孫曉鵬

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730207）

由于我國(guó)山脈眾多，其中蘊(yùn)藏了十分豐富的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量，所含礦產(chǎn)種類非常的齊全，迄今為止我國(guó)共發(fā)現(xiàn)有180多種礦產(chǎn)資源，具有明顯存儲(chǔ)量的礦產(chǎn)資源約占170種，在所有的礦產(chǎn)資源中能夠位于世界前列的探明性資源儲(chǔ)量高達(dá)30多種。在社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展下，大規(guī)模地開發(fā)礦產(chǎn)資源已經(jīng)成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)變化的重要必經(jīng)階段。礦產(chǎn)資源在開發(fā)和合理利用的過程中，能夠有效促進(jìn)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展，但由于資源的過度和不合理開發(fā)常常導(dǎo)致礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，引起植被破壞礦山周圍生態(tài)環(huán)境的惡化甚至退化。許多礦物廢料做不到及時(shí)的清理，造成不合理堆渣使得當(dāng)?shù)氐牡乇硭偷叵滤l(fā)生污染，已經(jīng)嚴(yán)重的影響了當(dāng)?shù)厝藗兊纳钯|(zhì)量，阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的步伐[1]。

面對(duì)礦山資源開發(fā)所引起的環(huán)境問題以及地質(zhì)災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外各界學(xué)者其研究時(shí)間比較晚，基本上在20世紀(jì)末期才開始，仍屬于需要開發(fā)的新領(lǐng)域范疇。而我國(guó)作為能源使用和輸出大國(guó)，針對(duì)礦山開采所引發(fā)的各種地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)破壞問題，進(jìn)行了強(qiáng)有力的研究。對(duì)于礦山生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)，不只是保證礦山資源的持續(xù)開發(fā)，更主要的是后續(xù)礦山可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀

礦山的地質(zhì)環(huán)境主要表現(xiàn)為，一個(gè)曾經(jīng)被和正在開發(fā)利用的礦山，以及準(zhǔn)備進(jìn)入開發(fā)的礦山個(gè)體之間，和毗鄰的地球圈層之間，所組成的相對(duì)獨(dú)立的生物與環(huán)境交換系統(tǒng)。此系統(tǒng)以巖石圈作為基礎(chǔ)，礦山資源的開發(fā)利用作為其主導(dǎo)條件，逐步影響了地球表面上各個(gè)巖石圈所處的自然環(huán)境。為了能夠更好地掌握礦山目前的地質(zhì)條件和現(xiàn)狀，根據(jù)礦山內(nèi)的地層巖性、水文條件以及形成的地勢(shì)地貌三方面來分析[2]。

1.1 礦山內(nèi)地層巖性

首先礦山地層的形成年代和環(huán)境決定了地層的礦物質(zhì)成分，地層的巖性不同其巖體所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)構(gòu)造就不同，每個(gè)地層巖性都有其各自所屬的物理性質(zhì)，其內(nèi)在的礦物質(zhì)成分能夠直接決定該礦山的抗風(fēng)化能力。在我國(guó)大多數(shù)的礦山中，均包含多個(gè)層級(jí)以上的地層巖性，在古生代、中生代以及新生代的組成下，礦山內(nèi)的地層露出情況較為齊全。從巖性發(fā)育的厚度和疊層年代，能夠?qū)ΦV山內(nèi)部的地層巖性進(jìn)行詳細(xì)分析，選擇較為代表性的巖性進(jìn)行闡述，對(duì)礦山中的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行描述。厚度在0m～50m范圍之內(nèi)，此系統(tǒng)的巖性為淺黃色砂質(zhì)粘土，以及砂礫卵石層和煤矸石等；厚度在100m～500m范圍之間，多為侏羅紀(jì)系統(tǒng)時(shí)期，按照中統(tǒng)和中下統(tǒng)以及下統(tǒng)分類，基本上多為砂巖和泥巖，其中以紫紅色泥巖夾灰紫色巖屑長(zhǎng)石砂巖，形成頂為黃灰或者深灰色的葉肢介頁(yè)巖；厚度在500m范圍以上的處于三疊系內(nèi)，形成的巖性基本為深灰色或者灰色的白云巖，以泥質(zhì)灰?guī)r和膏鹽層為頂，底為凝灰質(zhì)水云母粘土巖。綜合出露面積來看，形成地層巖性較大的為三疊系和侏羅系地層，主要巖性為洪積和沖積而形成的砂質(zhì)粘土層和礫卵石層。

