抚顺西露天矿采空区北部区域地质灾害风险评估与适应性评价研究

陈 毓

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

抚顺西露天矿作为中国露天采矿史上唯一的一座连续开采的百年露天矿，该矿为国家经济建设做出了重要贡献。石油一厂、发电厂及水泥厂位于抚顺西露天矿采空区北部区域，该区域属于井工开采与露天开采复合影响区域[1]。多年来，该区域的岩土体风化、变形破坏等环境工程地质问题和地表稳定性问题，一直表现得十分突出[2]。开展区域矿山地质灾害综合整治、地质环境重建对抚顺市的生态环境文明建设具有显著的经济效益[3-4]。

前苏联学者通过建立岩体弹性基本模型，分析了采空区上覆岩体在弹性条件下的沉降破坏机理，认为地下井工开采是造成地表沉陷的重要原因[5]；Hausse等建立了覆岩变形移动与地表下沉间的相关理论模型，认为采空区上方有“三带”分布的沉陷模式[6]；曹兰柱等采用SLOPE/W软件建立数值模型，基于检测数据分析了滑动区边坡工程治理前后的稳定性，并对治理措施的有效性进行了评价[7]。目前，在实际工程应用领域中，地表沉陷数值模拟及地质灾害风险评估的应用最为广泛，然而，在国内外相关理论和实验的研究中，数据的选取和理论模型的建立相对理想化[8-10]。笔者以抚顺西露天矿采空区北部区域为研究对象，通过划分地质灾害类型，提取影响地质灾害的控制因子，建立基于权重分析的地质灾害风险评估模型，进而综合评价研究区内石油一厂、发电厂及水泥厂厂区的地表适应性。

1 研究区区域地质背景

研究区由西向东依次分布着水泥厂、石油一厂及发电厂，位于抚顺市区南部的抚顺西露天矿北帮的北侧，属于井工开采、胜利矿井田与抚顺西露天矿开采复合影响区域，该区域面积为1.24 km2。抚顺水泥厂、石油一厂及发电厂厂区交通位置如图1 所示。

图1 抚顺水泥厂、石油一厂及发电厂厂区交通位置图

1.1 水文气象条件

研究区地处北—中温带半湿润季风性气候区，四季温差较大。据抚顺市气象台近5年气象资料[12]显示，市区平均气温为6.6 ℃、平均降水量为702.9～1 291.0 mm/a、 7～8月降水量占全年的1/2。

距离研究区北部约1 000 m处为主干河流(浑河)，枯水期平均流量为8.5 m3/s，汛期平均流量为221 m3/s，年平均流量为46.5 m3/s，平均流速为1.6 m/s。矿坑北帮与河床之间冲积层连续分布，基底以约0.2%坡度缓向矿坑，浑河成为定水头充水补给源。

1.2 地质构造与地震

研究区内有6条规模较大的断层，其中，F1断层自西向东在矿坑北帮上部沿走向共揭露1 600 m，是控制北帮上部边坡稳定性的主要地质构造因素；受胜利矿、西露天矿等采煤活动的影响，F41断层在研究区东侧产生的局部影响较大。

根据辽宁省地震动参数区划，研究区抗震设防烈度为7度，峰值加速度为0.10g，反应谱特征周期为0.35 s，该区域受地震影响并不严重[11]。

1.3 地层岩性与岩土体工程地质组合单元

抚顺煤田为一套新生代老第三系内陆沼泽相沉积地层。煤田内地层系统包括太古界鞍山群、下白垩统龙凤坎组、老第三系抚顺群和第四系，其中，太古界鞍山群为一套浅红/灰绿或灰白色花岗片麻岩、黑云母片麻岩或角闪片麻岩；下白垩统龙凤坎组自下而上依次为暗紫色砂质页岩、暗紫色砂质页岩夹玄武岩、杂色凝灰碎屑岩、砾岩和杂色砂页岩。前两者构成煤田基底和下部地层，地层系统各组赋存于煤系向斜核部和两翼。研究区内存在软硬岩石互层岩组、硬岩岩组、砂/页岩及砾岩互层岩组、断层泥—构造角砾岩岩组、花岗片麻岩岩组和冲积层松散岩组工程地质空间组合单元。

