泰山隆安煤業地質災害易發分區及防治措施研究

岳修德,李 斌

(1.晉能控股煤業集團有限公司,太原 030006; 2.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

礦山開采引發各類地質災害的問題由來已久,在不同程度上給煤礦安全生產、礦區自然生態環境及居民生命財產安全帶來嚴重威脅。加強對礦區地質災害的調查與研究,科學掌握其發生條件、發育特征、發展規律及有效防治措施,已成為煤礦可持續、安全、綠色開采的重要保障,日益受到各級政府、生產單位及從業者的重視。近年來,相關礦區地質災害研究工作陸續開展并取得一定成果。肖和平[1]綜合分析了我國煤礦區礦震、地面沉陷、滑坡、崩塌等主要地質災害的特征、形成機理及危害,認為煤礦地質災害普遍為礦區正常生產與人民生活帶來嚴重危害;段麗軍等[2]討論了山西省礦山地質災害現狀及發展趨勢,研究結果顯示,近年來山西省礦山地質災害發展速度較快;李昌盛[3]基于2015年山西省礦山地質災害統計數據,分析了山西礦山地質災害的宏觀分布特征,研究結果表明,煤礦地質災害是全省主要的礦山地質災害,在發育規模方面,地面塌陷以小型和中型為主,崩塌和滑坡災害以小型為主;呂義清等[4-7]以山西礦區為例,對煤礦開采誘發的地質災害特征進行了分析,認為采礦活動引起的地質災害具有群發性、衍生性、區域性等多面性。在防治措施方面,李東林等[8-12]討論了我國煤礦地質災害綜合防治的必要性、可行性、技術思路與方法等;劉瑾[13]系統研究和討論了山西省地質災害防治的現狀、特點與防治技術措施等。上述研究成果,促進了人們對礦區地質災害現狀、發育特征、成災機理、危害及防治方法措施的認識與理解。但仔細分析不難發現,前人所做工作更多是從宏觀角度來研究與剖析礦區地質災害。然而礦區地質災害的發育與成災具有典型的區域特征,其有效防治需要各礦區基于具體的災害發育特點，制定并落實針對性的防治規劃與防治措施。此外,山西作為煤炭大省,各級政府在歷年的地質災害防治規劃與方案中,均將礦區地質災害列為省內重要防治工作的重點[14]。晉能控股煤業集團泰山隆安煤業有限公司地處河東煤田,煤炭資源豐富,礦井密集。區內采礦活動及其他工程活動強烈,引發的地質災害和地質環境問題日益突出,嚴重危害和威脅煤礦安全生產和居民生命財產安全。本文以泰山隆安煤業礦區為研究對象,在廣泛收集、分析資料的基礎上,結合地質災害現狀及災害發育的地質環境條件,在全區開展了詳細的地質災害調查與核查、地質災害特征分析、地質災害易發分區與評價，以及地質災害防治措施等綜合研究工作,以期為全區地質災害防治措施的科學制定，及我國類似礦區地質災害的研究與防治提供理論參考。

1 地質環境條件

晉能控股煤業集團泰山隆安煤業有限公司(以下簡稱研究區)位于山西省保德縣橋頭鎮北部,距保德縣城約10 km。礦區整體呈南北長條狀,北至冀家溝村,南至橋頭鎮,西至吳家溝村,東至白家墕村,南北長約8.0 km,東西寬約3.5 km,面積約20.32 km2。地勢總體北東高、南西低,起伏較大,地形最高點位于區內北中部,地面標高1 175.1 m,最低點位于橋頭一帶朱家川河河床低洼處,地面標高911.0 m,相對高差達264 m。研究區地處晉西北黃土高原,地表多為第四系黃土覆蓋,因受風雨侵蝕,形成了支離破碎的復雜地貌,區內沖溝發育,沖溝中可見零星基巖出露。研究區地質概況如圖1所示。

