摘要:通過水文地質(zhì)分析和理論計算,揭示了青山河地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在和外部成因,總結(jié)治理的經(jīng)驗教訓(xùn),提出了最佳治理方案,經(jīng)過實施,遏制了地質(zhì)災(zāi)害的危害程度,為地質(zhì)災(zāi)害治理作了成功的探索。

　　關(guān)鍵詞:地質(zhì)災(zāi)害,災(zāi)害成因,災(zāi)害治理

　　青山河位于銅綠山礦南露天西側(cè),由南向北流入大冶湖,流域匯水面積7~8km2,主要接受大氣降雨補給,為間歇性小溪,最大瞬間洪水流量為6.44m3/s,最高洪峰水位為23.13m。該河中下游距南露天礦采場約50m,屬喀斯特地貌,1980年代開始產(chǎn)生沉陷、塌坑現(xiàn)象。

　　隨著南露天開采境界增大,深度加深及周邊抽取地下水,特別是進入20世紀(jì)末,周邊小井采掘深度越來越深,每年汛期,洪水決堤、漫壩,從塌坑灌入溶巖,造成采礦的極大隱患。銅綠山礦及當(dāng)?shù)卣�府對該河進行了長達(dá)20多年的治理,但由于對地質(zhì)災(zāi)害規(guī)律的認(rèn)識和研究不夠,不能從根本上遏制災(zāi)害的發(fā)生。

　　進入21世紀(jì),礦里組織技術(shù)人員作了大量地質(zhì)勘察工作,研究塌陷規(guī)律,總結(jié)歷年來的經(jīng)驗教訓(xùn)。2003年財政部、國土資源部青山河地質(zhì)災(zāi)害治理批準(zhǔn)列為礦山地質(zhì)環(huán)境治理項目(財建【2003】530號),礦山配合投入相當(dāng)資金,為探究更有效遏制和治理青山河地質(zhì)災(zāi)害創(chuàng)造了條件。

　　1地質(zhì)災(zāi)害的成因

　　1.1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

　　青山河及礦區(qū)地層為三疊系大冶群的灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r。巖漿巖為燕山早期第三次巖漿侵入形成的石英閃長巖。巖漿巖除環(huán)繞大理巖殘留體外還沿層間斷裂帶侵入與大理巖發(fā)生接觸。接觸帶為斷裂活動持續(xù)疊加的部位,進一步發(fā)育為接觸破碎帶。青山河中下游長約1000m區(qū)域的喀斯特地質(zhì)構(gòu)造與礦區(qū)破碎大理巖相連,是礦區(qū)巖溶的補給源。區(qū)域內(nèi)5~10m厚表層土下為較破碎碳酸鹽巖體,主要由大冶群第5,6,7個巖性段的大理巖組成。

　　第5巖性段(T.dy5)巖石呈黃-褐黃,略帶色,層面縫合線較稀疏,膠結(jié)構(gòu)較緊密,性脆而堅硬。

　　第6巖性段(T.dy6)層面縫構(gòu)成,膠結(jié)緊密,性較脆而堅硬。

　　第7巖性段(T.dy7)層理較閉合,膠結(jié)緊密,性脆且堅硬。

　　青山河礦區(qū)大理巖巖溶裂隙含水量的分布范圍與-500m標(biāo)高以上的大理巖殘留體相一致。含水巖自風(fēng)化帶以下的深度至少超過200m,與大理巖風(fēng)化破碎的發(fā)育深度相一致,沿接觸帶與圍巖裂隙含水層無嚴(yán)格分界線。

　　青山河靠近南露天流域,巖溶發(fā)育,以巖溶裂隙為主的地下水與西南邊坡相連為徑流通道,在洪水期,南露天坑涌水量突然增大,涌水量達(dá)168m3/h,壓力0.01~0.06MPa。

　　1.2地質(zhì)災(zāi)害的成因及演化

　　青山河地質(zhì)災(zāi)害有其發(fā)生、發(fā)展、形成的過程,是其深刻的內(nèi)部原因及特殊的外部條件共同作用的結(jié)果。

　　1.2.1流域巖溶裂隙水流的滲流及塌陷機理青山河巖溶區(qū)域地表層5~10m沖積土層,下為較破碎大理巖,從工程勘探資料可看出,有一定數(shù)量的大小溶洞分布且與南露天相連。區(qū)域近似地構(gòu)成了多孔介質(zhì)中變形場、滲流場、溫度場以及多場耦合作用的模型。假設(shè)土層和巖層為飽和與準(zhǔn)飽和的多孔介質(zhì),固體顆粒不可壓縮,水是可壓縮的,滲流服從達(dá)西定律,熱質(zhì)在固、液介質(zhì)中傳導(dǎo),對流為主。

