茍 聰，范 堯，魏 軍，王宏波，歐陽友和

（1.成都理工大學，四川 成都 610059；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100）

某露天礦山地質(zhì)環(huán)境特征及地質(zhì)災害預測分析

茍 聰1，范 堯2，魏 軍2，王宏波2，歐陽友和2

（1.成都理工大學，四川 成都 610059；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100）

采礦引起的一系列礦山環(huán)境問題不僅威脅到人們生命財產(chǎn)安全，而且嚴重影響和制約著經(jīng)濟的發(fā)展，也引發(fā)了一系列社會問題和矛盾。鑒于此，筆者針對礦山地質(zhì)環(huán)境特征與地質(zhì)災害進行預測分析，旨在為我國礦山地質(zhì)的勘察工作提供借鑒，為政府部門對進行礦山地質(zhì)恢復治理工作及礦產(chǎn)資源合理開發(fā)利用規(guī)劃提供科學依據(jù)，具有重要的理論意義和實用價值。

露天礦山；礦山地質(zhì)環(huán)境；地質(zhì)災害

某礦山為冶金用白云巖礦山，中型山坡露天礦，礦區(qū)分為南北兩側(cè)兩個預采區(qū)，整個礦區(qū)東西長約2.3km，南北寬約1.5km，海拔最低147m、最高311m，開采礦體標高約+297.10～+180.00m。礦區(qū)順巖層傾向的斜坡平緩，坡角一般15～25°，逆巖層傾向坡角一般20～40°。地層由第四系松散堆積層和奧陶系三山子組、馬家溝群，寒武系炒米店組、崮山組等組成。礦床底板為寒武系炒米店組豹皮狀灰?guī)r，礦層為三山子組c段，巖性以淺灰色中、厚層細晶白云巖為主，厚度約40～60m，詳見圖1。

1 礦床地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)概況

圖1 礦區(qū)水文地質(zhì)略圖

礦區(qū)為斷塊凸起的單斜構(gòu)造區(qū)，巖層傾向40°，傾角15°，礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，發(fā)育正斷層F1，走向130～150°，傾向南西，傾角80°。礦區(qū)地層巖體結(jié)構(gòu)面主要分級為Ⅳ級，裂隙分為兩組：①組：走向30～70°，傾向北西，傾角70～85°；②組：走向130

～170°，傾向南西，傾角60～85°。根據(jù)GB18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，礦區(qū)在50年超越概率為10%條件下的地震動峰值加速度為0.10g，相應的地震基本烈度為Ⅶ度。礦區(qū)無新構(gòu)造活動跡象，礦區(qū)穩(wěn)定性好，但區(qū)域新構(gòu)造運動表現(xiàn)比較強烈，有歷史記載的幾次地震均影響到本區(qū)。

1.2 地質(zhì)環(huán)境特征

1.2.1 水文地質(zhì)

礦體高于基準侵蝕面(標高為+147.70m)，區(qū)內(nèi)無地表水體，地下水補給主要來源于大氣降水。礦區(qū)巖溶發(fā)育，主要沿層面溶蝕發(fā)育而成。地下水類型分為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。松散巖類孔隙水含水層厚度不超過10m，一般1～2m。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水賦存于寒武系、奧陶系等地層巖組，富水性弱，其中深層裂隙巖溶水化學類型為HCO3-Ca·Mg型，pH值7.16～7.61，礦化度361.38～485.55mg /L。含水巖組風化帶厚度及裂隙發(fā)育不均勻，造成地下水無面狀分布規(guī)律，水位埋深不一，地下水運動方向與地形及巖層傾斜方向基本一致，流向為北北東(見圖2)。

圖2 礦區(qū)水文循環(huán)剖面(A-B)示意圖

1.2.2 工程地質(zhì)

礦區(qū)巖層劃分為兩個工程地質(zhì)巖組，第一巖組為第四系松散堆積層，由沖洪積層組成，巖性為灰黃—棕黃色亞粘土、含粘土粉砂，分布范圍及厚度均較??；第二巖組為礦層(體)和礦體底板的堅硬半堅硬巖組。礦體底板為寒武系炒米店組豹皮狀灰?guī)r，礦層為三山子組c段，巖性以淺灰色中、厚層細晶白云巖為主。斷層F1距離開采區(qū)較遠，對礦區(qū)安全開采影響較小。

1.2.3 環(huán)境地質(zhì)

礦區(qū)多基巖裸露，植被相對稀疏多為松樹，礦山的開采對土地、植被產(chǎn)生一定的影響；采礦可產(chǎn)生局部地表變形，對地質(zhì)地貌景觀會產(chǎn)生一定的破壞和影響；礦山排水不會引起大面積地面塌陷、沉降、開裂等現(xiàn)象；對地表水、地下水環(huán)境的影響?。槐镜V床礦石和廢石化學成分基本穩(wěn)定，在開采過程中，將人為產(chǎn)生一定量的粉塵，對礦區(qū)附近居民生活產(chǎn)生影響有限。

