寧武昌元煤礦火區塌陷區治理綜合技術應用

葛 治 勛

(中冶三局山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002)

1 概述

寧武縣昌元煤礦火區塌險區綜合治理項目主要是對作業區的火區、塌陷區進行恢復治理，消除地質災害隱患，改善生態環境。從地面沉降、火區、地下塌陷的治理，到地表生態環境的恢復，是一項系統性的工程。治理過程一定要從組成地質災害的微觀材料組成來認識它，因巖土類材料在外荷載作用下的應力應變變化過程是其內部微裂紋的萌生、演化和發展的過程[1]，建立本區各相關巖土層材料的“本構模型”，系統全面地反映材料演化的力學行為，科學地指導本區的生態環境恢復治理，這將是一項十分具有應用價值的工作。

2 研究區基本特征

2.1 自然地理特征

研究區隸屬山西省忻州市寧武縣新堡鄉管轄，位于山西省北中部管涔山主峰蘆芽山之東麓，屬中高山區。受區域地質構造格局的影響，研究區地勢總體呈北東—南西向，地形由北西向南東傾斜。蘆芽山保護區森林茂密，氣候潮濕，鳥語花香，自古便是消夏避暑圣地。“境內山川秀美，峰巒疊嶂，關城巍峨，寺廟林立”。中國最早的《辭海》記錄了兩處天池，寧武天池為其一，是鑲嵌在海拔1 954 m高山之巔的湖泊群中最大的湖泊，面積為0.8 km2。天池水“陰霖不溢，陽旱不涸，澄清如鏡”，自古早有盛譽。

區內水資源極為豐富。區域主要河流北部屬桑干河水系，其支流恢河發源于寧武管涔山北麓；中部屬滹沱河水系，陽武河為其重要的支流，發源于管涔山東麓，向南流經恒山與五臺山之間，至界河折向東流，切穿系舟山和太行山，東流至河北獻臧橋與滏陽河，相匯成子牙河入海河；南部為汾河，發源于管涔山南東寨西北樓子山腳下之雷鳴寺泉。

2.2 地質特征

區域出露的地層主要為太古界五臺群；古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系；中生界三疊系地層、新生界第四系地層。工作區地層主要為石炭系中統本溪組、上統太原組地層，其上大多覆蓋有礫石層、黃土質粉土層及第四系殘坡積砂土層。巖石地層走向呈北東—南西向，巖層傾向98°～148°，傾角57°～75°。

2.3 致災因素分析

地質災害是地質環境中各因子異變耦合作用的產物，地質災害狀態要隨著各類致災因子耦合作用模式及程度而演繹、異變熵增，使致災環境熱寂而成災[3]。通過對研究區的各種致災因素進行全面綜合分析，為可能發生的地質災害提供堅實的理論和實際工作基礎。

2.3.1巖層間地質構造

研究區大地構造屬于華北地臺之山西斷隆中北部，呂梁斷窿之北東部，寧武—靜樂斷陷盆地之中段西緣(見圖1)。寧武—靜樂塊坳[2]顯示為自北東向南西揪斜的復向斜，工作區為其中段，表現為陡傾斜的單斜構造，傾角58°～75°。巖層層面節理、裂隙十分發育，普遍發育成為一組共扼節理，兩組節理走向交角一般35°～60°，較大處達63°(見圖2)。在受到震動、爆破及其他因素干擾時，節理迅速發展成裂隙，進一步發展成斷層構造。在受到層間裂隙水的長期浸泡，及雨水的滲透，常沿斷層面形成滑動面。當滑坡巖土體在吸水蠕變、強度降低，當其強度衰減達到閥值后，滑坡開始啟動，隨之就可能發生局部或較大范圍的滑坡災害。大量實際邊坡(滑坡)的現場踏勘和勘察以及數值摸擬計算表明，巖土體的垮塌現象發展過程是非線性的、復雜的耦合作用過程。目前國內外研究機構及專家、學者對裂隙巖體滲流理論展開研究，已取得很多研究成果[4，5]。大量失穩成果表明：巖體破壞系大都由巖體滲流而誘發[6]，而且裂隙滲流場是一個多場(應力場、變相場、滲流場等)、多相介質(流體、固體、顆粒體等)耦合的復雜動力學問題[1]，其機理十分復雜，理論與實踐的融合還有待完善。

2.3.2地層分析

從工作區自南西段至北東段，煤層底板出露本溪組(C2b)底部的褐黃色、黃綠色、灰褐色厚層狀鋁質鐵質砂質粘土巖，一般10 m～20 m之間，在戈家窯—達子營段轉折部位較薄，約3 m～6 m。該層普遍夾有團塊狀、窩狀、似層狀鋁質、鐵質巖及礫石。礫石其成分較雜，以長石石英(雜)砂巖、灰巖為主，膠結物以松散的粘土、砂土為主，其中的高嶺土具有遇水濕滑，失水干縮的特性。上伏太原組(C3t)地層由長石石英(雜)砂巖、頁巖、泥巖、砂質泥巖、碳質泥巖、煤、生物碎屑灰巖等多組互層組成，韻律特征明顯。單層巖層厚度一般1 m～5 m，最薄處僅不足0.5 m。加之極陡的巖層傾角，在上層地層及煤層剝采后，整體穩定性變差。

