撫順西露天礦采空區(qū)北部區(qū)域地質災害風險評估與適應性評價研究

陳 毓

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

撫順西露天礦作為中國露天采礦史上唯一的一座連續(xù)開采的百年露天礦，該礦為國家經(jīng)濟建設做出了重要貢獻。石油一廠、發(fā)電廠及水泥廠位于撫順西露天礦采空區(qū)北部區(qū)域，該區(qū)域屬于井工開采與露天開采復合影響區(qū)域[1]。多年來，該區(qū)域的巖土體風化、變形破壞等環(huán)境工程地質問題和地表穩(wěn)定性問題，一直表現(xiàn)得十分突出[2]。開展區(qū)域礦山地質災害綜合整治、地質環(huán)境重建對撫順市的生態(tài)環(huán)境文明建設具有顯著的經(jīng)濟效益[3-4]。

前蘇聯(lián)學者通過建立巖體彈性基本模型，分析了采空區(qū)上覆巖體在彈性條件下的沉降破壞機理，認為地下井工開采是造成地表沉陷的重要原因[5]；Hausse等建立了覆巖變形移動與地表下沉間的相關理論模型，認為采空區(qū)上方有“三帶”分布的沉陷模式[6]；曹蘭柱等采用SLOPE/W軟件建立數(shù)值模型，基于檢測數(shù)據(jù)分析了滑動區(qū)邊坡工程治理前后的穩(wěn)定性，并對治理措施的有效性進行了評價[7]。目前，在實際工程應用領域中，地表沉陷數(shù)值模擬及地質災害風險評估的應用最為廣泛，然而，在國內外相關理論和實驗的研究中，數(shù)據(jù)的選取和理論模型的建立相對理想化[8-10]。筆者以撫順西露天礦采空區(qū)北部區(qū)域為研究對象，通過劃分地質災害類型，提取影響地質災害的控制因子，建立基于權重分析的地質災害風險評估模型，進而綜合評價研究區(qū)內石油一廠、發(fā)電廠及水泥廠廠區(qū)的地表適應性。

1 研究區(qū)區(qū)域地質背景

研究區(qū)由西向東依次分布著水泥廠、石油一廠及發(fā)電廠，位于撫順市區(qū)南部的撫順西露天礦北幫的北側，屬于井工開采、勝利礦井田與撫順西露天礦開采復合影響區(qū)域，該區(qū)域面積為1.24 km2。撫順水泥廠、石油一廠及發(fā)電廠廠區(qū)交通位置如圖1 所示。

圖1 撫順水泥廠、石油一廠及發(fā)電廠廠區(qū)交通位置圖

1.1 水文氣象條件

研究區(qū)地處北—中溫帶半濕潤季風性氣候區(qū)，四季溫差較大。據(jù)撫順市氣象臺近5年氣象資料[12]顯示，市區(qū)平均氣溫為6.6 ℃、平均降水量為702.9～1 291.0 mm/a、 7～8月降水量占全年的1/2。

距離研究區(qū)北部約1 000 m處為主干河流(渾河)，枯水期平均流量為8.5 m3/s，汛期平均流量為221 m3/s，年平均流量為46.5 m3/s，平均流速為1.6 m/s。礦坑北幫與河床之間沖積層連續(xù)分布，基底以約0.2%坡度緩向礦坑，渾河成為定水頭充水補給源。

1.2 地質構造與地震

研究區(qū)內有6條規(guī)模較大的斷層，其中，F(xiàn)1斷層自西向東在礦坑北幫上部沿走向共揭露1 600 m，是控制北幫上部邊坡穩(wěn)定性的主要地質構造因素；受勝利礦、西露天礦等采煤活動的影響，F(xiàn)41斷層在研究區(qū)東側產(chǎn)生的局部影響較大。

根據(jù)遼寧省地震動參數(shù)區(qū)劃，研究區(qū)抗震設防烈度為7度，峰值加速度為0.10g，反應譜特征周期為0.35 s，該區(qū)域受地震影響并不嚴重[11]。

1.3 地層巖性與巖土體工程地質組合單元

撫順煤田為一套新生代老第三系內陸沼澤相沉積地層。煤田內地層系統(tǒng)包括太古界鞍山群、下白堊統(tǒng)龍鳳坎組、老第三系撫順群和第四系，其中，太古界鞍山群為一套淺紅/灰綠或灰白色花崗片麻巖、黑云母片麻巖或角閃片麻巖；下白堊統(tǒng)龍鳳坎組自下而上依次為暗紫色砂質頁巖、暗紫色砂質頁巖夾玄武巖、雜色凝灰碎屑巖、礫巖和雜色砂頁巖。前兩者構成煤田基底和下部地層，地層系統(tǒng)各組賦存于煤系向斜核部和兩翼。研究區(qū)內存在軟硬巖石互層巖組、硬巖巖組、砂/頁巖及礫巖互層巖組、斷層泥—構造角礫巖巖組、花崗片麻巖巖組和沖積層松散巖組工程地質空間組合單元。

