薛永安,喬清海,呂義清,劉 碩,樊俊文

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.太原理工大學(xué) 地震與地質(zhì)災(zāi)害防治研究所,太原 030024;3.太原市國(guó)土資源局,太原 030009;4.太原市國(guó)土資源局 萬(wàn)柏林分局,太原 030024)

目前,針對(duì)資源型城市(或稱(chēng)礦業(yè)城市)的土地資源利用多從其土地利用變化[1-2]、土地利用優(yōu)化配置[3]、土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素[4]、土地集約利用[5]、生態(tài)安全[6]、生態(tài)演化[7]等方面展開(kāi)研究,同時(shí),還有學(xué)者從土地利用的角度出發(fā)進(jìn)行礦業(yè)城市生態(tài)控制區(qū)的劃定研究[8],但對(duì)資源型城市的土地安全利用研究較少[9-10],如何評(píng)價(jià)處于采礦區(qū)的土地資源是否處于安全狀態(tài),受人類(lèi)采礦活動(dòng)影響下的土地資源是否可以安全利用,是資源型城市發(fā)展不得不面對(duì)并解決的問(wèn)題。當(dāng)前,常用概率積分法對(duì)地下采礦區(qū)地表任意點(diǎn)任意方向的垂直和水平移動(dòng)變形值進(jìn)行預(yù)計(jì),進(jìn)而獲得地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)的界線(xiàn)。但是,資源型城市地下采礦情況一般分為國(guó)有大礦開(kāi)采、地方小礦開(kāi)采和非法違法開(kāi)采,其中,國(guó)有大礦的地下開(kāi)采資料可以收集,所以可以進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì),而地方小礦開(kāi)采和非法違法開(kāi)采資料掌握不全,開(kāi)采煤層、厚度、范圍等具有不確定性,因此無(wú)法開(kāi)展沉陷預(yù)計(jì)。同時(shí),地方小礦和非法違法開(kāi)采區(qū)域大多位于國(guó)有大礦的礦界周?chē)?在空間上形成了圍繞大礦的小礦開(kāi)采條帶。因此,盡管可以使用沉陷預(yù)計(jì)方法對(duì)國(guó)有大礦進(jìn)行計(jì)算,但是無(wú)法解決其邊緣小礦開(kāi)采的沉陷預(yù)計(jì)。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,初步提出了地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)的概念,對(duì)其特征、地表表現(xiàn)形式、調(diào)查方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述,以期為資源型城市地下采礦區(qū)土地的可持續(xù)利用及再利用提供基礎(chǔ)探索。

1 地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)特征

地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)是指地下采礦打破地質(zhì)體應(yīng)力平衡狀態(tài),并可能引起地表變形和破壞及可能產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域。地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)的主要特征表現(xiàn)為:

1)關(guān)聯(lián)性。地下采礦區(qū)域分為工作面、采區(qū)和礦區(qū),單工作面、單采區(qū)和單礦區(qū)開(kāi)采必然受到相鄰工作面、相鄰采區(qū)和相鄰礦區(qū)的擾動(dòng)影響,從而使擾動(dòng)影響的范圍呈現(xiàn)空間上的相互關(guān)聯(lián)。

2)復(fù)雜性。地下采礦擾動(dòng)是對(duì)含礦地質(zhì)體原有狀態(tài)的破壞,其影響程度受地質(zhì)構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性、采礦方法、礦體采厚和采深、采空區(qū)尺寸等諸多因素影響,從而形成一個(gè)復(fù)雜的多因素耦合地下采礦擾動(dòng)體系。

3)針對(duì)性。地下采礦擾動(dòng)影響不是傳統(tǒng)的開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì),其目的是針對(duì)資源型城市采礦區(qū)土地的安全再利用,因此劃定地下采礦擾動(dòng)影響范圍是對(duì)資源型城市可持續(xù)發(fā)展提供本安型紅線(xiàn)。

4)潛在性、不確定性。含礦地質(zhì)體原有應(yīng)力狀態(tài)的被打破,再次恢復(fù)到平衡狀態(tài)需要一定的時(shí)間,在這期間,自然與人為因素有可能再次誘使其失去平衡,從而發(fā)生災(zāi)害,這一過(guò)程表現(xiàn)為不確定性和潛在性。

5)隱蔽性、突發(fā)性。含礦地質(zhì)體應(yīng)力體系再次回歸平衡狀態(tài)過(guò)程中,其何時(shí)達(dá)到再次穩(wěn)定很難評(píng)價(jià),一旦遭遇強(qiáng)烈的內(nèi)力或外力導(dǎo)致地質(zhì)體急劇失去平衡,則表現(xiàn)為災(zāi)害的突發(fā),在目前的科學(xué)技術(shù)下,這類(lèi)災(zāi)害發(fā)生很難預(yù)計(jì),具有隱蔽性和突發(fā)性。

6)隨機(jī)性。地下采礦擾動(dòng)影響討論的不再是單一工作面、單一采區(qū)和單一礦區(qū)開(kāi)采的地表影響,而是具有空間關(guān)聯(lián)性的含礦地質(zhì)體在實(shí)施地下采礦后的擾動(dòng)影響范圍,其所表現(xiàn)出的地表影響狀況具有空間上的隨機(jī)性。

2 地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)地表表現(xiàn)形式

地下采礦擾動(dòng)影響的地表表現(xiàn)形式主要為:地形地貌的破壞、地面塌陷與地裂縫、崩塌與滑坡、潛在泥石流。

2.1 地形地貌

受地下采礦擾動(dòng)影響,含礦地質(zhì)體表面出現(xiàn)山體垮滑和地面塌陷,同時(shí),崩塌與滑坡災(zāi)害地貌體涌現(xiàn),對(duì)礦區(qū)原生地貌造成直接破壞,其形式見(jiàn)圖1。

