抚顺西露天矿区滑坡易发性评价与时空特征分析

吴季寰张春山孟华君郭 涵吴坤罡李洪嘉

1.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;2.新构造运动与地质灾害重点实验室,北京 100081;3.中国地质调查局新构造与地壳稳定性研究中心,北京 100081;4.中国地质大学(北京),北京 100083;5.辽宁有色勘察研究院有限责任公司,辽宁 沈阳 110013

0 引言

自1914年抚顺西露天矿开采至今,其已发展成为一座东西长6.6 km、南北宽2.2 km、高差超过400 m的大型露天矿坑。在西露天矿早期开采过程中,矿坑南帮的大镜面区、杨柏区、西南帮大岩崩区、西端帮等陆续发生多起滑坡事件,对矿区正常生产运营造成巨大影响;1980年前后,矿坑靠界开采和井田开采先后引发矿坑西北帮、北帮西部、北帮中部发生一系列滑坡灾害事件,不仅干扰了矿区正常生产,也对北帮水泥厂等工业设施造成一定程度的损坏(申力等,1999);近10年来,矿坑又先后发生了南帮巨型滑坡、北帮大型滑坡等数起滑坡事件。据统计(辽宁省第十地质大队,2019;赵研,2021),自1927年矿区内首次发生滑坡致灾至今,西露天矿区已先后发生地表形变21处,不同规模的滑坡77处,累计滑坡体规模5×108m3,直接威胁抚顺石油一厂、抚顺发电厂、千台山公园、4座地面泵站、坑内作业人员和设备以及周边790户2370人的生命财产安全。抚顺西露天矿区内高频次、高风险滑坡灾害引起学界广泛关注,并先后基于不同角度开展了相关研究,如区内滑坡工程地质条件研究(傅冰骏,1990)、区内易滑段稳定性研究(何满潮和霍起元,1986;陈宗基,1989;申力等,2006)、区内滑坡的变形破坏机理研究(祖国林等,1993;刘大勇,2009;崔原,2018)、区内滑坡监测预警研究(佴磊和王日勖,2010;李洪明,2019;王立文,2020)以及矿区滑坡工程治理研究等(杨天鸿等,2005;申力,2008)。这些研究成果为矿区正常运营和地质安全提供了有力的技术支撑。

随着矿界内资源逐渐枯竭,抚顺市作为东北老工业基地的能源城市转型升级需求越来越迫切,在此背景下,西露天矿开始有计划、有针对性地实施由采转治工作。为此,部分学者尝试在西露天矿区开展地质灾害易发性评价研究(纪玉石等,2006;李淑艳,2008;刘硕,2018),为矿山灾害防治和矿坑后续利用提供依据。客观上,近年来矿坑内大规模采掘和填埋压脚导致坑内地形发生巨大变化,新发滑坡集中在南、北矿帮中部区域(王立文,2020;吕佳进,2020),直接威胁对象也转变为紧邻北帮中部的抚顺发电厂、南帮的千台山公园以及周边居民;矿区滑坡较以往(以2010年首次发现南帮千台山滑坡时间为界)呈现出规模明显增加、频率降低、分布更加集中的时空差异性,这些差异性表明西露天矿区滑坡易发性发生了明显变化。目前已有研究成果尚未考虑这些变化带来的影响,因此评价结果无法系统反应矿区滑坡灾害易发性的时空变化特征,导致结果时效性、可靠性受限。文章以西露天矿区工程地质条件和采矿工程活动的时空特征为基础,基于改进频率比模型分别开展2010年前后矿区滑坡灾害易发性评价,对比分析前后时期的易发性变化趋势,为停采后矿区选择重点防治区、调整不同区域的工程治理优先级提供科学依据。

