礦山地質災害成災機理與防治技術應用

劉清泉

礦山的地質結構復雜，礦產資源分布廣泛，礦山開采范圍極廣。在社會經濟、科技飛速發展的21 世紀，我國對礦產資源的需求也在不斷提高，一方面，礦山開采業迎來了新的契機，另一方面，礦山開采也面臨嚴峻的挑戰與風險。時有發生的地質災害嚴重阻礙了礦業的穩定發展，如何解決地質災害問題，保障礦山開采的安全性，始終是企業管理的重點。

1 礦山地質災害的特點分析

1.1 人為性特點

礦山開采是大規模的人為活動，因此，主觀的人為因素與地質災害的發生密切相關。開采過程中，如果在溝谷中堆積大量松散的廢土與雜物，就會增加溝床縱坡降比，為地質災害的形成埋下隱患，增加了地質災害的發生風險。無節制的過度開采會對植被造成破壞，水土流失嚴重；不科學的開采邊坡與采空區，同樣會給地質災害的發生埋下隱患。

1.2 污染性特點

與普通的地質災害相比，礦山開采引起的地質災害具有更為嚴重的污染性。因為開采所產生的貧礦、廢石、尾礦渣中含有重金屬元素，地質災害發生后，廢棄物會流入河流，造成水質污染。

1.3 頻發性特點

當地質災害發生后，堆積在溝谷內的雜物、廢石、廢渣被運走，短時間內不會形成物源，理論上就不會再發生地質災害。但礦山開采是持續進行的，因此會不斷的產生廢渣與廢石，廢棄的土渣非常松散，抵御外力沖擊的能力較弱，所以短時間內很容易出現二次災害。

1.4 可控性特點

盡管礦山地質災害具有極大的破壞性，但同時也是可控的，只要從源頭上控制地質災害的誘因，合理堆放礦山開采所產生的廢棄物，維持山體的穩定性，就能夠有效避免地質災害的發生。

2 礦山地質災害的危害性分析

如今，全球范圍內的很多國家都深受地質災害的困擾，南極洲以外的各大洲基本都發生過地質災害，尤其是處于斷裂帶的地區，地質災害的發生更加頻繁，這主要是地質構造的特點所決定的。就我國來講，昆侖山、黃土高原、臺灣、太行山等，都是地質災害的多發地區，造成的危害主要表現在三方面：①農田：耕地分布廣泛的地區更容易發生地質災害，災害發生后，大面積的農田都被掩埋，農作物遭到嚴重破壞，作物產量大幅度降低，嚴重情況下甚至會絕產。②礦山道路：進行礦山開采的地區，一旦發生地質災害，對周圍道路的破壞則是巨大的，甚至還會威脅人類的生命財產安全，造成長時間道路堵塞。近年來，我國因地質災害對道路造成的破壞，直接經濟損失高達數十億。而且地質災害發生時經常會裹挾著大量泥沙，嚴重影響航道通航。③水利與電力：我國的水利與電力設施主要建設在大型河道的中下游，為大片地區提供充足的水能、電能。然而，在地質災害的破壞下，這些電力和水利設施被沖毀，造成部分水渠的堵塞，嚴重影響能源供應。

3 礦山地質災害的發生原因分析

3.1 主觀原因

3.1.1 違規開采

很多安全事故、地質災害的發生，均與違規開采行為有關。部分礦山企業一味的追求經濟利益，沒有樹立安全第一的經營理念，為了節約成本而采購大量的二手設備，很多采礦設備的性能、規格已經完全無法滿足礦產資源的開采需求，甚至一些老舊、落后的設備也投入使用，這種情況下，根本無法保障礦山開采的安全性。由于企業管理理念與管理模式的落后，缺乏對施工團隊的有效管理，施工人員普遍缺乏安全意識，沒有做好安全防護措施，也沒有按照規范要求進行開采施工，從而埋下了重大的安全隱患。

3.1.2 無節制開采

礦山企業追求經濟利益、擴大規模原本無可厚非，但很多企業管理者片面的將利益最大化當作企業的核心競爭力，只重視眼前利益，忽略了企業管理與環境保護問題，毫無節制的開采礦產資源，給自然環境造成了極大破壞。長期的過度開采會降低山體的穩定性，提高地質災害風險指數，水文環境的破壞又進一步促進了地質災害的發生。

3.1.3 不科學開采

為了推動礦產業的持續、健康、安全發展，我國始終都在積極探索科學、合理的開采方式，在保證開采效率、開采安全的基礎上提高企業的經濟效益。但從近年來的研究情況來看，礦產資源的開采方式仍然缺乏科學性，主要表現在對生態環境、自然資源的嚴重破壞等方面，而且這一問題始終得不到根本性的解決。