2 采空区地质灾害类型与形成机理分析

抚顺西露天矿采空区北部区域是人类工程活动强烈的影响区，区内环境和地质构造复杂、断裂规模大、岩性岩相变化大，岩土工程地质性质和工程水文地质条件不佳[12-14]。基于对区域及周边地段地表沉降、破坏和水文地质等资料的分析研究，综合现场实地勘察认为，研究区内地质灾害及隐患主要包括：倾倒—座落滑移变形、倾倒滑移变形、沉陷滑移变形、滑坡和地裂缝。

2.1 倾倒—座落滑移变形

露天采掘造成F1断层出露标高降低、下盘支撑减弱后，碎裂介质镶嵌结构的玄武岩变形使其后岩体松弛，碎裂结构砂页岩组及第四系冲积层在地下水作用下产生压密变形，形成一系列反映座落压密性质的北高南低裂缝。虽然地表及28干线下沉达 2～3 m，前缘F1断层带隆起近1 m，但由于其倾倒—松弛—压缩变形性质，并未形成因应力集中而导致的岩体内剪损带[15-17]。在变形边界条件未被进一步破坏的情况下，没有形成大规模滑坡。该类采空区地质灾害归结于碎裂介质镶嵌结构控制下的倾倒—座落滑移变形，主要位于研究区西部的水泥厂区域。

2.2 倾倒滑移变形

研究区北帮靠界、边坡加陡，由于绿色泥岩在牵引主向斜北翼的陡倾与倒转，加之绿色泥岩与褐色页岩的软、硬相间的互层结构，极易产生倾倒变形。边坡加陡导致顺层滑移段尺寸减小、抗力降低，在倾倒段岩体倾倒力推压下产生顺层滑移；当倾倒岩柱底面破裂且贯通时，整个倾倒滑移变形体将以滑坡的形式产生破坏[18-19]。倾倒段使各梯段的倾倒变形迭加，扩大了倾倒变形的影响范围。该类地质灾害主要发生在研究区中段的石油一厂区域。

2.3 沉陷滑移变形

当露天与地下联合开采同一煤层时，因露天开采诱发地下开采岩移活化或地下开采重复采动引起边坡变形，进而产生沉陷滑移变形。特定的地质条件、矿井采动及边坡体地下水位是地质灾害形成与地质灾害破坏规模的主要控制因素[20]。由于降雨可引起地下水位变化及对地层软岩体冲刷，进而促进沉陷滑移变形的发生。因此，该类地质灾害具有突发性等特点。该类地质灾害主要分布于研究区地下开采活跃的发电厂区域。

2.4 滑坡

研究区内软(褐色页岩)、硬(绿色泥岩)互层泥岩占边坡总面积的88%，层厚比为1∶3，其中，绿色泥岩厚度为1.0～10.0 m；褐色页岩厚度为0.3～2.0 m，最大厚度不超过5.0 m。滑坡体主要由绿色泥岩或软硬互层绿泥岩组成，含少量灰绿色泥灰岩，滑动面为褐色泥质页岩。在扬起端向斜核部和复式褶皱区，褐色页岩间流动明显、层理清晰并发育有剪切带，形成泥化层(厚度1～10 cm，最大厚度小于20 cm)。虽然泥化层总厚度不大，但由于遇水泥化，强度急剧降低，在工程状态和降雨诱导作用下极易沿泥化层发生错动，进而发生较大规模的滑坡。