　　3場全耦合模型的控制方程由考慮滲流與熱應(yīng)力影響的靜力平衡方程;考慮巖體骨架位移與溫度影響在內(nèi)的可壓縮流體的滲流連續(xù)性方程;以及熱傳導(dǎo)、對流及熱、液、固耦合的能量守恒方程構(gòu)成。應(yīng)用奧地利巖石工程軟件FINAL進行有限元分析。土層、巖層的參數(shù)及邊介條件分別見表1、表2。

　　分析結(jié)果表明,在3場耦合的作用下,水分遷移、固體顆粒運動而引起不均勻沉降,沉降點在域中心段比邊界多25%,沉降量中間為16.9mm,兩邊為12.9mm,水頭呈梯度降低。根據(jù)水文地質(zhì)資料進行理論計算,證明了以下事實:

　　(1)青山河巖溶區(qū)域因采礦尤其是露天采礦使地下水位從地表下1m降至-20~-90m,呈漏斗梯度分布;

　　(2)常年經(jīng)歷干旱—大氣補水—干旱的循環(huán),導(dǎo)致表土層、巖層沉降—有限恢復(fù)—再沉降,同時,土體巖體顆粒被滲流場的水不斷地運走,形成溶洞空區(qū),逐漸破壞巖體平衡,形成垮落帶,深部斷裂帶形成后,靠近地表開始形成彎曲帶;

　　(3)由于區(qū)域巖體為較破碎風(fēng)化的大理巖,又有地表水滲透,使巖體C、φ值迅速下降,加速垮陷,彎曲帶也成為斷裂垮落帶,誘成地表沉陷、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

　　1.2.2塌陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的演化

　　青山河流域原是一派山清水秀的田園景色。20世紀(jì)80年代初期,南露天向海平面標(biāo)高以下剝離日漸加深,南露天西南幫地下涌水逐漸加大。青山河出現(xiàn)小范圍塌陷,主要集中在以公路橋為中心左右約200m的河床附近,有時出現(xiàn)崩堤。汛期洪水灌入巖溶后,增加了南露天的涌水量。銅綠山礦在河床及塌陷區(qū)采取了一些工程措施,在一定程度上緩解了災(zāi)害損失。

　　20世紀(jì)90年代中期以后,一方面,周邊小礦井無序開采,形成許多未充填新空區(qū),損壞原有治水設(shè)施,大量抽取地下水使地下水位急速下降,加劇地表塌陷程度,擴大塌陷區(qū)范圍;另一方面,流域內(nèi)許多不規(guī)范的小選廠,隨意在河床筑壩欄水取水,尾砂漿又排入河床,造成河堤破損,河床淤塞,過流量大為減少,汛期洪水決堤、漫壩從塌陷坑流入巖溶,給露天及井下采礦造成極大威脅,不僅嚴(yán)重制約礦山正常安全生產(chǎn),而且植被破損,影響環(huán)境保護,還引起復(fù)雜的工農(nóng)關(guān)系問題。

　　2地質(zhì)災(zāi)害治理的探索

　　2.1傳統(tǒng)治理的歷程及誤區(qū)

　　知道塌陷區(qū)與采礦排水的對應(yīng)關(guān)系后,對小范圍的塌陷一般采用簡單的拋石回填,對河堤也是簡單地恢復(fù),對塌陷嚴(yán)重的河床采用或石填、或鋼砼、或鋼板直鋪,最后用鋼板河床。結(jié)果每年投入巨大,收益甚微,未能有效地解決問題。進入21世紀(jì)后,地質(zhì)災(zāi)害危害程度呈上升趨勢,主要存在以下誤區(qū):

　　(1)對塌陷區(qū)危害的嚴(yán)重性、長期性認(rèn)識不足,抱有僥幸心理;

　　(2)對塌陷區(qū)產(chǎn)生的發(fā)展規(guī)律研究不夠,認(rèn)為只要回填扎實,將河堤做牢固就一勞永逸;

　　(3)治理方法單一,沒有綜合性措施;

　　(4)對亂采亂挖、亂排亂放制止不力。

　　2.2治理方法

　　2.2.1水泥帷幕注漿堵水方法

　　離南露天西南幫永久性開采境界50~100m,長約500m處,布置兩排鉆孔,孔徑DN100,孔深100~200m,注漿配合比為水∶水泥∶砂=0.7∶1.0∶0.5,水灰比盡量取小值;注漿壓力控制在2.5~6.0MPa;每孔水用量為1.5~8.0t。在破碎第5巖性段約150m長段,孔距由15~20m改為10m,注漿水泥改為加入高標(biāo)號425華新水泥,縮短初凝時間,提高早期強度,同時加入添加物料,改善提高堵水效果。經(jīng)鉆孔取樣,膠結(jié)凝固構(gòu)造面巖石滲流作用明顯減少,露天涌水基本停止,只有少量滲流現(xiàn)象;塌陷區(qū)地下水位明顯回升到10m左右。治理效果較明顯。