3.2 客觀原因

3.2.1 地下水徑流的變化

礦山開采施工中，挖掘的深度往往會到達地底，從而對地下水的流動產生影響。盡管各礦區礦層的構成成分不同，但都具有阻隔地下水的作用，要想保證地下礦產開采的安全性，必須在采礦之前抽干地下水，以保證采礦施工的順利開展。然而，隨著礦山開采施工的推進，地下水兩側的隔離物也在持續減少，相應的，讓地下水自由流動的空間越來越大，最終地下水與礦物層相互融合。礦山開采后期，爆破施工產生巨大動能，原本已經不夠穩定的地下水層隨著爆炸而發生動蕩，從而導致礦區頂板結構層的斷裂，部分地區還會出現嚴重塌陷。此時，隔離帶已經無法阻隔地下水，大量地下水涌入礦洞，將礦區淹沒。隨后，地表水流也會受到地下水的影響而改變，采礦形成的基巖裂縫不僅不具備在壓力下就近排放的特點，反而會直接向礦洞內排水。此時，河道中的水流失去來源，徑流量大幅度減少，隨著礦區開采的不斷深入，礦洞內部對地下水產生的阻隔力、推動力也在不斷降低，地表徑流量小的河流甚至會完全斷流。

3.2.2 地表壓力失衡

“長臂式”是目前我國礦山企業采礦的主要施工方式，礦產資源深埋在地下或者山體內部，開采時需要挖掘大量的地表土壤，挖出的土壤直接堆積在周圍。這種情況下，地表周圍的松散層的土壤就會越來越厚，從而產生壓力失衡現象，繼而又會引起地表裂縫，增加了礦區內部踩空塌陷的風險。我國東北地區的煤礦產區，地下水資源非常豐富，地表水位普遍超過了平均水準線，出現壓力失衡現象后，該地區的地表水就會形成湖泊。然而，在水資源嚴重不足的西北地區，如果礦區周圍出現地表壓力失衡問題，則水資源匱乏問題就會更加突出，由此形成明顯的地表裂縫。大數據分析結果顯示：礦區周圍地表裂縫與塌陷問題，主要是隨意堆積土壤引起的地表壓力失衡所致。塌陷地區中，超過43%的區域為耕地，給該地區農業生產造成的不良影響可想而知，嚴重制約了該地區經濟的發展，降低人們的生活質量。現階段，我國對金屬、煤炭等資源的需求量越來越大，礦產開采量也在逐年上升，因此造成的地表裂縫、塌陷等問題層出不窮，不僅容易引起地質災害，而且還嚴重破壞了生態環境。

3.2.3 大氣與水質污染

采礦施工中會產生大量的固體廢物，如果只是將這些廢棄物隨意堆積在周圍，而沒有采取妥善的處理措施，則會給周圍的生態和自然環境造成嚴重破壞。采礦時還會用到火藥，火藥爆炸后會釋放一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體，這些氣體與大氣中的水蒸氣相互結合后，隨著降雨落到地面，最后滲入土壤，從而影響該地區的土壤環境，造成大面積植物死亡，甚至出現“寸草不生”的現象，周圍動物如果飲用了含有有毒有害物質的水源，同樣會生病或死亡。由此一來，礦山開采區域的動植物生存受到嚴重威脅，生態環境慘遭破壞，土壤愈發疏松，河道兩旁的泥土逐漸變成淤泥，然后流進河流與湖泊。久而久之，河床逐漸升高，該區域的抗洪澇災害的能力下降。在臺風、暴雨等惡劣天氣環境下，礦山開采地區極容易形成泥石流，威脅礦區居民的生命財產安全。礦山開采造成的水土環境污染情況如表1 所示：

表1 礦山水土環境污染

3.2.4 含水層結構破壞

采礦作業必然會破壞礦山的地質環境，受到影響最嚴重的便是礦山的含水層。隨著開采活動的深入，含水層的導水與隔水能力受到影響，水動力層出現擾動，水層整體結構遭到破壞，從而引起地面塌陷等災害。含水層結構破壞表現在三方面：①建設礦井時導致含水層暴露；②導水裂隙拓寬后，含水層滲入礦井；③含水層通過裂隙進入采空區域，導致底板突水。以上因素都會對礦山覆巖發育帶來不良影響，加快含水層的滲透速度。巖層貫穿后，地表會形成拉伸裂隙與塌陷，塌陷區域內積水，影響施工安全。含水層結構遭到破壞，隨之出現持續性的排水活動，形成地下水降落漏斗，如果采礦施工仍在進行，則漏斗的面積也會越來越大，對礦山內部結構的破壞越來越嚴重，礦山變得越來越不穩定，甚至出現崩塌、滑坡等地質災害。

4 礦山地質災害類型

4.1 坍塌

這是最常見的、也是對施工人員生命威脅最大的一種礦山地質災害，主要指的是礦洞內巖石土壤坍塌。礦山的地質結構因采礦而受到破壞，山體表面的巖石脫落、地層陷落，在能夠形成礦脈的區域內部，巖石層與軟弱夾層之間的結構缺少補位，形成一片穩定性較差的區域，為坍塌事故的發生埋下隱患。礦區內巖石層與軟弱夾層十分普遍，因此坍塌事故的發生地點沒有規律性，任何采礦區域都可能面臨坍塌風險。