1.2 礦山內(nèi)水文條件

其次水文因素是指礦山地下水對(duì)地質(zhì)環(huán)境的營(yíng)力作用，主要體現(xiàn)在其自身所產(chǎn)生的物理特性，時(shí)而運(yùn)動(dòng)時(shí)而靜止。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的礦山地下水能夠?qū)r體的結(jié)構(gòu)面起到潤(rùn)滑效果，使其開采結(jié)構(gòu)面的阻力減少，其巖體更容易軟化崩裂；而靜止的地下水會(huì)對(duì)巖體造成一定的溶解和沉淀作用，在裂縫中存在的靜止水產(chǎn)生一定壓力時(shí)，其巖體裂縫程度增加，使得礦山巖體表面的土壤發(fā)生移動(dòng)。

礦山內(nèi)部的地下水資源較為豐富，一般來講動(dòng)態(tài)的變化較大，受雨季和旱季影響，在不同地區(qū)內(nèi)會(huì)形成不同的補(bǔ)給情況。在雨季尤其是大暴雨天氣，南方地區(qū)的地下水水位會(huì)出現(xiàn)大幅度升高，動(dòng)水壓力將會(huì)進(jìn)一步增大。而北方地區(qū)一般會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)時(shí)段，一是雨季二是積雪融化都會(huì)對(duì)地下水位產(chǎn)生影響，但不會(huì)出現(xiàn)大幅度上升的效果，主要是由于北方降水量在總體上，要少于南方地區(qū)。地下水類型主要?jiǎng)澐譃樗念悾毫严端⒖紫端?、巖溶水及斷層帶地下水。根據(jù)地下水的補(bǔ)給和徑流途徑以及排放條件，能夠分析出其動(dòng)態(tài)的變化規(guī)律，地下水位的抬升和下降不僅與該地區(qū)的降雨量和地表水息息相關(guān)，同時(shí)又受到地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造，以及地形地貌等條件的控制。其中以孔隙水類型最為標(biāo)準(zhǔn)，在季節(jié)性含水層中，隨著雨季和旱季的水位變化，從而形成彼此聯(lián)系的地下水位變化特征，在礦山內(nèi)部具有排泄條件良好等優(yōu)勢(shì)。

1.3 礦山內(nèi)地勢(shì)地貌

最后是地勢(shì)地貌對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在，我國(guó)大多數(shù)礦山形成于板塊交接地帶，其山系的結(jié)構(gòu)構(gòu)成以褶皺山和盆地為主，褶皺的構(gòu)造能夠?qū)Φ乇懋a(chǎn)生一定的應(yīng)力，使變形力量大幅度積聚，如果在開采過程中不及時(shí)處理就會(huì)發(fā)生十分嚴(yán)重的事故。

礦山的起伏形成一般由板塊運(yùn)動(dòng)引起，在地勢(shì)呈現(xiàn)出顯示出較大的起伏狀態(tài)，在礦山中的海拔高程中逐漸上升，在內(nèi)部形成礦山內(nèi)的最高山峰定點(diǎn)。受地質(zhì)構(gòu)造影響，在礦區(qū)內(nèi)會(huì)形成危崖聳峙和溝壑縱橫的兩種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)較為危險(xiǎn)的壟脊?fàn)钌矫}。而對(duì)于較為平緩的地帶，一般由丘陵和平壩等形態(tài)作為地貌地勢(shì)，此時(shí)海拔高程也不會(huì)超過400m的高度，形成較為渾圓的低平地勢(shì)為主，壟狀和脈狀的深丘較少。當(dāng)海拔超過1000m時(shí)會(huì)出現(xiàn)中山地脈，而當(dāng)?shù)V山內(nèi)部具有廣布的石灰?guī)r時(shí)，會(huì)形成喀斯特地貌成為眾多溶洞，土壤的肥力低下，不適宜作為農(nóng)耕條件，而一旦礦山開采不合理會(huì)造成水土流失問題。

2 礦山主要工程地質(zhì)問題

2.1 露天采場(chǎng)產(chǎn)生滑坡

人們?cè)诘V產(chǎn)資源的開采過程中，由于沒有按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行開采，常常導(dǎo)致采礦場(chǎng)邊坡發(fā)生失穩(wěn)，出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。一般來說，此類災(zāi)害常常發(fā)生與建材開采礦山中，主要是建材開采常為露天狀態(tài)，而大多數(shù)礦山的露天開采礦床位于斷裂帶邊緣，地層的巖石結(jié)構(gòu)由變質(zhì)砂巖和砂巖組成，由于其砂質(zhì)較細(xì)，礦體受斷層控制，在上盤形成了一系列的分支結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)V床的梯段以上采場(chǎng)邊緣處于下盤斷層時(shí)，其邊緣會(huì)和斷層形成平行狀態(tài)，如圖1如示。

