地下采矿诱发山体崩滑地质灾害分析

2022-12-18姬晓东

中国金属通报 2022年9期

姬晓东

地下工程活动量的不断增高，导致地下开采所诱发的山体滑坡地质灾害也在不断增加，此类地质灾害不仅会影响采矿工程的进展，带来严重损失，甚至会威胁采矿工人的生命安全。因此，需深入研究采动滑坡的发生机制，加强对矿山地质环境的保护，合理选择地下开采方式，减少诱发山体崩滑地质灾害的发生机率。虽然我国采矿历史发展悠久，矿体露头较浅，可选择的开采地点较多，但整体开采规模较小，而且我国矿业生产的大规模发展起步较晚，导致整体开采水平较低，所以在地下开采过程中，容易诱发山体崩滑地质灾害。所以结合上述问题，需进一步深入研究地下采矿引发地质灾害的相关内容，结合采动滑坡发生机制，研究地质灾害的防治措施，减少山体崩滑地质灾害的发生。

1 地下采矿诱发地质灾害的相关内容

1.1 引发灾害的条件

地下采矿会对周围的地质环境造成持续性破坏，而采矿工作本就是一项较为重复的工作，且涵盖范围较大，会直接引发地质灾害，同时也会导致地质灾害问题加重。地质灾害发生的主要条件包括地形地貌、岩土构成、地层沿性等，而在此类发生条件中，区域性地质构造以及岩土侵蚀，直接影响着地质灾害的发生。其中最为常见的地质因素以地形地貌为主，地形地貌会直接影响地质灾害的种类、发育程度以及发生范围，同时带来地质灾害的机率也高于其他条件。

1.2 灾害形成的原因

矿山开采层的厚度、采深以及采厚等开采方式，影响着矿山开采塌陷等问题的发生机率。在矿山开采过程中，会在地下形成一定空间，使得岩体的平衡状态受到影响，且无法保障岩体的平衡性，由上至下的岩层可能会出现断裂、裂隙等情况。又由于在采矿过程中上覆岩层会遭到破坏，从而对覆岩层地质性质产生影响，发生一些严重的变化，从而导致采空区遭到破坏。如果矿山的内部拉应力超出岩层的极限值范围，可能会导致顶板出现断裂、破坏等多项问题，甚至会导致冒落问题；同时也可能会出现移动与弯曲等现象，直接造成裂缝与离层等问题。因此可见，地下采矿会引发严重的地质环境问题，在地下开采过程中也可能会引发滑坡、泥石流等多项灾害，甚至会导致地面出现沉降，间接引起土地破坏等现象，从而直接影响矿产开采单位以及工作人员的生命安全。

2 地下采矿对矿山地质环境的影响

2.1 地下岩体应力

在地下开采过程中会形成一定的空间，使得岩体原有的平衡状态无法有效维持，从而导致岩体由下至上出现断裂、裂缝。所开发的内部空间在开采过程中会超出原有的减压范围，使其压应力逐渐消失，聚合的岩层弹性逐渐释放出来，使得岩石开挖空间出现特殊现象。同时，在开挖空间的顶部与底部会形成减压区域，对周围的岩石造成破坏，导致地层发生移动或变形。如果矿山内部拉应力超出岩层能够承受抗拉的极限值后，则可能会导致顶板出现断裂或者破坏问题，甚至引发冒落现象。而在此基础上可能会出现移动或者弯曲现象，从而直接造成裂缝、结构破坏等问题。在变化过程中，如果逐渐发展到表面，则可能在发掘范围内形成更为广大的下沉型盆地，并引发一系列的地质与环境问题。因此在地下开采过程中，除了会引发滑坡泥石流等灾害以外，也可能会出现地面沉降灾害，导致水资源污染或土地结构破坏。

