Study on geological hazards of closed large-medium open coal pit
WANG Lai-gui1, LIUXiang-feng1, YAO Zai-xing1, WANG Jian-guo2, JI Yu-shi2, ZUGuo-lin2
(1·Institute of Engineering Mechanics, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;2·Fushun Branch, Coal Science Research Institute, Fushun 113000, China)
Abstract: Most large-medium open coal pits in China will reach their designed service life span and will be closed within next ten years. Those closed coal pitmay induce a large number of geological hazards and cause a series problems on social security, economic development, environmental protection, etc. Based on the research of geological hazards induced by large and medium open coal pits during their service period, the possible types of geological hazards that might occur with the closure of open coal pits, such as side slope deformation, landslide, induced earthquake, water systemvariation, have been proposed. Meanwhile, the inducing factors of those geological hazards have also been discussed. Four suggestions of disposing and managing close pits are given at the end of the paper.
Key words: large-medium open coal pit; closed pit; geological hazard; deformation; landslide; induced earthquake; wa-ter system variation
引言
我国有大中型露天矿山300多个,其中80%为金属、建材和化工原材料矿山,煤炭露天矿虽在数量上不如其它露天矿山,但在规模和产量上却有特点。大型露天矿年产量在1000万t以上的有130个,其余中型露天矿都在300万t以上。大中型露天矿的开发、生产形成了众多的资源依赖型城市,它们依存矿山的开采而发展。伴随着资源开采的兴衰,城市的经济与之对应。大多数矿山已经开采数10年,到了开采后期,如抚顺西露天矿是我国最早开采的露天煤矿,已开采到最底部,预计2007年闭坑;阜新海州露天矿已开采50余年,接近达到设计年限,预计2008年闭坑;阜新新邱露天矿已在10年前闭坑;平庄西露天矿已开采40余年,设计年限为2011年。这些露天煤矿的特点是: (1)占地面积大。如抚顺西露天矿和排土场占地为42·6km2,占抚顺市区面积的27%,阜新市的海州露天矿、新邱露天矿及其排土场占市区面积的1/4; (2)灾害种类多。历史上,露天煤矿在设计时并没有考虑或没有充分考虑到生产过程中的各种灾害,对闭坑后出现的各种灾害更是难以顾及。生产过程中发生的灾害种类包括变形(边坡变形、塌陷、地面沉降、地裂缝等);边坡和排土场滑坡(平面滑坡、楔体滑坡、圆弧滑坡、倾倒滑坡、崩塌、复合滑坡、泥石流等);地震(天然地震、诱发地震);水系变化(地表水渗流、地下水位升降、成湖、水质污染、软化岩石、诱发地震);其它灾害(残煤自燃,岩土风化,水土流失等); (3)发生频率高。在露天矿,每年都发生数起较大规模的阻碍生产的大中型滑坡,尤其在春季融冰和雨季; (4)治理难度大。灾害一旦发生,治理就要花费大量的人力物力。如抚顺西露天矿在日伪统治的1945年下盘滑落岩石750万m3,埋没了全部采煤工作面,致使东西两大卷扬运输系统中断12a,直到1957年才完成清理,恢复正常生产。结束阜新海州露天矿工作西部非工作帮发生大滑坡,滑落岩石16万m3,造成人车系统停产;(5)经济困难。矿区老化,灾害种类多,规模大,无足够的资金进行改造和转产。1993~1995年3年间,抚顺西露天矿灾害造成经济损失就达4亿元。如果不提前进行研究,随着闭坑时间的临近,灾害会越来越严重,直接制约着老矿区城市的经济发展、社会稳定和环境改善等重大战略问题,所以对露天煤矿闭坑后灾害发生的预研已刻不容缓。
对大中型露天煤矿闭坑后灾害的研究,没有现成的经验可以借鉴。但在生产过程中发生的灾害,如果治理不当,闭坑过程及闭坑后绝大部分灾害还会发生。本文以历年露天煤矿在生产过程中发生的灾害为基础,提出露天煤矿闭坑后灾害发生的类型及其防治对策,为同类露天煤矿防治灾害提供借鉴。
1 露天煤矿生产过程中发生灾害简析