2 采空區(qū)地質災害類型與形成機理分析

撫順西露天礦采空區(qū)北部區(qū)域是人類工程活動強烈的影響區(qū)，區(qū)內環(huán)境和地質構造復雜、斷裂規(guī)模大、巖性巖相變化大，巖土工程地質性質和工程水文地質條件不佳[12-14]。基于對區(qū)域及周邊地段地表沉降、破壞和水文地質等資料的分析研究，綜合現(xiàn)場實地勘察認為，研究區(qū)內地質災害及隱患主要包括：傾倒—座落滑移變形、傾倒滑移變形、沉陷滑移變形、滑坡和地裂縫。

2.1 傾倒—座落滑移變形

露天采掘造成F1斷層出露標高降低、下盤支撐減弱后，碎裂介質鑲嵌結構的玄武巖變形使其后巖體松弛，碎裂結構砂頁巖組及第四系沖積層在地下水作用下產(chǎn)生壓密變形，形成一系列反映座落壓密性質的北高南低裂縫。雖然地表及28干線下沉達 2～3 m，前緣F1斷層帶隆起近1 m，但由于其傾倒—松弛—壓縮變形性質，并未形成因應力集中而導致的巖體內剪損帶[15-17]。在變形邊界條件未被進一步破壞的情況下，沒有形成大規(guī)模滑坡。該類采空區(qū)地質災害歸結于碎裂介質鑲嵌結構控制下的傾倒—座落滑移變形，主要位于研究區(qū)西部的水泥廠區(qū)域。

2.2 傾倒滑移變形

研究區(qū)北幫靠界、邊坡加陡，由于綠色泥巖在牽引主向斜北翼的陡傾與倒轉，加之綠色泥巖與褐色頁巖的軟、硬相間的互層結構，極易產(chǎn)生傾倒變形。邊坡加陡導致順層滑移段尺寸減小、抗力降低，在傾倒段巖體傾倒力推壓下產(chǎn)生順層滑移；當傾倒巖柱底面破裂且貫通時，整個傾倒滑移變形體將以滑坡的形式產(chǎn)生破壞[18-19]。傾倒段使各梯段的傾倒變形迭加，擴大了傾倒變形的影響范圍。該類地質災害主要發(fā)生在研究區(qū)中段的石油一廠區(qū)域。

2.3 沉陷滑移變形

當露天與地下聯(lián)合開采同一煤層時，因露天開采誘發(fā)地下開采巖移活化或地下開采重復采動引起邊坡變形，進而產(chǎn)生沉陷滑移變形。特定的地質條件、礦井采動及邊坡體地下水位是地質災害形成與地質災害破壞規(guī)模的主要控制因素[20]。由于降雨可引起地下水位變化及對地層軟巖體沖刷，進而促進沉陷滑移變形的發(fā)生。因此，該類地質災害具有突發(fā)性等特點。該類地質災害主要分布于研究區(qū)地下開采活躍的發(fā)電廠區(qū)域。

2.4 滑坡

研究區(qū)內軟(褐色頁巖)、硬(綠色泥巖)互層泥巖占邊坡總面積的88%，層厚比為1∶3，其中，綠色泥巖厚度為1.0～10.0 m；褐色頁巖厚度為0.3～2.0 m，最大厚度不超過5.0 m。滑坡體主要由綠色泥巖或軟硬互層綠泥巖組成，含少量灰綠色泥灰?guī)r，滑動面為褐色泥質頁巖。在揚起端向斜核部和復式褶皺區(qū)，褐色頁巖間流動明顯、層理清晰并發(fā)育有剪切帶，形成泥化層(厚度1～10 cm，最大厚度小于20 cm)。雖然泥化層總厚度不大，但由于遇水泥化，強度急劇降低，在工程狀態(tài)和降雨誘導作用下極易沿泥化層發(fā)生錯動，進而發(fā)生較大規(guī)模的滑坡。

統(tǒng)計顯示，研究區(qū)內現(xiàn)有滑坡37個，其中，西露天礦西區(qū)有26個，中部有11個，主要分布在水泥廠廠區(qū)東南部和石油一廠廠區(qū)南部。部分滑坡體分布如表1所示。

表1 部分滑坡體分布

2.5 地裂縫

當?shù)V井開挖或巖土體巖性差異導致巖土體變形、塌陷或斷層帶沉陷時，由于地表巖土體水平、垂直差異運動形成了地表開裂裂縫。在研究區(qū)內，地裂縫常伴隨滑坡、邊坡變形等地質災害發(fā)生，距離采空區(qū)最近的石油一廠廠區(qū)地裂縫最為發(fā)育。由于采礦活動引發(fā)巖土體內部裂隙或孔隙增大、增多，在地下水潛蝕、滲透的綜合作用下使巖土體發(fā)生變形，斷裂集中地段發(fā)生地面沉陷進而形成地裂縫。

