地下采矿扰动影响区研究

薛永安,乔清海,吕义清,刘 硕,樊俊文

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.太原理工大学 地震与地质灾害防治研究所,太原 030024;3.太原市国土资源局,太原 030009;4.太原市国土资源局 万柏林分局,太原 030024)

目前,针对资源型城市(或称矿业城市)的土地资源利用多从其土地利用变化[1-2]、土地利用优化配置[3]、土地利用变化驱动因素[4]、土地集约利用[5]、生态安全[6]、生态演化[7]等方面展开研究,同时,还有学者从土地利用的角度出发进行矿业城市生态控制区的划定研究[8],但对资源型城市的土地安全利用研究较少[9-10],如何评价处于采矿区的土地资源是否处于安全状态,受人类采矿活动影响下的土地资源是否可以安全利用,是资源型城市发展不得不面对并解决的问题。当前,常用概率积分法对地下采矿区地表任意点任意方向的垂直和水平移动变形值进行预计,进而获得地下采矿扰动影响区的界线。但是,资源型城市地下采矿情况一般分为国有大矿开采、地方小矿开采和非法违法开采,其中,国有大矿的地下开采资料可以收集,所以可以进行沉陷预计,而地方小矿开采和非法违法开采资料掌握不全,开采煤层、厚度、范围等具有不确定性,因此无法开展沉陷预计。同时,地方小矿和非法违法开采区域大多位于国有大矿的矿界周围,在空间上形成了围绕大矿的小矿开采条带。因此,尽管可以使用沉陷预计方法对国有大矿进行计算,但是无法解决其边缘小矿开采的沉陷预计。本文在现有研究的基础上,初步提出了地下采矿扰动影响区的概念,对其特征、地表表现形式、调查方法进行了详细阐述,以期为资源型城市地下采矿区土地的可持续利用及再利用提供基础探索。

1 地下采矿扰动影响区特征

地下采矿扰动影响区是指地下采矿打破地质体应力平衡状态,并可能引起地表变形和破坏及可能产生地质灾害的区域。地下采矿扰动影响区的主要特征表现为:

1)关联性。地下采矿区域分为工作面、采区和矿区,单工作面、单采区和单矿区开采必然受到相邻工作面、相邻采区和相邻矿区的扰动影响,从而使扰动影响的范围呈现空间上的相互关联。

2)复杂性。地下采矿扰动是对含矿地质体原有状态的破坏,其影响程度受地质构造、顶底板岩性、采矿方法、矿体采厚和采深、采空区尺寸等诸多因素影响,从而形成一个复杂的多因素耦合地下采矿扰动体系。

3)针对性。地下采矿扰动影响不是传统的开采沉陷预计,其目的是针对资源型城市采矿区土地的安全再利用,因此划定地下采矿扰动影响范围是对资源型城市可持续发展提供本安型红线。

4)潜在性、不确定性。含矿地质体原有应力状态的被打破,再次恢复到平衡状态需要一定的时间,在这期间,自然与人为因素有可能再次诱使其失去平衡,从而发生灾害,这一过程表现为不确定性和潜在性。

5)隐蔽性、突发性。含矿地质体应力体系再次回归平衡状态过程中,其何时达到再次稳定很难评价,一旦遭遇强烈的内力或外力导致地质体急剧失去平衡,则表现为灾害的突发,在目前的科学技术下,这类灾害发生很难预计,具有隐蔽性和突发性。

6)随机性。地下采矿扰动影响讨论的不再是单一工作面、单一采区和单一矿区开采的地表影响,而是具有空间关联性的含矿地质体在实施地下采矿后的扰动影响范围,其所表现出的地表影响状况具有空间上的随机性。

2 地下采矿扰动影响区地表表现形式

地下采矿扰动影响的地表表现形式主要为:地形地貌的破坏、地面塌陷与地裂缝、崩塌与滑坡、潜在泥石流。

2.1 地形地貌

受地下采矿扰动影响,含矿地质体表面出现山体垮滑和地面塌陷,同时,崩塌与滑坡灾害地貌体涌现,对矿区原生地貌造成直接破坏,其形式见图1。

图1 地下采矿扰动影响地形地貌破坏Fig.1 Topography destruction caused by disturbance effect of underground mining