圖1 研究區地質概況

2 地質災害類型及特征分析

2.1 地質災害類型

在廣泛收集、整理與分析研究區基礎地質、井下掘進、綜合勘探、地形地貌、地質災害發育條件、發育現狀等資料的基礎上,對全區開展了詳細的地質災害(隱患)實地調查與核查工作,共調查村莊25個，地質災害(隱患)點150個。野外實地調查發現,區內地質災害(隱患)類型主要為地面塌陷、滑坡、地裂縫、崩塌和不穩定斜坡。全區內直接威脅人類生命財產安全的地質災害隱患點共59處,其中滑坡災害隱患點7處,占總數的11.9%;地面塌陷隱患點23處,占總數的39%;崩塌災害隱患點13處,占總數的22%;不穩定斜坡災害隱患點13處,占總數的22%;地裂縫災害隱患點3處,占總數的5.1%。圖2為研究區59處地質災害(隱患)點位置分布圖及8處需進行工程治理的災害點現場照片,具體類型統計信息詳見表1所示。

圖2 研究區59處地質災害(隱患)點分布圖及8處需進行工程治理的災害點現場照片

表1 泰山隆安煤業地質災害隱患點類型統計表

續表1

2.2 地質災害特征分析

2.2.1災害發育特征

在野外調查的基礎上,對研究區內各地質災害(隱患)點進行了災害發育與成因分析,并基于現行的《縣(市)地質災害調查與區劃規范》(2018)[15],對各地質災害(隱患)點的規模逐一進行了劃分，如表2所示。結果顯示,研究區內發育的地質災害(隱患)規模主要為小型和中型災害。直接威脅人類生命財產安全的59處地質災害(隱患)點中,中型規模災害(隱患)點2處,占總數的3.4%;小型57處,占總數的96.6%。此外,對59處地質災害(隱患)點的險情評估結果顯示,研究區地質災害(隱患)的險情等級均為小型。

表2 泰山隆安煤業地質災害隱患點規模統計表

續表2

2.2.2災害成因特征

表3為研究區各地質災害(隱患)點的成因統計結果。在研究區直接威脅人類生命財產安全的59處地質災害(隱患)點中,以自然因素為主而引發的地質災害(隱患)點數量僅2處,占總數的3.4%;以人為因素為主而引發的地質災害(隱患)點數量為57處,占總數的96.6%。鑒于研究區特殊的地質地貌條件及人類活動程度,綜合認為研究區發育的地質災害主要由采礦活動所引發,采空區的形成在地表誘發了地面塌陷、地裂縫和滑坡等地質災害;同時,切坡修路筑房工業廣場建設以及特殊的地形地貌條件為滑坡、不穩定斜坡等地質災害隱患的形成提供了基本條件。

表3 泰山隆安煤業地質災害隱患點成因統計表

3 地質災害易發分區評價方法與結果

3.1 易發分區評價方法

對研究區開展地質災害易發區劃分，是評價區域地質災害易發程度的常用方法。易發分區需建立在詳細的地質災害野外調查基礎上,通常依據區內地質災害的發育現狀,如發生(或潛在發生)地質災害的數量、密度、波及范圍,以及致災的各類自然與人為因素等進行綜合研判。根據評價結果,通常可劃分為高、中、低易發區,每個易發區內還可細劃出不同的亞區。在劃分時,首先定性分析劃分各個評價單元,其次對各個評價單元進行定量確定,最后進行綜合評定。

3.1.1定性劃分

地質災害的發育與發生往往受區域地形地貌、巖性特征、地層構造、水文地質條件、礦產分布及人類工程活動強度等因素影響。因此,基于上述致災影響因素與區域地質災害發育現狀(地質災害數量、密度、發育程度、波及范圍等),首先將研究區定性劃分出數個評價單元;然后依據《縣(市)地質災害調查與區劃規范》(2018)[15],根據地質災害易發程度分區主要特征,對各個評價單元進行定性評價。

3.1.2定量確定

對各個評價單元的定量確定,采用了地質災害綜合危險性指數法，即基于野外調查結果分析，獲得各評價單元地質災害形成的地質條件、地形地貌條件、氣候植被條件、人類工程活動條件,以及已發育災害點密度、災害面積密度及災害體積密度等參數。首先，求取評價單元的潛在地質災害強度指數(Zq)與現狀地質災害強度指數(Zx);在此基礎上分級賦值進行換算疊加,計算得到各評價單元的地質災害綜合危險性指數。具體計算評價過程包括以下5個步驟:

1)單元網格劃分。運用柵格數據處理法對研究區進行1 km×1 km網格剖分。

2)潛在地質災害強度指數(Zq)計算。

Zq=∑TiAi=D·AD+X·Ax+Q·AQ+R·AR.