1 西露天矿滑坡灾害孕灾背景

西露天矿区位于中朝准地台胶辽台隆,属郯庐断裂东北延主要分支断裂——“敦化-密山”深大断裂西南段的浑河断裂控制区。矿区内构造发育(图1),主要控灾构造为北帮右旋兼逆冲性质的浑河断裂主断层F1、F1A,西端帮、南帮分支正断层F3、F2、F5,以及北帮西部牵引向斜和北帮中部复向斜褶曲。受构造运动控制,矿区地层以白垩系砂砾岩与古近系玄武岩、凝灰岩、泥岩、页岩和煤层,下伏太古代鞍山群花岗质片麻岩等岩性为主,其中泥岩、页岩和煤层均含有软弱结构面,矿区岩层具有南帮、东北帮向北倾,西北帮地层倒转的产状特征,形成了矿区内南帮顺向坡、东北帮逆向坡,北帮中西部顺逆兼具的坡体结构特征。据北帮地区钻孔资料揭示,矿帮岩体受历史构造面切割较为破碎,百米深度内围岩岩体质量为Ⅲ—Ⅴ级,为矿区滑坡提供有利介质条件。同时,由于矿帮主体为基岩边坡,坡体岩层断裂、节理、裂隙发育、基岩风化强烈,形成储水、导水构造,利于地下水存储运移,且矿区周边分布浑河、古城子河和南花园水泡子,补给源充足,坡体长期湿水浸润,强度不足,促使边坡变形失稳。复杂多变的坡体结构、破碎软弱的边坡岩土体和持续的地下水渗流成为西露天矿区滑坡的主控因素。

图1 西露天矿区孕灾地质背景Fig.1 Disaster-bearing geological background of the West open-pit mining area. (a) Structural distribution. (b) Geological conditions.

近年来,矿区滑坡发生的频率、规模、空间位置等较以往有了较大变化。自2010年矿区南帮千台山滑坡发生至今,坑内共发生滑坡4次,方量约4×108m3(崔原,2018),以大型、巨型滑坡为主,集中分布于南北帮中部地区。滑坡发育的位置、规模较历史滑坡分布明显不同,究其原因为近年矿坑内地形变化巨大,西部填埋,起到压坡脚作用,西部边坡稳定性提高;东部挖方,稳定性降低,导致滑坡聚集区呈现向中部迁移态势,如图2。因此文中以2010年为时间节点,将西露天矿滑坡历史分为两阶段:第一阶段为2010年前,以中小滑坡为主,主要分布在矿区西南、西北部,少量分布于北帮中部和南帮东部;第二阶段为2010年后,以大型、巨型滑坡为主,集中在矿区南、北帮中部。对比分析两个阶段矿区滑坡的时空分布特征,评价其易发性的变化,为矿坑地质灾害防治提供依据。

图2 矿区滑坡分布变化Fig.2 Distribution changes of landslides in the mining area. (a) Changes of pit topography and spatial distribution of landslides. (b) Diagram showing landslides occurred over time in the mining district.

2 西露天矿滑坡易发性评价体系

2.1 评价指标——致灾因子

综合考虑研究区内滑坡形成机理,遵循独立、可信、可获取原则,基础数据在经相关性分析后,归纳为两类七项评价指标。

(1)工程地质条件:地形地貌,地质构造,坡体结构,工程岩组,水文地质。

(2)采矿工程扰动:露天开采,井工开采。

2.1.1 地形地貌

研究区属于人工负地貌:露天矿坑,境界由人工边坡环绕组成,除崩滑改造外,整体具有人工设计、几何规整的特点。从地形角度考虑,坡度、坡高是斜坡内部应力分布和斜坡变形破坏的主要影响因素(张倬元等,2009),且通常与斜坡灾害发育呈正相关性。研究区内坡角范围0° ～57°,边坡最大高差约450 m,但由于两因子相关性系数达0.73,显著相关。因此文中引入坡形值将二者整合,定义为坡高与坡角的乘积,如公式(1):