表1为抚顺西露天矿典型的地质灾害一览表,表2为阜新海州露天矿典型滑坡灾害一览表。从两个露天矿历年近100次地质灾害发生的结果统计分析,导致地质灾害发生的原因主要有: (1)断层的影响。由于矿区地质条件复杂,断层和不连续面控制边坡的变形和滑动,在近100次的滑坡灾害中,约有1/2受断层和不连续面控制; (2)软岩及断层泥控制。煤系地层中多为沉积岩,其中含有大量的泥质成份,遇水强度降低,产生软化效应。同时软岩遇水膨胀,使变形能力也大大增加。断层中的断层泥与软岩具有相似的性质; (3)水与岩石相互作用。露天煤矿发生滑坡、变形、泥石流, 80%与水的直接或间接参与有关; (4)震动诱发。露天煤矿生产每天都须放泡、行车,故震动诱发源主要来自放炮、行车等释放的能量; (5)井工开采和露天开采相互影响。浅部煤炭资源采用露天开采,深部一般采用井工开采,两者有时同时进行,常常互相作用,诱发地质灾害。
2 大中型露天煤矿闭坑后可发生的灾害
闭坑后的大中型露天煤矿,由于停止生产,同样的边坡变形、破坏甚至滑动,能否造成大规模灾难性的地质灾害,除了与露天矿结构、岩层分布、断层赋存、环境条件等有关外,还与管理及防治有关。根据国内外露天煤矿生产过程所遇到的地质灾害,闭坑后的露天矿可发生的灾害主要类型有:
2·1 边坡及边帮影响范围内的变形
由于露天矿的存在,使边坡及边帮影响范围内发生变形、塌陷、地面沉降、地裂缝等。如抚顺西露天矿北帮变形影响范围内包括国家特大型企业石油一厂、发电厂、水泥厂等。不均匀变形造成石油管道破裂、厂房地基下沉、厂房墙体破裂甚至倒塌。其周围的商业区及附近的居民区也受到不同程度的影响。加之矿坑和北帮与胜利矿深部多年大规模地下开采,使露天矿北帮几乎全部处于井工采动后的岩移扰动范围,向北影响范围近1 km。根据最新观测结果,变形仍在进行,局部尚有加快趋势,直接威胁附近人民的生命安全,造成城市地质生态环境进一步恶化。
2·2 边坡和排土场滑坡
由于大中型露天煤矿开采深度大,形成高大陡边坡。如抚顺西露天矿最深处已达442m,最终坡角为30~34·5°;阜新海州露天矿设计最深处为350 m。随着时间的推移,深度加大,所暴露的弱面就越多,开挖使岩体结构越来越弱化,围岩的支承能力逐渐减小;同时,为了更多地开采煤炭,剥离与开采的矛盾日益突出,整个露天矿的结构趋于不稳定,具有发生大规模滑坡的潜在危险。排土场为松散的粒状材料,随着时间的推移,风化加剧,不利于排土场的长期稳定。滑坡的种类主要包括:平面滑坡、楔体滑坡、圆形滑坡、倾倒滑坡、崩塌滑坡、复合滑坡和泥石流等。无论何种形式的滑坡,对整个露天矿都可造成灾害。
2·3 地震
矿区地震可分为天然地震和诱发地震。许多矿区地处地震带,根据地震发生的周期性,近10 a又是地震发生的活跃期,天然地震是矿区岩体结构稳定性的大敌。矿区发生诱发地震的条件是充分的,一是地下开采,破坏了原有地层系统的结构,打破了原系统的平衡,使采矿过程中不断诱发地震。如阜新矿区和抚顺矿区地下开采所发生的冲击地压(岩爆或煤爆)、瓦斯突出等就诱发了地震,最高震级已达4级以上,震源距离地表很近。一般来说,诱发地震尽管强度低但烈度大,危害不小。二是露天矿生产过程中的开挖和闭矿后积水成湖,使水位升降,由此会引起地层应力发生变化。水弱化岩石,使岩体承载能力下降,加之地震动力作用,边坡的稳定性明显降低。研究表明,地震力作用,使边帮围岩不仅发生平行和垂直边坡的振动,而且由于边坡台阶和岩层分布的不均匀性及地震力来源的随机性,边帮围岩还将发生扭动变形。
2·4 水系变化
露天矿生产过程中,每年要花费大量的资金拦截疏导地表水,聚集在坑底的积水也要通过排水系统疏干。闭坑后,坑内水源主要有:大气降雨、地表水渗流、河流渗透、工业和民用废水排放及地下水补给等。如不加强管理,及时治理,露天矿闭坑后就可形成人工湖泊,并且可能并发地下水质污染、边坡岩石软化、诱发矿区地震等相关灾害。如抚顺西露天矿闭坑后形成一个10多亿m3的大坑,据测算,每年可汇入坑内的水量约有4000万m3,如果不加治理, 10~20年后,西露天矿就有可能形成一个大型人工湖。由于露天开采与地下井工开采相连,造成地下井工系统排水,使地采系统积水,排水困难,甚至直接影响正常生产。
2·5 其他灾害
在闭坑过程和闭坑后,露天矿和排土场还会发生伴生灾害,如残煤自燃、岩土风化、水土流失等。残煤自燃,影响城市的大气环境。岩土风化、水土流失不仅会污染城市地下水资源,同时还给矿区城市的环境和生态系统造成很大影响。
3 防治建议
随着一些大中型露天煤矿闭坑期限的临近,现提出以下建议,供参考。
3·1 综合治理
正如大中型露天煤矿立项设计、投入生产一样,其闭坑也是一个复杂的巨系统,它涉及到政治、经济、社会、法律、环境、生态、技术等方面的综合问题,不是哪一个部门或行业能够解决的。单从技术方面来说,灾害研究涉及采矿、地质、测量、数学、力学、机电、环保等多学科联合攻关。从时间上看,闭坑前的研究,只是一种预研,闭坑后随着大中型露天煤矿闭坑地质灾害浅析时间的推移,灾害发生的范围、程度在不同时间地点会有不同的特征,提出何种防治措施,要依据当时的条件而定。
3·2 提前规划、超前研究
大中型露天煤矿闭坑时间是可预测的,这样就可根据经济效益、社会效益和环境效益提前规划,超前研究。在总结历年来各个大中型露天煤矿生产过程中发生灾害的基础上,究其原因,寻其根源,为以后研究相关灾害提供依据。同时,对大中型露天煤矿闭坑可能发生的灾害进行预估,寻求发生灾害的机理,建立防灾减灾的理论,为防灾减灾做好理论基础。
3·3 加强监测
闭坑后发生的灾害,往往是生产过程中变形破坏的积累,利用现有的理论对监测结果进行预测,对可能引起灾害的现象,提前采取相应措施。
3·4 兼顾生产与治理
现在正在生产的大中型露天矿,距离闭坑尚有一定的时间,要边生产;边治理。特别是与环境和生态有关的治理工程,如残煤自燃、岩土风化、水土流失等。提前进行就会节省时间,达到闭坑后再治理所起不到的作用。
参考文献:
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