(1)

式中:Ti分別為控制評價單元地質災害形成的地質條件(D)、地形地貌條件(X)、氣候植被條件(Q)、人為條件(R)充分程度的表度分值;Ai分別為各形成條件的權值。

3)現狀地質災害強度指數(Zx)計算。通常基于災害點密度、災害面積密度以及災害體積密度來求得。對于崩塌、滑坡災害,其強度指數(Zx)可表示為:

(Zx)=a+b+c.

(2)

而對于地面塌陷災害,強度指數(Zx)通常為:

(Zx)=a+b.

(3)

式中:a為歸一化處理后的災害個數密度系數;b為歸一化處理后的災害面積密度系數;c為歸一化處理后的災害體積密度系數。

4)地質災害綜合危險性指數計算。

Z=Zq·r1+Zx·r2.

(4)

式中:Z為地質災害綜合危險性指數;r1為潛在地質災害強度權值;r2為現狀地質災害強度權值。

根據上述判別方法,利用Mapgis空間分析功能與分級賦值進行換算疊加,計算得到各評價單元的地質災害綜合危險性指數。

5)地質災害易發區劃分。依據上述計算得到的各評價單元的地質災害綜合危險性指數,合并相同單元格,劃定地質災害易發區。

3.1.3綜合評定

綜合評定一般遵循定性分析為主,定量評價為輔的原則。通過綜合評價,最終可將評價單元評定為地質災害高易發區、中易發區和低易發區,且按災害的分布、類型、數量、成因等進一步劃分亞區,并以主要災種命名,如圖3所示。

圖3 研究區地質災害易發分區圖

3.2 易發分區結果

基于上述評價分區原則與評價方法,結合本次野外調查結果及基礎資料,將研究區地質災害易發程度劃分為高易發區、中易發區和低易發區3個大區及5個亞區。其中，高易發區有2個亞區,中易發區有1個亞區,低易發區有2個亞區(圖4),各分區地質災害發育特征及其他詳細信息見表4所示。

圖4 研究區地質災害防治分區圖

表4 研究區地質災害易發區劃分及易發程度評定結果

4 防治措施

基于“以人為本、預防為主,分級分類、屬地管理,統籌部署、突出重點,依法依規、科學減災”的地質災害綜合防治原則,同時結合研究區地質災害產生的地質環境條件、地質災害特征、易發區特征,以及研究區未來經濟發展戰略和規劃,重點從防治分區與工程治理措施等技術層面進行了地質災害防治工作的研究與實施。

4.1 防治分區

地質災害防治的重要措施之一是對研究區進行科學的地質災害防治分區,進而確立重點防治區,為后續防治工作的統籌部署、重點突出與科學減災提供科學依據。本文地質災害重點防治區的劃分,是基于以定性為主、定量和定性相結合的原則,即在綜合分析研究區地質環境條件、地質災害(隱患)類型及發育特征、地質災害易發區的分布特征、人類工程建設和經濟活動強度,遵循“以人為本”的原則,結合研究區經濟發展戰略和規劃,將全區劃分為2個地質災害重點防治區、1個地質災害次重點防治區、2個地質災害一般防治區(圖4)。

地質災害重點防治區(A)主要分布于礦區的西南部和中東部一帶(圖4),該防治區地質災害發育,受礦業開采、切坡修路筑房等人類工程活動影響,形成顯著的地面塌陷、地裂縫、滑坡、泥石流及不穩定斜坡等地質災害(隱患)。防治區面積約1.25 km2,占全區總面積的6.2%。區內共發育地質災害隱患點20處,占全區地質災害隱患點總數的33.9%。其中，地面塌陷4處,滑坡5處,崩塌5處,不穩定斜坡6處,受威脅人數6人,初步預測經濟損失317.65萬元。

地質災害次重點防治區(B)主要分布于研究區中西部一帶(圖4),受礦業開采和人類工程活動影響,形成較多地面塌陷、地裂縫、滑坡、不穩定斜坡和崩塌等地質災害(隱患)。防治區面積約7.89 km2,占全區總面積的38.8%。區內共發育地質災害隱患30處,占全區地質災害隱患點總數的50.8%。其中，地面塌陷13處,滑坡1處,地裂縫1處,崩塌8處,不穩定斜坡7處，受威脅人數19人,初步預測經濟損失約148.205萬元。