圖1 礦床滑坡橫截面解剖示意圖

如圖所示，露天采場(chǎng)的邊坡具有一定的高度，從最低標(biāo)高到最高標(biāo)高的設(shè)置，兩者要大于一百米，且在兩者之間要設(shè)定多個(gè)標(biāo)高平臺(tái)，當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)礦山巖體地下時(shí)軟化了砂巖層表面，使其抗剪強(qiáng)度降低，變成邊坡滑動(dòng)的形成面，造成邊坡穩(wěn)定性減弱。其次由于采場(chǎng)附近的樹木會(huì)阻礙礦產(chǎn)廢料的堆放，將周邊的樹木改造成了彎曲狀態(tài)，形成了明顯的滑坡區(qū)，在礦床爆破的影響下，其土壤松動(dòng)，產(chǎn)生裂縫，通過大氣降水的因素影響，原有生態(tài)平衡被破壞，產(chǎn)生山體滑坡[3]。

2.2 嚴(yán)重坍塌冒頂事故

根據(jù)礦山巖石的形成年代來看，大多數(shù)存在于侏羅紀(jì)時(shí)期的煤系地層，其底部的巖體屬性為鐵質(zhì)礫巖，其性質(zhì)容易被氧化。

礦山內(nèi)的巖石礦化特征會(huì)隨著高度的增加而強(qiáng)度增大，越接近礦山頂部的巖性所屬品位越高，而向底部發(fā)展的巖性逐漸減弱，直到其在礦山開發(fā)過程中不再出現(xiàn)。一般情況下，礦山發(fā)生坍塌事件主要由于開采方式采取不當(dāng)，人們?cè)诘V山內(nèi)部進(jìn)行資源開采時(shí)，由于頂部的礦石強(qiáng)度很高，在空采區(qū)不進(jìn)行礦柱保留，或者礦柱遭到破壞，那么在頂部的礦體壓力不斷增加下，礦山會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的坍塌冒頂事件。

除此以外，在地下水流的不斷滲透作用中，鐵質(zhì)礫巖的顆粒周圍受壓力影響，其結(jié)合水的吸力增加，而位于孔隙中的水難以自然流出，在砂巖的暴露過程中，會(huì)使頂部板塊發(fā)生掉塊和嚴(yán)重涌砂現(xiàn)象。隨著砂巖中水的不間斷流出，大多數(shù)砂巖在遇到水后處于完全濕化的狀態(tài)，其中度和粗度的砂巖強(qiáng)度會(huì)減少至一半以下的狀態(tài)，一旦砂巖內(nèi)部存在保水現(xiàn)象，在工程被揭穿或者采場(chǎng)的頂層板暴露時(shí)，會(huì)發(fā)生坍塌和冒頂事故[4]。對(duì)于埋藏比較深的礦體資源，在開采完畢后若沒有及時(shí)對(duì)空采區(qū)進(jìn)行回填，那么空采區(qū)會(huì)造成大面積的坍塌，尤其在較為平緩的地區(qū)更明顯。

2.3 坑道發(fā)生嚴(yán)重變形

受礦山開采條件影響，產(chǎn)生的礦山坑道一般成沉積式回旋結(jié)構(gòu)，底部一般為礫巖，向上依次由砂巖和粘土巖組成，其礦山開采的煤層均不小于12層，每個(gè)層面的巖體組成結(jié)構(gòu)各不相同，以某礦山第十層為主要開采對(duì)象，該煤層含有四個(gè)分層，每個(gè)粘土巖層的厚度不盡相同，對(duì)其內(nèi)在巖石特性進(jìn)行研究，其性質(zhì)如表1所示。

表1 某礦山第十層巖石特性

根據(jù)表內(nèi)特性所示，在礦山挖掘坑道后，分化出來的粘土層會(huì)受到坑內(nèi)環(huán)境所致，不斷吸收坑內(nèi)水分，使得巖體體積不斷膨脹，尤以紫色粘土為主。在不斷地膨化過程中，受風(fēng)化作用影響，其內(nèi)部的壓力使得巖體強(qiáng)度降低，在漲大過程中會(huì)破壞坑道設(shè)置的支架，使坑道發(fā)生嚴(yán)重變形甚至將坑道直接堵死，造成人員傷亡。