统计显示，研究区内现有滑坡37个，其中，西露天矿西区有26个，中部有11个，主要分布在水泥厂厂区东南部和石油一厂厂区南部。部分滑坡体分布如表1所示。

表1 部分滑坡体分布

2.5 地裂缝

当矿井开挖或岩土体岩性差异导致岩土体变形、塌陷或断层带沉陷时，由于地表岩土体水平、垂直差异运动形成了地表开裂裂缝。在研究区内，地裂缝常伴随滑坡、边坡变形等地质灾害发生，距离采空区最近的石油一厂厂区地裂缝最为发育。由于采矿活动引发岩土体内部裂隙或孔隙增大、增多，在地下水潜蚀、渗透的综合作用下使岩土体发生变形，断裂集中地段发生地面沉陷进而形成地裂缝。

3 地质灾害判据因子分析

通过研究地质灾害类型与形成机理发现，研究区地质灾害控制因素包括自然与人为工程。考虑研究区现阶段区域状态与地表建筑等因素，将研究区地质灾害判据因子划分为：地质背景条件因子、人为工程背景因子、地质体现阶段稳定性因子和地表影响重要性因子。

3.1 地质背景条件因子(X1)

地质背景决定了地质灾害的类型和强度，地质背景越复杂，越容易发生地质灾害。在研究区内，断层附近、构造翼部及含软岩泥岩的顺层岩体区域为复杂地质背景条件；断层附近或含软岩泥岩的顺层岩体但非构造翼部区域为较复杂地质背景条件；远离断层或陡峭断面、顺层岩体但非构造翼部或非顺层岩体区域为简单地质背景条件。根据研究区地质结构分布情况将地质背景条件因子划分为复杂、较复杂和简单3种，地质背景条件因子值分别为3、2、1，对应地质灾害判定条件划分为容易、较易和不易发生。

3.2 人为工程背景因子(X2)

人为工程是造成地质灾害的重要诱因，在研究区，人为工程背景因素主要包括：露天开采、地下开采形成的采空区、地面工程震动、生产活动等。根据人为工程改造程度、采空区范围和边坡坡度等参数，结合采空区岩体性质变化等因素，将研究区人为工程背景因子划分为易引发、较易引发、不易引发地质灾害3种类型，对应因子值分别为3、2、1。根据生产及闭坑时采矿技术特征、最终帮坡角(或采空区)及历史上发生滑坡采煤沉陷等地质灾害的情况对比分析，确定抚顺西露天矿闭坑最终边坡坡度对应分类为：易引发滑坡(最终边坡角≥32°)，对应因子值为3；最终边坡角约30°，历史上发生过滑坡或虽常发生滑坡但已有内排压脚，为较易发生滑坡，对应因子值为2；最终边坡角<28°或历史上未发生过滑坡的边坡，为不易发生滑坡，对应因子值为1。

3.3 地质体现阶段稳定性因子(X3)

在没有诱导因素引发的前提下，活动后的地质体在自适应能力下逐渐恢复至稳定的动态平衡。在研究区内，地质体活动主要体现为边坡滑坡。根据边坡的稳定性系数的储备充足、储备中等、储备不足和临界值4种状态进行因子赋值。其中，当地质体稳定性储备充足，不易发生地质灾害，因子值赋为1；当地质体稳定性储备中等，在无大型诱导因素(如：暴雨、采空区塌陷等)作用下，地质体不易发生地质灾害，因子值赋为2；当地质体欠稳定，如火车等地表震动、降雨导致的地下水位变化均可能导致一定范围的地质灾害，因子值赋为3；当地质体极度不稳定，该类地质体通常是刚发生过地质灾害不久尚未达到稳定状态的地质体，因子值赋为4。

3.4 地表影响重要性因子(X4)

评估地质灾害影响时，地质体状态是核心因素，对人类生产生活影响而言，地表建筑体的重要性是其需要考虑的另一个重要因素。

在研究区，地质灾害影响区内分布着居民建筑、重要工业建筑、铁路、公路等，是地质灾害风险评估必须考虑的因素。依据以人为本的分析思路，将各种场所划分为重要、中等、一般3种评估类型，对应因子值分别为3、2、1。地质体表面存在居民建筑物、重要工业建筑时，地质灾害会对人们的生产生活造成重大损失，因子赋值为3；地质体表面为公路、铁路、绿化区等时，地质灾害不易造成重大经济人员损失，因子赋值为2；地质体表面为荒地、农田等，地质灾害一般不会对人类生产生活造成较大影响，其损失是可控的，因子赋值为1。

