設(shè)置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，并安裝對(duì)應(yīng)軟件即可，操作人員在遠(yuǎn)程位置通過計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，從而對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。一旦監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形量過大，超過了系統(tǒng)設(shè)定的安全閾值，會(huì)向外發(fā)出警報(bào)，提示工作人員及時(shí)處理。其中，GPS接收設(shè)備選用TRIMBLE+GPS雙頻衛(wèi)星接收機(jī)，該設(shè)備在垂直方向和水平方向的靜態(tài)精度均可以達(dá)到1×10-6，動(dòng)態(tài)情況下的精度可以達(dá)到2×10-6。

4.2 治理前后效果對(duì)比

基于上文所述的GPS監(jiān)測(cè)方法，統(tǒng)計(jì)分析了不同監(jiān)測(cè)區(qū)域在治理前、治理期間和治理后的累計(jì)位移和累計(jì)沉降情況，地質(zhì)災(zāi)害治理前后各監(jiān)測(cè)區(qū)域的累計(jì)位移如圖6所示，累計(jì)沉降情況如圖7所示。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害治理前后各監(jiān)測(cè)區(qū)域的累計(jì)位移Fig.6 Cumulative displacement of each monitoring area before and after geological disaster treatment

圖7 地質(zhì)災(zāi)害治理前后各監(jiān)測(cè)區(qū)域的累計(jì)沉降情況Fig.7 Cumulative settlement of each monitoring area before and after geological disaster treatment

從圖6、圖7可以看出，對(duì)煤礦開采區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害情況進(jìn)行治理前，連續(xù)1年時(shí)間內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域均出現(xiàn)了非常明顯的位移變形和沉降情況，其中累計(jì)位移變形在30～60 cm，累計(jì)沉降量在6～14 cm。在地質(zhì)災(zāi)害治理期間，各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的累計(jì)位移和沉降量持續(xù)增加，在原有基礎(chǔ)上累計(jì)位移普遍增加了20 cm左右，累計(jì)沉降的增加量存在較大差異，個(gè)別監(jiān)測(cè)區(qū)域累計(jì)沉降量幾乎沒有增加，而累計(jì)沉降量增加最多的達(dá)到了10.4 cm。從圖6、圖7可知，完成地質(zhì)災(zāi)害治理工作后的1年內(nèi)，各監(jiān)測(cè)區(qū)域的累計(jì)位移和累計(jì)沉降量幾乎未發(fā)生變化。說明采取的地質(zhì)災(zāi)害治理措施取得了應(yīng)有的效果，確保了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域的穩(wěn)定性，不再發(fā)生明顯的沉降和變形情況，有效保障了煤礦開采區(qū)域的安全性，為后續(xù)進(jìn)一步的開發(fā)治理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)某露天煤礦開采區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害問題進(jìn)行了分析與研究，提出了相應(yīng)的治理措施，得出以下結(jié)論。

(1)在分析露天煤礦地質(zhì)構(gòu)造及煤層基本屬性等情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，發(fā)現(xiàn)存在的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象主要包括滑坡、地表塌陷、變形等，基于實(shí)際情況提出了針對(duì)性的地質(zhì)災(zāi)害治理措施。

(2)從滑坡治理、塌陷區(qū)治理、變形區(qū)治理、水治理以及剩余煤儲(chǔ)量開采等方面，詳細(xì)介紹了煤礦開采區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害治理的方案及具體措施。

(3)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害治理前后的典型區(qū)域位移變形及沉降量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，治理前及治理過程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)了非常明顯的變形和沉降情況，完成治理工作后的1年時(shí)間內(nèi)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形和沉降得到了有效控制。