2.2 破坏岩层结构

由于在地下开采过程中，岩石应力的平衡状态受到影响，出现由下到上的断裂与裂缝问题，影响了地下开采的安全性。在地下开采过程中，采空范围内岩层破坏主要包括以下几种：第一，冒落现象。冒落是指在岩层移动过程中出现的一种强烈运动形式，一般情况下，只会在采空范围中的顶板岩层出现冒落现象。这主要是由于在采空范围内，上部岩层会出现弯曲，从而引发拉伸变形等问题，一旦变形超过预先的抗拉强度，则会对岩层造成破坏，使其形成大小不一的岩块，并散落在采空范围内。如果岩层出现严重的破碎问题，则可能会逐渐向地表延伸，导致土体出现崩落或者滑移等问题，引发地面开裂等严重性破坏。第二，岩石下滑。如果开采区域的倾角较大，上方垮落的岩石可能会直接下滑到采空区，导致采空区上方范围扩大，下方范围逐渐缩小，从而导致上方岩层移动问题加剧，下方岩层在移动时出现减弱现象，从而引发地表变形开裂等现象。第三，弯曲现象。弯曲现象也与岩层移动之间密切相关，在进行地下开采时，需要从顶板展开，而岩层沿着法线方向可能会出现弯曲现象，在到达地面时，会发生倾斜与变形等地质灾害，从而引发地表塌陷，对周围环境造成威胁。

2.3 地表发生移动

随着岩层移动越来越稳定，采空范围的上方会因为塌陷而形成下沉型盆地，而此区域的面积会超过开采面积。而在开采过程中面积趋向于矩形，下沉盆地趋向于椭圆形。同时，下沉盆地中不同点的移动量有所差异，使得地表的地质形态、生态系统受到干扰而发生变化。最终使得地表高于于水平位置，引发地形变化，影响基础建筑的安全性，对周围的生活环境造成威胁。严重的情况下会形成塌陷坑，植被与水资源也会受到危害，对于生态环境的稳定性而言十分不利。

3 山体崩滑地质灾害的国内外研究现状

现代科学技术的快速发展为研究采动滑坡提供了支持，并取得了诸多研究成果，为掌握采动滑坡形成条件与成灾机制奠定了基础。早期在研究采动滑坡时，主要从滑坡学的角度出发，分析了地层、构造、岩性结构、地下水等多个方面的因素，在此基础上，研究了采动滑坡的形成原因，结合地下开采模式、上覆岩体等应变关系探讨坡体的稳定性。但过去研究主要围绕着地形地质等条件对滑坡进行分析，采动滑坡的研究也只是结合经验。随着对采动滑坡研究的深入，物理模拟与数值模拟也越来越广泛，系统化研究随之深入，采动滑坡研究也逐渐涉及到采矿学、滑坡学、岩石力学、开采沉陷学等综合领域。

在20世纪70年代，国外就采用了采动滑坡灾害系统，并详细分析了场地条件、地质构造、开采沉陷规律、时间效应等关键要素，并最终得出滑坡的发生与地下开采有着密切关系，通过对观测数据以及经验预测结果的对比，对采动滑坡的了解也更加深入。也有研究认为地下采矿是导致边坡变形的主要因素，在地下采矿时所形成的废旧巷道，会导致地表下沉或者形成地裂缝，而地表水会从裂缝渗入到巷道中，导致边坡变形并受到损害。在研究浅表层滑坡时，采用了物理模拟与数值模拟的方法，最终结果发现在地下开采时会出现采空区，而采空范围内的顶板会形成拉应力，使得裂缝在弱结构面中扩展，从而导致边坡安全系数降低。也有实验模拟了不同开采深度、开采位置以及开采方式对边坡地形的影响。

