彬长矿区环境地质灾害的分析预测

2005/12/5 11:04:26

摘要　在系统分析彬长矿区主要环境地质灾害特征及成因的基础上，确立了矿区各类地质灾害评价预测的原则与数学模型，依据计算与分析结果，将矿区划分为稳定区、次稳定区、危险区和极危险区，并确定出了8个灾害段。
关键词　环境地质灾害　斜坡变形　开采塌陷

ANALYSIS AND PREDICTION OF ENVIRONMENTAL
GEOLOGY DISASTERS IN BINCHANG AREA

Yang Meizhong Ju Tianyi Ma Dongmin Wang Guirong
Xi'an Science and Technology Institute,Xi'an 710054)

Abstract By means of the analytical research on the characteristics and origin of main environmental geology disasters in Binchang coal mine area,the principle and mathematical model for evaluating and predicting the disasters have been determined. According to the calculating result,the area is divided into stable, substable, dangerous and extremely dangerous divisions.Furthermore,the eight disaster sections are also selected out.
Keywords environmental geology disaster, slope deformation, extraction collapse.

1　矿区概况

　　彬长矿区位于陕西省北部的长武、彬县和旬邑三县境内，矿区面积约1 270 km²。彬长煤矿区以地方与个体煤矿开采为主，区内有中、小型煤矿24个，主要分布在旬邑与彬县两县境内，长武为待开发区，1998年开采原煤能力约3 Mt。
　　彬长矿区基本上为黄土覆盖，除少数地带为基岩出露的土石山区外，绝大部分属黄土丘陵沟壑区及黄土高原沟壑区。区内各煤矿主要分布在黄土沟壑区的沟道沟坡边缘。矿区地质构造形态为北西缓倾的单斜，倾角2～8°，断层稀少，煤系地层及煤层基本沿区内平缓向斜分布。含煤地层为中下侏罗统延安组，共含煤8层，其中以8＃煤层为主要可采煤层，煤厚0.10～23.86 m，平均厚7.67 m，其它煤层为局部可采。
　　彬长矿区由于内、外地质营力的共同作用加之人类工程活动的影响，地质环境非常脆弱，尤其是近年来矿区实施以煤炭建设为主的经济开发战略，导致矿区范围内环境地质灾害事件频繁发生，环境状况急剧恶化，严重制约了矿区经济发展。矿区环境地质灾害类型多、分布广、发生时间与空间分布上有较为明显的规律性，影响因素上有明显的一致性，构成了矿区开发影响下的环境地质灾害系统。

2　斜坡变形

　　据调查资料，区内各类斜坡、边坡数量多、分布广，更严重的是许多斜坡目前正处于活动状态和极限稳定状态，有的已构成滑坡或崩塌等斜坡变形灾害。
2.1　滑坡
　　滑坡是矿区一种常见的环境地质灾害，同时也是斜坡变形的主要类型，它是矿区斜坡变形中规模大、危害重、成因及性质又较复杂的一种环境地质灾害现象。
　　70年代以来，矿区内相继发生了多处大、中型滑坡，危害严重。据研究分析，导致矿区滑坡的原因主要为：(1)矿区原地貌环境差，洪水汇集下沟冲力大、下切力强，致使沟脑发生滑坡；(2)沟底比降大，一般都在10％以上；(3)沟崖临空大，坡体临空失稳易形成滑塌；(4)汛期雨水多，地下水位升高，诱发滑坡；(5)地下开采引起的地面变形，破坏了斜坡原始应力状态形成滑坡。
2.2　崩塌
　　矿区自然陡坡多，且斜坡多由晚更新世和中更新世黄土层组成，垂直节理发育，加之切坡、采矿等人类工程活动的影响，崩塌灾害点分布广、致灾重。据调查统计，矿区内90％的崩塌均发生在人工切坡地段，而人类工程活动仍在不断加剧，已形成了众多的危险边坡，潜在灾害威胁巨大。据分析，在不考虑人为因素影响条件下，原生黄土质地比较致密坚硬，坡度大于50°、相对高度在30 m以上易发生崩塌；次生黄土结构比较松散，坡度在40°左右即会发生崩塌。矿区内崩塌灾害的产生于斜坡的边缘，主要是由于斜坡应力的释放，形成与陡坡平行的卸荷裂隙，随着物理风化而日渐扩大，并与节理、开采沉降裂缝等结构面复合，逐渐形成连续的贯通分离面，在地表水或人类工程活动影响下失稳变形。
　　矿区崩塌灾害的孕育与发生，时间上取决于季节性降水过程，空间上取决于人类工程活动(采石、采煤、切坡)等外部诱发扰动因素，造成人员伤亡事故的崩塌多与人为不合理工程活动密切相关。

3　开采地面塌陷

　　彬长矿区多是地方煤矿开采，虽年开采量少，但其开采历史长，开采深度浅，采煤方法落后，地面保护差，加之近年来小煤窑无计划乱采滥挖，使矿区多数煤矿采空区出现了不同程度的地面变形，形成采空地面裂缝和沉陷等，致使采空变形区内房屋毁坏、窑洞变形、破坏道路、耕地或工程设施，同时诱发滑坡等斜坡地质灾害，加速了矿区水土流失。从实际调查与观测资料分析，矿区地面塌陷有以下特点：(1)下沉系数大。较非黄土覆盖区增大28％，初采下沉系数可达0.85以上；(2)移动角大，一般冲击层移动角45°，而矿区黄土层移动角一般为53°～64°；(3)地表移动变形周期短,传递速度快，地表最大下沉主要发生在活跃期阶段；(4)在梁峁沟谷斜坡带易诱发山体滑坡等重力型
地质灾害，在塬上平坦区表现为下沉盆地。