公式中:PX代表坡形值,h代表坡高,φ代表坡度。

矿区坡形值介于0～310.81,可依据表1(吴丹等,2012;刘东燕等,2013)将矿区边坡划分为高陡坡、过渡坡、低缓坡三级,如图3a。

表1 坡形划分依据Table 1 Basis for slope shape classification

2.1.2 地质构造

西露天矿区地质构造十分发育,由受多期次历史地质作用逐渐形成的北东东向浑河断裂带、断裂活动伴生形成的倒转向斜和复式褶曲共同组成的矿区构造系统,直接控制了矿区地层建造和坡体结构,间接控制了滑坡发育的介质条件,进而影响矿区滑坡的发育。如北帮主向斜、复褶皱和断层 F1基本控制了北帮边坡的岩性组合和坡体结构,导致北帮不同地段滑坡发育情况呈巨大差异。同时,断裂具有对周围的岩石构造定向化作用和岩体强度削弱效应,结合西露天矿开采改变地表浅部局地应力环境,导致浑河断裂浅表发生活化,促使早期形成的处于挤压闭合状态的密集节理面、片理面等软弱面逐渐张开,成为地裂缝、沉陷带和滑坡等灾害的位移陡变带,控制滑坡灾害变形扩张的边界。矿区构造影响带见图3b。

2.1.3 坡体结构

坡体结构是影响斜坡稳定性的关键因素,由矿坑边坡坡向和地层产状共同控制。受浑河断裂牵引褶皱影响,北帮西部主向斜控制地层,呈轴迹北东向,轴面倾北西的斜卧闭合向斜式展布,北帮中部复褶皱控制地层产状呈拖曳揉皱状;矿区其余部分地层受控于浑河断裂,整体倾向北北西。将地层产状与直观的边坡坡向组合,主要斜坡坡体结构包括顺向坡、反向坡、斜切坡、主向斜控制坡和复褶皱控制坡,如图3c(申力等,1999;李爱华等,2010;崔原,2018;高安琪等,2021)。

2.1.4 水文地质

矿区地下水主要为冲洪积层潜水和基岩裂隙水。上层潜水蕴藏于浑河河谷平原内冲洪积层,接受大气降水和周边地表水系的定水头补给,浑河以2 ‰的水力坡度自北向南往西露天矿方向径流,是北帮第四系孔隙潜水层主要补给源。西露天矿南帮地下水补给以大气降水渗入为主,同时接受南花园水泡子渗流补给。矿区水文地质条件同时受人类工程活动制约,开采阶段,矿区为保证边坡安全对矿帮长期疏干排水,周边地下水以8%～15%水力坡降向矿坑径流,形成局部人工流场(郝喆等,2020;邓焱等,2021);停采阶段,随着疏干工程逐渐失效,地下水水位势必上升,边坡岩体含水量增加,强度降低,将加速边坡失稳破坏。综合近年矿区地下水位和地形变化,按图3d进行分区。

2.1.5 工程岩组

矿区内地层岩性主要包含白垩系砂砾岩与古近系玄武岩、凝灰岩、页岩和煤层,下伏太古代鞍山群花岗质片麻岩(图1)。依据岩石力学参数可将矿区岩土体划分为软岩、较硬岩和硬岩三个工程岩组(表2)。其中泥页岩、油母页岩和煤层属软岩组,砂砾岩属较硬岩组,凝灰岩及玄武岩属硬岩组(图3e)。

表2 矿坑及邻区岩体强度Table 2 Rock mass strength of the mine pit and adjacent area

2.1.6 露天开采

露天开采一方面形成了高达400多米的人工高陡边坡,是滑坡体孕育和赋存的环境;另一方面,相对于漫长地质历史时期的地应力累积,露天开采相当于短历时应力释放,会导致边坡应力重分布、突然性坡脚应力集中、斜坡应力释放和卸荷回弹,边坡表层岩层由于应力释放风化,这些变化都不利于边坡稳定。据资料统计(辽宁省第十地质大队,2019),矿区内采矿挖角直接诱发的历史滑达39次。根据近年地形变化,按图3f进行分区。

2.1.7 井工开采

西露天矿井工开采全部位于北帮边坡下部,其主要影响是导致浑河断裂浅部活化和北帮边坡岩体质量降低,进而引起边坡变形失稳。井工开采一方面加剧了北帮边坡内部应力调整,使得应力环境更加复杂;另一方面,施工方式和采空区分布导致边坡内部塑性变形不同程度扩张,破坏了边坡内部岩体结构的完整性,不利于北帮边坡稳定。据野外实测,在矿区北侧电厂诱发北东东向地裂缝14条,可推知在更靠近地下采空区的北帮坡体内部亦存在多处因井工开采而张开的结构面。据采空分布,按图3g分区。