国内对采动滑坡的研究也较为深入，比如，包头白灰厂滑坡事件就进行了深入研究，认为其诱发因素主要与地下采煤相关；此外，陕西韩城电厂滑坡也与地下采煤密切相关，由于地下采空，导致地表发生变形问题。研究学者对韩城电厂滑坡的采动滑坡机制进行的研究，分别采取了物理模型实验与数值模拟计算，分析了采动滑坡的基本规律。经过多项实验研究，认为形成采动滑坡的主要因素包括地形上高陡临空、山体下部有小规模采矿史，并在山体中形成了具有良好贯穿性的垂直体系，为山体开裂崩滑提供了条件。此外，对不同地区发生过的滑坡事故也都进行了深入研究，最终发现采动滑坡与坡体应力环境改变、岩体发生差异沉降密切相关。总之，当前对采动滑坡的研究大多数围绕着现场监测、物理模型实验、数值模拟实验而展开。

4 采动滑坡监测实验的研究成果

4.1 现场监测

在进行地下采矿时，可能会导致上覆岩层出现移动现象，使得地表出现差异沉降或者引发地裂缝，在监测山体崩滑地质灾害时，现场监测的真实数据可作为重要依据。比如，针对宜昌盐池河磷矿滑坡地质灾害的研究，就对其现场监测数据进行了深入分析，结合数据可发现裂缝严重影响了山体的稳定性，随着地下采矿的逐步进行，裂缝也逐渐延伸到崩塌山体底部，而被裂缝切割的滑坡体地形出现了四面临空现象，并形成了较为不稳定的斜面体系，一旦滑坡体沿着层面开始滑动，地表裂缝则会出现水平与垂直角度的位移，从而引发山体崩滑地质灾害。现场监测技术能够为地质灾害预警提供可靠依据，结合现场监测资料，可以发现地下采矿会影响坡体的稳定性，并诱发山体崩滑等地质灾害。但当前检测资料大多数是以地表监测数据为主，缺乏有关于矿井的对照资料，因此后续研究可围绕着矿井上下的对照资料展开。

4.2 物理模型实验

随着工程技术的快速发展，人们逐渐将材料模拟实验、离心机模拟实验等方法应用到采动滑坡研究中。在构建物理模型实验时，其主要模型包括砂、云母、石膏、锯末等混合物，抽出后组成模型的薄片可模拟地下开采的情况，并观察岩层破裂面的类型与范围。实验结果发现，采动位置处于矿层露头、矿柱等附近时，采矿区的顶板岩层会遭到破坏，此时矿柱顶地板的压应力会随之增加，导致顶底板发生拉伸应变，矿柱逐渐刺入到岩体中，使得边坡的稳定性受到影响。而在地下开采过程中，各个裂缝的张开度也会随着面积的增大而增大，物理实验模型能够在采动作用下，再现坡体移动变形情况。随着采矿工作面的逐步推进，位于采空区的上覆岩体会受到垂直与水平方向的作用力，以及先拉后压的应力，而在坡体的后缘也会形成长裂缝，导致坡体的整体性受到影响。但物理模拟实验无法详细的刻画坡体岩体的结构性质，尤其是在地下开挖过程中模拟可能会出现误差。

4.3 数值模拟实验

采动滑坡的数值与一般滑坡稳定性数值相比，更侧重于地下开采与其他因素对坡体稳定性的产生影响。一般影响采动滑坡的影响因素较多，在数值模拟过程中需要对其进行简化。数字模拟器能够结合采动滑坡的规律，加深对失稳破坏机制机制的了解。比如，武隆鸡尾山滑坡失稳机制的研究，就应用了数字模拟法，在模拟过程中应用RFPA软件，构建了二维计算模型，在保障材料参数与边界条件一致的情况下，对比了地下有开采活动和无开采活动时的状态，最终发现，在地下开采时会影响坡体的稳定性。在数值计算模型的支持下，采动坡体的三维问题可以二维模型展示出来，得出一些趋向性的发展规律，但最终的失稳机制难以通过模拟坡体来获得，尤其是对于岩层倾向与滑动倾向等角度问题，其局限性更为明显。当前已有的数字模型，大多数是以二维模型为主，其对大部分模型都进行了简化，最终得出的结论属于趋向性认知，但也有研究将地下采矿作用作为单独的影响因素，对开采方式、开采强度等带来的影响研究还不够深入，限制了对采动滑坡地质灾害的了解。