2 礦山開發(fā)與地質(zhì)災害

礦山開發(fā)對邊坡穩(wěn)定性和巖體完整性有較大影響。炒米店組地層為礦層底板頂面，穩(wěn)固性好，巖體不利結(jié)構(gòu)面對礦山開采無影響；礦層巖體開采時，軟弱結(jié)構(gòu)面由于抗風化能力相對較弱，在上部厚大巖體自重(人工荷載)作用下，底部較弱結(jié)構(gòu)面將產(chǎn)生壓縮碎裂變形，從而導致上部巖體發(fā)生位移，在陡傾拉裂縫擴展與層面的組合切割下，單層巖體逐步向下蠕變，持續(xù)發(fā)展上部巖體重心外移，若遇強暴雨、地震將產(chǎn)生較大的水平力，受構(gòu)造裂隙切割的巖體將產(chǎn)生崩塌、滑落。礦山開采產(chǎn)生廢石及棄渣隨意堆放，在暴雨等不利工況下會引發(fā)坡面泥石流等地質(zhì)災害。

2.1 泥石流

礦區(qū)地表水的匯水面積約4km2，地表坡角15～25°，地表植被發(fā)育稀疏，基巖大面積裸露，地表碎屑(土、石)物源堆積體不發(fā)育，且地表匯水面積有限，不具備發(fā)生坡面泥石流的環(huán)境地質(zhì)條件，但是局部地段坡面匯流源短流急，在大暴雨或特大暴雨的激發(fā)下，凹型坡內(nèi)的采礦廢渣飽水后會形成泥石流沿溝道而下，威脅礦山的安全生產(chǎn)與正常運行。

2.2 崩塌

礦區(qū)內(nèi)崩塌主要集中在兩處人工開采邊坡處，由于歷史原因開采石料，現(xiàn)已形成高陡邊坡，其邊坡特征詳見表1?，F(xiàn)以B2邊坡為例，進行邊坡穩(wěn)定性分析預測(見圖3)，巖性為豹皮狀灰?guī)r，屬節(jié)理裂隙崩塌類型。由圖3分析可知：邊坡結(jié)構(gòu)為逆向坡，巖體L1組裂隙與坡面成小角度斜交，L2組裂隙與坡面成大角度斜交，裂隙與層面互相交叉切割，兩組節(jié)理裂隙的組合交線也以反傾坡內(nèi)為主，因此邊坡整體穩(wěn)定。但是L1組裂隙與層面的組合交線傾向于坡外，傾角較大且小于坡角，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面，巖體可能沿外傾結(jié)構(gòu)面和組合面產(chǎn)生松動或發(fā)生掉塊，現(xiàn)場調(diào)查的刀砍狀凹巖腔就是這樣形成的。由于邊坡較高較陡，同時受節(jié)理裂隙L1與不利組合結(jié)構(gòu)面的控制，在地表表部植被破壞及大氣降水沿節(jié)理、裂隙面的滲流影響作用下，上部危巖體有沿不利組合面向下發(fā)生傾倒、墜落的可能。現(xiàn)場調(diào)查該地段邊坡裂隙間距較小(d =0.5～2.0m)，裂隙結(jié)構(gòu)面組合較差，巖體被裂隙組合切割，在地震、暴雨等外力作用下該地段巖體將可能發(fā)生崩塌。

表1 人工采石邊坡工程地質(zhì)條件現(xiàn)狀評價表

圖3 B2邊坡裂隙赤平投影圖

2.3 不穩(wěn)定邊坡

礦區(qū)山體南坡坡度較陡，邊坡結(jié)構(gòu)屬于逆向坡，山體表面多分布卸荷巖體和滾石；北坡坡度較緩，邊坡結(jié)構(gòu)屬于順向坡，邊坡穩(wěn)定性問題主要為臨空卸荷引起的變形破壞，通過對邊坡結(jié)構(gòu)和構(gòu)造巖體分級分為如下幾種失穩(wěn)類型：滑移式、墜落式、傾倒式。其失穩(wěn)變形破壞結(jié)構(gòu)示意圖見圖4～圖6(圖4a巖體后緣有陡傾裂隙，圖4b巖體后緣無陡傾裂隙；圖5a巖體重心在支點外側(cè)，圖5b巖體重心在支點內(nèi)側(cè)；圖6a后緣巖體抗拉強度控制，圖6b底部巖體抗拉強度控制)。因此，礦山開采時應避免地質(zhì)災害的發(fā)生，針對不穩(wěn)定邊坡及時進行必要的支護等處理措施。開采邊坡穩(wěn)定性預測分析詳見表2。