3 地質災害判據(jù)因子分析

通過研究地質災害類型與形成機理發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地質災害控制因素包括自然與人為工程。考慮研究區(qū)現(xiàn)階段區(qū)域狀態(tài)與地表建筑等因素，將研究區(qū)地質災害判據(jù)因子劃分為：地質背景條件因子、人為工程背景因子、地質體現(xiàn)階段穩(wěn)定性因子和地表影響重要性因子。

3.1 地質背景條件因子(X1)

地質背景決定了地質災害的類型和強度，地質背景越復雜，越容易發(fā)生地質災害。在研究區(qū)內，斷層附近、構造翼部及含軟巖泥巖的順層巖體區(qū)域為復雜地質背景條件；斷層附近或含軟巖泥巖的順層巖體但非構造翼部區(qū)域為較復雜地質背景條件；遠離斷層或陡峭斷面、順層巖體但非構造翼部或非順層巖體區(qū)域為簡單地質背景條件。根據(jù)研究區(qū)地質結構分布情況將地質背景條件因子劃分為復雜、較復雜和簡單3種，地質背景條件因子值分別為3、2、1，對應地質災害判定條件劃分為容易、較易和不易發(fā)生。

3.2 人為工程背景因子(X2)

人為工程是造成地質災害的重要誘因，在研究區(qū)，人為工程背景因素主要包括：露天開采、地下開采形成的采空區(qū)、地面工程震動、生產(chǎn)活動等。根據(jù)人為工程改造程度、采空區(qū)范圍和邊坡坡度等參數(shù)，結合采空區(qū)巖體性質變化等因素，將研究區(qū)人為工程背景因子劃分為易引發(fā)、較易引發(fā)、不易引發(fā)地質災害3種類型，對應因子值分別為3、2、1。根據(jù)生產(chǎn)及閉坑時采礦技術特征、最終幫坡角(或采空區(qū))及歷史上發(fā)生滑坡采煤沉陷等地質災害的情況對比分析，確定撫順西露天礦閉坑最終邊坡坡度對應分類為：易引發(fā)滑坡(最終邊坡角≥32°)，對應因子值為3；最終邊坡角約30°，歷史上發(fā)生過滑坡或雖常發(fā)生滑坡但已有內排壓腳，為較易發(fā)生滑坡，對應因子值為2；最終邊坡角<28°或歷史上未發(fā)生過滑坡的邊坡，為不易發(fā)生滑坡，對應因子值為1。

3.3 地質體現(xiàn)階段穩(wěn)定性因子(X3)

在沒有誘導因素引發(fā)的前提下，活動后的地質體在自適應能力下逐漸恢復至穩(wěn)定的動態(tài)平衡。在研究區(qū)內，地質體活動主要體現(xiàn)為邊坡滑坡。根據(jù)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)的儲備充足、儲備中等、儲備不足和臨界值4種狀態(tài)進行因子賦值。其中，當?shù)刭|體穩(wěn)定性儲備充足，不易發(fā)生地質災害，因子值賦為1；當?shù)刭|體穩(wěn)定性儲備中等，在無大型誘導因素(如：暴雨、采空區(qū)塌陷等)作用下，地質體不易發(fā)生地質災害，因子值賦為2；當?shù)刭|體欠穩(wěn)定，如火車等地表震動、降雨導致的地下水位變化均可能導致一定范圍的地質災害，因子值賦為3；當?shù)刭|體極度不穩(wěn)定，該類地質體通常是剛發(fā)生過地質災害不久尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)的地質體，因子值賦為4。

3.4 地表影響重要性因子(X4)

評估地質災害影響時，地質體狀態(tài)是核心因素，對人類生產(chǎn)生活影響而言，地表建筑體的重要性是其需要考慮的另一個重要因素。

在研究區(qū)，地質災害影響區(qū)內分布著居民建筑、重要工業(yè)建筑、鐵路、公路等，是地質災害風險評估必須考慮的因素。依據(jù)以人為本的分析思路，將各種場所劃分為重要、中等、一般3種評估類型，對應因子值分別為3、2、1。地質體表面存在居民建筑物、重要工業(yè)建筑時，地質災害會對人們的生產(chǎn)生活造成重大損失，因子賦值為3；地質體表面為公路、鐵路、綠化區(qū)等時，地質災害不易造成重大經(jīng)濟人員損失，因子賦值為2；地質體表面為荒地、農(nóng)田等，地質災害一般不會對人類生產(chǎn)生活造成較大影響，其損失是可控的，因子賦值為1。