2.4 地下水位改變引起地質(zhì)災(zāi)害

在礦山開采過程中，技術(shù)人員通過不同的方法進(jìn)行探測(cè)，雖然在實(shí)際工作中能夠發(fā)揮出使用價(jià)值，但受各類條件因素，在礦山開采中會(huì)存在不同程度的地質(zhì)問題，除了對(duì)礦內(nèi)環(huán)境的影響外，其中以地下水位改變引起的地質(zhì)災(zāi)害最為常見。分別對(duì)不同程度的礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析，按照災(zāi)害程度和礦區(qū)含水層進(jìn)行對(duì)比，以防治的難易度為側(cè)重點(diǎn)，證明地下水位改變對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的迫害程度。選擇開成程度較輕和較重兩個(gè)類型，按照地下開采的程度進(jìn)行土地資源統(tǒng)計(jì)，對(duì)照兩個(gè)類型所處的地貌景觀，具體情況如下表2所示。

表2 某礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)估數(shù)據(jù)

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在將該礦山的地質(zhì)環(huán)境分為兩個(gè)類型后，按照較嚴(yán)重區(qū)和較輕區(qū)進(jìn)行評(píng)估，以開采時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)兩者的開采程度不一致。較輕區(qū)域開采時(shí)間較短，破壞的土地面積也較少，對(duì)照嚴(yán)重區(qū)域所產(chǎn)生的空礦區(qū)面積，僅為嚴(yán)重區(qū)域的十分之一。而據(jù)評(píng)估后的結(jié)果來看，基本上空礦區(qū)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的防治難度，均為地下水位改變，以此確定地下水位改變會(huì)引發(fā)不同程度的地質(zhì)災(zāi)害問題。

地下水改變引起的地質(zhì)災(zāi)害，包括兩個(gè)方面：一是礦內(nèi)涌水和突水問題，此類現(xiàn)象在礦產(chǎn)資源開發(fā)中較多，且產(chǎn)生的災(zāi)害后果最為嚴(yán)重。涌水主要是在開采過程中，受技術(shù)限制人們對(duì)礦坑的用水量進(jìn)行分析，為節(jié)省開采成本和時(shí)間，直接對(duì)礦內(nèi)結(jié)構(gòu)完成測(cè)量后，直接選擇位置進(jìn)行打穿，一旦出現(xiàn)事物會(huì)造成空洞，礦內(nèi)的大量地下水會(huì)突然涌入，導(dǎo)致各類安全事故發(fā)生。突水的關(guān)鍵在于地下水一定條件進(jìn)行突破，地下水想要沖破巖體必須找到突破口，而在長(zhǎng)期開采中巖體特性發(fā)生改變，地下水自身的力學(xué)特性，能夠產(chǎn)生應(yīng)力和采動(dòng)內(nèi)在聯(lián)系，成為其突水現(xiàn)象的關(guān)鍵。二是在礦山開采過程中，產(chǎn)生的廢物和廢渣直接排入在地下水中，因?yàn)椴荒芗皶r(shí)對(duì)污水進(jìn)行處理，導(dǎo)致地下水環(huán)境受到污染。長(zhǎng)期以往下去地下水一直處于污染狀態(tài)，對(duì)其所在的巖層和土壤進(jìn)行侵蝕，從而引發(fā)水土流失和土地沙化等自然問題。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)現(xiàn)有的礦山環(huán)境因素的了解，分析目前我國(guó)礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，找出礦山主要工程存在的地質(zhì)問題包括三方面。但由于在調(diào)研過程中，由于個(gè)人精力和水平有限，在分析影響因素時(shí)只通過文獻(xiàn)查找和對(duì)比法進(jìn)行分析，沒有依托礦山實(shí)際進(jìn)行考察，有些影響因素可能會(huì)因?yàn)楫?dāng)?shù)氐臍夂蛴绊懽兂捎欣蛩?，這一點(diǎn)并未考慮進(jìn)去。因此在后續(xù)的研究中，希望合理分配自己的時(shí)間，在大量閱讀文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，能夠走出去親自在礦山開采工作的現(xiàn)場(chǎng)感受，進(jìn)一步觀察礦山資源開發(fā)所帶來的影響，做更深入的研究。