4 地质灾害风险评估模型的建立

对研究区地质灾害控制因素分析可知，地质背景条件、地表影响重要性为地质灾害风险评估定性判别因子；人为工程背景为定性、半定量判别因子；地质体现阶段稳定性为定量判别因子；各因子之间具有相关性、因果性和迭代性。由于研究区位于矿业城市之中，研究区地质灾害具有环境地质条件复杂、工程活动多样(露天开采与地下开采复合作用)、城市对灾害发生敏感等特点，因此采用多因子判定才能更确切地符合实际。根据不同地质体状态和参考控制因素对地质灾害的影响程度，建立基于权重分布的地质灾害风险评估模型，其表达式如下：

(1)

式中：Z为地质灾害风险评估系数；n1～n4为地质灾害判据因子X1～X4对应的权重系数。

以研究区已发生的37次滑坡体、18次地质塌陷与大型地裂缝地质灾害为例，选取16次地质灾害为样本，通过SPSS软件，利用主成分分析法确定各灾害判据因子的权重系数分别为：n1=1.28，n2=1.03，n3=0.88，n4=1.50。

根据研究区地质体现场调查结果，建立了33个样本的灾害评估数据表，将其与对应地质灾害危险程度值(1～4)对应，得到研究区地质体灾害风险分布情况。地质灾害风险评估样本分布如图2 所示。

图2 地质灾害风险评估样本分布图

在研究区，Z>3.2时，易发生地质灾害且地质灾害可能造成较大人员伤亡与财产损失；2.1

5 研究区灾害风险分区与适应性评价

在建立地质灾害风险评估模型基础上，对研究区域实施分区、分片灾害风险评估，研究结果显示：区内水泥厂厂区主要位于安全区；石油一厂厂区和发电厂厂区中南部大部分区域地质灾害危险性大，仅北部少量区域地质灾害危险性中等。

5.1 研究区灾害风险评估分区

地质灾害分布的根本原因在于地质运动，同时，考虑到地表设施的分布，因此将研究区按照断层、厂区结构进行灾害评估分区。研究区地质灾害危险性评估分区如表2所示。

表2 研究区地质灾害危险性评估分区

5.2 分区地质灾害适应性评价

根据分区对应各判据因子，依据地质灾害风险评估模型对各区块进行地质灾害风险评估，各分区地质灾害风险评估结果如表3所示。

表3 各分区地质灾害风险评估结果

在研究区，石油一厂厂区大部分区域处于高风险区，仅北部条带区域处于中风险区，该厂区地质灾害风险系数高，抗灾害适应性差，需要重点防护；发电厂厂区较石油一厂厂区略好，但其中南部同样处于高风险区，整体适应性偏差，需要重点加固厂区中南部区域；水泥厂厂区地质灾害风险评估系数1.92，其处于安全区域，抗风险适应性好。研究区地质灾害风险分布如图3所示。

注：粉红色为高危险区域；黄色为中危险区域；灰色为安全区域。

6 结论

1)研究区地质灾害及隐患主要包括：倾倒—座落滑移变形、倾倒滑移变形、沉陷滑移变形、滑坡和地裂缝。

2)将研究区地质灾害判据因子划分为地质背景条件因子、人为工程背景因子、地质体现阶段稳定性因子和地表影响重要性因子。

3)建立了基于权重分析的地质灾害风险评估模型，确定各灾害判据因子的权重系数：n1=1.28，n2=1.03，n3=0.88，n4=1.50。通过33个地质体现场调查结果，建立地质灾害风险评估标准。

4)研究区内水泥厂厂区主要位于安全区，石油一厂厂区和发电厂厂区中南部大部分区域地质灾害危险性大，仅北部少量区域地质灾害危险性中等，需要重点关注石油一厂和发电厂区域，制订相应的防灾减灾策略。