4.2 泥石流

礦山開采施工中產生大量廢棄物，嚴重破壞生態環境，這也是泥石流災害發生的主要原因，采礦作業會形成一種特殊的地理環境——礦區外部溝谷縱橫、丘壑連綿。在這種環境中，如果遇到臺風以及持續的強降雨天氣，受到水流的沖擊，高處的泥沙便會傾瀉而下形成泥石流。水土流失嚴重的區域，更容易發生泥石流，這些區域的地下巖石層和地上土壤層通常都受到嚴重侵蝕，地表植被破壞嚴重，生態環境惡劣。此外，采礦產生的大量碎石、土壤、廢渣如果長時間堆積在周圍，當泥石流發生后，這些廢棄物也會隨著洪流傾瀉，極大的增加了泥石流的破壞力。

4.3 滑坡

采空區塌陷與滑坡地質災害的發生密切相關，與前文所講的坍塌不同，采空區塌陷指的是過度開采地下礦產資源導致的地下巖石洞壁空虛現象。當這一現象達到某種程度和規模后，就會出現采空區塌陷。滑坡災害的發生區域十分廣泛，無論是礦山內部，還是露天的采礦區，亦或是深藏在井下的區域，都可能出現滑坡。區域不同，滑坡災害的表現也不同，露天區域滑坡往往是礦物帶邊坡滑落；礦山內部或者井下滑坡通常表現為采空區塌陷，而且危害性更大，造成的經濟損失也更為嚴重。

5 礦山地質災害的防治方法

5.1 坍塌的防治

5.1.1 主動措施

對高危坡體采取削坡處理，削坡之前首先要保證巖體斜坡足夠穩定，能夠承受施工。在斜坡上開挖高危巖體，根據危巖巖體的傾斜角度明確開挖位置、開挖深度，并安裝爆破裝置。爆破物的使用量應符合削坡體積，以免過度爆破引起更嚴重的地質災害。削坡處理不僅能夠降低高危斜坡的風險，還能減輕斜坡體荷載。新鮮的巖體與礦山表面在削坡后會暴露出來，很大程度上增強了斜坡的穩定性，以保證清除危巖時的安全。使用機械設備清理孤石、浮石、危石，為保證安全性，清理工作應在采礦間歇與中斷時進行。盡量控制開采活動，維持巖體結構的平衡，增強荷載強度。

5.1.2 被動措施

在礦山的坡腳處開挖落石槽，要保證落石槽的深度和廣度能夠容納因防護疏漏而產生的落石。設計標準為：保證把落石攔截在保護區域之外。如果受到客觀條件的限制，則需要繼續增加落石槽的深度與寬度，總而言之，要讓落石槽能夠發揮其功能。由于坍塌規模與頻率無法預測，在設計礦山施工、布置機械設備時，應留出一定的避讓空間。

5.2 泥石流的防治

礦山的開采線路以及建筑基本都是固定的，所以泥石流的防治應以工程措施為主。泥石流災害發生后，應開展引流工程，建設截流壩與引水渠，把泥石流的上游和支溝引入主河。通過導流的方式減少主溝形成泥石流的水量、動力條件來控制泥石流規模，將泥石流造成的破壞控制在最小范圍內。此外，還應建設水流排導設施，比如急流槽與明洞渡槽，讓泥石流順利通過礦山。當泥石流有所控制后，可采用上攔下排與攔粗排細相結合的防治措施。在泥石流上游選擇合適的位置，修建鋼筋混凝土攔沙壩，適當抬高壩上游的侵蝕基準面，以免溝道下切，同時還能阻擋一部分泥石流，與此同時，利用攔擋建筑物控制泥石流的流向，避免泥石流對重要設施和區域造成破壞。總之，處理泥石流災害時，需要在總體布局、統籌規劃的基礎上，根據實際情況采取針對性的防治措施，保證防災工作的經濟性、可行性。

5.3 滑坡的防治

滑坡與雨水沖刷通常是同時存在的，而且礦石淺層的地質特點也會對滑坡產生影響。防治滑坡災害，首先通過挖除淺層滑坡、修建導滑設施等措施，消除滑坡形成的主要因素，調整滑坡的滑動方向。修建截水溝與排水溝，排導地表水。修建滲溝與盲溝，排導地下水。修建護坡與擋水墻，降低雨水沖刷力度。滑坡的破壞性受到雨水的影響，在修建排水設施的同時還要采取其他措施才能有效控制滑坡。治理初期，可使用成本低的臨時排水設施，在滑體后緣的裂縫處填充黏土或者水泥，在表面覆蓋聚乙烯布。治理后期，可修建永久性的排水設施，根據滑坡的形狀在周圍修建防滲設施，避免地表水滲入滑坡區域。修建人工邊坡的參考值如表2 所示。

表2 人工邊坡允許坡度參考值

6 結語

綜上所述，礦山地質災害既包括突然發生的大型礦山巖體爆炸，如瓦斯爆炸、巖爆等；也包括緩發的地質侵蝕，如巖體變形等。地質災害的發生原因較為復雜，只有完善治理體系，綜合治理，才能最大程度的降低礦山開采風險，保護企業利益與人民的生命財產，才能促進我國礦業的長遠、健康發展。