圖1 地下采礦擾動(dòng)影響地形地貌破壞Fig.1 Topography destruction caused by disturbance effect of underground mining

2.2 地面塌陷與地裂縫

地下采礦受開(kāi)采方式及開(kāi)采條件的不同,其擾動(dòng)影響傳遞到地面后形成了塌陷盆地、塌陷坑、塌陷槽、塌陷臺(tái)階、地裂縫等,靠近山坡處還會(huì)形成陡崖。其形式見(jiàn)圖2。

圖2 地下采礦擾動(dòng)影響地面塌陷Fig.2 Ground collapse caused by disturbance effect of underground mining

2.3 崩塌與滑坡

地下采礦擾動(dòng)打破了原有地質(zhì)體的應(yīng)力平衡狀態(tài),地質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞,坡地重力災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增大,表現(xiàn)為崩塌與滑坡,其形式見(jiàn)圖3。

圖3 地下采礦擾動(dòng)影響崩塌與滑坡Fig.3 Caving and landslides caused by disturbance effect of underground mining

2.4 潛在泥石流

受地下采礦擾動(dòng)影響,含礦地質(zhì)體結(jié)構(gòu)發(fā)生松動(dòng),山體邊坡易發(fā)生巖土體崩落堆積,嚴(yán)重時(shí)形成崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害,成為泥石流災(zāi)害發(fā)生的重要物源,從而使礦區(qū)小流域存在泥石流災(zāi)害發(fā)生的潛在風(fēng)險(xiǎn),其形式見(jiàn)圖4。

圖4 太原市萬(wàn)柏林區(qū)虎峪河流域泥石流溝Fig.4 Debris flow gully in Huyuhe Basin in Wanbailin District, Taiyuan City

3 地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)調(diào)查方法

地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)調(diào)查工作涉及礦山企業(yè)多、采空分布范圍廣、采空形成原因復(fù)雜,且缺乏作業(yè)依據(jù),因此,可選擇資料分析法作為調(diào)查的技術(shù)手段。

3.1 調(diào)查走訪(fǎng),搜集歷年采礦相關(guān)數(shù)據(jù)

資源型城市礦山企業(yè)多、地下采礦分布范圍廣、形成原因復(fù)雜、歷史圖件尺度不一、空間信息基準(zhǔn)不一,且缺乏作業(yè)規(guī)范與理論依據(jù)。因此,主要收集現(xiàn)存的歷史采礦資料、各大型國(guó)有礦井采掘資料、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)規(guī)劃資料、采煤沉陷區(qū)治理資料和煤炭資源私挖亂采分布資料等。

對(duì)于存在資料缺失的小煤礦和私挖亂采黑窯等客觀(guān)情況時(shí),可采用實(shí)地調(diào)查、訪(fǎng)問(wèn)知情人或群訪(fǎng),輔助該部分區(qū)域采礦擾動(dòng)影響區(qū)的劃定。

3.2 工作范圍內(nèi)的多源、多尺度數(shù)據(jù)融合

收集的數(shù)據(jù)來(lái)自不同的管理部門(mén)和礦山企業(yè),其所采用的數(shù)據(jù)尺度、基準(zhǔn)、表現(xiàn)內(nèi)容等大多不同,并且各種數(shù)據(jù)來(lái)源不一、精度各異,進(jìn)行后續(xù)分析之前必須對(duì)其進(jìn)行融合加工,使其具有統(tǒng)一的空間參考模型。同時(shí)將多種尺度的數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖綜合,達(dá)到數(shù)據(jù)的尺度統(tǒng)一。

根據(jù)國(guó)家相關(guān)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的保密規(guī)定,刪除所收集數(shù)據(jù)中涉及國(guó)防、軍事相關(guān)的地名等信息,防止成果數(shù)據(jù)包含軍事、國(guó)防等信息而泄密。

3.3 對(duì)所搜集的資料進(jìn)行定量、定性分析

在定量確定地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)邊界線(xiàn)的基礎(chǔ)上,采用收集到的項(xiàng)目區(qū)內(nèi)與地下礦體開(kāi)采有關(guān)的資料,結(jié)合國(guó)有大礦已有的小煤礦分布圖、地質(zhì)構(gòu)造分布圖和煤層露頭線(xiàn)分布圖等對(duì)邊界線(xiàn)進(jìn)行修正,得到定量與定性綜合分析的地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)。

3.4 確定地下采礦擾動(dòng)影響區(qū),并提出相應(yīng)管控措施

以野外核查、調(diào)查訪(fǎng)問(wèn)的結(jié)果對(duì)前述確定的地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)進(jìn)行完善,確定地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)范圍,并提出有針對(duì)性的管控措施,供政府規(guī)劃決策參考。總體技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖5所示。

圖5 總體技術(shù)路線(xiàn)圖Fig.5 Overall technology roadmap

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了針對(duì)地質(zhì)體的地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)概念,這是一個(gè)全新的課題,為今后深入研究地下采礦區(qū)域受擾動(dòng)破壞土地再利用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),為地質(zhì)條件復(fù)雜、采礦時(shí)間跨度長(zhǎng)、各種各類(lèi)采礦活動(dòng)變動(dòng)頻繁等資源型城市地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)空間分布范圍調(diào)查提供了技術(shù)參考?；诒疚牡奶接?建議推進(jìn)國(guó)家、省一級(jí)層面的科技部門(mén)開(kāi)展地下采礦擾動(dòng)影響專(zhuān)題研究,建立以含礦地質(zhì)體為研究主體的地下采礦擾動(dòng)影響區(qū)調(diào)查規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),為這一新課題的深入研究和應(yīng)用提供支持。

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