5 采动滑坡发生机制研究存在的不足

5.1 山体移动规律不清晰

当前已有的物理模型实验与数值模拟实验，大多数是结合地质条件等影响因素进行研究，通过对各影响因素的简化，得出最终的监测结果，但监测结果大多数是以趋向性结论为主。在研究过程中，会将地下开采作为单一的影响因素进行综合分析，过度强调岩性组合、构造条件的影响。但各项资料表明，在不同地下开采的因素影响下，坡体稳定性受到的影响也会有所差异，因此需要对地下开采因素进行更精细化的研究，使得采动滑坡的发生机制研究更为深入，为预防山体崩滑地质灾害提供可靠依据。

5.2 现场资料收集不完整

当前的监测资料大多数是以地表监测数据为主，对于矿井上下的对照资料却较少，地下采空区扩展与监测数据之间的对应关系也不够清晰。在研究地下采空区时，只是将其作为影响坡体稳定性的一个因素，对地下开采过程以及采用岩层移动的滞后性却缺乏关注，使得地下开采方案不够合理，采动滑坡研究存在困难。在开展现场监测工作时，应当积极调查地下开采的相关因素，并研究上覆岩体的变形规律，通过在坡体中打竖向监测孔，记录不同地下开采阶段的变形状况。另一方面，在现场资料收集时，也应深入研究地震效应等可能诱发地震的因素。虽然爆破震动所诱发的地震强度不大，但如果过于频繁也会影响山体的稳定性，尤其是在坡体岩体结构中，可能存在软弱夹层，一旦出现爆轰波，则会导致夹层处出现反射和折射作用，拉压应力产生应变作用，并出现局部的震动，导致山体的稳定性受到影响。

5.3 缺少大规模计算模型

在现场收集资料时会受到外界因素的影响，使的数值模型大多数是以二维或者简化的三维地质模型为主，模型材料与本构关系之间也存在问题，所以在研究滑坡形成机制时存在漏洞。为了确保数值分析结果与实际状况之间更为接近，可对现场资料进行全面收集，尤其是掌握地下开采的相关参数，可建立更为精准的三维模型。

6 地下采矿地质灾害的防治方法

6.1 合理制定开采计划

在矿产开采过程中，会引发一系列的地质灾害问题，大部分与开采方式不合理相关。在地下开采过程中，许多开采企业采取传统的生产方式进行开采，所选择的开采技术未及时更新，从而遗留下诸多安全隐患。为了减少地质灾害的发生，维护工作人员的生命安全，就应当制定科学可行的安全开采计划，结合矿区的实际情况，选择不同的地下开采方法，并制定周期性开采计划，使得开采效率、开采质量得到保障，并保障开采的安全性，控制地质灾害的发生。

6.2 运用科学开采技术

地下开采容易引发山体崩滑等地质灾害，而导致地质灾害的原因与开采技术密切相关，因此需要根据开采情况以及开采计划，合理选择开采技术，并在开采过程中综合考虑周围环境与工作人员的生命安全，保障地下开采工作的有序进行。传统开采技术缺乏科学理念的支持，工作人员也极易忽视各项安全因素，导致地下开采损失严重。在新时代下，地下开采需要综合考虑各项地质灾害的发生因素，并合理应用开采技术，控制废弃物质的形成，将经济与安全放在相同位置。

6.3 构建灾害预警体系

在防治地质灾害过程中，构建完善的预警体系能够起到有效的预防作用，现代地质灾害预警体系的建设，需要合理应用信息技术等先进技术，使得地质灾害的管理水平得到有效提升。一般情况下，在构建地质灾害预警体系时，可将常见的地质灾害类型作为主要内容，而后结合信息技术、物力勘查技术等，完善地质灾害预警系统，全方位动态监测可能出现的地质灾害。一旦出现异常，预警体系能够及时报警，工作人员可采取恰当的处理措施，预防地质灾害带来的风险，控制地质灾害带来的破坏，保障地下开采的安全性。