4　水土流失

　　彬县、旬邑、长武三县是陕西省水土流失重点县，矿区1 270 km²的土地水土流失面积占81.4％，侵蚀模数2 546 t/(km^2.a)，其中黄土高原沟壑区表现最为严重，年均侵蚀模数3 367 t/(km^2.a)，平均冲刷深度2.3 mm；其次为黄土丘陵沟壑区，年均侵蚀模数为2 451 t/(km^2.a) ，平均冲刷深度1.6 mm；土石山区地面完整或植被较好，水土流失较轻，侵蚀模数为282 t/(km^2.a)，平均冲刷深度0.1 mm。矿区水土流失类型主要为重力侵蚀、水力侵蚀和泥流等，而由于矿区短期经济利益驱动的不良耕种方式周而复始造成生态平衡破坏的恶性循环，致使水土流失加重，不合理的人类工程活动对破坏了的矿区生态平衡又是雪上加霜，二者叠加造成新的更大面积和强度的水土流失是矿区水土流失愈来愈重的主要原因。

5　矿区环境地质灾害的评价预测

5.1　评价预测的原则与方法
　　针对彬长矿区环境地质灾害特点，评价预测的基本原则：一是根据矿区地质地貌、岩性结构、水文气象条件的组合分布与发育特征；二是根据目前环境地质灾害调查和历史灾害事件活动的频度、强度和空间上的分布特征；三是根据斜坡现状及伴随地质环境变迁、未来的发展变化趋势；四是根据人类工程活动的区域、强度、规模等因素的组合特征。
　　目前矿区环境地质灾害的评价预测，主要是以致灾所涉及的经济损失指数和人员伤亡指数为量度依据，即用双因子来标度灾害的大小。矿区灾害的预测分三级进行，一级、二级主要为区域空间上的划分，三级主要是灾害程度上的划分。一级划分是从较大范围内(地区或矿区)笼统地划分出环境地质灾害的危险区或稳定区；二级划分是在一级划分基础上对某一范围内(分区或井田)依据环境地质灾害的发育程度、分布特征及链状关系，圈定出危险带或灾害多发区与易发区；三级划分则是危险区段的进一步划分，主要结合矿区人文要素及工程活动状况，分析环境地质灾害造成明显的环境质量下降或造成严重灾害损失的地段或井田。目前，矿区环境地质的恶化程度—单位面积内灾害的数量及损失程度尚无统一的评价标准，一般按矿区所在地经济发展状况及灾害损失的承受能力给定或赋值。结合彬长矿区经济与社会发展状况，重灾段灾度因子可定性分为三级。分级标准如下表：

矿区环境地质灾害危害程度分级标准

分级	伤亡人数/人	直接经济损失/万元
危害严重	>10	>100
危害较大	1～10	10～100
中、小危害	0	<10

5.2　环境地质灾害预测评价
　　多因子叠加，综合评判的预测可采用：

式中：P_i为地质背景要素；
　　　d_i为外动力地质作用因素。

式中：P₁为岩体结构指数；
　　　P₂为介质结构指数；
　　　P₃为应力场指数；
　　　P₄为地下水模型指数；……。

式中：d₁为人工破坏强度指数；
　　　d₂为大气降雨影响指数；
　　　d₃为地下采矿或坡脚开挖影响指数；
　　　d₄为河流侧蚀影响指数；……。
　　可根据矿区实际调查、计算给定。
　　上述各要素指数，可据矿区实际情况赋值，影响程度越大，赋值越小，取值基准可根据经验公式或方便观测为依据。如河流侧蚀影响指数，U形谷可取d=1，而V形谷可取d=0.5，在河流的拐点则取d=0.25等。
　　根据灾害分级情况，在环境地质灾害的二级或三级危险带内，灾害可能造成的潜在经济损失和人员伤亡可用下式计算：
　　Lo=V^.a　　　P_α=M^.b
式中：Lo为环境地质灾害经济损失值；
　　　V为社会固定资产价值；
　　　P_α环境地质灾害人口伤亡值；
　　　M为矿区或某区人口总数；
　　　a为各种环境地质灾害平均损失率；
　　　b为各种环境地质灾害平均伤亡率。
　　　a和b值在实际调查中获取，V值可包括房地产值、工农业总产值和设备损失值等。
　　依据矿区地质灾害对环境造成的影响及预测评价，结合矿区地质灾害的空间展布规律和灾害系统评价，矿区可分为百子沟、三水河、水帘河极危险区，彬县太峪危险区，泽河北坡次稳定区和外围稳定区。同时，据上述计算式预测出环境地质灾害损失情况，依据实际调查数据和计算分析矿区在灾害分区的基础上可划分出8个重灾段，即百子沟重灾段、彬县水帘煤矿灾害段，彬县城关火石咀煤矿灾害段、彬县新堡子乡灾害段、彬县太峪乡煤矿灾害段、旬邑原底煤矿灾害段、旬邑黑沟煤矿灾害段、旬邑城关镇灾害段。
　　以上8个灾害段，目前环境地质灾害对人民生命财产和工农业生产的威胁很大，是矿区今后防灾减灾工作的重点。
　　彬长矿区环境地质灾害系统的构成一般均与人类工程活动有关，尤其是煤矿建设与开采，人类活动往往是致灾的主要诱发因素，其与自然因素叠加作用致灾更重。加强矿区地质环境管理，规划矿区人类活动，把环境地质灾害的防治与矿区可持续发展协调统一起来，使资源开发—地质环境—人类活动三者尽可能保持动态平衡，保证彬长矿区煤炭资源的持续开发创造一个良好的环境。

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