高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域資源開發(fā)過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制試驗(yàn)分析

摘要：系統(tǒng)分析資源開發(fā)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要類型，包括不穩(wěn)定體失穩(wěn)型、松散固體物質(zhì)快速運(yùn)移型、地下采動(dòng)誘發(fā)型和地下開挖誘發(fā)型，并著重探討地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制試驗(yàn)的關(guān)鍵流程，包括試驗(yàn)場(chǎng)地選址、監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)和數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。通過(guò)山西某煤炭資源開發(fā)區(qū)案例研究，揭示該區(qū)域“采動(dòng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)損傷+地下水滲流驅(qū)動(dòng)蠕變+動(dòng)載荷擾動(dòng)觸發(fā)”的復(fù)合驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域資源開發(fā)工程的安全實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；資源開發(fā)；地質(zhì)災(zāi)害；誘發(fā)機(jī)制

中圖分類號(hào)：P315.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-0-03

Experimental Analysis of Geological Hazard Induction Mechanism in the Process of Resource Development in High-Risk Areas

YAN Wei1，3， PAN Anbang1，3， YAN Pingjun2， LING Rui1，3， LIU Mingxin1，3

（1. Hydrogeological and Engineering Geological Brigade of Hubei Geological Bureau， Jingzhou 434020， China;

2. The Fourth Geological Brigade of Hubei Provincial Geological Bureau， Xianning 437000， China;

3. Hubei Geological Bureau， Hubei Provincial Key Laboratory of Resources and Ecological Environment Geology， Wuhan 430034， China）

Abstract： The main types of geological hazards induced by resource development are analyzed systematically， including unstable body instability， rapid movement of loose solid material， underground mining induced type， and underground excavation induced type. The key process of geological hazard induction mechanism testing is emphasized， including site selection， monitoring equipment layout， and data analysis and evaluation. Through a case study of a coal resource development zone in Shanxi Province， the composite driving mechanism of “mining induced stress driven damage+groundwater seepage driven creep+dynamic load disturbance triggering” is revealed， providing scientific basis for the safe implementation of resource development projects in high-risk areas.

Keywords： high-risk areas; resource development; geological hazards; induction mechanism

高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的自然資源，大規(guī)模的資源開發(fā)活動(dòng)成為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力[1]。然而，資源開發(fā)過(guò)程通常伴隨著較多地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和工程建設(shè)運(yùn)行安全。揭示資源開發(fā)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的機(jī)理，建立合理有效的預(yù)警措施，成為保障高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)資源開發(fā)工程安全平穩(wěn)實(shí)施的關(guān)鍵。基于此，在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)資源開發(fā)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要類型、試驗(yàn)研究流程以及誘發(fā)機(jī)制，以期為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)資源開發(fā)工程建設(shè)提供科學(xué)指引和理論支撐。

1 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域資源開發(fā)過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害類型

高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域資源開發(fā)過(guò)程中，工程擾動(dòng)和環(huán)境變化等因素的耦合作用，易引發(fā)多種類型的地質(zhì)災(zāi)害[2]。根據(jù)成因機(jī)制和致災(zāi)程度的差異，可將地質(zhì)災(zāi)害類型歸納為4類，具體如表1所示。

2 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域資源開發(fā)過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制試驗(yàn)流程

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地選址

高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域資源開發(fā)過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制試驗(yàn)的場(chǎng)地選址是整個(gè)試驗(yàn)研究工作的首要環(huán)節(jié)。場(chǎng)地選址需要綜合考慮區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件、工程活動(dòng)特征、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度等因素，以期獲取具有代表性和典型性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]。

一般應(yīng)選擇地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育、災(zāi)害隱患突出的區(qū)域作為試驗(yàn)場(chǎng)地，如活動(dòng)斷裂密集分布區(qū)、高位陡崖廣泛發(fā)育區(qū)、飽水松散堆積體廣泛分布區(qū)等。同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注資源開發(fā)活動(dòng)頻繁、工程擾動(dòng)強(qiáng)度大的區(qū)域，如礦山開采區(qū)、能源基地、交通樞紐等。在確定目標(biāo)區(qū)域后，還需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和災(zāi)害隱患排查，獲取1∶5 000至1∶10 000比例尺的工程地質(zhì)圖件，并結(jié)合野外踏勘、鉆探取樣、室內(nèi)試驗(yàn)等方法，查明場(chǎng)地的地層結(jié)構(gòu)、巖土性狀、水文地質(zhì)條件等參數(shù)，如地下水位埋深、土層滲透系數(shù)（10-6～10-4 m/s）、巖體完整性系數(shù)（0.3～0.8）、巖石抗壓強(qiáng)度（30～120 MPa）等。在此基礎(chǔ)上，綜合分析比選確定最終的試驗(yàn)場(chǎng)地，并編制詳盡的場(chǎng)地工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，為后續(xù)試驗(yàn)研究工作的順利實(shí)施奠定基礎(chǔ)[4]。