地質災害一般防治區(C)：主要包括研究區北部的一般防治區(C1)與南部的一般防治區(C2)(圖4)。其中,C1防治區在本次野外調查中共發現地質災害隱患點9處,包括地面塌陷6處,地裂縫2處,滑坡1處。地質災害的成因主要受采礦活動影響。C2防治區在本次野外調查中未發現災害點。

4.2 工程治理措施

地質災害防治項目包括基礎性工作、搬遷避讓、工程治理、監測預警等內容,需要建立健全工作機制、礦區/社會與基層聯動、治理技術研究、預案編制、群測群防等綜合性工作。在上述研究的基礎上,根據地質災害(隱患)點的危害程度、規模、穩定性、突發性等因素,篩選出8處重點地質災害(隱患)點，并采取工程措施進行治理(圖2)。

馬鋪頭村南地面塌陷災害(DMTX023)已造成部分公路破壞且發展迅速,威脅道路及行人車輛安全。需采取的工程措施為塌陷回填、公路外側臨空破面樁板支護、加大防滲處理。井道溝村南東崩塌災害(BT003)為人工切坡修路以及采礦活動擾動所致,穩定性差,威脅下方道路及行人安全。為徹底消除隱患,需采取的工程措施為清理坡腳堆積物、清理坡頂危巖體、整修坡頂避免坡頂積水,按不大于1∶0.75的坡率進行放坡、邊坡復綠,降低邊坡土層對降水的吸收量,從而降低邊坡崩塌發生率。工業廣場南西崩塌災害(BT009)坡度達85°,穩定性差,威脅縣級道路通行及行人車輛,可采取清理危巖體、設置被動防護網、修建坡腳擋土墻、修建墻頂落石平臺、修建坡頂截水溝等措施。

興隆寺滑坡災害(HP004)坡度達80°,威脅坡頂文化遺跡興隆寺和下方臺階,可采取清理松散堆積物、采用不大于1∶0.75的坡率削坡、坡腳修建擋土墻與已有擋土墻銜接的工程措施,同時對地表裸露部分進行適當的復綠。興隆寺東北側滑坡災害(HP003)坡度達80°,穩定性差,威脅下方臺階,需對坡體后緣裂縫進行監測,用排樁式錨桿擋墻對滑坡進行支護,同時復綠以降低土壤侵蝕力度,控制沖溝進一步發展。桑樹梁村滑坡災害(HP007)坡度達60°,穩定性差,威脅下方道路與行人安全,可采取清理松散堆積物、采用1∶0.75的坡率進行削坡、坡腳修建擋土墻、坡頂修建截水溝、坡腳修建排水溝的工程措施。

項目部處不穩定斜坡災害(XP007)坡度達80°,穩定性較差,威脅下方彩鋼房與工人、居民生命財產安全,可采取的工程措施為進行1∶0.75的坡率削坡、坡頂修建截水溝、坡腳修建排水溝;同時配合種植一些耐旱的植被,防止土壤沖蝕。調度室處不穩定斜坡災害(XP008)坡度達70°,威脅旁邊輸電線路安全,威脅財產數目較大,可進行1∶0.75削坡、坡頂修建截水溝對其進行工程治理。

5 結論

1)對全區的野外調查結果顯示,受采礦活動、地表人類工程活動及特殊地質環境條件的疊加影響,研究區多處地質災害發育,主要災害類型為地面塌陷、滑坡、地裂縫、崩塌和不穩定斜坡。

2)區內地質災害(隱患)點發育規模特點以小-中型為主,但均在不同程度上給礦區安全生產、自然生態環境及居民生命財產安全帶來嚴重威脅;成因特點主要為采礦活動所引發,采空區的形成在地表誘發了地面塌陷、地裂縫和滑坡等地質災害;同時,切坡修路筑房、工業廣場建設以及特殊的地形地貌條件為滑坡、不穩定斜坡等地質災害隱患的形成提供了基本條件。

3)基于地質災害易發程度評價結果,將全區劃分為高易發區、中易發區和低易發區3個大區和5個亞區;其中,研究區西部及中東部各類地質災害發育,是區內地質災害高易發區,同時該區域也是全區地質災害重點防御區。

4)對礦區進行地質災害易發分區與防治分區研究是地質災害防治的重要研究內容,研究結果可為礦區地質災害防治措施的科學制定提供理論依據。