圖4 滑移式危巖穩(wěn)定性預測分析圖

圖5 墜落式危巖穩(wěn)定性預測分析圖

圖6 傾到式危巖穩(wěn)定性預測分析圖

表2 邊坡穩(wěn)定性預測評價

3 地質(zhì)災害綜合分析與防治

該礦山開發(fā)建設過程中邊坡整體穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性較差，在地震、暴雨等外界條件的誘發(fā)作用下，仍存在產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)的可能，這也是礦山開采必須研究

的問題。此外，由于礦區(qū)地層軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，開采時邊坡淺層滑坡發(fā)生可能性較大。礦山露天開采時將面臨的主要問題是采場局部崩塌，主要是由于礦山開采形成的直立邊坡，在不利結(jié)構(gòu)面組合切割下致使巖體崩塌發(fā)生，危及邊坡底部的作業(yè)人員。礦山開采后隨著廢石土量增大，沿坡谷堆放容易引發(fā)坡面泥石流等災害。對此提出礦山建設地質(zhì)災害防治措施如下：

(1) 在廢石堆周圍設置匹配的可排水擋墻、擋壩，以及適當斷面的截洪溝道及尾礦庫，以免廢石堆臨空界面活化發(fā)生地質(zhì)災害和洪澇災害。

(2) 開挖礦體使圍巖應力重分布，巖體穩(wěn)定性降低，應避免地質(zhì)災害的發(fā)生，針對不穩(wěn)定斜坡應進行必要的支護等處理措施。

(3) 在自然地形、地貌等不同破壞程度的區(qū)域采用植樹種草及生物籬、生物谷坊等生物工程，以達到盡快覆蓋、固定裸露土體，抑制泥石流發(fā)生的作用。

4 結(jié)語

礦山地質(zhì)災害的發(fā)生大多是由于盲目無序的采礦方法造成的，在開采礦產(chǎn)資源的同時，要科學合理分析礦山地質(zhì)環(huán)境特征，對地質(zhì)災害的發(fā)生做出預測分析；在礦山的開采過程中加強監(jiān)測與預警，積極的用科學的方法和手段來防止和避免礦山地質(zhì)災害的發(fā)生，也只有真正做到合理科學的開采礦山資源；在遇到地質(zhì)災害時才能夠積極穩(wěn)妥的處理，才能實現(xiàn)礦業(yè)的可持續(xù)快速發(fā)展。

[1]房佩賢，衛(wèi)中鼎，廖資生，等.專門水文地質(zhì)學[M].北京：地質(zhì)出版社，1987.

[2]BISHOP A W, MORGENSTERN N. Stability coefficient for earth slopes[J]. Geotechnique, 1960, 10(4): 164-169.

[3]MARA S, VLAD S N, Natrual and technological risk management by private insurance in Romania including mining related disasters[C]//19th International Mine Water Conference, 2009. South Africa: 967-974.

[4]李世海，李曉，劉曉宇.工程地質(zhì)力學及其應用中的若干問題[J].巖石力學與工程學報，2006(6)：1125-1140.

[5]張至剛.邊坡穩(wěn)定性分析技術(shù)在我國金屬露天礦山中的應用[J].云南冶金，1999(6)：8-11.

[6]TROFIMOV V T, ZILING D G. Geoecology, ecological geology and engineering geology; relationship of contents, subjects, objects, and problems[J]. Geoekologiya: Inzhenernaya Geologiya. Gidrogeologiya. Geokriologiya, 1996(6): 43-54.

[7]范堯.山東省飾面石材資源評價標準及其開發(fā)建議[J].江西建材，2014(11)：03-04.

[8]肖和平，潘芳喜.地質(zhì)災害與防御[M].北京：地震出版社，2000.

[9]武強，劉伏昌，李鐸.礦山環(huán)境研究理論與實踐[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[10]YU X Y. Studying theory of displacement and deformation in the mountain areas under the influence of underground exploitation[D]. Dissertation. Kracow (in Poland): AGH University of Science and Technology, 1999, 10(1):2-3.

[11]黃潤秋.地質(zhì)環(huán)境評價與地質(zhì)災害管理[M].北京：科學出版社，2008：254-255.

[12]周愛國，蔡鶴生.地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價理論與應用[M].北京：中國地質(zhì)大學出版社，1994.

Geological Environment Character and Prediction Analyses of Geological Disasters of One Reveal Mine

GOU Cong1, FAN Yao2, WEI Jun2, WANG Hong-bo2, OUYANG You-he2
(1. Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2. Shandong Building Materials Geological Exploration Center, Jinan 250100, China)

A series of mining-induced environmental problems threaten the lives and property of people, and seriously affect and constrain the development of economy. In view of this, the author for geological environment character and geological disasters prediction analysis can provide reference for our mine geological survey work and provide scientific basis for the government carry the case of protecting and treating mining geo-environment, and rational exploit mining resources, so the research is of great actual meaning and theory value.

reveal mine; mining geo-environment; geological disaster

TU142

A

1007-9386(2015)02-0059-04

2014-09-05