2.3.3水的作用

地層間裂隙水和大氣降水，共同構成本區的另一個主控因子。本治理區自西向東施工過程中，因雨水誘發的較大的局部垮塌十多次。這與點、線上的地質災害的致災因素極為吻合，全區地質災害類型以滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降為主。季節性降雨屬主控因子，同時又是敏感因子，屬治理過程中重點防范對象。這涉及到巖土介質流—固耦合作用的研究，建立本區各地層流—固耦合模型，解決在巖土工程中的實際問題，是十分有應用價值的工作。因此這方面的研究無疑是巖土力學和流體力學研究的熱門課題和重大課題[7-10]。

3 治理方法的選擇及應急響應

3.1 方法的選擇

工程部署采取“分區分段、分層分塊、自上而下、嚴禁超挖”的原則。施工采取坡頂卸載、分級留臺階，設置泄水孔，臺階上留排水溝，設防護網。對坡面采取5 m×6 m間距進行錨索工程的施工。生態恢復建設是在治理的同時適時進行植樹種草、灑水綠化。

3.2 技術手段的應用

3.2.1信息化管理

利用信息化管理，有效地指導開挖施工。邊坡的變形監測是在平臺坡面設置監測點(30 m×50 m)，利用徠卡機器人(TM30，精度±0.5")進行監測(24 h實時監測)，采用后方交會法進行測量。將采集的數據通過GPRS傳至GeoMoS監測軟件，由GeoMoS分析器自行計算各監測點的位移并繪制位移曲線圖，全方位、立體監測全區施工范圍邊坡三維空間位移，并提供預警信息，指導施工。下面以J58點進行實例分析：J58點位于工區一號山體的南側，山體的南北之分是由山體自身被一條煤線由北向南在2/3處、由上而下呈70°貫穿，J58海拔為1 690 m，巖層為砂巖(見圖3)。2018年6月25日安裝到位，此時施工山體外部已被采空。6月29日開始以5 mm/d速度勻速下滑(見圖4)，至7月20日，J58的高程、縱向、橫向都同時成緩慢下降的位移變化。7月24日13：00，J58的高程、縱向、橫向位移突破了-100 mm；24日全天，J58累計位移高達2 500 mm并還在加速。25日23：00～26日8：30強降雨，J58所在區域山體突破臨界點以300 mm/d速度加速下滑，至7月27日21：10，一聲悶響J58區域帶動周邊山體大面積轟然滑落，滑坡面積約8 000 m2，厚度約10 m～15 m。巖土體的破壞形式絕大部分都是剪切破壞[11]，事后對該滑坡滑動面進行觀察，其滑動面邊緣近似圓弧形，屬剪切型滑動面無疑[12]。其發展過程可能自坡頂受拉而出現拉裂隙，并逐漸向下延伸，而剪切裂隙也自下而上沿巖體構造面向上延伸，加之雨水的滲透，最終與向下延伸的張拉裂隙貫通而發生整體失穩。

3.2.2采取穩固作業面的技術措施

針對施工現場實際情況，泄水孔配合錨索工程的施工，取得了較好的施工效果，對巖層坡面起到了很好的穩固作用。實踐證明按照圖紙施工錨索地段，邊坡穩定性均明顯增強，山體位移量大幅得到控制。即使發生意外情況，亦能延遲或減輕危險的發生，為作業人員躲避、逃生贏得寶貴的時間。

3.2.3加強管理，增強安全意識，提高人的主觀避險能力

項目部成立以項目經理為第一責任人的安全生產領導小組，通過安全生產責任制的落實、檢查、考核，充分履行管理職能，增強全員安全意識，提高自我防范的能力，使危險源和不利環境因素得到有效控制。安排管理人員、專職安全員每日開工前，先行巡視現場，及時發現問題，消除可能存在的安全隱患。對危險因素的防范，歸根到底是讓勞動者自身具有安全防范意識，能自覺主動地進行避險，這是管理工作的最高境界。2018年1月27日中午1：00，7工區3號山發生滑坡事故，作業員在施工中發現巖層裂縫中有石粉、砂土冒出，立即避開作業面(隨后不到5 s即發生崩塌事故)，成功地躲開危險的范例見圖5。由圖5可見地層中的裂隙面，是造成巖塊崩塌的主要原因；而施工中的振動是事故的誘因。

4 取得的成效

本次綜合治理工作，運用了地面調查、GPS定位、紅外線電子測溫、瞬變電磁物探、高精度磁法測溫等技術手段；環境保護方面，采取“三場一路”(施工現場、排土場、儲煤場、運輸道路)措施，消除治理過程中產生的揚塵污染；生態方面，堅持邊治理、邊修復生態，因地制宜，合理利用。截至日前，已恢復治理火區115萬m3,塌陷區10.8萬m3，采空區25.4萬m3，土地復墾5 425畝，林地修復1 150畝。2018年10月31日，在第九屆中國技術市場協會上該項目綜合施工技術“急傾斜煤層露頭火區塌陷區治理與環境生態修復技術”榮獲金橋獎。

5 成果與展望

1)通過對研究區地質構造、地層組成及其力學性質、水(巖層裂隙水和大氣降水)等主控因素、敏感因素的分析，查明了該工作區發生邊坡失穩的主要原因。并運用巖土力學理論，用微觀力學原理對巖體發生地質災害進行了探討。

2)因地制宜，采取有效措施，使本區的綜合治理工作取得預期效果。

3)希望后來學者能從材料的微觀方面研究本區各地層巖土體的力學性質、建立巖土材料的本構模型，為地災工作的綜合治理提供理論基礎，以造福子孫后代。