4 地質災害風險評估模型的建立

對研究區(qū)地質災害控制因素分析可知，地質背景條件、地表影響重要性為地質災害風險評估定性判別因子；人為工程背景為定性、半定量判別因子；地質體現(xiàn)階段穩(wěn)定性為定量判別因子；各因子之間具有相關性、因果性和迭代性。由于研究區(qū)位于礦業(yè)城市之中，研究區(qū)地質災害具有環(huán)境地質條件復雜、工程活動多樣(露天開采與地下開采復合作用)、城市對災害發(fā)生敏感等特點，因此采用多因子判定才能更確切地符合實際。根據(jù)不同地質體狀態(tài)和參考控制因素對地質災害的影響程度，建立基于權重分布的地質災害風險評估模型，其表達式如下：

(1)

式中：Z為地質災害風險評估系數(shù)；n1～n4為地質災害判據(jù)因子X1～X4對應的權重系數(shù)。

以研究區(qū)已發(fā)生的37次滑坡體、18次地質塌陷與大型地裂縫地質災害為例，選取16次地質災害為樣本，通過SPSS軟件，利用主成分分析法確定各災害判據(jù)因子的權重系數(shù)分別為：n1=1.28，n2=1.03，n3=0.88，n4=1.50。

根據(jù)研究區(qū)地質體現(xiàn)場調查結果，建立了33個樣本的災害評估數(shù)據(jù)表，將其與對應地質災害危險程度值(1～4)對應，得到研究區(qū)地質體災害風險分布情況。地質災害風險評估樣本分布如圖2 所示。

圖2 地質災害風險評估樣本分布圖

在研究區(qū)，Z>3.2時，易發(fā)生地質災害且地質災害可能造成較大人員傷亡與財產(chǎn)損失；2.1

5 研究區(qū)災害風險分區(qū)與適應性評價

在建立地質災害風險評估模型基礎上，對研究區(qū)域實施分區(qū)、分片災害風險評估，研究結果顯示：區(qū)內水泥廠廠區(qū)主要位于安全區(qū)；石油一廠廠區(qū)和發(fā)電廠廠區(qū)中南部大部分區(qū)域地質災害危險性大，僅北部少量區(qū)域地質災害危險性中等。

5.1 研究區(qū)災害風險評估分區(qū)

地質災害分布的根本原因在于地質運動，同時，考慮到地表設施的分布，因此將研究區(qū)按照斷層、廠區(qū)結構進行災害評估分區(qū)。研究區(qū)地質災害危險性評估分區(qū)如表2所示。

表2 研究區(qū)地質災害危險性評估分區(qū)

5.2 分區(qū)地質災害適應性評價

根據(jù)分區(qū)對應各判據(jù)因子，依據(jù)地質災害風險評估模型對各區(qū)塊進行地質災害風險評估，各分區(qū)地質災害風險評估結果如表3所示。

表3 各分區(qū)地質災害風險評估結果

在研究區(qū)，石油一廠廠區(qū)大部分區(qū)域處于高風險區(qū)，僅北部條帶區(qū)域處于中風險區(qū)，該廠區(qū)地質災害風險系數(shù)高，抗災害適應性差，需要重點防護；發(fā)電廠廠區(qū)較石油一廠廠區(qū)略好，但其中南部同樣處于高風險區(qū)，整體適應性偏差，需要重點加固廠區(qū)中南部區(qū)域；水泥廠廠區(qū)地質災害風險評估系數(shù)1.92，其處于安全區(qū)域，抗風險適應性好。研究區(qū)地質災害風險分布如圖3所示。

注：粉紅色為高危險區(qū)域；黃色為中危險區(qū)域；灰色為安全區(qū)域。

6 結論

1)研究區(qū)地質災害及隱患主要包括：傾倒—座落滑移變形、傾倒滑移變形、沉陷滑移變形、滑坡和地裂縫。

2)將研究區(qū)地質災害判據(jù)因子劃分為地質背景條件因子、人為工程背景因子、地質體現(xiàn)階段穩(wěn)定性因子和地表影響重要性因子。

3)建立了基于權重分析的地質災害風險評估模型，確定各災害判據(jù)因子的權重系數(shù)：n1=1.28，n2=1.03，n3=0.88，n4=1.50。通過33個地質體現(xiàn)場調查結果，建立地質災害風險評估標準。

4)研究區(qū)內水泥廠廠區(qū)主要位于安全區(qū)，石油一廠廠區(qū)和發(fā)電廠廠區(qū)中南部大部分區(qū)域地質災害危險性大，僅北部少量區(qū)域地質災害危險性中等，需要重點關注石油一廠和發(fā)電廠區(qū)域，制訂相應的防災減災策略。