　　2.2.2清理小礦井和充填空區(qū)

　　1996年后,個體業(yè)主西南有數(shù)個小礦井,無序開采,采礦量逐年增加,采掘深度逐年加深,形成不填充空區(qū)、破壞水泥幕墻防水設(shè)施,大量抽排地下水,流域地下水位又降至-45~-100m,又多次大范圍激活了塌陷地質(zhì)災(zāi)害。南露天坑地下涌水增大,曾2次造成淹設(shè)備停產(chǎn)事故,洪水漫壩沖毀農(nóng)田,損失很大。2003年,礦山與地方管理部門達(dá)成共識后,對小礦井進行清理,充填空區(qū),對滲透層進行封堵。

　　2.2.3樁基鋼砼連續(xù)槽式河床及其它治理方法

　　青山河河段、公路橋100多米長是塌陷重災(zāi)區(qū)。河床、河堤常常毀壞,是洪水灌入巖溶的重要途徑,也是治理重點。人工砼河床一層又一層,1990年,甚至采用鋼板焊制人工河床,都不能阻止地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。1998年,在公路橋兩側(cè)各100m范圍內(nèi),采用樁基鋼砼連接槽式人工河床,樁挖至基巖深1m內(nèi),并對樁基溶洞用砼充填筑實。

　　鋼砼連續(xù)槽式人工河床設(shè)計成連續(xù)箱梁,保證了結(jié)構(gòu)整體強度、剛度和穩(wěn)定性,通過洪水能力大大提高,又不影響發(fā)生塌陷時的回填,大大減少了洪水灌入巖溶。

　　汛期時,應(yīng)全面檢查青山河堤完好性、淤塞、塌陷等情況;修整河堤,疏通河道,回填塌陷坑。回填時,先用大塊石料,再鋪設(shè)土夾石碾壓,最后用500~1000m粘土覆蓋并碾壓實。有條件的地方,應(yīng)植樹恢復(fù)植被或復(fù)墾。

　　2.2.4治理成果及遺留的問題

　　2005年5月,治理項目竣工驗收合格,發(fā)揮了效能,連續(xù)2年南露天減少排水電費約100萬元以上,減少工農(nóng)賠償費30萬元以上。整個汛期保證了采礦正常生產(chǎn)、安全生產(chǎn),沒有發(fā)生洪水漫壩、塌陷大范圍復(fù)活,洪水灌入巖溶的現(xiàn)象。生態(tài)環(huán)境得到了較大改善,基本制止了水土流失狀況,大片農(nóng)田已復(fù)墾耕種,達(dá)到了治理的目的。

　　但是,極少數(shù)個體業(yè)主因利益驅(qū)動,仍有偷采、無序開采治理區(qū)地下礦藏,人為破壞地下治水設(shè)施現(xiàn)象時有發(fā)生;在治理區(qū)內(nèi)私自辦小選礦廠,亂排亂放,人為破壞地表治水設(shè)施的行為并沒徹底制止;比較系統(tǒng)的檢查監(jiān)測系統(tǒng)尚未建立,如地下水位、水壓、徑流量等數(shù)據(jù)采集等。

　　3結(jié)論

　　(1)青山河塌陷區(qū)的形成是由區(qū)域特定喀斯特地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、采礦采動與抽取地下水共同作用的結(jié)果。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻度和危害程度與采動對裂隙破碎滲水帶破壞程度、抽取地下水深度、區(qū)域內(nèi)河床暢通與完好程度、大氣降雨強度有直接關(guān)系。

　　(2)帷幕注漿,人工河床、河床加固與疏通、塌陷區(qū)回填夯實、植被恢復(fù),地下采空區(qū)充填與裂隙封堵等工程措施綜合運用,從根本上遏制了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻度,降低危害程度。同時,應(yīng)加強對塌陷區(qū)的管理,強化日常監(jiān)督檢查,處罰人為破壞違法違紀(jì)行為。

　　(3)建立塌陷區(qū)科學(xué)檢測和預(yù)報制度。塌陷區(qū)內(nèi)按水壓、水位梯度設(shè)置檢測井,定期或不定期檢測數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)進一步分析和研究,加之對塌陷區(qū)域地物地貌異常現(xiàn)象分析,作出科學(xué)而準(zhǔn)確的預(yù)報,及時采取技術(shù)、管理和工程措施,消除或減輕地質(zhì)災(zāi)害損失。

　　(4)只要該區(qū)域繼續(xù)采礦、大量抽取地下水,青山河塌陷區(qū)復(fù)活的可能性依然存在。因此,青山河地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防、預(yù)報和治理將是一項長期、艱苦的而有意義的挑戰(zhàn)。