2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)

針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)資源開發(fā)過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制的監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)，需要遵循全面性、針對(duì)性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性等基本原則，合理配置多種類型的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，構(gòu)建集變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)等于一體的立體化監(jiān)測(cè)體系。具體布設(shè)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)、工程建設(shè)影響區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、巖土性狀等條件，優(yōu)化確定監(jiān)測(cè)設(shè)備的類型和布設(shè)位置。例如，針對(duì)巖質(zhì)邊坡開挖卸荷區(qū)，可布設(shè)基于激光掃描技術(shù)的雷達(dá)斷面儀（量程為100 m，分辨率為1 mm）、基于激光三角測(cè)量原理的位移傳感器（量程為50 mm，精度為0.01 mm）等，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)巖體變形；針對(duì)松散堆積體分布區(qū)，可布設(shè)滲壓計(jì)（量程為2 MPa，靈敏度為1 kPa）、孔隙水壓力計(jì)（量程為1 MPa，分辨率為0.25 kPa）等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體內(nèi)部滲流場(chǎng)和孔隙水壓力的時(shí)空分布特征；針對(duì)井工開采區(qū)，可布設(shè)音頻微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（頻率為1～1 000 Hz，采樣頻率為2 kHz）、電容式加速度傳感器（靈敏度為500 mV/g，頻響在20～4 500 Hz）等，實(shí)時(shí)捕獲采動(dòng)響應(yīng)和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化信息[5]。

2.3 數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)

高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)資源開發(fā)過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制試驗(yàn)獲取的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有豐富的孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)機(jī)理信息，需要采用Big Data理論和人工智能技術(shù)，建立包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、模式識(shí)別、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能的智能分析系統(tǒng)，全面挖掘數(shù)據(jù)的時(shí)間序列特征（均值、方差、趨勢(shì)、周期等）和空間分布特征（相關(guān)性、各向異性、分維等）。在數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)上，可利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）、隨機(jī)森林（Random Forest，RF）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）等，建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警模型，能夠動(dòng)態(tài)智能預(yù)警滑坡體位移速率、泥石流堵塞河道長(zhǎng)度、采空區(qū)陷落漏斗體積等關(guān)鍵參數(shù)，預(yù)警周期在5～7 d，預(yù)警準(zhǔn)確率在75%～90%。同時(shí)，可利用三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段，展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模型分析結(jié)果，為地質(zhì)災(zāi)害防治策略的優(yōu)化調(diào)整提供直觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐和輔助決策。

3 案例試驗(yàn)分析

3.1 研究區(qū)概況

以山西某高風(fēng)險(xiǎn)煤炭資源開發(fā)區(qū)為例展開研究。研究區(qū)位于山西省中部，隸屬呂梁山地域，地形以低山丘陵為主，海拔在800～1 500 m。區(qū)內(nèi)地層主要為古生界和中生界沉積巖地層，發(fā)育多套含煤巖系，以石炭系和二疊系最為典型，煤層傾角在5°～20°，為典型的穩(wěn)定型煤田。雖然區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，褶皺和斷層不甚發(fā)育，但是受構(gòu)造應(yīng)力影響，部分區(qū)域發(fā)育有順層滑動(dòng)和坡體失穩(wěn)現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)巖性以泥巖、砂巖為主，風(fēng)化程度較高，易形成孤石、危巖等不穩(wěn)定體。氣候類型屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫在8～12 ℃，年降水量在400～600 mm，降水多集中在6～9月。區(qū)內(nèi)植被以落葉闊葉林為主，局部發(fā)育灌草叢，植被覆蓋率總體較低。作為國(guó)家重要能源基地，區(qū)內(nèi)煤炭開采歷史悠久，現(xiàn)有各類煤礦150余處，年產(chǎn)原煤量超過(guò)5 000萬(wàn)t，以井工開采為主，開采深度在800 m以上，現(xiàn)狀采區(qū)面積達(dá)150 km2。受長(zhǎng)期大規(guī)模開采影響，區(qū)內(nèi)地表有大面積采空塌陷區(qū)，嚴(yán)重破壞地表植被、水系、農(nóng)田等，并誘發(fā)地面塌陷、地裂縫、滑坡等多種地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 試驗(yàn)方案