图3 矿区滑坡易发性评价因子Fig.3 Factors in landslide susceptibility evaluation in the influence zone of open pit mining in the mining area. (a) Topography. (b) Structure-influenced zone. (c) Slope structure (modified after Shen et al., 1999;> Li et al., 2010;> Cui, 2018;> Gao et al., 2020). (d) Underground water depth. (e) Engineering rock group. (f) Open-pit mining influenced zone. (g) Underground mining influenced zone.F1, F1A-Main fault of the Hunhe Fault;> F1-1-No.1 brunch fault of the Hunhe Fault;> F1-2-No.2 brunch fault of the Hunhe Fault;> F1-3-No.3 brunch fault of the Hunhe Fault.

2.2 评价模型——改进频率比

频率比模型 (Frequency Ratio,FR)广泛应用于地质灾害易发性评价方面,其原理是通过对灾害与某一地质环境因子类型或等级的灾害覆盖关系分析获取相应单一因子频率比值,以单位面积内累计因子频率比为检验该区灾害易发性的评价标准(仉义星等,2019)。这种模型优点在于能够客观真实地反映致灾因子的空间变异性与灾害事件之间的敏感关系,但具有统计模型的明显缺陷,即忽略各因子对灾害发生影响程度的差异性(王雪辉等,2019;周静静等,2019;王昌明等,2019;万佳威等,2020)。为增加评价结果的可靠性,现对传统频率比模型进行优化,提出改进频率比模型 (Improved Frequency Ratio,IFR):

公式中:i代表第i项致灾因子,j代表某因子内第j级或类,m代表评价因子总数,n代表某因子可细分的级别数或类别数。FijR代表第i项致灾因子内第j级或类的传统灾害频率比,P(Landslide)代表研究区内历史滑坡覆盖率,在单次评价中为定值,P(Landslide｜Factorij)代表第i项致灾因子内第j级或类分布区的历史滑坡覆盖率。Cvi代表第i项致灾因子内各级或类的频率比变异系数。IFR代表滑坡易发性指数,是特定位置处各因子的加权频率比之和。

相较FR,IFR引入变异系数反映因子间致灾差异性。变异系数作为概率分布离散程度的归一化量度,具有突出样本数据内部差异的性质,而各因子内部不同等级或类型的差异程度是决定该因子对灾害发生贡献程度的关键,因此取均一化处理后的各因子内部不同等级或类型频率比的变异系数进行因子赋权以弥补FR的不足。

3 西露天矿滑坡易发性评价与时空特征分析

3.1 不同时期的西露天矿滑坡易发性评价结果

由于2010年前后矿区滑坡的分布、规模差异巨大,将矿区滑坡史分为前后两阶段。根据两期滑坡灾害数据,文中选择了上述7项致灾因子,基于改进频率比模型分别计算西露天矿区不同时期的滑坡灾害改进频率比,计算结果见表3。

表3 不同期次致灾因子各类别的改进频率比Table 3 Improved Frequency Ratio of disaster-triggering factors in different periods

综合分析致灾因子累计频率比和频率比排序,可知矿区内最主要滑坡致灾因素为坡体结构、工程岩组和地下水埋深。通过多因子叠加计算,可得矿区内2010年前滑坡IFR介于[0,14.38],取自然间断点:5.31、8.28、11.24。2010年后滑坡频率比介于 [0,14.23],取间断点:5.08、7.28、10.10。两期IFR分段协调性高于87.8%,因子权重与自然间断点取值合理,具有可对比性。评价结果如图4a、4b,对比2010年前后的滑坡易发性分布见表4。

图4 矿区滑坡易发性变化对比Fig.4 Changes of landslide susceptibility in the mining area. (a) Landslide susceptibility zoning prior to 2010. (b) Landslide susceptibility zoning after 2010. (c) Change of landslide susceptibility. (d) Numerical model. (e) Contour map of deformation rate under natural conditions. (f) Contour map of displacement in the north side under natural conditions.