2.2 地面塌陷与地裂缝

地下采矿受开采方式及开采条件的不同,其扰动影响传递到地面后形成了塌陷盆地、塌陷坑、塌陷槽、塌陷台阶、地裂缝等,靠近山坡处还会形成陡崖。其形式见图2。

图2 地下采矿扰动影响地面塌陷Fig.2 Ground collapse caused by disturbance effect of underground mining

2.3 崩塌与滑坡

地下采矿扰动打破了原有地质体的应力平衡状态,地质结构遭到破坏,坡地重力灾害发生风险增大,表现为崩塌与滑坡,其形式见图3。

图3 地下采矿扰动影响崩塌与滑坡Fig.3 Caving and landslides caused by disturbance effect of underground mining

2.4 潜在泥石流

受地下采矿扰动影响,含矿地质体结构发生松动,山体边坡易发生岩土体崩落堆积,严重时形成崩塌、滑坡地质灾害,成为泥石流灾害发生的重要物源,从而使矿区小流域存在泥石流灾害发生的潜在风险,其形式见图4。

图4 太原市万柏林区虎峪河流域泥石流沟Fig.4 Debris flow gully in Huyuhe Basin in Wanbailin District, Taiyuan City

3 地下采矿扰动影响区调查方法

地下采矿扰动影响区调查工作涉及矿山企业多、采空分布范围广、采空形成原因复杂,且缺乏作业依据,因此,可选择资料分析法作为调查的技术手段。

3.1 调查走访,搜集历年采矿相关数据

资源型城市矿山企业多、地下采矿分布范围广、形成原因复杂、历史图件尺度不一、空间信息基准不一,且缺乏作业规范与理论依据。因此,主要收集现存的历史采矿资料、各大型国有矿井采掘资料、矿产资源开发规划资料、采煤沉陷区治理资料和煤炭资源私挖乱采分布资料等。

对于存在资料缺失的小煤矿和私挖乱采黑窑等客观情况时,可采用实地调查、访问知情人或群访,辅助该部分区域采矿扰动影响区的划定。

3.2 工作范围内的多源、多尺度数据融合

收集的数据来自不同的管理部门和矿山企业,其所采用的数据尺度、基准、表现内容等大多不同,并且各种数据来源不一、精度各异,进行后续分析之前必须对其进行融合加工,使其具有统一的空间参考模型。同时将多种尺度的数据进行制图综合,达到数据的尺度统一。

根据国家相关的基础地理信息数据的保密规定,删除所收集数据中涉及国防、军事相关的地名等信息,防止成果数据包含军事、国防等信息而泄密。

3.3 对所搜集的资料进行定量、定性分析

在定量确定地下采矿扰动影响区边界线的基础上,采用收集到的项目区内与地下矿体开采有关的资料,结合国有大矿已有的小煤矿分布图、地质构造分布图和煤层露头线分布图等对边界线进行修正,得到定量与定性综合分析的地下采矿扰动影响区。

3.4 确定地下采矿扰动影响区,并提出相应管控措施

以野外核查、调查访问的结果对前述确定的地下采矿扰动影响区进行完善,确定地下采矿扰动影响区范围,并提出有针对性的管控措施,供政府规划决策参考。总体技术路线见图5所示。

图5 总体技术路线图Fig.5 Overall technology roadmap

4 结束语

本文提出了针对地质体的地下采矿扰动影响区概念,这是一个全新的课题,为今后深入研究地下采矿区域受扰动破坏土地再利用奠定了基础。同时,为地质条件复杂、采矿时间跨度长、各种各类采矿活动变动频繁等资源型城市地下采矿扰动影响区空间分布范围调查提供了技术参考。基于本文的探讨,建议推进国家、省一级层面的科技部门开展地下采矿扰动影响专题研究,建立以含矿地质体为研究主体的地下采矿扰动影响区调查规范标准,为这一新课题的深入研究和应用提供支持。

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