針對(duì)研究區(qū)內(nèi)煤炭開采誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)，制定了系統(tǒng)的試驗(yàn)方案。在區(qū)內(nèi)選取具有代表性的采空塌陷區(qū)和邊坡失穩(wěn)區(qū)作為重點(diǎn)試驗(yàn)場(chǎng)地，并開展1∶2 000工程地質(zhì)調(diào)查與鉆探取樣工作，獲取場(chǎng)地的地層結(jié)構(gòu)、巖土性狀、水文地質(zhì)條件等關(guān)鍵信息。布設(shè)集成全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、雷達(dá)干涉、地聲發(fā)射等技術(shù)的地表變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，量程為100 mm，精度為1 mm，監(jiān)測(cè)頻率為每天1次；在采空區(qū)上方不同埋深布設(shè)應(yīng)力傳感器（量程為5 MPa，靈敏度為10 kPa）和位移計(jì)（量程為200 mm，分辨率為0.01 mm），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)；在采動(dòng)裂隙帶布設(shè)隱伏式滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括滲壓計(jì)（量程為1 MPa，靈敏度為1 kPa）、示蹤劑監(jiān)測(cè)儀（示蹤劑濃度檢出限為0.01×10-6）等，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地下水滲流場(chǎng)時(shí)空分布特征；布設(shè)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（頻率為1～1 000 Hz，定位精度為10 m），實(shí)時(shí)捕獲巖體破裂及塌陷坍塌誘發(fā)的震動(dòng)信號(hào)。各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，無(wú)線傳輸，數(shù)據(jù)匯集于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)分析處理中心。該中心建立了具有數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、模式識(shí)別以及智能預(yù)警等功能的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，提取了變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的多尺度時(shí)空分布特征，并構(gòu)建了采動(dòng)巖體失穩(wěn)演化模型和滑坡蠕變閾值模型。同時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)分析處理中心原位獲取降雨、溫度等環(huán)境參數(shù)，分析環(huán)境因素與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性，揭示了降雨入滲誘發(fā)采空區(qū)坍塌、季節(jié)性凍融循環(huán)引發(fā)邊坡失穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

3.3 誘發(fā)機(jī)制分析

基于野外試驗(yàn)獲取的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析研究區(qū)煤炭開采誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制。研究表明，采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)和地下水滲流擾動(dòng)是引發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的兩類關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

一方面，煤炭開采改變了區(qū)域原始應(yīng)力平衡，誘發(fā)應(yīng)力調(diào)整和應(yīng)力傳遞，在采空區(qū)上方形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá)2.5，巖體呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力驅(qū)動(dòng)損傷特征，表現(xiàn)為微裂隙開閉、巖體蠕變、損傷強(qiáng)度遞增等，當(dāng)損傷累積達(dá)到巖體強(qiáng)度極限時(shí)，在采動(dòng)應(yīng)力和上覆巖層自重的共同作用下發(fā)生突然失穩(wěn)，形成采空區(qū)坍塌或壓縮型滑坡。

另一方面，采動(dòng)裂隙的發(fā)育為地表水下滲提供了有利通道，地下水沿裂隙網(wǎng)絡(luò)大量滲流，呈現(xiàn)出顯著的非線性滲流特征，滲流水力梯度高達(dá)5，局部在10以上，水動(dòng)力擾動(dòng)顯著。滲流水不僅直接降低巖土體強(qiáng)度，加速其風(fēng)化蝕變，而且產(chǎn)生的滲透壓力和溶蝕作用會(huì)降低巖土體固結(jié)強(qiáng)度并增大孔隙率，進(jìn)而誘發(fā)巖土體蠕變變形坡。

4 結(jié)論

高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域資源開發(fā)過(guò)程中的地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制研究是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的工作。試驗(yàn)分析和案例研究表明，資源開發(fā)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害具有多因素耦合、動(dòng)態(tài)演化的特點(diǎn)，研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制可概括為“采動(dòng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)損傷+地下水滲流驅(qū)動(dòng)蠕變+動(dòng)載荷擾動(dòng)觸發(fā)”的復(fù)合驅(qū)動(dòng)模式。未來(lái)，研究應(yīng)著重發(fā)展智能化監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，完善多場(chǎng)耦合作用下的災(zāi)害演化模型，構(gòu)建綜合防治體系，為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域資源開發(fā)的安全高效實(shí)施提供支撐。

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收稿日期：2024-12-17

作者簡(jiǎn)介：閆巍（1989—），男，湖北隨州人，工程師。研究方向：水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘查及地質(zhì)災(zāi)害勘查、監(jiān)測(cè)、設(shè)計(jì)。