表4 2010年前后矿区滑坡易发性对比Table 4 Comparison of landslide susceptibility in the mining area around 2010

3.2 讨论与分析

(1)通过2010年前后的评价结果对比(表4)可知,矿区内不同区段的滑坡易发性存在不同程度的增减,(图4c):矿区西北帮全区易发性大幅降低,约占矿区面积17.59%;矿区东部环边界50～500 m处易发性轻微降低,约占21.24%;矿区北帮中段与南帮中、西段顶端滑坡易发性增加,约占23.26%;其余地区易发性程度不变,约占37.91%。

(2)2010年前后矿区滑坡易发性变化的原因分析如下。易发性降低区,西端帮历史滑坡发育,经近十年填埋压脚等工程治理后,该区域边坡高差由280 m缩减为80 m,滑坡发育的地形条件明显改善,边坡稳定性大幅提高。矿坑东帮“U”型环边界区域易发性轻微降低与近年西露天矿采掘向矿坑中部转移有关,受人工扰动明显减少,边坡应力重分布,达到新的平衡,因此2010年后少有滑坡发生。

易发性增加区,矿坑北帮坡体结构可分为西部主向斜控制坡、中部复褶皱控制坡和东部反倾坡,中西两段为易滑坡体结构。但北帮西段在进行了坡脚填埋等工程治理后,坡度大大变缓,不利于滑坡发育。中段尚未全部完成削坡和压坡脚工作,存在高达350 m的边坡,坡度由上至下为33°～38°,是复褶皱结构的泥页岩凸型高边坡,不利于边坡稳定。这点可从两方面证明:①近年滑坡实例表明,中部区域曾于2014年、2015年和2016年接连发生3起坡体垮塌事件,规模分别为3.4×104m3、69×104m3和313.6×104m3,呈递增趋势;②综合考虑岩土体物理力学参数(表1)、地下水(图3d)以及边界位移条件影响,通过建立矿区数值模型开展现状下的模拟分析,揭示了当前矿区内变形速率、位移峰值均分布于矿坑北帮中部(图4d—4f)。所以中部边坡的滑坡易发性相对最高。此外,矿坑南帮的中、西段顶部滑坡易发性增加。南帮巨型滑坡发生后,滑坡后缘形成了沿东西向展布“Y”型拉陷槽(长约1.8 km,高差大于30 m,宽50 m以上),槽体两侧地形起伏加剧,汇水能力进一步增强,有利于南帮滑坡持续蠕滑,为拉陷槽南侧坡面发育小型滑坡提供了地形条件。

4 结论与建议

(1)基于改进频率比模型对矿区工程地质条件和采空工程扰动两大类致灾因子进行分析,最利于矿区内滑坡发生的具体因子主要是坡体结构、工程岩组和水文地质条件。

(2)2010年以后西露天矿区滑坡易发程度分为高、较高、较低和低易发4级,高易发区占矿区面积25.87%,较高易发区占比34.06%,两区范围较2010年以前减少1.294 km2,减少原因主要是填埋压脚、疏干减排等工程治理措施和露天采煤向矿坑中部转移,人工扰动减少,分别使得矿坑北帮西部和南帮东部滑坡易发性降低。矿区较低易发区占比1.16%,低易发区占比38.91%,与2010年之前对比,低、较低易发区相应增加,增加的部分由高、较高易发区转化而来,当前主要分布于矿区北帮东西部以及矿区东西端帮。

(3)对比两个时间段的矿区滑坡易发性,矿坑北帮中段与南帮中西段顶部滑坡易发性增加,尤其是北帮中段地区在当前闭坑阶段或后期矿区改造阶段应加大监测与工程治理措施的力度;西北帮全区滑坡易发性大幅降低,维持监测与边坡疏水等基本措施即可;东部环矿区境界50～500 m处滑坡易发性轻微降低,在保证安全的同时,可适当减少治理投入。